1. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ И УСТРОЙСТВА

1.1. Радиотехника и информатика

Для современного общества важнейшей является проблема использования информационных технологий во всех сферах человеческой деятельности. По своей значимости и актуальности она превосходит проблему дальнейшей индустриализации производства. Считается, что современное общество вступает в постиндустриальный период своего развития, который по всеобщему мнению должен быть информационным.

Специализированное учреждение ООН по вопросам образования, науки и культуры ЮНЕСКО (UNESCO – United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization) дало следующее определение информатизации:

«Информатизация – это развитие и широкомасштабное применение методов и средств сбора, преобразования, хранения и распространения информации». – Оно же и определило цели информатизации: систематизация имеющихся и формирование новых знаний, их использование обществом в целях его управления и развития.

Термин информация имеет много определений. В широком смысле информация – это результат отражения реального мира. В более узком смысле информация – это совокупность сведений о процессах и явлениях в некотором объекте (субъекте), которые подлежат хранению, передаче и преобразованию. Оба определения важны для понимания процессов функционирования систем любой сложности и предназначения. Следует также подчеркнуть подход к определению информации как меры устранения неопределенности в отношении исхода какого-либо явления.

К числу важных областей науки и техники, достижения которых играют ключевую роль в создании инфраструктуры информатизации, относится радиотехника. Именно достижения радиотехники явились основой для создания функциональной и структурной организации современных коммуникационных систем и вычислительных сетей, обеспечивающих пользователям широкий выбор информационно-вычислительных услуг с доступом к удаленным машинных ресурсам, технологиям и базам данных.

Радиотехника – это область науки и техники, связанная с практическим использованием электромагнитных колебаний для передачи, извлечения, хранения и преобразования информации. С этой целью изучаются теоретические и практические основы формирования (генерации), преобразования, передачи и приема электромагнитных колебаний радиочастотного диапазона.

Информатика – это область науки и техники, которая представляет собой неразрывное единство трех составных частей: 1) теории передачи и преобразования информации, 2) алгоритмических средств обработки информации, 3) вычислительных средств. Первая из этих частей – это то, что объединяет та-

кие понятия, как радиотехника и информатика. Поэтому совсем не случайно реализована идея наряду с термином радиотехника использовать термин радио-

информатика.

Информационный аспект работы любой системы предполагает использование определенного материального носителя информации. Физический процесс, являющийся функцией некоторых параметров и используемый в качестве носителя информации, называется сигналом. Множество состояний сигнала должно быть таково, чтобы можно было однозначно установить состояние источника информации.

В радиотехнике для представления информации и в качестве ее носителя используют в основном электрические колебания, являющиеся функциями времени. Такие колебания и называются сигналом. Поэтому термины сигнал и колебание часто заменяют друг друга. Термин колебание, под которым понимают любой электрический процесс, используют в тех случаях, когда нет необходимости подчеркивать его информационное содержание.

Сигналы являются объектами обработки и транспортировки радиотехнических систем различного назначения. Технические средства этих систем представляют собой узкоспециализированные радиотехнические устройства, которые называют радиотехническими цепями, для того чтобы абстрагироваться от их специфики и создать единую теорию их анализа и синтеза. Именно поэтому в радиотехнике предметом анализа и исследований являются два основных компонента: радиотехнические сигналы и радиотехнические устройства (це-

пи), осуществляющие формирование, обработку, передачу и прием сигналов.

1.2. Радиотехнические сигналы

Множество радиотехнических сигналов с вероятностной точки зрения делится на два больших и относительно самостоятельных класса: детерминированные (неслучайные) и случайные сигналы.

Детерминированные сигналы – это сигналы, мгновенные значения которых в любой момент времени известны, т.е. предсказуемы с вероятностью, равной единице. Они могут быть описаны определенными функциями времени. Анализ и исследование этих сигналов осуществляется с помощью математического аппарата, не связанного с теорией вероятностей.

Случайные сигналы – это сигналы, мгновенные значения которых в любой момент времени не известны, но могут быть предсказаны с вероятностью, меньшей единицы. Случайные сигналы являются объектом исследования статистической радиотехники, базирующейся на теории вероятностей, в частности на теории случайных процессов.

Большинство используемых на практике радиотехнических сигналов относится к классу случайных по двум причинам. Во-первых, любой сигнал, являющийся носителем информации, должен рассматриваться как случайный. Вовторых, в устройствах, которые “работают” с сигналами, практически всегда

имеются шумы или помехи, которые накладываются на полезный сигнал. Поэтому в любом канале связи полезный сигнал искажается при передаче и сообщение на приемной стороне воспроизводится с некоторой ошибкой.

Непреодолимой границы между детерминированными и случайными сигналами нет. В условиях большого отношения полезного сигнала к шуму, т.е. в случае, когда уровень помех значительно меньше уровня полезного сигнала, детерминированная модель сигнала адекватна реальной ситуации. При этом можно применять методы анализа неслучайных сигналов.

Вданном учебном пособии рассматриваются основные вопросы теории детерминированных сигналов: спектральный и временной анализ немодулированных и модулированных сигналов, проблемы дискретизации аналоговых сигналов, методы формирования и основных преобразований сигналов.

1.3.Радиотехнические цепи

Втеоретических основах радиотехники большое место занимают методы анализа и синтеза различных радиотехнических цепей. При этом под радиотехнической цепью понимают совокупность соединенных определенным образом пассивных и активных элементов, обеспечивающих прохождение и функциональное преобразование сигналов. Пассивные элементы – это резисторы, емкости, катушки индуктивности и средства их соединения. Активные элементы – это транзисторы, электронные лампы, источники питания и другие элементы, способные вырабатывать энергию, увеличивать мощность сигнала. Если возникает потребность подчеркнуть функциональное назначение цепи, то вместо термина цепь используется термин устройство.

Радиотехнические цепи, применяемые для преобразования сигналов, весьма разнообразны по своему составу, структуре и характеристикам. В процессе их разработки и аналитического исследования используют различные математические модели, удовлетворяющие требованиям адекватности и простоты.

Вобщем случае любую радиотехническую цепь можно описать формализованным соотношением, определяющим преобразование входного сигнала x(t) в выходной y(t), которое символически можно представить в виде

y(t) T[x(t)],

где T – оператор, указывающий правило, по которому осуществляется преобразование входного сигнала.

Таким образом, в качестве математической модели радиотехнической цепи может служить совокупность оператора T и двух множеств X {xi (t)}, Y {yi (t)} сигналов на входе и выходе цепи так, что

yi(t) T xi(t) .

По виду преобразования входных сигналов в выходные, т.е. по виду оператора T , производят классификацию радиотехнических цепей.

1. Радиотехническая цепь является линейной, если оператор T таков, что цепь удовлетворяет условиям аддитивности и однородности, т.е. справедливы равенства

где ak и bk – постоянные коэффициенты, зависящие от схемы и ее параметров. Характерно, что линейное преобразование сигнала любой формы не сопровождается появлением в спектре выходного сигнала гармонических составляющих с новыми частотами, т.е. линейное преобразование не приводит к обо-

гащению спектра сигнала.

2.Радиотехническая цепь является нелинейной, если оператор T не обеспечивает выполнения условий аддитивности и однородности. Функционирование таких цепей описывается нелинейными дифференциальными уравнениями, т.е. уравнениями, хотя бы один коэффициент которых является функцией входного сигнала или его производных.

Нелинейные цепи не удовлетворяют принципу суперпозиции. При анализе прохождения сигналов через нелинейную цепь результат определяется как отклик на сигнал как таковой. Его нельзя разлагать на более простые сигналы. В то же время нелинейные цепи обладают очень важным свойством – обогащать спектр сигнала. Это значит, что при нелинейных преобразованиях в спектре выходного сигнала появляются гармонические составляющие с частотами, которых не было в спектре входного сигнала. Возможно появление также составляющих с частотами, равными комбинации частот гармонических составляющих спектра входного сигнала. Это свойство нелинейных цепей обусловило их применение для решения широкого класса задач, связанных с генерацией и преобразованием сигналов.

Структурно линейные цепи содержат только линейные элементы, к числу которых относятся и нелинейные элементы, работающие в линейном режиме (на линейных участках своих характеристик). Линейные цепи – это усилители, работающие в линейном режиме, фильтры, длинные линии, линии задержки

идр. Нелинейные цепи содержат один или несколько нелинейных элементов. К числу нелинейных цепей относятся генераторы, детекторы, модуляторы, умножители и преобразователи частоты, ограничители и др.

3.Радиотехническая цепь является параметрической, если оператор T зависит от параметров цепи, которые изменяются со временем. Функционирова-