152

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

В.Н. Осколков

Основы радиоэлектроники и связи

Учебное пособие

Утверждено

Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство

Пермского национального исследовательского политехнического университета

2012

УДК 621.37

ББК 32.84

Рецензенты:

1 Доктор техн. наук, профессор каф. КТЭ ПНИПУ

Труфанова Н.М.

2. Кандидат техн. наук, доцент,

директор Пермской КМТС Ширяев Ю.Н.

Основы радиоэлектроники и связи. Составитель к.т.н. доц. В.Н. Осколков. - Пермь: Изд-во Перм. нац. иссл. политехн. ун-та. 2012. 152 с.

Изложены вопросы передачи информации при помощи электромагнитных колебаний и принципы построения радиотехнических устройств. Изложены представления сигналов и помех, современные методы формирования, преобразования и обработки сигналов в системах передачи информации и системах связи. Освещены вопросы построения передающих и принимающих устройств, приведена классификация радиотехнических систем и принципы их построения.

Предназначается для студентов старших курсов технических вузов специальности «Проектирование и технология РЭС».

УДК 621.37

ББК 32.84

© ГОУ ВПО

«Пермский национальный исследовательский

политехнический университет», 2012

ОГЛАВЛНИЕ

Введение..............................................................................................................6

1. Электромагнитные колебания.......................................................................7

1.1. Сигналы. Классификация и определения..................................................7

1.2. Диапазоны радиоволн.................................................................................8

1.3. Структурная схема системы радиосвязи.................................................16

1.4. Гармонические колебания и их представления......................................17 1.5. Преобразование Фурье…………………………………………………..18

1.6. Спектры периодических колебаний.........................................................21

1.7. Спектры непериодических сигналов.......................................................22 1.8. Случайные сигналы....................................................................................24

2. Модуляция колебаний…………… Модуляция колебаний..................................................................................25

2.1. Понятие о модуляции. Виды.....................................................................25 2.2. Амплитудная модуляции...........................................................................25 2.3. Векторная диаграмма АМ-колебания.......................................................27 2.4. Угловая модуляция.....................................................................................27 2.5. Импульсная модуляция..............................................................................28

3. Генерирование гармонических колебаний……………………... Генери................29

3.1. Классификация............................................................................................29

3.2. Стабилизация частоты в автогенераторах................................................31 3.3. Генераторы сверхвысоких частот..............................................................32 3.4. Оптические квантовые генераторы............................................................32 3.5. Генераторы шумовых сигналов..................................................................33 4. Преобразование частоты сигналов................................................................33

5. Детектирование.............................................................................................. 35 5.1. Амплитудные детекторы.............................................................................35 5.2. Линейный диодный детектор......................................................................36 5.3. Квадратичный детектор...............................................................................36 5.4. Амплитудный детектор на операционном усилителе ..............................36 5.5. Детектирование сигналов с угловой модуляцией ....................................37

5.6. Частотный детектор.....................................................................................37 5.7. ЧМ-детектор на интегральном аналоговом перемножителе...................37 6. Радиоприемные устройства...........................................................................39

6.1. Общие сведения............................................................................................39 6.2. Приемник прямого усиления.......................................................................40 6.3. Супергетеродинный приемник....................................................................41 6.4. Автоматические устройства управления и регулировок приемника.......43

6.5. Автоматическая регулировка усиления......................................................44 6.6. Автоматическая подстройка частоты..........................................................44 6.7. Цифровая система АРУ.................................................................................45 6.8. Двойное преобразование частоты ...............................................................46

6.9. Тенденции развития радиоприемных устройств........................................46 7. р. Радиопередающие устройстваадиопередающие устройства.........................................................................47

7.1. Общие сведения.............................................................................................47

7.2. Передатчик с амплитудной модуляцией....................................................49 7.3. Передатчик с частотной модуляцией.........................................................50 7.4. Тенденции развития радиопередающих устройств..................................52 8. Системы связи…............................................................................................53 8.1. Виды систем связи.......................................................................................53 8.2. Основные характеристики и параметры систем связи.............................59 8.3. Классификация радиотехнических систем................................................62

8.4. Телевизионные (вещательные) системы.…………...................................63

8.5. Системы черно-белого телевидения...........................................................64 8.6. Системы цветного телевидения..................................................................67 8.7. Системы телевидения высокой четкости...................................................71 8.8. Системы цифрового телевидения...............................................................71

8.9. Тенденции развития телевидения...............................................................73 8.10. Радиотехнические системы обнаружения и измерения......................... 73 8.11. Радиолокационные системы......................................................................73 8.12. Радионавигационные системы..................................................................75 8.13. Системы радиотелеуправления................................................................75 8.14. Системы подвижной (мобильной) связи..................................................75 8.15. Системы сотовой подвижной связи..........................................................77 8.16. Профессиональные системы подвижной связи.......................................79 8.17. Системы персонального радиовызова......................................................79

8.18. Системы подвижной спутниковой связи.................................................80 8.19. Системы беспроводных телефонов..........................................................82 8.20. Глобальные системы связи будущего......................................................82 9.Дискретная и цифровая обработка сигналов.................................................83

9.1. Общие сведения............................................................................................83

9.2. Цифровое представление сигналов.............................................................83 9.3. Теорема Котельникова..................................................................................85 9.4. Дискретизация непрерывного сигнала........................................................90 9.5. Спектр дискретного сигнала........................................................................91 9.6. Дискретное преобразование Фурье............................................................95 9.7. Обратное дискретное преобразование Фурье............................................97 9.8. Быстрое преобразование Фурье...................................................................98 9.9. Классификация методов анализа линейных цепей..................................100 9.10. Дискретная свертка сигналов...................................................................101 9.11. Z-преобразование дискретных сигналов.................................................103 10. Цифровые фильтры……………………………………………………......103

10.1. Принципы цифровой фильтрации...........................................................103 10.2. Понятие о цифровых фильтрах................................................................105 10.3. Нерекурсивные цифровые фильтры........................................................108 10.4. Рекурсивные цифровые фильтры............................................................110 10.5. Канонические схемы рекурсивных фильтров........................................112 10.6. Частотные характеристики цифровых фильтров...................................114 10.7. Основы синтеза цифровых фильтров......................................................118 10.8. Метод инвариантности импульсных характеристик.............................119

11. Оптимальная линейная фильтрация сигнала в приемных устройствах.121 11.1 Согласованный линейный фильтр...........................................................121 11.2. Импульсная характеристика оптимального фильтра............................125 11.3. Согласованный фильтр для одиночного видеоимпульса

прямоугольной формы.............................................................................127 11.4. Согласованный фильтр для пачки одинаковых видеоимпульсов........128 11.5.Согласованный фильтр для прямоугольного радиоимпульса...............129 11.6. Понятие о квазиоптимальном фильтре...................................................130 12. Элементы теории помехоустойчивого приема .........................................130 12.1. Информационные параметры систем связи............................................130 12.2. Оценка количества информации, содержащейся в сообщении............131 12.3. Энтропия источника сообщений..............................................................132 12.4. Оценка пропускной способности канала связи с шумами....................133 12.5. Кодирование сообщений в системах связи.............................................134 12.6. Принципы помехоустойчивого кодирования.........................................137 13. Основы шумоподобных сигналов...............................................................138 13.1 Понятие о корреляционном анализе........................................................ 138 13.2. Связь между энергетическим спектром и АКФ сигнала.......................140 13.3. Шумоподобные сигналы...........................................................................142 13.4. Сигналы (коды) Баркера...........................................................................143 13.5. Функции Уолша.........................................................................................143 14. . Вейвлет-анализ в радиотехнике и связи.......................................................147

14.1. Понятие о вейвлет-анализе......................................................................147 14.2. Непрерывный вейвлет-анализ..................................................................148 14.3. Дискретный (ортогональный) вейвлет-анализ.......................................150 14.4. Сжатие информации на основе вейвлетов..............................................151 Список использованной литературы................................................................152

Введение

Современный этап научно-технического прогресса связан с революционными изменениями в передаче, обработке, преобразовании, защите и использовании информации, которые оказывают существенное влияние на все стороны жизни общества. Все это стало возможным благодаря успехам в развитии таких наук, как радиоэлектроника и теория связи.

Радиоэлектроника образовалась в результате синтеза радиотехники (радио – испускаю лучи) и электроники. Современная радиоэлектроника – это собирательное название ряда областей науки и техники, связанных с передачей и преобразованием информации на основе использования и преобразования электромагнитных колебаний волн радиочастотного диапазона.

Теория связи – в настоящее время наиболее динамично развивающаяся дисциплина. Последние годы отмечены интенсивным развитием как проводных, оптико-волоконных систем связи, спутниковых, так и подвижных систем радиосвязи. Две эти дисциплины имеют много общего и поэтому объединены в общий курс.

Фундаментом радиоэлектроники и связи была созданная в начале ХIХ в. наука об электромагнитных явлениях. М. Фарадей установил закон электромагнитной индукции (1831г.), Дж. Максвелл создал теорию электромагнитного поля (1865) и описал законы распространения радиоволн, Г. Герц впервые экспериментально получил электромагнитные волны (1887).

А. Попов впервые продемонстрировал изобретенный им грозоотметчик – первый в мире радиоприемник (1895).

Развитие радиотехники непосредственно связано с созданием элементной базы, в частности с разработкой электронных приборов для систем передачи информации на расстояние с помощью электромагнитных колебаний. Дальнейшее развитие радиотехники непрерывно ставило задачи по созданию и внедрению новых электронных элементов и узлов, что привело к появлению самостоятельной отрасли науки – электроники.

Электроника – наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и методах создания электронных и полупроводниковых приборов и устройств. Разработка в 50-х годах полупроводниковых приборов и в 60-х годах ХХ века интегральных микросхем позволило резко снизить массу и габариты радиотехнической аппаратуры, при одновременном повышении ее надежности и значительном уменьшении энергопотребления. При этом электроника четко разделилась на энергетическую (силовую) и микроэлектронику.

Микроэлектроника – раздел электроники, связанный с созданием интегральных схем – неделимых изделий, выполняющих определенные функции по преобразованию и обработке сигналов и имеющих высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов.