І тарау. Радиотехникалық сигналдар

1. 1. Радиотолқындардың таралуы және жіктелуі

Қазіргі әртүрлі радиотехникалық жүйелер мен құрылғылар көмегімен, информацияны тарату, электромагниттік тербелістерден информацияны бөліп алу, өңдеу, сақтау және бейнелеу сыяқты мәселелер шешіледі .

Таратылуға тиіс және белгілі қалыпта көрсетілген информация хабар деп аталады. Хабар телеграмма мәтіні, телефон, факс, радио, теледидар, немесе телеграф арқылы берілетін әртүрлі мәліметтер түрінде болуы мүмкін.

Хабар (информация) қандай да болмасын қашықтыққа белгілі материалды тасымалдаушы көмегімен берілуі мүмкін. Мысалы пошта арқылы хабар бергенде материалды тасымалдаушы ретінде қағаз қолданылады. Радиотехникада және байланыс теориясында хабар тасымалдаушы ретінде әртүрлі сигналдарды пайдаланады.

Сигнал (латынша signum – белгі) - кезкелген бақылау нысаны күйі туралы информацияны тасымалдайтын физикалық процесс (құбылыс). Сигнал информацияны (ақпаратты) кеңістік және уақыт бойынша тасымалдайды. Физикалық табиғаты бойынша сигналдар электрлік, сәулелік, дыбыстық ж.т.б. болуы мүмкін. Радиотехникада негізінен электрлік сигналдар қолданылады. Электрлік сигнал хабарды уақыт бойынша таратады. Сондықтан ол әрқашан уақыт функциясы болып табылады, тіпті хабар уақытқа тәуелді болмаса да.

Пайдалы байланыс каналдары бойынша таратылатын сигналды сипаттайтын көрсеткіштер бар, олар: сигнал ұзақтылығы Т_с, оның спектрі ені Ғ_с – және динамикалық диапазоны. Сигнал уақыттық процесс болғандықтан оның басы мен соңы бар, сондықтан сигнал болатын шектерді анықтайтын уақыт аралығы сигнал ұзақтылығы Т_с деп аталады.

Сигналдың спектр ені Ғ_с оның уақыт бойынша созылатын аралық ішіндегі сигналдың өзгеру жылдамдығы туралы мәлімет береді. Негізінде берілетін сигналдың спектрі шектеусіз болуы мүмкін. Бірақ кезкелген сигнал үшін, оның негізгі энергиясы жинақталған (90% ке дейін) жиіліктер ауқымын көрсетуге болады. Осы диапазонмен пайдалы сигналдың спектр ені анықталады.

Байланыс жүйелерінде таратылатын сигналдың нақты спектр енін көбінесе әдейі қысымдайды. Өйткені байланыс аппаратурасы мен желісінің өткізілетін жиіліктердің шектелген жолағы бар. Спектрді сигналдың рұқсатты бұрмалануларына сәйкес сығымдайды. Соның ішінде, телефондық байланыста сөйлесу анық болып, абоненттер бір-бірін дауыстарынан тануы талап етіледі. Осы шарттарды орындау үшін сөздік сигналды 0,3 тен 3,4 кГц жолағында берсе жеткілікті. Сөйлесудің одан үлкен спектрін беру бұл жағдайда орынсыз, өйткені аппаратураның техникалық күрделенуіне және шығындардың өсуіне әкеледі. Осыған ұқсас теледидарлық сигналдың қажетті спектр ені бейненің талап етілетін айқындығымен анықталады. Егер 625 жолы бар стандарт қолданылса, онда сигнал спектрі жоғарғы жиілігі 6 мГц болады. Бейне сигналының спектрі дыбыстық ілесе жүру спектрінен әлдеқайда ауқымды, кең бұл дыбыстық хабарлық жүйелерге қарағанда теледидарлық жүйелерді құруды айтарлықтай қиындатады.

Ережеге сәйкес, модуляцияланған сигналдың спектрі таратылатын хабардың спектрінен енділеу болады және модуляция түріне байланысты. Сондықтан сигналдар теориясында сигнал базасы деп аталатын көрсеткішті пайдаланады:

В_с = 2Ғ_с Т_с . (1.1)

Көбінесе одан жалпылау көрсеткішті – сигнал көлемін қолданады:

V_c = T_c F_c D_c, (1.2)

мұнда D_c – динамикалық диапазон.

Сигнал көлемі хабар тасымалдаушылар ретіндегі берілген сигналдар жиынтығының мүмкіндіктері туралы жалпы түсінік береді. Сигнал көлемі үлкен болған сайын, осы көлемге сонша көп информацияны “енгізуге” болады да, осы сигналды қажетті сапасымен байланыс каналы бойынша беріп жіберу қиындай түседі.

Динамикалық диапазон D_с дегеніміз таратылатын сигналдың ең үлкен ілездік қуатының, берілген тарату сапасында нөлден ажыратуға болатын ең кішкене қуатқа қатынасы. Ол әдетте децибеллмен беріледі. Теледидарлық диктордың сөйлеуінің динамикалық диапазоны, мысалы, 25... 30дБ-ге, кішкене вокальдық ансамбльдікі – 45... 66 дБ-ге, симфоникалық оркестрдікі - 75... 100 дБ-ге тең. Радиохабар таратуда каналды аса жүктемелеу үшін динамикалық диапазонды көбінесе 35... 45 дБ-ге дейін қысқартады.

Әдетте, тікелей хабарларды бейнелейтін электрлік сигналдар кішкене қуатты және төменгі жиілікті болып келеді. Физика қурсынан белгілі төменгі жиілікті сигналдар бос кеңістікке эффективті түрде сәулеленіп шыға алмайды. Оларды тікелей тек қана сымдар немесе кабельдік желілер (телефондық, телеграфтық байланыс және т.б.) арқылы беруге болады.Информацияны таратып беру үшін арнайы электрлік сигналдарды (хабар тасымалдаушылар) пайдаланады, олар ретінде бос кеңістікте жақсы сәулеленіп шығатын және таралатын қуатты жоғары жиілікті гармоникалық электромагниттік тербелістер (алып жүруші) (тасымалдаушы тербелістер), қолданылады. Осы тасымалдаушы (алып жүруші) тербелістерде пайдалы информация жоқ.Байланыс каналдары бойынша берілетін пайдалы информация (ақпарат) тасымалдаушы (алып жүруші) тербелістің бір немесе бірнеше параметрлері арқылы жіберіледі.

Электромагниттік тербелістің толқын ұзындығы оның циклдық жиілігі және жарықтың таралу жылдамдығымен мынадай формуламен байланысқан:

  с/f (1.3.)

мұнда с = 310⁸ м/с – жарық жылдамдығы; f – жиілік, Гц.

Қазіргі радиотехникада және байланыс теориясында 10 нан 10¹³ Гц дейінгі жиіліктер диапазонында (радиодиапазонда) орналасқан электромагниттік тербелістерді пайдаланады. Осындай жиіліктегі электромагниттік тербелістерді радиотолқындар (көбінесе жәй толқындар ) деп атауға келісілген.

1.1 – кестеде радиотолқындардың диапазондары мен оған сәйкесті радиожиіліктер диапазондарының жалпы қабылданған халықаралық классификациясы берілген.

1.1 -–кесте

Толқындар атауы	Толқындар диапазоны	Жиіліктер диапазоны	Ескіше атаулары
Декаметрлік	105...104 км	3 ... 30Гц
Мегаметрлік	104... 103 км	30 ...300Гц
Гектокилометрлік	103... 102 км	300 ...3000 Гц
Мириаметрлік	100 ... 10 км	3 ...30 кГц	өте ұзын
Километрлік	10 ... 1 км	30 ...300кГц	Ұзын (ДВ)
Гектометрлік	1000 ... 100м	300 ...3000 кГц	Орташа (СВ)
Декаметрлік	100 ... 10 м	3 ...30МГц	Қысқа (КВ)
Метрлік	10 ... 1 м	30 ...300 МГц	Ультра-қысқа (УКВ)
Дециметрлік	100 ... 10см	300...3000 МГц	- “ -
Сантиметрлік	10 ... 1см	3 ... 30ГГц	- “ -
Миллиметрлік	10 . .. 1мм	30 ... 300ГГц	- “ -
Децимиллиметрлік	1....0,1 мм	300 ... 3000 ГГц	- “ -
Оптикалық	100 мкм... 0,01 мкм	3 ТГц, 30000 ТГц	оптикалық диапазон

Тұрақты және сенімді радиобайланысты қамтамасыз ету үшін тасымалдаушы тербелістің толқын ұзындығы маңызды болып табылады. Информацияны таратудың нақты жүйесі үшін радиотолқындар диапазонын таңдауға электромагниттік толқындардың сәулеленіп шығуы мен таралуына, осы берілген диапазонда болатын бөгеуліктер сипатына, хабар көрсеткіштеріне, тарататын және қабылдайтын антенналардың сипаттамалары мен өлшемдеріне тәуелділігі әсер етеді.

Радиотолқындардың диапазондарға бөлінуі (1.1-кесте) негізінен олардың таралу ерекшеліктерінен туындайды да, қайсысы қандай облыста қолданылатынын анықтайды. Бұл жағдайда және осы диапазондағы радиосигналдарды генерациялаудың, қабылдаудың және күшейтудің техникалық мүмкіндіктері, берілетін пайдалы төменгі жиілікті сигналдың жиіліктер спектрі ені және берілген диапазондағы әсер ететін шуылдар мен бөгеуліктер деңгейі ескеріледі. Көрсетілген диапазондардағы радиотолқындардың таралу шарттарын қарайық.

Физикалық жағынан қарағанда жер беті әртүрлі электрлік көрсеткіштері (электрөткізгіштігі, диэлектрлік өтімділігі және т.б.) бар орта, оның үстімен радиотолқындар энергиясы таралады және ішінара жұтылады. Бос кеңістікте радиотолқындардың таралу қашықтығына дифракция құбылысы, яғни кедергілрді айналып өту, әжептәуір әсер етеді. Дифракция арқасында радиотолқындар көріну шегінен алыста жатқан қашықтыққа таралады.

Тікелей жер беті үстімен таралатын толқындарды радиотехникада жер үстілік толқындар (бет үстілік сәулелер) деп атайды. Әртүрлі диапазондағы радиотолқындардың таралуына сондай-ақ жер атмосферасы айтарлықтай әсер етеді. Жерді қоршап тұрған атмосфераны үшке бөлетіні белгілі: трапосфера, статосфера және ионосфера деп.

Тропосфера 10... 20 км биіктікке дейін созылатын атмосфераның төменгі қабаты. Тропосфера, атмосфералық қысым, температура және ылғалдылықпен анықталатын өзінің электрлік қасиеттері бойынша біркелкі емес. Сонымен қатар ауа ағындары қарқынды түрде тропосфера газдарын араластырып тұрады, бұл жергілікті біртекті еместіктердің пайда болуына әкеледі. Осының бәрі тропосферадағы радиотолқындардың таралуына әсер етеді. Тропосферадан жоғары жатқан, 50 км биіктікке дейін созылатын атмосфера қабаты стратосфера деп аталады. Мұнда газдар тығыздығы, тропосфераға қарағанда шамалы. Электрлік қасиеттері жағынан қарағанда стратосфера іс жүзінде біртекті орта болып табылады да, ол арқылы радиотолқындар айтарлықтай шығынсыз тікебағытта жарық жылдамдығымен таралады.

Стратосфера үстінде (биіктігі 20000 км-ге дейін) атмосфераның ғарыштық сәулелендіру мен күннің ультрафиолеттік сәулелері әсерінен туындайтын ионизацияланған жоғары қабатты – ионосфера орналасқан. Ауа молекулаларының ионизациясы нәтижесінде газдың оң иондары мен еркін электрондар пайда болады. Еркін электрондардың концентрациясы ұлғайған сайын, олар радиотолқындардың таралуына күшті әсер ете бастайды.

Ауаның 1 м³ – да болатын еркін электрондар санын олардың концентрациясы деп атап, N эл/м³ – пен белгілейді. Электрондар концентрациясы биіктік бойымен өзгереді. Кішкене биіктіктерде ол азғантай, өйткені ионизация энергиясы жеткіліксіз. Жоғары биіктіктерде де атмосферадағы газдың кішкентай тығыздығынан еркін электрондардың концентрациясы азғантай. 300...400 км биіктікте ионосферада еркін электрондар концентрациясы максималды көп.

Жер үстінен алыстаған сайын атмосфера тығыздығы өзгеруі және оның температураға биіктік бойынша күрделі тәуелділігі нәтижесінде ионосфера анық айырмашылығы бар үш қабат пайда болады: D, E, F.

D ионосфералық қабаты жер беті үстінен 60...90 км биіктікте орналасқан. Ол тек қана күндізгі уақытта күннің ионизациялайтын сәулеленуі қарқындылығы күштілігінен болатын ионосфераның уақытша қабаты.

Бет үстінен 100...200 км биіктікте ионосфералық Е қабаты бар. Осы қабаттың жыл мезгіліне және тәулікке байланысты тек еркін электрондардың концентрациясы өзгереді. Күн сәулесі ағыны деңгейі өзгеруіне байланысты күндіз Е қабаты төмендеу, ал түнде әлдеқайда жоғары орналасады. Ғ қабаты жер беті үстінен 120 км-ден 450 км-ге дейінгі аймақты алып жатады. Жарық толқындары сыяқты, радиотолқындар да бір ортадан екінші ортаға өткенде сынады. Ионосфераны зерттеу деп белгілі, әртүрлі жиіліктегі радио-толқындар үшін оның сыну коэффициенті биіктік өскен сайын кемиді. Осының әсерінен ионосферадағы сәулелер бағыты біртіндеп стратосфераға қарай қисаяды. Кейбір жағдайда ионосферадағы сыну соншама үлкен болып, сәулеленген радиотолқындар толық одан шағылысып жерге қайтып келуі мүмкін.

Ионосфера қабатындағы электромагниттік тербелістер сәулелердің сыну дәрежесі радиотолқынның жер бетінен ионизацияланған қабатқа түсу бұрышы  -ға, сондай-ақ олардың сәулеленіп шығу жиілігіне де тәуелді. Әртүрлі түсу бұрышындағы радиотолқындардың (сәулелердің) мүмкін болатын троекториясы 1.1,а-суретте көрсетілген.

а) ә)

1. – сурет. Радиотолқындардың таралуы: а) әртүрлі түсу бұрыштарында; ә) әртүрлі сәулелену жиіліктерінде

Радиотолқын ионосфера арқылы өтпей, оның бойымен таралатын (1-сәуле) түсу бұрышы критикалық деп аталады, ол мына формуламен анықталады:

____________

_кр = rс sin 1 – 80,8 N_э / f ² (1.4)

Егер түсу бұрыштары критикалықтан кіші болса, онда сәулелердің сынуы азғантай да, радиотолқындар ионосфераны тесіп космосқа өтіп кетеді (2-сәуле).

Критикалықтан үлкен түсу бұрыштарында сыну өте үлкен, сондықтан радиотолқындар толық ионосферадан шағылысып, жерге қайтып келеді (3-сәуле).

(1.4) қатынастан көрініп тұр, жиілік жоғары болған сайын (толқын ұзындығы қысқарған сайын), басқа жағдайға қарағанда радиотолқындардың сыну дәрежесі төмен. Өте қысқа радиотолқындар ионосферада тіпті сынбайды да, ол арқылы өтіп кетіп ғарыштық кеңістікке сәулеленіп шығады. Осындай толқындарды ғарыштық және жерсеріктік радиобайланыста қолданады. Осы формуладан, жерден тіке бағытталған (_кр0) оған ионосферадан шағылысып қайтып келе алатын сәуле үшін электромагниттік толқынның ең үлкен сәулелену жиілігін табуға болады:

_____ _____

f_кр= 80,8  9 N_Э . (1.5)

Сәулеленудің критикалық жиілігі деп аталатын f_кр жиілігі ионосфера қабатындағы электрондардың максималды концентрациясына сәйкес келіп, 2 ...10 МГц аумағында жатады. Егер радиотолқын жер үстінен еңкіш жіберілсе, онда ионосферадан шағылысу айтарлықтай болады. Жер бетінен көкжиекке жанамалап жіберілген электромагниттік толқын тербелістері жиілігі критикалық жиіліктен 3...5 есе жоғары болады екен. Осындай жиіліктің атауы максималды қолданбалы жиілік (МҚЖ) .

Ионосферадан шағылысу, сондай-ақ сыну жолымен таралатын радиотолқындар кеңістіктік толқындар (кеңістіктік сәулелер) деп аталады. Әртүрлі сәулелену жиіліктері бар радиотолқындардың таралу траекториялары 1.1, ә-суретте көрсетілген.

Енді ең көп пайдаланылатын толқындар диапазонының таралуын қарайық. Декамегаметрлік, мегаметрлік, гектокилометрлік және мириа-метрлік (олардың ұзын толқынды бөлігі) толқындардың бір маңызды көрсеткіші бар – олар теңіз суында әлсіз жұтылады, сондықтан суасты байланысы жүйелерінде қолданылады.

Теңіз суындағы осы диапазондардағы электромагниттік толқындардың бәсеңдеуі (дБ/м) келесі өрнекпен беріледі:

___

f )  0,0345  f , (1.6)

мұнда жиілік f герц өлшемінде. Терең су астында жүзетін су асты қайықтарымен қажетті радиобайланыс жасауға 500 м ден аса тереңдікке жету үшін бірнеше ондаған Гц - тен аспайтын жиіліктерді пайдалану керек. Мысалы f = 100 Гц жиілік үшін, 300 м тереңдікте (1.6) формулаға сәйкес, электромагниттік толқындардың бәсеңдеуі 90 дБ – ге тең. Осы диапазондағы табиғи электрлік бөгеуліктер көбінесе тұрақты және белгілі.

Километрлік толқындар. Жер беті үстімен екі бағытта таралады – бет үстілік және кеңістіктік сәулелермен. Осы жиіліктік диапазонда бет үстілік толқындар салыстырмалы түрде баяу өшеді де (жермен әлсіз жұтылады), дифракция есебінен 2500 км қашықтыққа дейін таралады. Одан да үлкен қашықтықтарға километрлік толқындар атмосфераның төменгі қабаттарынан шағылысу негізінде таралады. Осының нәтижесінде көп ретті кезекпе-кезек шағысулар болып, километрлік толқындар, ионосфераның төменгі қабаттары мен жердің шалаөткізгіш беті сферикалық толқындардан таралады. Осындай тарату пунктінен қабылдау пунктіне радиотолқындардың таралу түрін секірмелі деп атайды.

Километрлік толқындардағы байланыс өте тұрақталған және жыл мезілі мен аптаға әлсіз тәуелді.

Гектомертлік толқындар да километрлік электромагниттік тербелістер сыяқты бетүстілік және де кеңістіктік сәулелермен тарала алады, бірақ өздерінің ерекшеліктері бар. Осы диапазонның радиотолқындары қабылдау нүктесіне күннің күндізгі және түнгі уақыттарында әртүрлі жолдармен жетеді. Күндіз негізінен бетүстілік сәулелер таралады. Бірақ осы диапазонның жоғары жиіліктеріндегі энергияның айтарлықтай жұтылуы таралу қашықтығын жүздеген км-мен шектейді.

Күндізгі уақытта кеңістіктік сәулелер, күннің сәулесі жарығынан газды құрылымдардың күшті ионизациялану салдарынан іс жүзінде толық жұтылады. Түнгі мезгілде, ионосферада газдың ионизациясы айтарлықтай бәсеңдегендіктен, кеңістіктік сәулелердің қарқындылығы артады да, бұл гектометрлік толқындардың бірнеше мыңдаған, тіпті он мыңдаған қашықтыққа тиімді таралуына әкеледі. Түнгі уақытта байланыс жүйесінің таратып беру антеннасынан өте үлкен қашықтықтағы қабылдау нүктесіндегі туындаған электромагниттік өріс бетүстілік және кеңістіктік радиотолқындардың өзара интерференциясы нәтижесінде пайда болуы мүмкін. Сөткенің түнгі уақытында гектометрлік толқындарда қабылдаудың кейбір жерлерінде қабылданатын сигналдың деңгейінің айтарлықтай және өте тез өзгеруі болып табылатын тынып қалу эффектісі немесе фединг байқалуы мүмкін.

1.2–сурет.Тыну 1.3–сурет.Декаметрлік пайда болуы толқындардың таралуы

1 – бетүстілік толқын; 2 – бір ретті

шағылысқан толқын; 3 – ионосферадан

екі ретті шағылысқан толқын

Тынудың негізгі себебі, қабылдау нүктесі В – ға сәулелену нүктесі А-дан әртүрлі траекториямен келген екі толқынның (кеңістіктік және бетүстілік) (1.2-сурет) интерференциясы. Толқындардың жолдары ұзындығы әртүрлі болғандықтан келген сигналдардың фазалары да әртүрлі. Егер қабылдау нүктесінде толқындар синфазалы (бірдей фазалы) болса, онда олар қосылады, егер де қарама-қарсы фазада болса, олар бір-бірін өтемдейді. Бұл жағдайда қабылдау нүктесіндегі радиосигналдың амплитудасы он есе, тіпті жүз есе өзгеруі мүмкін - өте қуатты сигналдан сигнал жоққа дейін.

Декаметрлік толқындар бетүстілік сәулелермен де, кеңістіктік сәулелермен де тарала алады. Бірақта бетүстілік толқындардың жер бойымен таралуы тікелей көріну қашықтығымен шектелуі мүмкін, бұл олардың әлсіз дифракциясы және олардың энергиясының жер бетімен жұтылуының шұғыл өсуімен байланысты. Декаметрлік толқындар жер үстімен ионосферадан және жерден бір ретті немесе көп ретті шағылысу жолымен өте үлкен қашықтықтарға таралуы мүмкін. Бірақ декаметрлік толқындардағы радиобайланыстың біраз кемшіліктері бар. Соның ішінде декаметрлік толқындарға да тыну эффектісі тән. Сонымен қатар осы диапазондағы радиобайланыста үндемеу аймақтары (сигналдың болмауы) деп аталатын құбылыс бар. Бұл жағдайда бетүстілік толқындар болмайды да, ал кеңістіктік толқындар ионосферадан шағылысқанымен, осы қашықтықтарда іске қосылмайды. Декметрлік толқындардағы жер – ионосфера қабаты кеңістігіндегі энергияның электромагниттік сәулелерінің түсуі 1.3 – суретте көрсетілген.