микросхема выполнена по монолитной (твердой, полупроводниковой, совмещен ной) технологии, 2 — гибридная микросхема; третий элемент — две буквы, указывающие на принадлежность микросхемы к определенному функциональ ному классу в соответствии с табл. 1; четвертый элемент — двузначное число, составляющее вместе со вторым элементом номер серии; пятый элемент — число, указывающее на номер заводской разработки данной микросхемы; шестой эле мент — буква, отображающая отличие некоторых основных параметров микро схем, появляющееся вследствие технологического разброса.
Пример обозначения: К1УТ401А (Б) — микросхема широкого применения серии К140, относящаяся к классу усилителей постоянного тока, номер завод ской разработки — первый, буквенный индекс отображает рабочее напряжение: А — ± 6,3 в, Б — ± 12,6 в.
Упражнения к главе X X
1. Применение транзисторных (и особенно тиристорных) инверторов опра вдано лишь при достаточно высоких питающих напряжениях (не менее 2—5 в). В то же время солнечные батареи генерируют напряжение в десятые доли вольта. Можно ли в этом случае инверторы выполнять на мощных туннельных диодах?
2.Нарисуйте схему выпрямителя с утроением напряжения.
3.Поясните подробнее принцип работы тиристорного управляемого выпря мителя с импульсно-фазовым управлением (см. рис. 150, г).
Р А З Д ЕЛ Ч Е Т В Е Р Т Ы Й
ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
Глава XXI
СИСТЕМЫ СВЯЗИ
Важнейшими задачами, решаемыми с помощью радиоэлектрон ной аппаратуры, являются передача и прием информации. Носителем информации всегда является сигнал, физическая природа которого может быть самой различной, однако структура его однозначно связана с переносимой информацией.
§ 85. Элементы теории информации
Теория информации, являющейся одной из составных частей кибернетики, ставит своей основной задачей: а) изучение структуры сигналов и ее количественную и качественную связь с отображаемой информацией; б) установление общих законов передачи, приема, обработки и хранения информации; в) создание теории оптимальных преобразующих информационных систем.
В общем случае сообщение может быть представлено в виде набора некоторых смысловых элементов, выбранных определенным образом из множества возможных. Каждый смысловой элемент сообщения переносит тем большее количество сведений, чем из большего числа элементов он выбран. То есть, чем более непредвиден для получателя набор смысловых элементов, тем большую информацию он может получить из принятого сигнала. Если общее число возможных смыс ловых элементов т, а сообщение составлено из п элементов, то число возможных сообщений составляет N — тп. Поскольку количество сведений пропорционально числу п смысловых элементов в сообще
нии, то |
количество |
информации |
принято определять как / 0 = |
= п l o g 2 |
т. Единица |
количества |
информации называется двоичным |
знаком (или битом). Принятая мера количества информации является универсальной и позволяет сравнивать различные сообщения и ко личественно определять ценность различных источников сообщений, емкость накопителей информации, оценивать потери информации при передаче, преобразованиях и т. д.
Любой сигнал характеризуется некоторой эффективной длитель ностью А7; и эффективной шириной спектра Д/. Кроме того, важной
характеристикой является превышение — отношение средней мощ ности сигнала к средней мощности шумов и помех:
tfc |
= l o g 2 - ^ |
(315) |
|
с ш |
|
Произведение Vc = At AfIIc |
принято называть объемом |
сигнала. |
Чем больше объем сигнала, |
тем большее количество информации |
он может перенести. Количество сведений, которое может быть
передано с помощью сигнала заданного объема, составляет |
|
J = |
A*A/log 2 fc -- ^ - |
(316) |
|
" ш |
|
где к = const, определяемая |
статистическими свойствами |
помех |
и сигнала. |
|
|
Важнейшим информативным параметром сигнала является его
удельная содержательность р\ Удельная содержательность |
показы |
вает, насколько эффективно используется сигнал данного |
объе.ма |
для передачи информации: |
|
Сигнал может быть передан, принят или запомнен информацион |
ной системой только в том случае, если ее параметры согласованы |
с параметрами сигнала. Согласование заключается в том, что обычно:
а) ширина |
полосы пропускания системы AF не меньше ширины |
спектра |
сигнала А/(AF ^ |
Д/); б) время действия системы |
AT |
не |
меньше |
длительности сигнала (AT ^ At); в) превышение |
средней |
мощности |
сигнала над средней мощностью помех П в системе |
не меньше |
превышения Пс |
(П ^ Пс). |
Очевидно, что |
сигнал |
может |
быть принят, передан или запомнен |
только |
такой информационной |
системой, |
у |
которой произведение |
VH с = |
AT AFII, |
называемое |
емкостью |
информационной |
системы, |
больше |
или равно объему |
сиг |
нала: Уи |
с |
^ |
Vc. |
|
|
|
|
|
|
Важнейшей характеристикой информационной системы является ее пропускная способность, определяющая, какое количество ин формации может быть передано, принято или запомнено в единицу времени:
Поскольку в любой системе имеются источники случайных помех и шумов, реальная пропускная способность всегда ниже и соста вляет
CB = bFlogi(i+-j±.), |
(317) |
|
V |
* ш / |
где AF — эффективная полоса пропускания; |
Рс — средняя мощность |
сигнала; |
|
Рщ — средняя мощность |
шумов. |
|
Информационные системы могут быть классифицированы по виду операций, ггроизводимых над информацией на: а) системы передачи информации в пространстве — системы связи; б) системы передачи информации во времени и системы хранения информации; в) системы выделения, измерения и преобразования информации.
Многие информационные системы, например универсальные циф ровые вычислительные машины, системы автоматического управле ния и регулирования и т. д., являются сложными комплексами, включающими как системы выделения, измерения и преобразования информации, так и системы связи и системы хранения информации. В этой главе рассматриваются только системы связи.
§ 86. Принципиальные основы связи
Структурная схема системы связи приведена на рис. 153. Сооб щение, которое должно быть передано, с помощью передающего устройства преобразуется в сигнал, поступающий по линии связи
Рис. 153.
в приемное устройство. В приемном устройстве осуществляется восстановление исходного сообщения из принятого сигнала. В зави симости от вида сигналов линия связи может быть выполнена или как искусственное сооружение, по которому передаются сигналы с малым затуханием, или сигналы могут распространяться в некоторой есте ственной среде. Связь может осуществляться с помощью электри ческих, световых или акустических сигналов.
Электрические сигналы могут передаваться по проводным, ка бельным или волноводным линиям связи, а также распространяться в виде электромагнитных волн в свободном пространстве земной атмосферы или в земной коре по естественным волноводам, образо ванным слоями высокого удельного электрического сопротивления. Передача световых сигналов может осуществляться в свободном пространстве или по искусственным светопроводам. Акустические сигналы могут как передаваться по специальным звукопроводам, так и распространяться в естественных однородных средах, имеющих достаточно высокую плотность, например в воде и горных породах.
§87. Электро- и радиосвязь
Внастоящее время наибольшее применение в геофизике находит электросвязь, осуществляемая с помощью проводных и кабельных линий, и радиосвязь, основанная на распространении электромаг нитных волн в земной атмосфере.
Проводными линиями связи принято называть одно-двух-трех- и т. д. проводные воздушные линии. В кабельных линиях изолиро ванные друг от друга провода скручены в один общий жгут, поме щенный в металлический экран. Коаксиальные кабели выполняются в виде гибкой металлической трубки, в центре которой располагаются электрически изолированные провода. Радиоволноводы представляют собой полые металлические трубки, внутри которых могут рас пространяться электромагнитные волны. Радиоволноводы могут обеспечивать наилучшую передачу сигналов, однако их применение ограничено десятками метров ввиду трудностей конструктивного выполнения, поскольку их геометрия должна быть очень строго выдержана по всей длине.
Основными параметрами проводных и кабельных линий связи являются распределенные по всей длине: сопротивление, индуктив ность, емкость и проводимость изоляции. Коэффициент передачи проводных и кабельных линий зависит от частоты, при этом харак тер зависимости примерно такой же, как у LC фильтра нижних частот.
Воздушные проводные линии применяются для передачи сигна лов с частотами 100—200 кгц. На более высоких частотах затухание энергии сигналов оказывается чрезмерным. Кроме того, проводная линия начинает излучать в пространство электромагнитные волны, когда их длина оказывается сравнимой с геометрическими размерами линии. Кабельные линии электромагнитных волн практически не излучают, поскольку провода в них расположены близко друг к другу, и скручены. Однако область их применения ограничена несколькими сотнями килогерц — единицами мегагерц из-за боль шого затухания.
Коаксиальные кабели, у которых распределенные емкость и ин дуктивность весьма малы, а эффект излучения не имеет места вслед ствие того, что электромагнитное поле сосредоточено внутри кабеля, применяются для передачи электрических сигналов любых частот, вплоть до тысяч мегагерц.
Помимо первичных распределенных параметров Rо, L 0 , С0 и G0 у проводных, кабельных и коаксиальных линий связи важнейшими
являются вторичные волновые |
параметры: волновое |
сопротивление |
и коэффициент |
распространения |
(коэффициент передачи). В линии |
без потерь (R0 |
= |
0, G0 = 0) под |
волновым сопротивлением zc пони |
мается отношение |
напряжения к току в бегущей электромагнитной |
волне |
|
|
|
|
|
|
|
|
(318) |
Скорость распространения электромагнитной волны в линии |
выражается как |
|
|
|
|
|
v = |
[L0C0]-4.. |
(319) |
|
Волновое сопротивление в общем случае равно |
|
|
Ro + |
iaL0 |
"j |
(320) |
|
G 0 + |
/03C0 |
J |
|
|
Для неискаженной передачи сигналов необходимо, чтобы в линии распространялась только одна волна («бегущая») по направлению к приемному концу и отсутствовали отраженные волны. Отражение волн может происходить в результате наличия различных неоднородностей в линии, и в первую очередь в результате несогласован ности входного сопротивления приемного устройства с волновым сопротивлением линии.
Если степень рассогласования велика, то вторичные отраженные волны могут очень сильно исказить форму сигнала. Поэтому необ ходимо, чтобы входное сопротивление приемника и выходное сопро тивление передатчика были бы согласованы с волновым сопротивле нием линии. При этом не только отсутствуют отражения, но и обеспе чивается наивыгоднейший режим работы, так как энергия волны сигнала полностью передается в приемник.
Если в электросвязи электромагнитные волны передаются вдоль направляющих линий, то в радиосвязи электромагнитные волны излучаются с помощью антенных систем. Излученные электромаг нитные волны (радиоволны) утрачивают связь с антенной. Распро странение радиоволн определяется электрофизическими свойствами земной атмосферы и земной коры. При распространении радиоволн вдоль земли вследствие ее конечной проводимости наблюдается поглощение энергии и поверхностные радиоволны постепенно зату хают. Радиоволны могут отражаться от земной поверхности и неоднородностей атмосферы.
В атмосфере принято различать три основные области: тропо сферу, стратосферу, ионосферу.
Тропосферой называют нижнюю часть атмосферы, до высот в 10— 15 км. Газовый состав тропосферы постоянен, однако давление, температура и плотность воздуха уменьшаются с высотой. Харак терной особенностью тропосферы является наличие водяных паров, капель воды и кристалликов льда. Диэлектрическая проницаемость тропосферы близка к единице для всех радиоволн (за исключением сантиметровых и миллиметровых). Проводимость тропосферы для всех радиоволн (кроме сантиметровых и миллиметровых) практи чески равна нулю.
Стратосфера простирается от высот 15—18 км до 70—80 км. Диэлектрическая проницаемость газов стратосферы мало отличается от единицы, за исключением слоя на высоте 60—80 км, в котором происходит поглощение ультрафиолетовой радиации Солнца озоном. Здесь газ ионизирован и диэлектрическая проницаемость меньше единицы, а проводимость сравнительно велика.
Ионосфера простирается от 70—80 км на несколько тысяч кило метров, однако на распространение радиоволн сказывается лишь
область, ограниченная 1000—2000 км. В ионосфере значительная часть разреженного газа находится в ионизированном состоянии, образуя плазму. Наибольшую плотность ионизации (наибольшее количество свободных электронов в единице объема) имеет слой F2, располагающийся на высоте 300—500 км. Плотность ионизации слоя F2 относительно постоянна и сравнительно мало зависит от времени суток. Слой Ег, образующийся на высоте около 200 км, в дневное время (в весенне-летние месяцы) имеет меньшую плотность ионизации. Ниже слоя Fx на высоте 100—130 км располагается слой Е, плотность ионизации которого еще достаточно велика и ее
величина мало зависит от времени суток. На границе |
тропосферы |
и стратосферы на высоте 60—80 км в дневное время |
появляется |
слой D с небольшой плотностью ионизации. |
|
Слоистое строение ионосферы приводит к тому, что |
распростра |
нение радиоволн в ней происходит очень сложным образом и сопро вождается поглощением, преломлением и отражением от границ раздела отдельных слоев и от различных неоднородностей в них. В то же время распространение радиоволн в тропосфере и неионизированной части стратосферы при отсутствии неоднородностей и при малой концентрации посторонних частиц (пыли, капель воды, кри
сталликов |
льда и т. д.) происходит практически прямолинейно |
и с малым |
затуханием. |
Радиосвязь .между двумя пунктами, находящимися на поверх ности земли в пределах прямой видимости, возможна как с помощью
поверхностных |
радиоволн, прямолинейно распространяющихся |
в тропосфере, |
так и с помощью пространственных радиоволн, отра |
женных от ионизированных слоев. Так как условия распространения |
радиоволн в сильной степени зависят от их частоты, весь использу емый для радиосвязи спектр частот разбит на ряд диапазонов, в пре делах которых условия распространения примерно одинаковы. В табл. 2 приводятся наименования диапазонов, которые исполь зуются в настоящее время для радиосвязи.
Особенностью распространения радиоволн 1—3-го диапазонов является: а) малое поглощение энергии поверхностных радиоволн в земле, так как их частота невелика и в земле индуцируются малые токи; б) сравнительно большое поглощение энергии пространствен ных волн в ионосфере, происходящее в результате затрат энергии радиоволн на механические перемещения электронов в ионизирован ных слоях; в) сильно выраженное явление дифракции, так как длина радиоволн в этих диапазонах очень велика; благодаря дифракции поверхностные волны этих диапазонов огибают препятствия и сфе ричность Земли практически не сказывается на их распространении; г) большая длина волны, приводящая к тому, что волны хорошо отражаются от нижних слоев ионосферы, где плотность ионизации невелика. Днем отражение происходит от слоя D, ночью — от слоя .Ё". Связь на радиоволнах этих диапазонов отличается большой устой чивостью и может осуществляться на очень большие расстояния.
|
|
|
|
Т а б л и ц а 2 |
Номер |
Название диапазона радиоволн |
Длина волны |
Частота |
диапа |
зона |
|
|
|
|
|
1 |
Гектокилометровый |
1000—100 |
км |
300 гц—3 кгц |
2 |
Декакилометровый |
100—10 |
км |
3—30 |
кгц |
3 |
Километровый |
10—1 км |
30—300 |
кгц |
4 |
Гектометровый |
1 км—100 м |
300 кгц—3 Мгц |
5 |
Декаметровый |
100—10 |
м |
3 Мгц—30 Мгц |
6 |
Метровый |
10—1 |
м |
30—300 |
Мгц |
7 |
Дециметровый |
1 м—10 |
см |
300 Мгц—3 Ггц |
8 |
Сантиметровый |
10—1 см |
3 - 3 0 |
Ггц |
9 |
Миллиметровый |
1 см—1 |
мм |
30—300 |
Ггц |
10 |
Децимиллиметровый |
1 мм—100 мк |
300 Ггц—3 Тгц |
П р и м е ч а н и е . Приняты следующие |
обозначения частоты: |
килогерц —1 кгц=> |
=10s гц; мегагерц=1 Мгц=10 в гц; гигагерц= 1Ггц= 10' гц; терагерц=1 Тгц= Ю 1 ! гц.
Особенностью |
распространения гектометровых волн является; |
а) значительное поглощение энергии поверхностной волны в |
земле: |
б) весьма большое |
поглощение энергии пространственной |
волны |
днем в слое D и ночью в слое Е. Это происходит потому, что плотность ионизации в этих слоях сравнительно мала и гектометровые волны при отражении глубоко проникают в слои. В дневное время суток (особенно летом) пространственная волна практически полностью поглощается в слое D и устойчивая связь возможна только за счет поверхностной волны на расстоянии в несколько десятков — сотен километров. В ночное время отражение происходит от слоя Е с мень шим поглощением и связь может осуществляться пространственной волной на расстоянии в сотни — тысячи километров.
Декаметровые поверхностные волны затухают весьма сильно, что не позволяет осуществлять связь на расстояниях, превышающих несколько десятков километров. Однако пространственная волна мало поглощается в ионосферных слоях D, Е, Ft и хорошо отра жается от сильно ионизированного слоя F2. Это позволяет проводить радиосвязь на расстояние в сотни — тысячи километров. При мощ ности передатчиков в десятки — сотни киловатт возможна глобаль ная связь за счет многократных отражений «ионосфера — земля — ионосфера — земля».
Характерной особенностью радиоволн 6—9-го диапазонов является очень слабое отражение от ионизированных слоев, за исключением аномально высоко ионизированных слоев, наблюдаемых
в |
годы максимума солнечной активности, |
а |
также |
при |
вторжении |
в |
земную атмосферу |
метеоритных потоков. |
Поэтому |
радиосвязь |
на |
этих диапазонах |
осуществляется в |
пределах |
зоны прямой |
видимости поверхностной волной. Под зоной прямой видимости пони мается зона с радиусом
|
г = 3,57(\ПГ1 + У¥а), км, |
(321) |
где hu h2 — высоты |
приемной и передающей антенн |
относительно |
уровня |
земли, м. |
|
§ 88. Передающие и приемные антенны
Антеннами называются устройства, применяемые для излучения и приема радиоволн. Передающие антенны преобразуют электриче ские колебания, генерируемые радиопередатчиком, в свободно рас пространяющиеся радиоволны. Приемные антенны преобразуют радиоволны в электрические колебания. Передающая антенна может быть использована как приемная (и наоборот). Важнейшим пара метром передающей антенны является сопротивление излучения Ru,
характеризующее |
мощность излучаемой радиоволны |
|
|
|
РИ = РВИ, |
|
(322) |
где / — эффективная сила тока в антенне, а. |
|
|
Сопротивление |
излучения — гипотетическая величина, |
введенная |
для удобства сравнения различных антенн. Очевидно, что |
из |
двух |
антенн лучше может излучать радиоволны та, у которой |
Л и |
выше. |
Для эффективного излучения радиоволн необходимо, чтобы геоме трические размеры антенн были бы соизмеримы с длиной излучаемой волны X.
Для приемной антенны важнейшим параметром является дей ствующая высота hA (для вертикальных антенн) или действующая длина / д (для горизонтальных антенн). Действующая высота (длина) показывает, насколько эффективно приемная антенна преобразует радиоволны в электрические колебания. Если в данной точке про странства радиоволна создает напряженность поля Е, мкв/м, то приемная антенна с действующей высотой в /гд имеет на своих выход
ных клеммах напряжение Uc, определяемое |
как |
Uc = EhA. |
(323) |
Следует иметь в виду, что действующая высота (длина) всегда меньше действующей высоты (длины) антенны. Практически любая антенна излучает (и принимает) в разные стороны по-разному, т. е. обладает определенной направленностью. В зависимости от области применения необходимы или всенаправленные антенны, или антенны с острой направленностью. Степень направленности определяется с помощью диаграмм, представляющих собой зависимость величины напряжения сигнала Uc на выходе антенны от угла поворота, отсчи тываемого от направления на источник радиоволн. Диаграмма на правленности характеризуется углом раскрыва 0, определяемым по уровню 0,7 от максимума (рис. 154, а).
Помимо ширины, диаграммы направленности антенны характери зуются коэффициентом направленного действия, показывающим во сколько раз мощность, излучаемая (принимаемая) в заданном
направлении, больше средней мощности, излучаемой |
(принимаемой) |
по всем направлениям. |
|
|
|
|
Q |
|
|
|
|
|
|
Рассмотрим |
некоторые |
антенны |
w° до' 70° |
so' 10° |
зо' |
радиостанций |
гектометровых, |
дека- |
|
|
|
|
|
|
|
метровых и метровых волн, наиболее |
|
|
|
|
|
|
io°i |
часто применяемые в геофизике. |
|
|
|
|
|
|
|
p. |
На рис. 154, б, |
приводится |
сим |
|
|
|
o,i as ' |
o,8 10 |
метричный |
полуволновой |
вибратор. |
/ Л |
Xxf*^~-^ |
|
{напряжение j |
Каждое плечо вибратора имеет длину |
|
|
|
|
|
|
|
(высоту), равную четверти длины из |
110° |
90° 70° 50° |
40° |
30 |
ге° |
лучаемой |
волны. |
|
Это |
приводит к |
S |
|
|
|
|
|
|
тому, |
что распределение тока |
(пока |
|
l |
\ |
|
|
|
|
|
\ |
|
|
|
|
зано |
пунктиром) |
в диполе происхо |
|
« |
\ |
|
|
|
|
|
\ |
|
|
|
|
дит почти |
по синусоидальному |
за |
|
|
|
1 |
/ |
|
|
кону. |
Диаграмма |
направленности |
|
А |
|
|
|
/ |
|
|
|
симметричного |
полуволнового |
ди |
|
|
/ |
|
|
|
|
в |
|
/ |
|
|
|
|
поля |
представляет |
собой |
восьмерку |
|
/ |
|
|
|
|
|
Иг ль, град |
|
|
|
(рис. |
154, в). |
|
|
|
|
|
|
|
30° |
Г- |
30° |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Напряженность |
поля на некото |
|
|
|
|
|
ее' |
ром |
расстоянии |
d |
от |
диполя при |
ПО ЙзА fetA |
|
'Л |
Напряженность |
d ^> X определяется как |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
поля £/Ста, |
|
|
Е ^ 8 5 Х |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
126° |
|
|
|
|
|
|
150° |
It 0° |
150° |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X lOYcos (^^j- cos 0 j[dsin в ] " 1 , мкв/м, |
|
|
\ |
Распределение |
Передатчик |
Я \ |
|
(TWKQ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(324) |
(приемник) |
*\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Земля |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ |
Зеркальное |
где d ~ расстояние |
до точки |
прие |
|
|
/ |
отражение |
|
направление на передатчик |
|
ма, м; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 — угол |
между |
осью |
диполя |
Приемник |
|
|
|
|
|
|
|
и направлением |
на |
точку, |
•77777777777777777*7777: |
|
|
в |
которой |
определяется |
|
|
Рис. |
154. |
|
|
|
напряженность поля. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сопротивление |
излучения |
полуволнового |
диполя |
Ra |
74 ом, |
мощность излучения Р„ — 74/ 2 , вт, действующая |
высота |
|
К_
л м.
Часто антенна выполняется в виде несимметричного полуволно вого вибратора, при этом собственно антенной является четверть волновое плечо, а нижнюю половину антенны заменяет земля (рис. 154, г). Если землю считать идеальным проводником, то
