книги из ГПНТБ / Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника учебник

сложнее — необходимо преобразовать ФИМ в АИМ или ДИМ, после чего произвести интегрирование.

Если сигнал передается в двоичном коде, то после первого (или второго) детектирования может быть произведено декодирование — преобразование кодированного сигнала в непрерывную форму. Однако в большинстве случаев это не делается, так как сигнал в циф­ ровой форме проще обрабатывать и запоминать.

§ 91 . Помехоустойчивость систем связи

Работа систем связи осложнена помехами и шумами, накладыва­ ющимися на полезный сигнал. Если уровень помех оказывается сравнимым с уровнем сигнала, то выделение и опознавание сигнала затрудняется. Когда уровень помех превышает уровень полезного сигнала, его выделение может оказаться невозможным. Одни и те же помехи по-разному сказываются на работе различных систем связи (передающих одну и ту же информацию и имеющих одинаковую мощ­ ность передающих устройств), отличающихся по принципам кодиро­ вания и видам применяемой модуляции.

При флюктуационных помехах вероятность безошибочного опо­ знавания принятого сообщения прямо пропорциональна соотноше­ нию сигнал/шум на выходе приемного устройства. Это позволяет про­ вести сравнение помехоустойчивости систем связи при различных

При детектировании происходит «сворачивание» широкополосного сигнала в низкочастотный узкополосный. При этом, чем уже полоса пропускания, тем более коррелированы шумы и тем больше их низ­ кочастотная составляющая на выходе детектора. Чем шире полоса пропускания, тем менее коррелированы низкочастотные шумы и тем больше вероятность, что их отдельные (случайные) составля­ ющие скомпенсируют друг друга. Таким образом, увеличение поме­ хоустойчивости достигается путем расширения спектра модулиро­ ванного сигнала. Следует заметить, что выигрыш за счет применения

Также дело обстоит и при импульсных модуляциях: АИМ менее помехоустойчива по сравнению с ФИМ (ВИМ) и ШИМ, что также объясняется различием в ширине спектров.

300

Для увеличения помехоустойчивости в приемниках применяются специальные устройства для борьбы с помехами, основанные на методах: а) накопления периодических сигналов; б) оптимальной фильтрации; в) корреляционной обработки; г) коррекции ошибок. Эти методы рассмотрены в главе X X I I I .

Упражнения к главе X X I

1.Почему реалытая пропускная способность системы связи зависит от соотношения сигнал/шум?

2.На каких радиочастотах возможно осуществлять радиосвязь между поверхностью земли и горными выработками (в предложении, что радиоволны распространяются только по горным породам)?

3.Нарисуйте функциональную схему радиоприемника для приема сигна­ лов фазовой телеграфии.

4.Предложите функциональную ",хему детектора для ФИМ сигналов.

Глава XXII

ОТОБРАЖЕНИЕ И ЗАПОМИНАНИЕ ИНФОРМАЦИИ

Сигналы после усиления и соответствующей обработки с помощью радиоэлектронной аппаратуры выводятся из нее и поступают к кор­ респонденту — потребителю информации. При этом корреспондентом может быть человек или радиоэлектронное устройство (например, ЦВМ).

Информация, содержащаяся в сигналах, может быть или исполь­ зована немедленно, или запоминается на некоторое время, чтобы затем ее можно было воспроизвести. Таким образом, возникают задачи отображения информации, содержащейся в сигналах в форме, наи­ более удобной для корреспондента, и запоминания информации на некоторое время с последующим ее воспроизведением и отображением в заданной форме.

§ 92. Отображение информации

Задача отображения информации, содержащейся в сигнале, воз­ никает обычно в том случае, если потребителем информации является человек, который не может непосредственно извлечь информацию из электрических сигналов. Поэтому электрические сигналы преоб­ разуются в этих случаях в оптические (в широком смысле) и акусти­ ческие.

Простейшим и наиболее широко применяемым способом преобра­ зования электрического сигнала в оптический является использова­ ние стрелочных индикаторов (гальванометров, микроамперметров, амперметров, вольтметров, ваттметров, логометров и т. д.). В этом

301

случае отклонение стрелки индикатора пропорционально одному из параметров электрического сигнала (амплитуде, фазе, частоте и т. д.).

Применение электросветовых приборов позволяет отображать дискретную информацию в световой форме — в виде светящихся цифр, букв, знаков символов и т. д. Помимо этого информация может отображаться на экранах электронно-лучевых трубок в виде двумер­ ных световых изображений.

Электрические сигналы могут также преобразовываться в акусти­ ческие, в пределах звукового диапазона частот, слышимых человеком.

§ 93. Запоминание информации

Запоминание информации может осуществляться с помощью раз­ нообразных устройств, которые можно разделить на два вида, отли­ чающихся по способу воспроизведения сигнала. К первому виду относятся устройства, в которых воспроизведение сигналов осуще­ ствляется визуально — непосредственно с помощью органов зрения человека (например, книги, записи в блокнотах и полевых журна­ лах, таблицы и графики, карты и рисунки, фотографии и осцилло­ граммы и т. д.). Ко второму виду относятся технические системы, вос­ произведение сигналов в которых возможно только с помощью раз­ личных технических устройств (устройства грамзаписи, магнито­ фоны, запоминающие устройства ЦВМ и т. д.).

Такое разделение систем запоминания информации в какой-то степени условно, так как существуют устройства, читающие книги, рассматривающие карты, рисунки, изучающие графики и т. д. Однако если в системах первого вида сигналы хранятся в форме, удобной для воспроизведения непосредственно человеком, то в системах вто­ рого вида сигналы хранятся в форме, наиболее удобной для каждой конкретной технической системы. Это безгранично расширяет инфор­ мационные возможности технических систем, так как в визуальных системах информация передается только определенным (хотя и без­ граничным) набором световых символов, отличающихся распреде­ лением интенсивности и цветовой тональности в пространстве, а в технических системах форма сигнала может быть любой, неза­ висимо от того, может ли непосредственно воспринимать этот сигнал человек или нет.

Ниже будут рассматриваться только технические запоминающие устройства. Запоминающие устройства различаются по длительности хранения на долговременные, способные хранить большой объем информации сколь угодно долгое время, и оперативные запомина­ ющие устройства, в которых информация может храниться относи­ тельно недолго (от долей секунды до десятков часов). Запоминающие устройства различаются по характеру запоминаемых сигналов на непрерывные и дискретные.

302

§ 94. Долговременные запоминающие устройства

Непрерывные и дискретные сигналы, несущие информацию, обычно запоминаются на сколь угодно большое время путем записи этих сигналов с помощью: а) шлейфового или электронно-лучевого осциллографа на светочувствительную ленту; б) перописца или ксеро­ графа на обычную или специальную бумагу; в) магнитофона на магнитную ленту, магнитный диск, стальную проволоку и т. д. Запись сигнала на магнитную ленту является одним из важнейших и наиболее перспективных технических способов хранения инфор­ мации, поскольку все другие способы записи (оптические, электро­ механические, электрохимические, электростатические и т. д.) обла­ дают меньшей информационной емкостью, практически не допускают повторной записи на носитель и требуют сложных устройств для вос­ произведения. Информационная емкость магнитной записи доходит до 108 дв. зн. на 1 м 2 магнитоносителя. Магнитограмма может вос­ производиться многократно практически без разрушения записан­ ной информации. Магнитный носитель может быть использован много раз. С помощью магнитной записи могут быть записаны сигналы с весьма широким спектром — от постоянного тока до нескольких десятков мегагерц (например, запись телевизионных сигналов с по­ мощью видеомагнитофона).

Под магнитной записью понимается процесс намагничивания по­ верхности или объема магнитоносителя в соответствии с записыва­ емым сигналом. В основе магнитной записи лежит явление гистере­ зиса — свойство ферромагнитных материалов сохранять остаточную намагниченность после воздействия на них внешнего магнитного поля. В качестве магнитоносителей используются проволока, лента, диск, лист, цилиндр («барабан»), выполненные из специального ферро­ сплава, или гибкая пластмассовая пленка с магнитным покрытием, которое содержит окислы железа ( F e 2 0 3 и реже F e 3 0 4 ) с различными присадками.

Функциональная схема устройства для магнитной записи и вос­ произведения (магнитофона) приводится на рис. 158, а. Лентопро­ тяжный механизм перемещает магнитную ленту вдоль головок стира­ ния (ГС), записи (ГЗ) и воспроизведения (ГВ) со строго заданной скоростью. Если производится запись, то магнитная лента предва­ рительно размагничивается, вследствие чего все ранее записанные сигналы стираются.

Различают три основных вида магнитной записи в зависимости от намагничивания и направления движения магнитной ленты: 1) про­ дольная, или горизонтальная, 2) перпендикулярная, или вертикаль­ ная запись; 3) поперечная запись (рис. 158, б, в, г).

В настоящее время наиболее широко применяется продольная за­ пись. Рассмотрим процесс прямой записи, при которой напряжение сигнала непосредственно подается на записывающую головку. Маг­ нитная запись осуществляется с помощью записывающей головки —-

303

кольцевого электромагнита с двумя узкими щелями. Сердечник запи­ сывающей головки выполняется из феррита или в виде набора тон­ ких кольцевых пластин из пермаллоя. Передняя щель является записывающей — магнитное поле благодаря этой щели рассеивается (рис. 158, д) и замыкается через магнитный слой пленки, намагничи­ вая его. Задняя щель необходима для предотвращения насыщения сердечника. Если в записывающую головку подать напряжение сину­ соидального сигнала, то на движущейся магнитной ленте останется

о

Q МагнитнаяГС лента D

Направление движения Магнитный слой

«магнитный след» — остаточная индукция, изменяющаяся по сину­ соидальному закону (рис. 158, е).

Длина волны записи

Магнитные силовые линии каждого магнитного следа замыкаются по воздуху, создавая внешний магнитный поток Ф в н . При воспроиз­ ведении записанного сигнала с помощью воспроизводящей магнитной

304

головки внешний магнитный поток замыкается не по воздуху, а по магнитопроводу головки, вследствие чего в обмотке головки наво­ дится э. д. с. сигнала, пропорциональная скорости изменения маг­ нитного потока.

Поскольку скорость изменения потока зависит не только от ско­ рости лентопротяжки, но и от частоты записанного сигнала, то при воспроизведении сигналов с широким спектром наблюдаются

Искажения могут быть сведены к минимуму, если работать на линейном участке кривой намагничивания. Это достигается соответ­ ствующим смещением рабочей точки записи (рис. 159, а), осуществля­ емом за счет постоянного тока, или однополярных импульсов тока, или переменного синусоидального тока весьма высокой частоты.

В последнем случае сигнал оказывается модулированным по амплитуде. Магнитная запись с амплитудной модуляцией позволяет записывать сигналы с малыми искажениями (особенно, если глубина модуляции мала) и поэтому применяется более широко, чем прямая запись, которая используется лишь для записи дискретных сигналов, представленных в цифровой форме.

Динамический диапазон при записи с амплитудной модуляцией определяется качеством магнитного слоя и может доходить до 60—

70дб.

Внастоящее время при магнитной записи помимо амплитудной модуляции применяются частотная, фазовая и импульсная модуляции.

Частотная модуляция практически полностью устраняет нелиней­ ные искажения записываемого сигнала. Однако частотно-модулиро­ ванная запись требует большого постоянства скорости движения

магнитной ленты как при записи, так и при воспроизведении, по­ скольку любые изменения приводят к паразитной частотной модуля­ ции записываемого (воспроизводимого) сигнала.

Динамический диапазон магнитной записи с частотной модуля­ цией может доходить до 100 дб и определяется не качеством магнит­ ного слоя, а линейностью модулятора и демодулятора.

Фазовая модуляция устраняет искажения сигналов за счет нели­ нейности и неравномерности движения магнитной ленты. Однако реализация ФМ записи несколько осложняется тем обстоятельством, что приходится записывать не только сигнал, но и немодулированную несущую. Это делается для того, чтобы можно было выделить информацию из воспроизведенного ФМ сигнала, для этого необхо­ димо сравнить фазы модулированного и немодулированного сигналов. Динамический диапазон записи с фазовой модуляцией составляет 80—Ю0 дб. При многоканальной записи с временным уплотнением обычно используют фазово-импульсную или широтно-импульсную модуляции, малочувствительные к нелинейности кривой намагни­ чивания и изменениям скорости протяжки. При этом один из кана­ лов отводится для записи немодулированной импульсной последова­ тельности, с помощью которой осуществляется демодуляция воспро­ изведенного модулированного сигнала.

Запись дискретных сигналов, представленных в двоичном коде, производится прямым методом. В этом случае магнитная лента намагничивается до насыщения или в одну, или в другую сторону.

Различают три метода прямой записи цифровых сигналов.

1. Импульсный метод (рис. 159, б). В этом методе при записи 1 ток в записывающей головке имеет форму импульса одной поляр­

(рис. 159, в). В этом методе при каждом изменении в двоичной после­ довательности направление тока записи меняется на обратное. При этом один знак намагниченности соответствует 1, а намагничен­

этого метода является смена полярности записывающего тока в каж­ дом шифровом такте, причем изменение полярности в одном направле­ нии соответствует 1, в противоположном — 0. Если происходит запись одинаковых цифр, то производится дополнительное изменение направления тока в головке и между тактами. Предельная плотность записи цифровой информации приблизительно составляет 5— 10 дв. зн./мм и ограничивается главным образом структурой магнит­ ного материала.

§ 95. Оперативные запоминающие устройства

Оперативные запоминающие устройства применяются для крат­ ковременного хранения информации. В большинстве случаев речь идет даже не о хранении, а лишь о задержке, запоминании части

306

сигнала на некоторое время, в течение которого сигнал обрабаты­ вается. Так, например, обстоит дело при решении задач на ЦВМ, где возникает необходимость запоминать промежуточные решения и вос­ производить их — вводить в решающее устройство по мере надоб­ ности. Выделение периодических сигналов на фоне шумов и помех корреляционными методами и методами накопления также требует запоминания (задержки сигнала) на некоторое время.

Очевидно, что практически любое долговременное запоминающее устройство может быть использовано как оперативное. Однако это не всегда желательно, так как долговременные запоминающие уст­ ройства, имея большую информационную емкость, требуют весьма большого времени (единицы — десятки секунд) для отыскания нуж­ ной в данный момент информации. Оперативное запоминающее устройство обычно обладает весьма малым временем поиска записан­ ной и нужной в данный момент времени информации (единицы — десятки микросекунд), что в значительной степени увеличивает скорость обработки сигналов информационными преобразующими системами.

В настоящее время применяются следующие оперативные запо­ минающие устройства: а) с магнитной записью; б) с диэлектриче­ ской записью; в) с конденсаторными накопителями; г) с электронно­ лучевыми запоминающими трубками; д) с электромагнитными, элек­ троакустическими и магнитострикционными линиями задержки; е) с матрицами и регистрами, выполненными на триггерах.

В оперативных запоминающих устройствах магнитная запись сигналов осуществляется на вращающемся магнитном барабане или магнитной ленте, склеенной в кольцо. Запись на каждой дорожке магнитного барабана может осуществляться лишь за время одного оборота, а время задержки должно быть кратно числу оборотов барабана. Запоминающие устройства на магнитных барабанах отличаются весьма большой емкостью, простотой устройства, малыми искажениями, возможностью запоминать как непрерывные, так и дискретные сигналы. Время поиска нужной информации, записан­ ной на одной из дорожек магнитного барабана, весьма мало.

Оперативные запоминающие устройства с диэлектрической за­ писью выполняются на основе сегнетоэлектриков, обладающих оста­ точной электрической поляризацией. В принципе диэлектрическая запись аналогична магнитной, только записываются статические электрические поля. Однако до сих пор еще не разработаны простые

инадежные диэлектрические носители (подобные магнитным лентам)

инет еще простых и эффективных электростатических записыва­ ющих и воспроизводящих головок.

Конденсаторное запоминающее устройство может быть выполнено в виде набора конденсаторов (с малым током утечки) и циклического коммутатора. Например, на рис. 160, а приведено запоминающее устройство с шаговым искателем. При вращении ротора происходит поочередной заряд конденсаторов напряжением входного сигнала.

Запомненное на конденсаторах напряжение подается на вход с запаз­

308

Кратковременная задержка сигналов (единицы микросекунд)- может быть получена с помощью LC линий задержки (рис. 160, б). Большие времена запаздывания могут быть получены в акустических линиях задержки, в которых электрические сигналы преобразуются в акустические с помощью пьезоэлектрических преобразователей. Акустическая линия задержки обычно выполняется в виде трубки, заполненной ртутью, или стержня из кварца, магниевого или пикелевого сплава. Длина линий достигает десятков сантиметров, что обеспечивает время задержки в несколько сотен микросекунд.

Информация в цифровой форме может храниться в дискретных запоминающих устройствах, выполненных на триггерах (ламповых, транзисторных, тиратронных, релейных, ферритовых, сегнетоэлектрических и т д.). На рис. 160, в приводится функциональная схема параллельного регистра (запоминающего устройства, выполненного на триггерах), который служит для хранения дискретных сигналов, представленных в пятиразрядном параллельном двоичном коде. Регистр состоит из пяти триггеров Т и десяти схем совпадения «И». Триггеры перед запоминанием двоичного сигнала перебрасываются в нулевое состояние. Записываемый сигнал 01101 подается на соот­ ветствующие входы схем совпадения «И» одновременно с импульсом, несущим команду «запись», вследствие чего второй, третий и пятый триггеры перебрасываются в положение 1, а первый и четвертый остаются в нулевом положении. Когда подается импульс «считыва­ ние», на выходах верхних схем «И» воспроизводится записанный цифровой сигнал 01101.

В настоящее время широко применяется ферромагнитные запоми­ нающие устройства, выполненные на сердечниках с прямоугольной петлей гистерезиса.

Изменение магнитного состояния в сердечниках может происхо­ дить лишь в том случае, если напряженность возбуждающего поля превысит величину коэрцитивной силы Н0. Когда напряженность воздействующего поля меньше Н0, перемагничивания не происходит. На рис. 160, г приводится принципиальная схема параллельного регистра на ферромагнитных сердечниках. Через каждый сердечник пропущены два пересекающихся провода, служащих для подачи перемагничивающих импульсов тока. Кроме того, каждый сердечник имеет обмотку считывания. Перед записью все сердечники приводятся в одинаковое состояние, соответствующее нулю. Для этого в горизон­ тальный провод посылается импульс тока, создающий в сердечниках магнитное поле, превышающее коэрцитивную силу. При записи в вертикальные провода подаются кодовые импульсы тока. Ампли­ туда нулевых импульсов равна нулю. Амплитуда же импульсов 1 составляет V I J l x (где 1\ — ток, создающий в сердечниках магнитное поле, превышающее коэрцитивную силу Н0). Одновременно с кодо­ выми импульсами в горизонтальный провод вводится импульс записи с амплитудой Таким образом, на каждый сердечник дей­ ствуют два импульса — кодовый и вспомогательный, причем каждый

Ш