flesh / Книга / 11_g

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию

М.Ю. ЗАСТЕЛА

ОСНОВЫ

РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И СВЯЗИ

Часть II

Рекомендовано Государственным образовательным учреждением высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

им. В.И. Ульянова (Ленина)» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 210200 «Проектирование и технология электронных средств»

Казань ЗАО «Новое знание»

2009

1

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

УДК.621.37+621.396

ББК

Рецензенты: Доктор технических.наук,

профессор Ш.М. Чабдаров (Академия наук РТ) Доктор технических.наук,

профессор С.С. Соколов (ЛЭТИ, г. Санкт-Петербург)

Застела М.Ю.

Основы радиоэлектроники и связи: Учебное пособие для студентоввысших учебныхзаведений. Ч. 2/ М.Ю. Застела.

– Казань: ЗАО «Новое знание», 2009. – 340 с.

ISBN

Изложены основы представления сигналов и помех, их прохождение через радиотехнические цепи, методы их анализа и синтеза. Рассмотрены основы статистической радиотехники и теории радиосистем, вопросы обнаружения и различения сигналов. Дана информация по вопросам оптимизации и кодирования.

Предназначено студентам высших учебных заведений, обучающимся по направлению 210200 «Проектирование и технология электронных средств».

Ил. 130. Табл. 4. Библиогр.: 14 назв..

УДК.621.37+621.396

ББК

2

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

ГЛАВА 11. ОСНОВЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ РАДИОТЕХНИКИ И ТЕОРИИ СВЯЗИ

11.1.Радиотехнические системы

Воснове радиотехники как области науки и техники, использующей распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны, лежит решениетаких задач на основеиспользования их свойств, как передача, извлечение и накопление информации.

Радиотехнические системы являются информационными системами, в состав которых входит «радиоканал» – открытое пространство, с использованием которогорешаются информационные задачи, ради которых и создают радиотехнические системы (РТС). Наличие свободного пространства является основным отличием радиотехническихсистемот электронной аппаратуры, которая тоже решает информационные задачи и может объединяться в большие комплексы.

Особенность современного развития науки и техники – использование «системных методов» или «системногоподхода». Под системой понимают совокупность взаимосвязанных разнородных частей (подсистем), совместно решающих общую задачу. Системный подход предполагает изучаемый, создаваемый, используемый объект рассматривать как систему. Под иерархией систем подразумевается, что каждая система состоит из взаимосвязанных подсистем и входит в систему более высокого уровня – «суперсистему». Вид систем может быть достаточно разнообразен. Это могут быть сложные, рассредоточенные образования, решающие боль-

3

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

шие по масштабам задачи, например, общегосударственная автоматизированная система управления воздушным движением. В нее входят разнообразные по видам подсистемы: совокупность самолетов, аэропортов, радио- и нерадиотехнических устройств и систем управления движением, разрешенных маршрутов движения и пунктов управления, погодных условий, пассажиропотоков и операторов, управляющих элементами системы. Входящая в суперсистему радиотехническая система осуществляет управление движением. В нее в качестве подсистемы может входить система радиосвязи, состоящая из радиопередатчиков и т.д. Радиопередатчик в свою очередь имеет, например, подсистему »модулятор» и т.п.

Системный подход подразумевает выделение в системе подсистем и взаимосвязей, существенных для ее функционирования, и отбрасывание менее значимых частей. При таком подходе возможно построение «обозримой» структуры системы, для которой возможно построение математической модели, позволяющей получать численные результаты и осуществлять «оптимизацию» параметров системы. Даже в тех случаях, когда не удается получить математические модели, системный подход важен как метод мышления, позволяющий получить правильные качественные результаты, как методологическая основа, которая в дальнейшем будет развиваться.

Проведем классификацию РТС по информационному признаку– содержаниеинформации прямосвязанои с назначением системы. Отметим, что в зависимости от назначения системы изменяются принципы действия, используемые частоты, требования к скорости выдачи информации, ее количеству и точности, а также к конструктивно-техническим и эксплуатационным параметрами характеристикам.

Радиотехнические системы можноразделить на системы: передачи информации, извлечения информации, радиоуправления и разрушения информации.

ПредставимклассификациюРТСпоназначениюввидетабл.11.1.

4

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

Таблица 11.1

11.2. Системы передачи информации

Первыми радиотехническими системами являлись системы передачи информации, на основе которых впоследствии сформировались системы радиовещания, радиотелеграфии, телевидения, передачи данных и др.

Вопросы, связанныес приоритетом в области «изобретения радио», непросты. По существу, необходимо рассмотреть достаточно длительный период времени, чтобы понять – создание современных систем передачи информации осуществлялось последовательномногими учеными.

Джозеф Генри в прочитанном им в 1842 г. докладе сообщил, чтосигналыот искровогопередатчика, имеющегоантенну, принимались им в здании на расстоянии около 10 метров через два межэтажных перекрытия.

5

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

В1875 г. профессор Элью Томпсон провел исследования и в 1876 г. опубликовал статью в журнале Франклиновского института с описанием эксперимента о передаче сигналов внутри здания, между этажами на расстоянии около 25 метров. В передатчике использовался искровой разрядник. В приемнике в качестве детектора был использован узкий искровой промежуток. Такой жеприемник былв 1888 г. описан ГенрихомГерцем. Длянаблюденияза искрой имелсялинзовый окуляр. Авторствотакой конструкции принадлежитТ.А. Эдисону.

Изобретатель угольногомикрофона Д.Э. Хьюзв 1879 и 1880 гг. демонстрировал опыты по беспроводной передаче сигналов на расстоянии в несколько сотен метров. Детектором в приемнике служил микрофон, а воспроизведение сигналов осуществлялось с помощью телефона.

В1882 г. А. Долбэр осуществлял опыты по беспроводному телеграфу. Используемая им вертикальная антенна в 1882 г. запатентована им же(пат. США№ 350299). Дальность телеграфной связи достигала 20 км, телефонный прием осуществлялся на расстоянии до одного километра. В 1985 г. Т.А. Эдисон получил патент США

№465971 на беспроводной телеграф для связи с кораблями на море. Большое значение имело опубликование в 1888 г. открытий и

изобретений Генриха Герца. В них полно описаны основные свойства радиоволн. Эта публикация явилась переломной – отдельные эксперименты перешли на уровень планомерных исследований.

Вдальнейшем работы Г. Герца развивал О. Лодж. Им введен термин «когерер», о чем сообщено в 1890 г. – это, по существу, детектор. Термин «радио»ввел в 1890г. Эд. Бранли. Способрадиосвязи считается изобретенным после опубликования в 1882 г. в журнале «Фортнайтли Ревью»(№ 302) статьи известногоанглийскогофизика Уильяма Крука «Некоторые возможности применения электричества».

Вэтой статье изложены все основные принципы радиосвязи, которые в дальнейшем в течение нескольких десятилетий были реализованы. Приведем основные тезисы.

Это возможность электрических колебаний длиной один ярд и более проникать сквозь стены; формировать направленное излуче-

6

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

ние с помощью линзы (в дальнейшем – линзовые и параболические антенны), использовать код Морзедля передачи сигналов (цифровая система передачи); широкий диапазон радиоволн, на которые избирательно откликаются приемники (частотная селекция); затухание ненаправленного излучения пропорционально квадрату расстояния от точки излучения; обеспечение скрытности с помощью направленногоизлучения и использованияузкогочастотногодиапазона, известного только пользователям связи, предложение осуществлять шифровку сообщений.

Нетрудно видеть, что идеи пространственной и частотной селекции заложены на заре развития радиосвязи.

Все перечисленное было известно и использовалось в работах как итальянским инженером Г. Маркони, запатентовавшим в 1896 г. «беспроволочный телеграф» – устройство, реализующее известный способ, так и преподавателем Кроштадских минных классов А.С. Поповым, проводившим в то же время исследования в области беспроводной связии создавшиморигинальноеприемноеустройство «грозоотметчик».

Взаключение следует развеять расхожее мнение – сделано на «скромной базе учебного заведения». Кронштадские минные классы являлись адьюнктурой Российского военно-морского флота, входящегов тройку лучших в мире. Аименнона флотеинтенсивнопроводились исследования «слабых» токов – без них немыслима прицельная стрельба при качке, минноедело. Таким образом, А.С. Попов работал на современной исследовательской базе, выполняя служебное задание. Результат – эксплуатация в течение 84 дней 25-мильной радиолинии между островами Гогланд и Кутсано.

11.2.1.Особенности распространения радиоволн

Всистемах передачи информации для осуществления связи между источниками и получателями сообщений используются электромагнитныеколебания (радиоволны), свойства которых вомногом определяются длиной волны. В табл. 11.2 приведено общепринятое подразделение используемого в радиотехнике диапазона радиоволн

7

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

на поддиапазоны. Указанные в скобках названия нестандартные, но широко используются.

Таблица 11.2

Радиоволны

При расположении точек приема и передачи информации на поверхности Земли или же вблизи нее необходимо учитывать наличие нескольких видов распространения радиоволн:

–над земной поверхностью;

–с переизлучением от верхнихслоев атмосферы к поверхности

Земли;

–с использованием для переизлучения на Землю ретрансляторов, расположенных в космосе.

Характер распространения радиоволн во многом зависит от подстилающей поверхности – как от рельефа, так и от свойств этого рельефа. Воздействиеатмосферытакжезависит отеесостояния(грозовые облака, снег и т.п.). Влияние этих факторов существенно различно для разных длин волн.

Основные закономерности распространения радиоволн:

–в однородной средерадиоволна распространяется попрямой;

–в неоднородных средах наблюдается явлениерефракции – отклонение от прямолинейного распространения;

8

Глава 11. Основы статистической радиотехники и теории связи

–на границах сред с разными свойствами происходит преломление и отражение радиоволн;

–радиоволны огибают радионепрозрачные предметы, т.е. происходит дифракция радиоволн;

–энергия радиоволн поглощается частицами, находящимися в атмосфере.

Степеньвлиянияподстилающейповерхностинаэлектромагнитные волны, распространяющиеся над ней, определяется ее электропроводностью и диэлектрической проницаемостью. Существенно сказывается соотношение между размерами неравномерностей рельефа подстилающей поверхности и длиной волны. К неравномерностям в ряде случаев необходимо относить волнение водной поверхности –начиная сУКВ и нижеподиапазону. При распространении над земной поверхностью электромагнитные поля наводят на поверхности Земли токи, с чем и связана потеря части энергии радиоволны.

Окружающую Землю атмосферу разделяют на три слоя, отличающихся друг от друга по особенностям воздействия на электромагнитныеволны.

Тропосфера –этонижний слой атмосферытолщиной 10 –18км. При постоянном соотношении содержания азота и кислорода уменьшается давление, температура и содержание водяных паров.

Стратосфера простирается ориентировочнодо 80 км от поверхности Земли. Для стратосферы характерно несущественное изменение температуры – в нижней части стратосферы она составляет – 50 – 60 °С, неизменна до 40 км высоты, на высоте 60 км – +80 °С, затем падает опять. Повышение до 80 °С объясняется поглощением ультрофиолетовогоизлучения Солнца озоном, содержащимся в воздухе.

Ионосфера расположена от60–80 до1500кмвысоты. Этослой разряженногогаза, ионизируемогоизлучением Солнца. Померероста высоты падает плотность газа и растет длина пролета свободных электронов.Врезультатеионизированный газявляетсяплазмой и обладает электропроводимостью, которая меняется с высотой, временем суток и сезоном года, а также зависит от активности Солнца.

9

ЗАСТЕЛА М.Ю. Основы радиоэлектроники и связи

Набольшихвысотахколичествоионовменьше,соответственноменьшеи влияниеионизации на распространениерадиоволн. Влияниесущественно до высот порядка 400 км. Так как ионосфера электропроводна, она отражает радиоволны определенных частот.

Свойства ионосферы достаточно устойчивы, что позволяет использовать их в регулярных системах радиосвязи. При расчете трассы канала связи учитывают, через какие слои атмосферы она проходит. Это могут быть или трасса вдоль поверхности Земли, или трасса, рассчитанная на переотражение от неоднородностей и слоев атмосферы, и трассы, в которых космический аппарат является ретранслятором. В зависимости от решаемых задач выбираются частотные поддиапазоны радиоволн.

Радиоволны вдиапазонеДВи СДВв большинствеслучаев превышают длиной волны неравномерности Земной поверхности и при их распространении проявляется эффектдифракции. Именноэтоявление позволяет радиоволнам огибать Земную поверхность и препятствия на ней. Однако необходимо учитывать возможность появления «тени» при огибании препятствий (рис. 11.1). В зоне тени нарушаются условия приема радиоволн.

«Тень»

Рис. 11.1. Эффект появления тени

Естественно, при огибании препятствий часть энергии электромагнитных волн поглощается земной поверхностью, нагревая ее. Чем больше длина волны, тем меньше потери. Радиоволны могут распространяться на тысячи километров.

Радиоволны СВ-, ДВ- и СДВ-диапазонов обладают способностью отражаться от ионосферы, в результате чего такие «ионосфер-

10