ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

__________________________________________________________

В. В. Филинов

Электротехника и схемотехника.

Основы радиотехнических цепей и сигналов

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

(КУРС ЛЕКЦИЙ)

Учебное пособие

Курс лекций

Москва-2014

УДК 621.38

ББК 32.85

Рекомендовано к изданию в качестве учебного пособия редакционно-издательским советом МГУПИ

Рецензент:

д.т.н, профессор Покровский А.Д., профессор кафедры «Электротехника и интроскопия» МЭИ (Национальный исследовательский университет)

Филинов В.В.

Электротехника и схемотехника. Основы радиотехнических цепей и сигналов.

Учебное пособие (курс лекций). М.: МГУПИ, 2014.

Учебное пособие предназначено для студентов (бакалавров и специалистов) специальностей по радиотехнике и информационной безопасности, слушающих курс лекций «Электроника и схемотехника», полезно для изучения лекционных материалов по разделу «Радиотехнические цепи и сигналы», выполнения практических, расчетно-графических и лабораторных работ.

Учебное пособие написано в соответствии с Государственным стандартом Минобрнауки РФ по дисциплине «Электроника и схемотехника» для студентов факультетов информационной безопасности и подготовлена с использованием специальных курсов [1, 2, 3]. Полезно преподавателям, аспирантам и магистрам этих факультетов.

Утверждено и рекомендовано решением УМС факультета приборостроения и радиоэлектроники МГУПИ в качестве учебного пособия

© Московский Государственный Университет Приборостроения и Информатики, 2014

© Филинов В. В., 2014

Оглавление

Глава 1.Общие сведения об электрических и радиотехнических цепях 5

1.1Главные задачи электротехники и радиотехники 5

1.2Радиотехнический канал связи 10

1.3Классификация сигналов 13

1.4Вопросы и задания для самопроверки: 14

Глава 2.Сигналы и их основные характеристики 16

2.1Энергетические характеристики вещественного сигнала 16

2.2Корреляционные характеристики детерминированных сигналов 19

2.3Вопросы и задания для самопроверки: 26

Глава 3.Сигналы и спектры 28

3.1Спектры сигналов 28

3.2Простейшие разрывные функции 32

3.3Методы анализа электрических цепей 36

3.4Вопросы и задания для самопроверки 40

Глава 4.Спектральный анализ сигналов 42

4.1Представление периодического воздействия рядом Фурье 42

4.2Спектры амплитуд и фаз периодических сигналов 54

4.3Спектральный анализ цепи 63

4.4Представление непериодического воздействия интегралом Фурье 64

4.5Спектральные плотности амплитуд и фаз непериодических сигналов 69

4.6Примеры определения спектральной плотности сигналов 89

4.7Определение активной длительности сигнала и активной ширины его спектра 100

4.8Вопросы и задания для самопроверки: 102

Глава 5.Комлексная передаточная функция и частотные характеристики цепи 104

Глава 6.Спектральный анализ цепей при непериодических воздействиях 110

6.1Вопросы и задания для самопроверки гл. 5, 6: 113

Глава 7.Представление непериодических сигналов интегралом лапласа 114

7.1Вопросы и задания для самопроверки: 127

Глава 8.Электрические цепи радиотехнических сигналов 128

8.1Цепи с распределенными параметрами 128

8.1.1 Длинные линии и телеграфные сигналы 128

8.1.2. Коэффициент отражения, стоячие и смешанные волны 134

8.1.3. Задерживающие цепи (Линия задержки) 138

8.2Частотный принцип преобразования радиотехнических сигналов 145

8.2.1 Модулированные сигналы и их спектры 145

8.2.2. Электрические фильтры 153

8.2.3. Нелинейный элемент и воздействие на него одного сигнала. 157

8.2.4. Воздействие на нелинейный элемент двух сигналов. 160

8.3Вопросы и задания для самопроверки: 167

Литература 169

1. Общие сведения об электрических и радиотехнических цепях

   1. Главные задачи электротехники и радиотехники

Электротехника и радиотехника являются науками, изучающими физические процессы в электромагнитном поле и технические методы использования его энергии для практических целей.

Электромагнитное поле представляет собой один из видов материи. Оно характеризуется связанными между собой электрическими и маг­нитными явлениями, которые следует рассматривать как две стороны единого процесса.

Радиотехника, возникшая и первоначально развивавшаяся как часть электротехники, имеет с ней много общих черт, что дает основа­ние для изучения в этой книге как электрических цепей, применяемых и в электротехнике, и в радиотехнике, так и тех цепей, которые пред­назначены для решения специфических задач радиотехники. Однако назначение современной радиоаппаратуры и физические процессы, положенные в ее основу, во многом отличаются от целей и принципов действия электротехнических устройств.

Главной задачей электротехники является передача и использование электромагнитного поля для приведения в действие мощных машин, механизмов, источников света, тепла и для других энергетических преобразований.

Основная задача современной радиотехники заключается в использовании электромагнитного поля для передачи на расстояние различного рода информации, т. е. сообщений о тех или иных процессах, фактах, событиях и т.п. Аналогичные цели преследует и электропроводная связь, однако, в отличие от нее, радиотехника осуществляет передачу информации без посред­ства проводов между отправителем и получателем сообщений. С этой целью радиотехника использует свободно распространяющееся в пространстве электромагнитное поле, называемое полем излу­чения.

Рассмотрим несколько подробнее основные задачи, являющиеся общими для электротехники и радиотехники, а затем остановимся на тех конкретных особенностях, которые отличают их друг от друга.

Из сказанного выше следует, что как в электротехнике, так и в ра­диотехнике должны изучаться методы передачи электромагнитного поля из одной точки пространства в другую и способы последующего преобразования энергии поля в какой-либо иной вид энергии (механи­ческую, акустическую, тепловую и т.п.).

Обычно говорят о передаче энергии из одного пункта в другой. Однако эти слова следует понимать условно; в действительности речь идет о перемещении в пространстве определенного вида материи, являющейся носителем энергии. В самом деле, энергия наряду с мас­сой является неотъемлемым свойством материи, мерой ее движения. Нет материи, не обладающей, массой, так же как не может быть энер­гии, не связанной с тем или иным материальным объектом. В электро­технике и радиотехнике таким видом материи, несущим электромаг­нитную энергию, и является электромагнитное поле.

Итак, общими для электротехники и радиотехники являются три основные научно-технические проблемы.

1. Генерирование электромагнитного поля посредством устройств, называемых генераторами, или передающими уст­ройствами.

2. Передача электромагнитного поля от генератора к потребителю через разделяющую их среду, которая может быть названа линией передачи.

3. Преобразование и использование отправленного передающим устройством электромагнитного поля и несомой им энергии в терри­ториально отдаленном пункте для тех или иных практических целей при помощи специального приемного устройства.

В электротехнике электромагнитное поле передается из одной точки пространства в другую вдоль проводов, соединяющих эти точки. Благодаря наличию проводов удается осуществить высокую степень концентрации электромагнитного поля и носимой им энергии в пространстве диэлектрика, окружающего провода. Поэтому прием­ного пункта достигает почти вся энергия, поступающая на вход ли­нии, соединяющей генератор с потребителем. Лишь относительно небольшая часть ее расходуется (бесполезно теряется) в соединительной линии. Эти замечательные свойства переноса электромагнитного поля вдоль проводов позволяют осуществить в электротехнических системах эффективную передачу на значительные расстояния мощных электромагнитных полей, энергия которых используется для приве­дения в действие мощных машин, приборов, источников света, тепла и т. п.

Радиотехника позволяет решить проблему передачи элект­ромагнитного поля без помощи соединительных проводов. Излучаемое электромагнитное поле, распространяясь в свободном пространстве, рассеивается в значительном объеме, и только небольшая часть энер­гии поля достигает места приема. Поэтому переданная без проводов энергия не может быть непосредственно использована для приведения в действие сколько-нибудь мощных механизмов. Она служит для передачи сигналов, несущих ту или иную информацию. Характер и форма сигналов соответствуют передаваемому сообщению; их источ­ником является отправитель информации. Так, например, речевые сигналы производятся голосовыми связками говорящего человека.

Первичные сигналы, несущие передаваемое сообщение, преобра­зуются в электрические (вторичные) сигналы, т. е. в электрические колебания, изменяющиеся во времени по тому же закону, что и пер­вичные сигналы.

В радиотехнике сигналы того или иного назначения (телеграф­ные, телефонные, телевизионные и т. п.) передаются от отправителя к получателю без проводов. Главная цель, которая здесь преследуется, состоит в том, чтобы принятые сигналы были по возможности совер­шенно подобны отправленным (неискаженная передача) и чтобы дей­ствие неизбежных внешних помех было минимальным. Энергетиче­ские соображения при этом отодвигаются на второй план. Даже нич­тожно малая энергия принятого сигнала оказывается достаточной для приведения в действие очень чувствительных приборов современ­ного радиоприемного устройства. В нем осуществляется обратное преобразование электрических сигналов в исходные. Так, при приеме речевых сигналов телефон на выходе приемника преобразует электри­ческие колебания в звуковые, которые воспринимаются ухом человека.

В электротехнике и радиотехнике широко используются процессы, при которых напряженность поля, напряжение, ток и т. д. изменяются во времени по синусоидальному закону. Промежуток времени, по исте­чении которого значения этих величин повторяются, носит название периода Т. Величина, обратная периоду

называется частотой и измеряется в герцах (циклах в секунду).

В некоторых случаях удобно пользоваться более крупными еди­ницами:

1 килогерц (кГц) = 10³Гц ; 1 мегагерц (МГц) = 10³кГц

1 гигагерц (ГГц) = 10³МГц; 1 терагерц (ТГц) = 10³ГГц.

Электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с не­которой скоростью ,называют электромагнитной волной. За период Т электромагнитная волна распространяется на расстояние длины волны

Для вакуума и воздуха скорость и длина волны

где f — в герцах.

В ряде случаев оказывается удобным количественно характеризо­вать периодичность процесса не частотой, а длиной волны. Вместо того, чтобы говорить о частоте колебаний f, говорят об их длине волныпереход от одной величины к другой может быть произведен при помощи формулы (1.3).

Как доказывается в теории электромагнитного поля, эффективное излучение электромагнитных волн с целью последующего их распро­странения без проводов возможно лишь в том случае, если размеры излучающей системы, называемой антенной, соизмеримы с дли­ной волны электрических колебаний. Ввиду того, что практически осуществимые размеры антенных систем ограничены конструктивными (габаритными) соображениями, в радиотехнике в большинстве случаев используют достаточно короткие электромагнитные волны, т.е. до­статочно высокие частоты колебаний.

Электромагнитные волны, используемые для передачи информа­ции радиотехническими методами, называются радиоволнами.

Наиболее низкими частотами, которые находят применение в ра­диотехнике для беспроводной передачи сигналов, являются частоты порядка 5—10 кГц. Им соответствуют волны длиной 6000—30000 м.

С точки зрения эффективности излучения радиоволн желательно применять возможно более высокие частоты. Однако при выборе и оценке величины, радиочастот необходимо учитывать их некоторые специфические особенности. Важнейшими из них являются условия распространения радиоволн при их движении вдоль (или внутри) земли и в пространстве, ее окружающем, а также методы генерирова­ния и использования колебаний различных частот.

Таблица 1.1

Классификация радиочастот (радиоволн)
Наименование волн	Длина волны	Частота
Сверхдлинные (СДВ)............ Длинные (ДВ)……...………. Средние (СВ).……...………. Короткие (КВ)……………… Ультракороткие (УКВ)….... метровые………………...... дециметровые……...…….. сантиметровые…………… миллиметровые…………... субмиллиметровые………. инфракрасные……………. световые…………………..	> 10 000 м 10 000 – 1000 м 1 000 – 100 м 100 – 10 м <10 м 10 – 1 м 10 – 1 дм 10 – 1 см 10 – 1 мм 1 – 0,4 мм 0,4 мм – 0,76 мкм 0,76 мкм – 0,4 мкм	< 30 кГц 30 – 300 кГц 300 – 3000 кГц 3 – 30 МГц > 30 МГц 30 – 300 МГц 300 – 3000 МГц 3 – 30 ГГц 30 – 300 ГГц 300 – 750 ГГц 0,75 – 395 ТГц 395 – 750 ТГц

Примечание. Частоты, соответствующие длинным и средним волнам, иногда называют умеренно высокими, а частоты, соответствующие ультра­коротким волнам — сверхвысокими (СВЧ).

Современная радиотехника имеет дело с чрезвычайно широким диапазоном частот, которые можно классифицировать согласно табл. 1.1.

Приведенную в таблице классификацию радиочастот и соответствую­щих им волн нельзя считать твердо установившейся. Для развития радиотехники характерно освоение все новых диапазонов. В частности, включение в таблицу радиоволн колебаний инфракрасного и световогодиапазонов стало возможным благодаря успехам, достигнутым в последние годы электроникой и радиотехникой.

Если для осуществления эффективного излучения радиоволн необходимы очень высокие частоты, то для решения многих других радиотехнических задач требуются как постоянные токи (f = 0), так и токи низких частот. Таким образом, для радиотехники харак­терно использование самых различных колебаний, имеющих частоты, лежащие в пределах от нуля до величин, превышающих миллиарды герц.

Естественно, что электротехника, имеющая дело с передачей энер­гии вдоль проводов, свободна от высказанных выше требований в от­ношении частоты колебаний. Наряду с постоянными токами чаще всего здесь находят применение колебания стандартной частоты 50 Гц (в США – 60 Гц). Наибольшие частоты, с которыми мы встречаемся в электротехнике, не превышают немногих сотен или тысяч герц.

Столь большое количественное различие в частотах, используемых в электротехнике и радиотехнике, приводит к тому, что технические приемы, которые с успехом применяются в электротехнических си­стемах, оказываются совершенно непригодными в радиотехнике. Более того, многие физические представления, основанные на неко­торых допущениях и удовлетворительно характеризующие явления при низких частотах, становятся несправедливыми при переходе к высоким частотам. Количественные изменения приводят к необходимости качественного изменения ряда представлений и методов осуществления технических устройств. Эти отличия заставляют говорить о радиотехнике как о большой самостоятельной отрасли науки.

В последние годы в развитии радиотехники наметились тенденции, которые, возможно, приведут к некоторому уменьшению отмеченных выше различий между электротехникой и радиотехникой. Так следует отметить, что в настоящее время проводятся опыты применения для подземной и подводной радиосвязи весьма низких частот, которые уже мало отличаются от используемых в электротехнике. С другой стороны создание генераторов, излучающих узкий пучок световых лучей (лазеров), открывает новые пути для построения систем беспроводной передачи не только сигналов, несущих информацию, но и значительного количества энергии при высоком коэффициенте полезного действия.

Роль электротехники и радиотехники в современной жизни не ограничивается решением задач передачи электромагнитной энергии на расстояние; электротехнические и в особенности радиотехниче­ские методы находят все более широкое применение в современной науке, технике и промышленности. Успехи радиотехники привели к возникновению такой широкой науки как радиоэлектро­ника, которая развивает методы радиотехники и электроники (науки об электронных приборах и их применениях) для решения многих разнообразных задач, возникающих в самых различных отраслях науки и техники. Наконец, радиотехника положила начало разви­тию некоторых новых наук, в числе которых может быть названа радиоастрономия, чрезвычайно расширившая возможности познания и изучения вселенной, радиоспектроскопия, играющая большую роль визучении строения атома всовременной физике, и другие.