Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина

ОСНОВЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Конспект лекций

А.Ф. Ляховский

ВВЕДЕНИЕ

Предмет и задачи радиоэлектроники

Радиоэлектроника – отрасль науки и техники, имеющая дело с использованием электромагнитных явлений и процессов для передачи, приёма, обработки, хранения и применения различного рода информации.

Информация – это сведения об окружающем нас мире, данные и сведения, которые отражают свойства объектов в физических, технических, биологических, социальных системах.

Начиная с 19 века, для передачи информации человечество широко использует электромагнитные явления и процессы. В 1832 г русский ученый П.Л. Шиллинг изобрел первый телеграфный аппарат. В 1837 г. американец С.Ф.-Б. Морзе создал электромеханический телеграфный аппарат. Информация в телеграфных аппаратах передавалась по проводам в виде кодов посредством двух состояний электрического напряжения: положительного и нулевого. Примером такого кода является азбука Морзе. Телеграфные коммуникационные системы используются до сих пор.

Следующим важным достижением в использовании электричества для обмена информацией стало изобретение в 1876 г. А.Г. Беллом телефонного аппарата, положившее началу телефонной связи.

Открытие А.С. Поповым в 1895 г. беспроволочного способа передачи сообщений (радиосвязь) положило начало использования электромагнитных волн для обмена информацией и зарождению новой отрасли науки и техники – радиотехники. В значительной степени достижения современной цивилизации определяются уровнем использования электромагнитных полей на практике.

Открытие английским ученым Дж. Дж. Томсоном электрона в 1897 г. положило начало зарождению новой области науки – электронике. С изобретением вакуумного диода (1905г.) и вакуумного триода в 1907 г. дальнейшее развитие радиотехники (телевидение, радиолокация, дальняя космическая связь) неразрывно связано с успехами в области электроники. С изобретением транзистора в 1948 г. начала быстро развиваться полупроводниковая электроника. В конце 50-х годов 20 столетия были созданы первые интегральные микросхемы. В научно-технической литературе появился термин «радиоэлектроника». Радиоэлектроника представляет собой собирательное название ряда неразрывно связанных между собой современных отраслей науки и техники, которые изучают явления взаимодействия электромагнитных полей с веществом и их практического применения для передачи, приема, хранения, обработки и использования различного рода информации.

Основными составляющими радиоэлектроники являются: радиофизика, радиотехника, электроника.

Радиофизика – отрасль физики, которая изучает явления взаимодействия электромагнитных полей с веществом.

Радиотехника – отрасль науки и техники, занимающаяся проблемами генерации, усиления, преобразования, передачи и приема электромагнитных колебаний и волн с целью передачи и приёма информации.

Электроника – отрасль науки и техники, которая исследует явления движения носителей электрического заряда в вакууме, газах, жидкостях, твердых телах и занимается проблемами их практического использования в электронных приборах.

Традиционными отраслями применения электромагнитных процессов и явлений являются радиосвязь, радиовещание и телевидение, радиолокация, радионавигация и телеуправление, радиоастрономия, вычислительная техника, системы автоматического управления, промышленная электроника. Наряду с этим радиоэлектронная аппаратура и электромагнитные поля давно стали использоваться в биологии и медицине. В медицине находят применение электромагнитные поля и волны для диагностики и физиотерапии практически во всем освоенном диапазоне частот.

В настоящее время трудно найти отрасли человеческой деятельности, где не применялись бы радиоэлектронные устройства.

Широкое применение радиоэлектроники обусловлено тем, что ее средства:

1. позволяют передавать информацию с предельной в природе скоростью с=10⁸м/с;

2. позволяют регистрировать очень слабые сигналы с мощностью Вт, т.е. обладают высокой чувствительностью;

3. позволяют создавать большие мощности сигналов: в непрерывном режиме 10⁵ Вт, в импульсном режиме – 10⁷ Вт;

4. дают возможность передавать большие объемы информации за счет освоения диапазона частот вплоть до 10¹⁵ Гц;

5. обеспечивают возможность передачи информации на большие расстояния;

6. дают возможность регистрировать и исследовать быстропротекающие процессы (длительностью порядка 10^-9 – 10^-12с);

7. имеют малые массу и габариты, пониженное потребление энергии, надежность и долговечность, в том числе, за счет минитюаризации устройств.

Цель курса: изучить физические принципы работы радиоэлектронных узлов и устройств, нашедших широкое применение; освоить основные методы обработки радиотехнических сигналов: частотную фильтрацию, усиление, генерацию, модуляцию, детектирование, цифровую обработку.

1. Радиотехнические сигналы

1.1. Классификация сигналов

Информация – не материя и не энергия, поэтому для ее фиксации и передачи необходим материальный носитель – агент. Информация принудительно изменяет агент – модулирует его, после чего он становится материальным носителем информации – сообщением, сигналом. Таким образом, сигнал s(t) – процесс изменения во времени физического состояния какого-либо агента. В радиоэлектронике агентом служат электрические процессы и электромагнитные волны.

Сигналы, применяемые в радиоэлектронике, весьма разнообразны. Их разновидности можно классифицировать по следующим признакам.

1. По предсказуемости мгновенных значений в любые моменты времени различают сигналы детерминированные и случайные. У детерминированных сигналов мгновенные значения предсказуемы точно, т.е. значение сигнала в любой момент времени наперед известно. Мгновенное значение случайного сигнала предсказуемо с некоторой вероятностью.

2. По роли в передаче информации сигналы разделяются на полезные, те, которые несут интересующую нас информацию, и мешающие (шумовые помехи, сигналы несущие другую информацию).

3.По форме описания выделяют аналоговые и дискретные сигналы. Непрерывные (аналоговые) сигналы это те сигналы, которые описываются непрерывной функцией в заданном интервале изменения их мгновенных значений. Дискретными сигналами называются сигналы, которые принимают определенные значения в некоторые фиксированные моменты времени с некоторым шагом дискретизации.

Особую разновидность дискретных сигналов представляют цифровые сигналы. Они характеризуются тем, что каждому из множества взятых в фиксированные моменты времени с некоторым шагом дискретизации отсчетных значений аналогового сигнала ставится в соответствие число с ограниченным количеством разрядов.

1.2. Гармонические сигналы и их представление

Сигналы, которые описываются тригонометрическими функциями илиназываются гармоническими. Гармонический сигнал можно представить в виде

,

где – амплитуда;– круговая частота;– начальная фаза;– полная фаза (фазовый угол). Круговая частотасвязана с циклической частотойи периодом колебаниясоотношением.

Гармонические сигналы обладают замечательным свойством: результирующее колебание при линейных операциях – алгебраическом сложении любого числа гармонических колебаний одинаковой частоты, дифференцировании, интегрировании – есть гармоническое колебание той же частоты. Это свойство объясняет широкое применение гармонических сигналов в измерительной аппаратуре в качестве тестовых.

Техника определения параметров результирующего колебания значительно упрощается, если при описании гармонического сигнала вещественную тригонометрическую функцию заменить комплекснозначной экспоненциальной функцией. Вещественному сигналу ставится в соответствие комплексный сигнал:

,

где – мнимая единица;– комплексная амплитуда колебания. Она содержит информацию об амплитуде колебания и о его начальной фазе. Множительописывает временную зависимость колебания.

Поскольку при всех линейных операциях частота гармонического сигнала сохраняется и всегда известна, то остается анализировать только изменения, которые претерпевают амплитуда и фаза сигнала.

Для наглядности часто мгновенные значения комплексных амплитуд сигналов и результат их линейного преобразования изображают векторами на комплексной плоскости. Такое представление называется векторной диаграммой.

Представление гармонического сигнала в комплексной форме составляет основу метода комплексных амплитуд, который широко используется в радиотехнике и электротехнике при анализе линейных цепей.