Министерство образования и науки Российской Федерации Балтийский государственный технический университет «Военмех»
Л.Б. КОЧИН
ТЕОРИЯ СИГНАЛОВ И СИСТЕМ
Конспект лекций
Санкт-Петербург
2011
Лекция 1. Введение в радиоэлектронику
Общие представления о радиоэлектронике. История развития радиоэлектроники. Понятие информации, обобщенная структурная схема передачи информации. Классификация, прием, излучение и распространение радиоволн. Структурная схема радиотехнической системы передачи информации.
Термин "радиоэлектроника", появившийся в середине ХХ века, объединил две области техники: радиотехнику и электронику. Традиционно к радиотехнике относятся методы и средства передачи и приема сигналов без проводов. Под электроникой понимают совокупность технических решений, связанных с обработкой информации и автоматическим управлением.
К началу 50-х годов ХХ века уже был накоплен большой практический опыт радиосвязи в различных диапазонах длин волн, разработана элементная база радиоустройств, созданы радиопередатчики и радиоприемники различного назначения, полным ходом велась разработка телевизионных, радиолокационных и радиотелеметрических систем.
Примерно в то же время оформились основные положения теории информации. Появились первые электронные вычислительные машины, создавались проекты систем автоматического управления, устройства записи и хранения информации.
В дальнейшем эти два направления все теснее интегрировались между собой, что в конечном итоге и послужило основание рассматривать единую область науки и техники – радиоэлектронику.
В табл. 1.1 приведены основные этапы развития и области применения радиоэлектроники.
Таблица 1.1
Этапы развития и области применения радиоэлектроники
Элементная база радиоэлектроники |
Радиосвязь, радиоприемные и радиопередающие устройства |
Оптико-электронные и телевизионные системы |
Робототехника, кибернетика, ЭВМ, системы записи и хранения информации |
Телеметрия, радиолокационные и радионавигационные системы |
1865 г. Д.Максвелл предложил теорию электромагнитного поля, ввел понятие токов смещения |
||||
1888 г. Г.Герц экспериментально доказал наличие токов смещения |
||||
Когерер Бранли, селеновые фотоэлементы |
1895 г. А.С. Попов создал первый радиоприемник – "Грозоотметчик" |
Первый проект ТВС проф. А. де Пайва, 1878 г. |
Первое электрическое устройство для записи и хранения информации (фонограф) Т.Эдисон, 1877 г. |
|
Я. Флеминг, электровакуумный диод, 1901 г. К.Браун кристаллический детектор 1906 г. |
Искровые передатчики, детекторные приемники, первая радиосвязь через Атлантику Г. Маркони |
Электромеханические ТВ-системы с диском Нипкова |
Первое устройство магнитной записи, Паульсен, 1898 г. |
|
Ли де Форест, электровакуумный триод, 1907 г. |
Электромашинные генераторы, патент на генератор с положительной обратной связью А. Мейсснер 1913 г., регенеративный и супергетеродинный (1917 г.) приемники |
Проект электронной ТВС А. Суинтон, 1912 г. |
Создание первых систем записи на грампластинки (1925 г.) |
|
ЭВП триоды, тетроды, пентоды, октоды, мощные генераторные ЭВП с водяным охлаждением (100 кВт –1924 г.) |
Многоламповые радиопередатчики и радиоприемники, 12 кВт радиостанция им. Коминтерна (1922 г.) Предложена схема АРУ (Г.Уилер, 1926г.) Предложен усилитель с ООС (Г.Блэк, 1927 г.) Предложена схема ФАПЧ (Х. де Бельсиз, 1932 г.) |
В.К.Зворыкин высоковакуумный кинескоп (1929 г.); иконоскоп (1933 г.). Предложен способ противошумовой коррекции Г.В.Брауде (1933 г.) |
Предложена триггерная схема У. Икклз, Ф. Джордан (1925 г.) |
Создание первых импульсных радиолокаторов (1935 г.) Построен первый радиотелескоп (США, 1937 г.) Разработан многокамерный магнетрон (СССР, 1935 г.) Изобретен усилительный клистрон (США, 1937 г.) |
1948 г. выход в свет трудов Н.Винера и К.Шеннона по теории информации и кибернетике |
||||
Дж. Бардин, У.Браттейн и У. Шокли первый биполярный транзистор, 1948/49 гг |
Первое упоминание термина "мобильный телефон" (1946 г.) |
Разработка видикона фирмой RCA (1950 г.) Внедрение прикладных ТВС |
Первая цифровая вычислительная машина "Эниак" (США, 1946 г.) |
Разработка импульсно-доплеровских РЛС |
Создание полевого транзистора, У.Шокли1952 г. Разработана солнечная кремниевая батарея (США, 1954 г.) |
Создание международного комитета регистрации частот (МКРЧ, 1947 г.) |
Создание системы цветного телевидения NTSC (1954 г.) Разработка масочного цветного кинескопа
|
Разработана ЭВМ "Сетунь" на основе магнитных логических элементов троичной логики (Н.Брусенцов, СССР 1959 г.) |
|
Разработка планарной технологии изготовления ИМС Дж.Килби и Р. Нойс 1958 г. Патент на ППЗУ Й.Чоу 1956 г. ЧСоздан туннельный диод Л.Эсаки, 1958 г. |
Создание систем звукового стереофонического вещания с полярной модуляцией (СССР) и пилот-сигналом (США) (1960 г.) |
Предложена система SECAM (1956 г.) |
Появление первых ЭВМ 2-го поколения на транзисторах (США, 1956 г.) Создание первых алгоритмических языков (Фортран 1954 г., Кобол 1959 г.) |
Начало функционирования глобальной наземной радионавигационной системы ЛОРАН (США, 60-е гг.) |
Создание первого лазера Т.Мейман 1960 г. Создание светодиодов на основе арсенида галлия 1962 г. Разработка оптоволокна К. Као, Г.Хокхем, 1966 г. |
Переход к внедрению однополосной модуляции в связных радиопередатчиках (60-е гг.) Создание первых транкинговых систем связи (60-е гг.) |
Разработана система PAL В.Брух (1962 г.) ТВ передача из Америки в Европу через спутник "Телстар" (1962г.) |
Разработка ЭВМ 3-го поколения (быстродействие 1 млн оп./сек.) БЭСМ-6 (СССР), ILLIAC-IV (США) |
Создание РЛС САР (РЛС "Азимут, СССР, 1961 г.) |
Создание операционного усилителя Р. Уидлар, 1962 г. Появление ИМС малой и средней степени интеграции
|
Внедрение методов синхронного детектирования Запущен первый геостационарный связной спутник Синком-3 (США, 1964 г.) |
В СССР вошла в строй спутниковая ТВС "Орбита" (1967 г.) |
Появление ЭВМ 4-го поколения с быстродействием до 15 млн оп./сек Создание управляющих ЭВМ PDP-11. Появление ЕС-ЭВМ Появление первых кассетных магнитофонов |
Создание фазированных антенных решеток (ФАР) |
Первый микропроцессор Intel-4004, 1971 г. Первая ЭПРОМ с УФ стиранием Разработка технологии CCD (1975 г.) Появление первых микросхем ПЛИС. Разработка элементов функциональной электроники (диоды Ганна, акустооптические процессоры) |
Создание первой сотовой системы подвижной радиосвязи (Япония, 1979 г.) Идея объединения канальных транзисторов в выходном каскаде радиопередатчика фирма NEC, 1980 г. |
Разработка плюмбикона (1973 г.) Создание твердотельных датчиков ТВ-сигнала В.Бойл, Д.Смит (1970 г.) |
Разработка мини-ЭВМ Первый персональный компьютер "Altair" (1975 г.) |
Появление первого радиолокатора подповерхностного зондирования 1976 г. Ввод в строй радиотелескопа РАТАН-600 (СССР, 1977 г.) Начало развертывания глобальных спутниковых навигационных систем GPS (США) и ГЛОНАСС (СССР) |
Создание первой микросхемы Flash-памяти (1989 г.) |
Появление т.н. "цифровых" радиопередатчиков (1985 г.) |
Разработана система видеозаписи формата Video-8 (Япония, 1983 г.) Предложен проект стандарта по ТВВЧ (1989 г.) |
Создание 16-разрядного компьютера IBM PC (1981 г.) Выпуск однокристальной 32-разрядной ЭВМ (1984 г.) Микропроцессоры 286, 386 |
Радиолокационная съемка поверхности Венеры (1983 г.) |
Идея RISC-технологии А. Боген, В. Воллен (1995 г.) |
Разработка системы цифрового радиовещания "Эврика-147" (1994 г.) |
Предложены цифровые ТВС высокой четкости ATSC (США) и ISDB (Япония) |
Первые 486-е процессоры (1991 г.) Первые процессоры 5-го поколения Pentium-60 (1993 г.) |
|
|
|
Разработка стандарта Blue-ray DVD (2002 г.) |
Переход к многоядерной техно-логии процессоров (с 2007 г.) |
Появление технологии HAARP (с 2000 г.) |
В отличие от электротехники, главной задачей которой является максимизация эффективности использования энергии, в радиоэлектронике на первый план выходит проблема получения, передачи и обработки информации с минимальными потерями.
Понятие информации неразрывно связано с понятием случайности. Существуют два определения:
1) случайность – это непознанная закономерность;
2) случайность – это очень большая сложность.
Рассмотрим простой пример, позволяющий понять сущность информации.
Пусть имеется непрерывная случайная величина х с дифференциальным законом распределения вероятностей р(х).
Введем понятие энтропии Н(х) = – J(х).
Если случайная величина непрерывна, то
Н(х)
= –
.
(1.1)
Для дискретной случайной величины
Н(х)
= –
.
(1.2)
От основания логарифма зависят единицы измерения информации:
логарифм по основанию – бит;
десятичный логарифм – дит;
натуральный логарифм – нат.
При равновероятных значениях дискретной случайной величины Рi = 1/n получим
Н(х)
= –
=
– n
= log n.
(1.3)
Пусть имеется только два состояния (бинарная случайная величина) n = 2, вероятность которых равна Р1 и Р2 соответственно.
Согласно теореме о полной вероятности Р1+Р2 = 1, тогда Р2 = 1 – Р1.
После несложных преобразований окончательно получаем:
Н = – Р1log2P1 – P2log2P2 = –P1log2P1 – (1–P1)log2(1–P1). (1.4)
Учитывая, что J = –H, построим график функции (1.4). Полученная зависимость приведена на рис. 1.1.
Максимум J соответствует наиболее неопределенному состоянию (P = 0,5), поэтому информацию можно трактовать как меру неопределенности. Если после получения некоторого количества информации неопределенность уменьшается, то считают, что информация положительна, если увеличивается – то отрицательна (дезинформация). Когда состояние системы строго определено (Р =0 или Р=1) информация равна нулю.
Рассмотрим обобщенную структурную схему передачи информации (рис. 1.2).
Отправитель должен передать получателю сообщение c(t), которое преобразуется в сигнал s(t), проходит через передатчик, линию связи и принимается приемником. В процессе этих преобразований возникают искажения, сообщение видоизменяется – c'(t). Кроме того, на все составляющие могут воздействовать помехи (шумы) n(t).
В радиотехнических системах линией связи является так называемый "эфир": радиоволны распространяются в свободном пространстве. Поскольку исходное сообщение, как правило, имеет неэлектрическую природу и скорость его изменения относительно невелика, то для эффективной передачи по радиоканалу необходимы дополнительные преобразования (рис. 1.3).
Исходное сообщение с(t) от отправителя (О) преобразуется датчиком (Д) в электрический сигнал s(t). Кодер (Код) осуществляет кодирование сигнала для повышения эффективности передачи информации. Запоминающее устройство (ЗУ) может накапливать информацию для последующей "пакетной" передачи в течение малого интервала времени. Модулятор (Мод) и генератор несущей (ГН) служат для эффективного излучения радиосигнала через антенну передатчика (А1) в эфир.
На приемной стороне слабый полезный сигнал с помехами, принимаемый приемной антенной (А2), проходит через избирательную цепь (ИЦ), предназначенную для фильтрации и поступает на усилитель (У), увеличивающий отношение сигнал/шум. Детектор (Дет) и декодер (ДК) выделяют из сигнала полезную информацию, которая преобразуется преобразователем сигнал/сообщение (ПСС) к виду, удобному для получателя (П).
Поскольку для передачи сигнала в радиотехнике используются радиоволны, характер связи существенно зависит от их свойств.
По своей физической природе радиоволны относятся к электромагнитным поперечным волнам и на шкале электромагнитных волн (рис. 1.4) занимают участок от 100 км до 0,1 мм.
В табл. 1.2 приведена классификация радиоволн.
Таблица 1.2