Основні радіотехнічні процеси - це процеси перетворення сигналів, що містять і переносять повідомлення. Основні процеси приблизно однакові (подібні) всім радіоелектронних систем, незалежно від цього, якого класу і якого покоління техніки ці системи ставляться, незалежно від структури і призначення цих систем.

13. Випромінювання високочастотних радіосигналів та розповсюдження радіохвиль

13.1. Радіосигнали та електромагнітні хвилі

Відповідно до закону електромагнітної індукції, в контурі, що охоплює магнітне поле, що змінюється, виникає ЕРС, яка збуджує струм у цьому контурі. Провідник тут не відіграє суттєвої ролі. Він лише дозволяє виявити індукований струм. Справжня сутність явища індукції, як встановив Дж.К.Максвелл, у тому, що у просторі, де змінюється магнітне полі, виникає змінюється у часі електричне полі. Це електричне поле, що змінюється в часі, Максвелл назвав струмом електричного зміщення.

На відміну від поля нерухомих зарядів, силові лінії, що змінюється в часі електричного поля (струму електричного зміщення), можуть бути замкнені так само, як і силові лінії магнітного поля. Тому між електричними та магнітними полями існує тісний зв'язок та взаємодія. Вона встановлюється такими законами.

1. Змінне в часі електричне поле в будь-якій точці простору створює магнітне поле, що змінюється. Силові лінії магнітного поля охоплюють силові лінії електричного поля, що створило його рис. 13.1, а). В кожній точці простору вектор напруги електричного поля Ета вектор напруженості магнітного поля Нортогональні один одному.

2. Змінне в часі магнітне поле в будь-якій точці простору створює електричне поле, що змінюється. Силові лінії електричного поля охоплюють силові лінії змінного магнітного поля (рис.3.1). б). У кожній точці простору, що розглядається, вектор напруженості магнітного поля Нта вектор напруженості електричного поля Евзаємно перпендикулярні.

3. Змінне електричне поле та нерозривно пов'язане з ним змінне магнітне поля разом утворюють електромагнітне поле.

Рис. 13.1. Перший а) та другий б) закони електромагнітного поля (закони Максвелла)

Перенесення хвилею електромагнітної енергії у просторі характеризується вектором П, рівним векторному добутку напруженостей електричного та магнітного полів:

.

Напрямок вектору Пзбігається з напрямом поширення хвилі, а модуль чисельно дорівнює кількості енергії, яку хвиля переносить в одиницю часу через одиничний майданчик, розташований перпендикулярно до напряму поширення хвилі. Поняття про потік енергії будь-якого виду було введено Н.А. Умовим 1874 р. Формула для вектора Пбула отримана на підставі рівнянь електромагнітного поля Пойнтінгом у 1884 р. П,модуль якого дорівнює щільності потоку потужності хвилі, називають вектором Умова - Пойнтінга.

Найважливіша особливість електромагнітного поля полягає в тому, що воно переміщається в просторі на всі боки від точки, в якій виникло. Поле може існувати після того, як джерело електромагнітного обурення перестало діяти. Електричні та магнітні поля, що змінюються, переходячи від точки до точки простору, поширюються у вакуумі зі швидкістю світла (310 8 м/с).

Процес поширення електромагнітного поля, що періодично змінюється, – хвильовий. Електромагнітні хвилі випромінюваного поля, зустрічаючи своєму шляху провідники, збуджують у яких ЕРС тієї ж частоти, як і частота створює наведену ЕРС електромагнітного поля. Частина енергії, яку переносять електромагнітні хвилі, передається струмам, що у провідниках.

Відстань, на яку переміщається фронт хвилі за час, що дорівнює одному періоду електромагнітного коливання, називають довжиною хвилі

.

Радіохвилі, теплове та ультрафіолетове випромінювання, світло, рентгенівське та -випромінювання – це все хвилі електромагнітної природи, але різної довжини. І всі ці хвилі використовують різні радіоелектронні системи. Шкала електромагнітних хвиль, упорядкованих за частотою f, Довжині хвилі, і за назвою діапазону представлена ​​на рис. 4.2.

Знання умов поширення електромагнітного поля є дуже важливим для визначення дальності та зони дії радіоелектронних систем, небезпечних відстаней, на яких можливий несанкціонований доступ технічних засобів розвідки до інформації, що міститься в сигналах, що перехоплюються. Якщо можливо, простір, в межах якого існує небезпека перехоплення, контролюється, щоб виключити наявність технічних засобів розвідки. В інших випадках доводиться вживати інших заходів для захисту інформації, що переноситься інформативними сигналами для розвідки електромагнітними полями.

Умови розповсюдження електромагнітних полів суттєво залежить від частоти (довжини хвилі). Поширення радіохвиль істотно відрізняється від поширення ІЧ випромінювання, видимого світла та більш жорстких випромінювань.

Швидкість поширення радіохвиль у вільному просторі у вакуумі дорівнює швидкості світла. Повна енергія, що переноситься радіохвильою, залишається постійною, а щільність потоку енергії убуває зі збільшенням відстані від джерела назад пропорційно r 2 . Поширення радіохвиль в інших середовищах відбувається з фазовою швидкістю, що відрізняється від зта супроводжується поглинанням електромагнітної енергії. Обидва ефекти пояснюються збудженням коливань електронів та іонів середовища пір дією електричного поля хвилі. Якщо напруга поля | Е|гармонійної хвилі мала в порівнянні з напруженістю поля, що діє на заряди в самому середовищі (наприклад, на електрон в атомі), то коливання відбуваються також за гармонічним законом з частотою хвилі. Коливані електрони випромінюють вторинні радіохвилі тієї ж частоти, але з іншими амплітудами та фазами. В результаті складання вторинних хвиль з приходить формується результуюча хвиля з новою амплітудою і фазою. Зсув фаз між первинною та перевипромінюваними хвилями призводить до зміни фазової швидкості. Втрати енергії при взаємодії хвилі з атомами є причиною поглинання радіохвиль.

Амплітуда електричного (і, зрозуміло, магнітного) поля хвилі зменшується за законом

,

а фаза хвилі змінюється як

де  – показник поглинання, а n- Показник заломлення, що залежать від діелектричної проникності середовища, її провідності та частоти хвилі:

,

Середовище поводиться як діелектрик , якщо
і як провідник, якщо
. У першому випадку
, поглинання мало, у другому
.

У середовищі, де ізалежать від частоти, спостерігається дисперсія хвиль . Вид частотної залежності і визначається структурою середовища. Дисперсія радіохвиль особливо суттєва у тих випадках, коли частота хвилі близька до характерних власних частот середовища, наприклад, при поширенні радіохвиль в іоносферній та космічній плазмі.

При поширенні радіохвиль у середовищах, що не містять вільних електронів (у тропосфері, у товщі Землі), відбувається зсув пов'язаних електронів в атомах та молекулах середовища у бік, протилежну полю хвилі Е, при цьому n>1, а фазова швидкість vф<з(Радіосигнал, що несе енергію, поширюється з груповою швидкістю vгр<з). У плазмі поле хвилі викликає усунення вільних електронів у напрямку Е, при цьому n<1 иvф<з.

У однорідних середовищах радіохвилі поширюються прямолінійно, подібно до світлових променів. Процес поширення радіохвиль у разі підпорядковується законам геометричної оптики. Враховуючи сферичність Землі, дальність прямої видимості можна оцінити на основі простих геометричних побудов співвідношенням

,

де hпрд і hпрм - висоти розташування передавальної та приймальної антен в метрах; R - дальність прямої видимості в кілометрах.

Проте реальні середовища неоднорідні. У них n, а отже, і vф різні у різних ділянках середовища, що призводить до викривлення траєкторії радіохвилі. Відбувається рефракція (заломлення) радіохвиль. З урахуванням нормальної рефракції радіохвиль максимальна дальність визначається більш точним, ніж співвідношенням

Якщо пзалежить від однієї координати, наприклад, висоти h(плоскошарове середовище), то при проходженні хвилі через кожен плоский шар промінь, що падає в неоднорідне середовище в точці з n 0 =1 під кутом 0 у просторі викривляється так, що у довільній точці середовища hдотримується співвідношення:

.

Якщо пспадає зі збільшенням h,то в результаті рефракції промінь, у міру поширення, відхиляється від вертикалі та на деякій висоті h m стає паралельним горизонтальній площині, а потім розповсюджується вниз. Максимальна висота h m , на яку промінь може заглибитися в неоднорідне плоскослоїсте середовище, залежить від кута падіння 0 . Цей кут можна визначити за умови:

В область h>h m промені не проникають і, згідно з наближенням геометричної оптики, хвильове поле в цій області має бути рівним 0. Насправді поблизу площини h=h m хвильове поле зростає, а при h>h m зменшується експоненційно. Порушення законів геометричної оптики при поширенні радіохвиль пов'язане з дифракцією хвиль внаслідок якої радіохвилі можуть проникати в область геометричної тіні. На межі області геометричної тіні o6pазується складний розподіл хвильових полів. Дифракція радіохвиль виникає за наявності на їхньому шляху перешкод (непрозорих або напівпрозорих тіл). Дифракція особливо суттєва у випадках, коли розміри перешкод порівняні довжиною хвилі.

Якщо поширення радіохвиль відбувається поблизу різкої межі (у масштабі ) між двома середовищами з різними електричними властивостями (наприклад, атмосфера поверхня Землі або тропосфера – нижня межа іоносфери для досить довгих хвиль), то при падінні радіохвиль на різку межу утворюються відбита та заломлена (пройшла) ) радіохвилі.

У неоднорідних середовищах можливе хвилеводне поширення радіохвиль, при якому відбувається локалізація потоку енергії між певними поверхнями, за рахунок чого хвильові поля між ними зменшуються з відстанню повільніше, ніж в однорідному середовищі. Так утворюються атмосферні хвилеводи .

У середовищі, що містить випадкові локальні неоднорідності, вторинні хвилі випромінюються безладно у різних напрямках. Розсіяні хвилі частково забирають енергію вихідної хвилі, що призводить до її ослаблення. При розсіянні на неоднорідностях розміром l<<рассеянные волны распространяются почти изотропно. В случае рассеяния на крупномасштабных прозрачных неоднородностях рассеянные волны распространяются правлениях, близких к направлению исходной волны. Приlвиникає сильне резонансне розсіювання.

Вплив поверхні Землі на поширення радіохвильзалежить від розташування щодо неї передавача та приймача. Поширення радіохвиль - процес, що захоплює велику область простору, але найбільш істотну роль у поширенні радіохвиль відіграє область, обмежена поверхнею, що має форму еліпсоїда розсіювання, у фокусах якого відстані rрозташовані передавач та приймач.

Якщо висоти h 1 та h 2 , на яких ітожені антени передавача і приймача над поверхнею Землі, великі в порівнянні з довжиною хвилі, вона не впливає на поширення радіохвиль . При зниженні обох або однієї з кінцевих точок радіотраси спостерігатиметься близьке до дзеркального відображення поверхні Землі. При цьому радіохвиля в точці прийому визначається інтерференцією прямої та відбитої хвиль . Інтерференційні максимуми та мінімуми зумовлюють пелюсткову структуру поля у зоні прийому. Особливо характерна така картина для метрових і коротших радіохвиль. Якість радіозв'язку у разі визначається провідністюгрунту. Ґрунти, що утворюють поверхневий - шар земної кори, а також води морів і океанів мають значить електропровідність. Але так як пі залежать від частоти, то для сантиметрових хвиль всі види земної поверхні мають властивості діелектрика. Для метрових і довших хвиль Земля – провідник, у який хвилі проникають на глибину
( 0 – довжина хвилі у вакуумі). Тому для підземного та підводного радіозв'язку використовуються в основному довгі та наддовгі хвилі.

Випуклість земної поверхні обмежує відстань, де з точки прийому видно передавач (область прямої видимості). Однак радіохвилі можуть проникати в область тіні на більшу відстань
(Rз - радіус Землі), огинаючи Землю, внаслідок дифракції. Практично в цю область за рахунок дифракції можуть проникати лише кілометрові та довші хвилі. За горизонтом поле зростає із збільшенням висоти h 1 на яку піднятий випромінювач, і швидко (майже експоненційно) зменшується при віддаленні від нього.

Вплив рельєфу земної поверхні на поширення радіохвиль залежить від висоти нерівностей h,їх горизонтальної протяжності l, довжини хвилі та кута падіння хвилі на поверхню. Якщо нерівності досить малі та пологи, так що kh cos<1(
– хвильове число) і виконується критерій Релея: k 2 l 2 cos<1, то они слабо влияют на распространение радиоволн. Влияние неровностей зависит, также от поляризации волн. Например, для горизонтально поляризованных волн оно меньше, чем для волн, поляризованных вертикально. Когда не ровности не малы и не пологи, энергия радиоволны может рассеиваться (радиоволна отражается от них). Высокие горы и холмы сh> утворюють затінені області. Дифракція радіохвиль на гірських хребтах іноді призводить до посилення хвилі через інтерференцію прямих і відбитих хвиль: вершина гори служить природним ретранслятором.

Фазова швидкість радіохвиль, що розповсюджуються вздовж земної поверхні (земних хвиль) поблизу випромінювача, залежить від її електричних властивостей. Однак на відстані в кілька від випромінювача vф  с.Якщо радіохвилі поширюються над електрично неоднорідною поверхнею, наприклад, спочатку над сушею, а потім над морем, то при перетині берегової лінії різко змінюється амплітуда та напрямок поширення радіохвиль (спостерігається берегова рефракція).

Поширення радіохвиль у тропосфері.Тропосфера – область у якій температура повітря зазвичай зменшується з висотою h.Висота тропопаузи над земною кулею не однакова: вона більше над екватором, ніж над полюсами, а середніх широтах, де існує система сильних західних вітрів, змінюється стрибкоподібно. Тропосфера складається із суміші газів та пари води; її провідність для радіохвиль з більше кількох сантиметрів зневажливо мала. Тропосфера має властивості, близькі до вакууму, так як у поверхні Землі коефіцієнт заломлення.
і фазова швидкість лише трохи менше з. Зі збільшенням висоти щільність повітря падає, а тому й пзменшуються, ще більш наближаючись до одиниці. Це призводить до відхилення траєкторій радіопроменів до Землі. Така нормальна тропосферна рефракція сприяє поширення радіохвиль за межі прямої видимості, оскільки за рахунок рефракції хвилі можуть огинати опуклість Землі. Фактично цей ефект може грати роль лише для УКХ. Для довших хвиль переважає відгинання опуклості Землі з допомогою дифракції.

Метеорологічні умови можуть послаблювати або посилювати рефракцію порівняно з нормальною, оскільки щільність повітря залежить від тиску, температури та вологості. Зазвичай у тропосфері тиск газів і температура з висотою зменшуються, а тиск водяної пари збільшується. Однак за деяких метеорологічних умов (наприклад, під час руху нагрітого над сушею повітря над морем) температура повітря з висотою збільшується (температурна інверсія). Особливо великі відхилення влітку висоті 2…3 км. У цих умовах часто утворюються температурні інверсії та хмарні шари і заломлення радіохвиль у тропосфері може стати настільки сильним, що під невеликим кутом, що вийшла, до горизонту радіохвиля на деякій висоті змінить напрям і повернеться назад до Землі. У просторі, обмеженому знизу земною поверхнею, а зверху – шаром тропосфери, що рефрагує, хвиля може поширюватися на дуже великі відстані (хвильово поширення). У тропосферних хвилеводах, як правило, можуть поширюватися хвилі з <1 м.

Поглинання радіохвиль у тропосфері дуже мало для всіх радіохвиль аж до сантиметрового діапазону. Поглинання сантиметрових і коротких хвиль різко збільшується, коли частота коливань збігається з однією зі своїх частот коливань молекул повітря (резонансне поглинання). Молекули отримують від хвилі, що приходить, енергію, яка перетворюється на теплоту і тільки частково передається вторинним хвиль. Відомий ряд ліній резонансного поглинання в тропосфері: =1,35 см, 1,5 см, 0,75 см (поглинання в парах води) та =0,5 см, 0,25 см (поглинання в кисні). Між резонансними лініями лежать області слабкішого поглинання (вікна прозорості).

Послаблення радіохвиль може бути також викликане розсіюванням на неоднорідностях, що виникають при турбулентному русі повітряних мас . Розсіювання різко збільшується, як у повітрі присутні краплинні неоднорідності як дощу, снігу, туману. Майже ізотропне розсіювання Релея на дрібномасштабних неоднорідностях уможливлює радіозв'язок на відстанях, що значно перевищують пряму видимість. Отже, тропосфера істотно впливає поширення УКХ. Для декаметрових і довших хвиль тропосфера практично прозора і їх поширення впливає земна поверхню і вищі шари атмосфери (ионосфера).

Поширення радіохвиль в іоносфері.Іоносферу утворюють верхні шари земної атмосфери, у якій гази частково (до 1%) іонізовані під впливом ультрафіолетового, рентгенівського та корпускулярного сонячного випромінювання. Іоносфера електрично нейтральна, вона містить однакову кількість покладе, і негативно заряджених частинок, тобто. є плазмою .

Достатньо велика іонізація, що впливає на поширення радіохвиль, починається на висоті 60 км (шар D),збільшується до висоти 300...400 км, утворюючи шари Е, F 1 , F 2 , і потім повільно зменшується. У головному максимумі концентрація електронів Nдосягає 10 2 м -3. Залежність Nвід висоти змінюється з часом доби, року, із сонячною активністю, а також з широтою та довготою.

Залежно від частоти основну роль поширенні радіохвиль грають ті чи інші види власних коливань. Тому електричні властивості різні для різних ділянок радіодіапазону. При високих частотах іони не встигають слідувати за змінами поля, і поширення радіохвиль беруть участь лише електрони. Вимушені коливання вільних електронів іоносфери виходять у протифазі з чинною силою та викликають поляризацію плазми у бік, протилежний електричному полю хвилі Е. Тому діелектрична проникність іоносфери<1. Она уменьшается с уменьшением частоты:
. Облік зіткнень електронів з атомами та іонами дає більш точні формули для діелектричної проникності та провідності іоносфери:

,

де - ефективна частота зіткнень.

Для декаметрових і більш коротких хвиль у більшій частині іоносфери     та показники заломлення nта поглинання наближаються до значень:

.

Бо для іоносфери n>1, то фазова швидкість поширення радіохвиль
, а групова швидкість
.

Поглинання в іоносфері пропорційно , оскільки чим більше зіткнень, тим більша частина енергії, що отримується електроном, переходить у тепло. Тому поглинання більше у нижніх областях іоносфери (шар D),де вище густина газу. Зі збільшенням частоти поглинання зменшується. Короткі хвилі відчувають слабке поглинання і можуть поширюватися великі відстані.

Рефракція радіохвиль в іоносфері.В іоносфері можуть поширюватися тільки радіохвилі з частотою 0 . Прі 0 показник заломлення nстає чисто уявним, і електромагнітне поле експоненційно зменшується вглиб плазми. Радіохвиля з частотою, що падає на іоносферу вертикально, відбивається від рівня, на якому 0 n=0. У нижній частині іоносфери електронна концентрація і 0 збільшуються з висотою, тому зі збільшенням випромінювана з Землі хвиля все глибше проникає в іоносферу. Максимальна частота радіохвилі, яка відбивається від шару іоносфери при вертикальному падінні, називається критичною частотою шару:

.

Критична частота шару F 2 (головного максимуму) змінюється протягом доби та року у межах (від 3…5 до 10 МГц). Для хвиль с кр показник заломлення не перетворюється на нуль і падаюча вертикально хвиля проходить через іоносферу, не відбиваючись.

При похилому падінні хвилі на іоносферу відбувається рефракція, як у тропосфері. У нижній частині іоносфери фазова швидкість збільшується з висотою (разом із збільшенням електронної концентрації N).Тому траєкторія променя відхиляється у напрямку Землі. Радіохвиля, що падає на іоносферу під кутом 0, повертає до Землі на висоті h,для якої виконано умову кр. Максимальна частота хвилі, що відображається від іоносфери при падінні під кутом 0 , називається максимальною частотою, що застосовується max =
. Хвилі с< max отражаясь от ионосферы, возвращаются на Землю. Этот эффект что используется для дальней радиосвязи и загоризонтной радиолокации. Вследствие сферичности Земли величина угла 0 ограничена и дальность связи при однократном отражении от ионосферы не превосходит 3500…4000 км. Связь на большие расстояния осуществляется за счет нескольких последовательных отражений от ионосферы и Земли (скачков). Возможны и более сложные, волноводные траектории, возникающие за счет горизонтального градиентаNабо розсіювання на неоднорідностях іоносфери при поширенні радіохвиль із частотою > max . Внаслідок розсіювання кут падіння променя на шар F 2 виявляється більше, ніж при звичайному розповсюдженні. Промінь зазнає ряду послідовних відображень від шару F 2 , доки не потрапить в область з таким градієнтом N,що викликає відображення частини енергії назад до Землі.

Вплив магнітного поля Землі із напруженістю Н 0 зводиться до тому , що на електрон, що рухається зі швидкістю v, діє сила Лоренца
, під впливом якого він обертається по колу в площині, перпендикулярній Н 0, з гіроскопічною частотою Н. Траєкторія кожної зарядженої частки гвинтова лінія з віссю вздовж Н 0. Дія сили Лоренца призводить до зміни характеру вимушених коливань електронів під впливом електричного поля хвилі, отже, зміни електричних властивостей середовища. В результаті електричні властивості іоносфери стають залежними від напряму поширення радіохвиль і описуються не скалярною величиною , а тензором діелектричної проникності ij . Падаюча на таке середовище хвиля відчуває подвійне променезаломлення , тобто розщеплюється на дві хвилі, що відрізняються швидкістю та напрямом поширення, поглинанням та поляризацією. Якщо напрям поширення радіохвиль перпендикулярно Н 0 , то падаючу хвилю можна уявити у вигляді суми двох лінійно поляризованих хвиль ЕН 0 та Е||Н 0 . Для першої "незвичайної" хвилі характер вимушеного руху електронів під дією поля хвилі змінюється (з'являється компонента прискорення, перпендикулярна) Е) і тому змінюється п.Для другої "звичайної" хвилі вимушений рух залишається таким самим, як і без поля Н 0 .

Основна частина енергії низькочастотних (НЧ) та дуже низькочастотних (ОНЧ) радіохвиль практично не проникає в іоносферу. Хвилі відбиваються від її нижньої межі (вдень – внаслідок сильної рефракції в D-шарі, вночі – від E-шару, як від межі двох середовищ з різними електричними властивостями). Поширення цих хвиль добре описується моделлю, згідно з якою однорідні та ізотропні Земля та іоносфера утворюють приземний хвилевід з різкими сферичними стінками. У цьому хвилеводі і відбувається поширення радіохвиль. Така модель пояснює спад спадання поля з відстанню і зростання амплітуди поля з висотою. Останнє пов'язане зі ковзанням хвиль уздовж увігнутої поверхні хвилеводу, що призводить до своєрідного фокусування поля. Амплітуда радіохвиль значно зростає в антиподній по відношенню до джерела точки Землі. Це пояснюється додаванням радіохвиль, що огинають Землю по всіх напрямках і сходяться на протилежному боці.

Вплив магнітного поля Землі зумовлює ряд особливостей поширення НЧ хвиль в іоносфері: наддовгі хвилі можуть виходити з приземного хвилеводу за межі іоносфери, поширюючись вздовж силових ліній геомагнітного поля між сполученими точками Аі ВЗемлі.

Нелінійні ефекти при поширенні радіохвиль в іоносферівиявляються вже для радіохвиль порівняно невеликої інтенсивності та пов'язані з порушенням лінійної залежності поляризації середовища від електричного поля хвилі . "Нагрівна" нелінійність грає основну роль, коли характерні розміри обуреного електричним полем області плазми в багато разів більші за довжину вільного пробігу електронів. Оскільки довжина вільного пробігу електронів у плазмі значна, електрон встигає отримати від поля помітну енергію під час одного пробігу. Передача енергії при зіткненнях від електрона до іонів атомів і молекул утруднена через велику різницю в їх масах. В результаті електрони плазми сильно "розігріваються" вже у порівняно слабкому електричному полі, що змінює ефективну частоту зіткнень. Томуіплазми стають залежними від напруженості електричного поля Ехвилі і поширення радіохвиль набуває нелінійного характеру.

Нелінійні ефекти можуть виявлятися як самодія хвилі і як взаємодія хвиль між собою. Самовплив потужної хвилі призводить до зміни її поглинання та глибини модуляції. Поглинання потужної радіохвилі нелінійно залежить від її амплітуди. Частота зіткнень  зі збільшенням температури (енергії електронів) може як зростати (у нижніх шарах, де основну роль відіграють зіткнення з нейтральними частинками), так і спадати (при зіткненні з іонами). У першому випадку поглинання різко зростає із збільшенням потужності хвилі (насичення поля у плазмі). У другому випадку поглинання падає (цей ефект називається просвітленням плазми для потужної радіохвилі). Через нелінійну зміну поглинання амплітуда хвилі нелінійно залежить від амплітуди поля, що падає, тому її модуляція спотворюється (автомодуляція і демодуляція хвилі). Зміна коефіцієнта заломлення nу полі потужної хвилі призводить до спотворення траєкторії променя. При поширенні вузьконаправлених пучків радіохвиль цей ефект може призвести до самофокусування пучка аналогічно до самофокусування світла та до утворення хвилеводного каналу в плазмі.

Взаємодія хвиль за умов нелінійності призводить до порушення принципу суперпозиції . Зокрема, якщо потужна хвиля з частотою 1 модульована по амплітуді, то завдяки зміні поглинання ця модуляція може передатися іншій хвилі з частотою 2 , що проходить в тій же області іоносфери. Це називається кросмодуляцією.

Поширення радіохвиль в умовах космічного просторумає особливості за рахунок того, що з космічного простору до Землі приходить широкий спектр електромагнітних волі, які на шляху з космосу мають пройти через іоносферу та тропосферу. Через атмосферу Землі без помітного згасання поширюються хвилі двох основних частотних діапазонів: "радіоокно" відповідає діапазону від іоносферної критичної частоти до частот сильного поглинання аерозолями та газами атмосфери (10 МГц…20 ГГц), "оптичне вікно" охоплює діапазон видимого ТГц ... 10 3 ТГц). Атмосфера також частково прозора в діапазоні низьких частот до 300 кГц, де поширюються свистячі атмосферики, та магнітогідродинамічні хвилі.

Поширення радіохвиль різних діапазонів.Радіохвилі дуже низьких(3…30 кГц) та низьких (30…300 кГц) частотогинають земну поверхню внаслідок хвилеводного поширення та дифракції, порівняно слабо проникають в іоносферу і мало нею поглинаються. Відрізняються високою фазовою стабільністю та здатністю рівномірно покривати великі площі, включаючи полярні райони. Це зумовлює можливість їх використання для стійкого далекого та наддальнього радіозв'язку та радіонавігації, незважаючи на високий рівень атмосферних перешкод. Смуга частот від 150 кГц до 300 кГц використовується для радіомовлення. Труднощі застосування частотного діапазону дуже низьких пов'язані з громіздкістю антенних систем з високим рівнем атмосферних перешкод, відносною обмеженістю швидкості передачі інформації. Повільні коливання хвиль дуже низьких частот не можна модулювати швидкими процесами, що несуть інформацію з високою швидкістю. Як писав з цього приводу Н.Вінер, "Не можна зіграти джигу на нижньому регістрі органу".

Середні хвилі(300 кГц…3000 кГц) вдень поширюються вздовж Землі (земна чи пряма хвиля). Відбита від іоносфери хвиля практично відсутня, оскільки хвилі сильно поглинаються у шарі Dіоносфери. Вночі через відсутність сонячного випромінювання шар Dзникає, з'являється іоносферна хвиля, відбита від шару Е. При цьому дальність поширення і, відповідно, прийому зростає. Додавання прямої і відбитої хвиль тягне у себе сильну мінливість поля у точці прийому. Тому іоносферна хвиля – джерело перешкод багатьом служб, використовують поширення земної хвилі.

Короткі хвилі(3 МГц ... 30 МГц) слабо поглинаються D-і Е-шарами і відбиваються від шару F, коли їх частоти< max . В результате отражения от ионосферы возможна связь как на малых, так и на больших расстояниях при значительно меньшем уровне мощности передатчика и гораздо более простых антеннах, чем в более низкочастотных диапазонах. Особенность радиосвязи в этом диапазоне – наличие замираний (фединга) сигнала из-за изменений условий отражения от ионосферы и интерференционных эффектов. Коротковолновые линии связи подвержены влиянию атмосферных помех. Ионосферные бури вызывают прерывание связи.

Для дуже високих частоті УКХ (30 ... 1000 МГц) характерне переважання поширення радіохвиль всередині тропосфери та проникнення крізь іоносферу. Роль земної хвилі падає. Поля перешкод у низькочастотній частині цього діапазону все ще можуть визначатися відображеннями від іоносфери, і до частоти 60 МГц іоносферне розсіювання продовжує відігравати помітну роль. Усі види поширення радіохвиль, крім тропосферного розсіювання, дозволяють передавати сигнали з шириною смуги частот у кілька МГц.

Хвилі УВЧі НВЧ (1000 МГц ... 10000 МГц) поширюються в основному в межах прямої видимості і характеризуються низьким рівнем шумів. У цьому діапазоні при поширенні радіохвиль відіграють роль відомі області максимального поглинання та частоти випромінювання хімічних елементів (наприклад, лінії резонансного поглинання молекулами водню поблизу частоти 1,42 ГГц).

Хвилі НВЧ (>10 ГГц) поширюються лише межах прямої видимості. Втрати у цьому діапазоні дещо вищі, ніж на нижчих частотах, причому на їхню величину сильно впливає кількість опадів. Зростання втрат цих частотах частково компенсується зростанням ефективності антенних систем. Схема, що ілюструє особливості поширення радіохвиль різним діапазоном, ілюструється рис. 13.3.

Рис. 13.3. Поширення електромагнітних хвиль у приземному просторі

Незважаючи на те, що історично випромінювання оптичного діапазону хвиль почали використовуватися людством набагато раніше, ніж будь-які інші електромагнітні поля, поширення через атмосферу оптичних хвиль найменше вивчено порівняно з поширенням будь-яких хвиль радіодіапазону. Пояснюється це складнішою картиною явищ поширення, а також і тим, що ширше вивчення цих явищ почалося лише останнім часом, після винаходу та початку широкого застосування всебічного оптичних квантових генераторів – лазерів.

Три основні явища зумовлюють закономірності поширення оптичних хвиль через атмосферу: поглинання, розсіювання та турбулентність. Перші два визначають середнє згасання електромагнітного поля за фіксованих атмосферних умов і порівняно повільні зміни поля (повільні завмирання), за зміни метеорологічних умов. Третє явище - турбулентність викликає швидкі зміни поля (швидкі завмирання), що спостерігаються за будь-якої погоди. Крім цього, через турбулентність спостерігається ефект багатопроменевості, коли структура променя, що прийшов на прийом, може істотно змінитися в порівнянні зі структурою променя на виході передавального пристрою.

Перш ніж приступити до вивчення будь-яких нових явищ, процесів або об'єктів, у науці завжди прагнуть провести їх класифікацію за можливо більшими ознаками. Для розгляду та аналізу сигналів виділимо їх основні класи. Це необхідно з двох причин. По-перше, перевірка належності сигналу до конкретного класу – процедура аналізу. По-друге, для представлення та аналізу сигналів різних класів часто доводиться використовувати різні засоби та підходи. Основні поняття, терміни та визначення у галузі радіотехнічних сигналів встановлює національний (раніше, державний) стандарт «Сигнали радіотехнічні. Терміни та визначення". Радіотехнічні сигнали надзвичайно різноманітні. Частина короткої класифікації сигналів за низкою ознак наведено на рис. 1. Докладніше про ряд понять викладено далі. Радіотехнічні сигнали зручно розглядати у вигляді математичних функцій, заданих у часі та фізичних координатах. З цього погляду сигнали зазвичай описується однією (одномірний сигнал; n = 1), двома

(двовимірний сигнал; n = 2) або більше (багатомірний сигнал n > 2) незалежними змінними. Одновимірні сигнали є функціями лише часу, а багатовимірні, крім того, відображають положення в n-мірному просторі.

Рис.1. Класифікація радіотехнічних сигналів

Будемо для визначеності та спрощення в основному розглядати одномірні сигнали, що залежать від часу, проте матеріал навчального посібника допускає узагальнення і на багатовимірний випадок, коли сигнал подається у вигляді кінцевої або нескінченної сукупності точок, наприклад, у просторі, становище яких залежить від часу. У телевізійних системах сигнал чорно-білого зображення можна розглядати як функцію f(x, у, f) двох просторових координат та часу, що становить інтенсивність випромінювання в точці (х, у) в момент часу t на катоді. При передачі кольорового телевізійного сигналу маємо три функції f(x, у, t), g(x, у, t), h(x, у, t), визначені на тривимірній множині (можна розглядати ці три функції також як компоненти тривимірного векторного) поля). Крім того, різні види телевізійних сигналів можуть виникати під час передачі телевізійного зображення спільно зі звуком.

Багатовимірний сигнал – впорядкована сукупність одновимірних сигналів. Багатовимірний сигнал створює, наприклад, система напруг на затискачі багатополюсника (рис. 2). Багатовимірні сигнали описують складними функціями, і їх обробка найчастіше можлива у цифровій формі. Тому багатовимірні моделі сигналів особливо корисні у разі, коли функціонування складних систем аналізується за допомогою комп'ютерів. Отже, багатовимірні, або векторні, сигнали складаються з безлічі одновимірних сигналів

де n – ціле число, розмірність сигналу.

Р
іс. 2. Система напруг багатополюсника

За особливостями структури тимчасового представлення (рис. 3) всі радіотехнічні сигнали поділяються на аналогові (analog), дискретні (discrete-time; від лат. discretus – розділений, уривчастий) та цифрові (digital).

Якщо фізичний процес, що породжує одновимірний сигнал, можна уявити безперервною функцією часу u(t) (рис. 3, а), то такий сигнал називають аналоговим (безперервним), або, узагальнено, континуальним (continuos - багатоступінчастим), якщо останній має стрибки , розриви по осі амплітуд Зауважимо, що зазвичай термін «аналоговий» використовують із опису сигналів, які безперервні у часі. Безперервний сигнал можна трактувати як дійсне або комплексне коливання у часі u(t), що є функцією безперервної дійсної тимчасової змінної. Поняття «аналоговий» сигнал пов'язане з тим, що будь-яке миттєве значення аналогічне закону зміни відповідної фізичної величини в часі. Прикладом аналогового сигналу є деяка напруга, яка подано на вхід осцилографа, внаслідок чого на екрані виникає безперервна крива як функція часу. Оскільки сучасна обробка безперервних сигналів з використанням резисторів, конденсаторів, операційних підсилювачів тощо має мало спільного з аналоговими комп'ютерами, термін «аналоговий» сьогодні видається не зовсім невдалим. Коректнішим було б називати безперервною обробкою сигналів те, що сьогодні зазвичай називають аналоговою обробкою сигналів.

У радіоелектроніці та техніці зв'язку широко застосовуються імпульсні системи, пристрої та ланцюги, дія яких ґрунтується на використанні дискретних сигналів. Наприклад, електричний сигнал, що відображає мова, є безперервним як за рівнем, так і за часом, а датчик температури, що видає її значення кожні 10 хв, служить джерелом сигналів, безперервних за значенням, але дискретних за часом.

Дискретний сигнал одержують з аналогового шляхом спеціального перетворення. Процес перетворення аналогового сигналу на послідовність відліків називається дискретизацією (sampling), а результат такого перетворення - дискретним сигналом чи дискретним рядом (discrete series).

Найпростіша математична модель дискретного сигналу
- послідовність точок на часовій осі, взятих, як правило, через рівні проміжки часу
, Звані періодом дискретизації (або інтервалом, кроком дискретизації; Sample time), і в кожній з яких задані значення відповідного безперервного сигналу (рис. 3, б). Величина, зворотна до періоду дискретизації, називається частотою дискретизації (sampling frequency):
(інше позначення
). Відповідна їй кутова (кругова) частота визначається так:
.

Дискретні сигнали можуть бути створені безпосередньо джерелом інформації (зокрема, дискретні відліки сигналів датчиків у системах керування). Найпростішим прикладом дискретних сигналів можуть бути відомості про температуру, що передаються в програмах новин радіо і телебачення, а в паузах між таким передачами відомостей про погоду зазвичай немає. Не слід думати, що дискретні повідомлення обов'язково перетворять на дискретні сигнали, а безперервні повідомлення - безперервні сигнали. Найчастіше саме безперервні сигнали використовують передачі дискретних повідомлень (як їх переносників, т. е. несучої). Дискретні сигнали можна використовувати для передачі безперервних повідомлень.

Вочевидь, що у випадку подання безперервного сигналу набором дискретних відліків призводить до певної втрати корисної інформації, оскільки ми нічого не знаємо про поведінку сигналу в проміжках між відліками. Однак, існує клас аналогових сигналів, для яких такої втрати інформації практично не відбувається, і тому вони можуть бути з високим ступенем точності відновлені за значеннями дискретних відліків.

Різновидом дискретних сигналів є цифровий сигнал (digital signal). . При цьому значення рівнів сигналу можна пронумерувати двійковими числами з кінцевим числом розрядів, необхідним. Сигнал, дискретний у часі та квантований за рівнем, називають цифровим сигналом. До речі, сигнали, квантовані за рівнем, але безперервні у часі, практично зустрічаються рідко. У цифровому сигналі дискретні значення сигналу
спочатку квантують за рівнем (мал. 3, в) і потім квантовані відліки дискретного сигналу замінюють числами
найчастіше реалізованими в двійковому коді, який є високим (одиниця) і низьким (нуль) рівнями потенціалів напруги - короткими імпульсами тривалістю (Рис. 3, г). Такий код називають уніполярним. Оскільки відліки можуть набувати кінцеве безліч значень рівнів напруги (див. наприклад другий відлік на рис. 3, г, який у цифровому вигляді практично рівноймовірно може бути записаний як числом 5 - 0101, так і числом 4 - 0100), то при поданні сигналу неминуче відбувається його заокруглення. Помилки округлення, що при цьому виникають, називаються помилками (або шумами) квантування (quantization error, quantization noise).

Послідовність чисел, що представляє сигнал під час цифрової обробки, є дискретним рядом (discrete series). Числа, що становлять послідовність, є значеннями сигналу окремі (дискретні) моменти часу і називаються цифровими відліками сигналу (samples). Далі квантоване значення сигналу представляється як набору імпульсів, що характеризують нулі («0») і одиниці («1») при представленні цього значення в двійковій системі числення (рис. 3, г). Набір імпульсів використовують для амплітудної модуляції несучого коливання та отримання кодово-імпульсного радіосигналу.

В результаті цифрової обробки не виходить нічого «фізичного», лише цифри. А цифри – це абстракція, спосіб опису інформації, що міститься у повідомленні. Отже, нам необхідно мати щось фізичне, що представлятиме цифри або бути носієм цифр. Отже, сутність цифрової обробки полягає в тому, що фізичний сигнал (напруга, струм і т. д.) перетворюється на послідовність чисел, яка піддається математичним перетворенням в обчислювальному пристрої.

Трансформований цифровий сигнал (послідовність чисел) при необхідності може бути перетворений назад, на напругу або струм.

Цифрова обробка сигналів надає широкі можливості щодо передачі, прийому та перетворення інформації, у тому числі й ті, які не можуть бути реалізовані за допомогою аналогової техніки. На практиці при аналізі та обробці сигналів найчастіше цифрові сигнали замінюють дискретними, а їхня відмінність від цифрових інтерпретують як шум квантування. У зв'язку з цим ефекти, пов'язані з квантуванням за рівнем та оцифруванням сигналів, у більшості випадків не братимуться до уваги. Можна сміливо сказати, що у дискретних і цифрових ланцюгах (зокрема, в цифрових фільтрах) обробляють дискретні сигнали, лише усередині структури цифрових ланцюгів ці сигнали представлені числами.

Обчислювальні пристрої, призначені для обробки сигналів можуть оперувати з цифровими сигналами. Існують також пристрої, побудовані переважно на базі аналогової схемотехніки, які працюють з дискретними сигналами, представленими у вигляді імпульсів різної амплітуди, тривалості або частоти повторення.

Однією з основних ознак, якими розрізняються сигнали, є передбачуваність сигналу (його значень) у часі.

Р
іс. 3. Радіотехнічні сигнали:

а – аналоговий; б – дискретний; в – квантований; г - цифровий

По математичному уявленню (за рівнем наявності апріорної, від латів. a priori - з попереднього, т. е. допитової інформації) все радіотехнічні сигнали прийнято ділити на дві основні групи: детерміновані (регулярні; determined) і довільні (casual) сигнали (рис. 4).

Детермінованими називають радіотехнічні сигнали, миттєві значення яких у будь-який момент часу достовірно відомі, тобто передбачувані з ймовірністю, що дорівнює одиниці. Детерміновані сигнали описуються заздалегідь заданими функціями часу. До речі, миттєве значення сигналу - це міра того, яке значення і в якому напрямку змінна відхиляється від нуля; таким чином, миттєві значення сигналу можуть бути як позитивними, і негативними (рис. 4, а). Найпростішими прикладами детермінованого сигналу є гармонійне коливання з відомою початковою фазою, високочастотні коливання, модульовані за відомим законом, послідовність або пачка імпульсів, форма, амплітуда та тимчасове положення яких наперед відомі.

Якби повідомлення, що передається по каналах зв'язку, було детермінованим, тобто заздалегідь відомим з повною достовірністю, то його передача була б безглуздою. Таке детерміноване повідомлення щодо справи не містить жодної нової інформації. Тому повідомлення слід як випадкові події (або випадкові функції, випадкові величини). Інакше кажучи, має існувати кілька варіантів повідомлення (наприклад, безліч різних значень тиску, що видаються датчиком), з яких реалізують з певною ймовірністю одне. У зв'язку з цим сигнал є випадковою функцією. Детермінований сигнал може бути носієм інформації. Його можна використовувати лише для випробувань радіотехнічної системи передачі або тестування окремих її пристроїв. Випадковий характер повідомлень, і навіть перешкод зумовив найважливіше значення теорії ймовірностей у побудові теорії передачі.

Рис. 4. Сигнали:

а – детермінований; б - випадковий

Детерміновані сигнали поділяють на періодичні та неперіодичні (імпульсні). Сигнал кінцевої енергії, істотно відмінний від нуля протягом обмеженого інтервалу часу, який можна порівняти з часом завершення перехідного процесу в системі, для впливу на яку він призначений, називають імпульсним сигналом.

Випадковими називають сигнали, миттєві значення яких у будь-який момент часу не відомі і не можуть бути передбачені з ймовірністю, що дорівнює одиниці. Фактично для випадкових сигналів можна знати лише ймовірність того, що він набуде будь-якого значення.

Може здатись, що поняття «випадковий сигнал» не зовсім коректне.

Але це не так. Наприклад, напруга на виході приймача тепловізора, спрямованого на джерело ІЧ-випромінювання, представляє хаотичні коливання, що несуть різноманітну інформацію про об'єкт, що аналізується. Строго кажучи, всі сигнали, що зустрічаються на практиці, є випадковими і більшість їх представляють хаотичні функції часу (рис. 4, б). Хоч як парадоксально на перший погляд, але сигналом, що несе корисну інформацію, може бути лише випадковий сигнал. Інформація в такому сигналі закладена в безлічі амплітудних, частотних (фазових) або кодових змін сигналу, що передається. Сигнали зв'язку в часі змінюють миттєві значення, причому ці зміни можуть бути передбачені лише з деякою ймовірністю меншої одиниці. Таким чином, сигнали зв'язку є до певної міри випадковими процесами, тому і їх опис здійснюється за допомогою методів, аналогічних методам опису випадкових процесів.

У процесі передачі корисної інформації радіотехнічні сигнали можуть бути піддані тому чи іншому перетворенню. Це зазвичай відображають у їх назві: сигнали модульовані, демодульовані (детектовані), кодовані (декодовані), посилені, затримані, дискретизовані, квантовані та ін.

За призначенням, яке сигнали мають у процесі модуляції, їх можна розділити на модулюючі (первинний сигнал, який модулює коливання, що несе) або модулюються (несуче коливання).

За приналежністю до того чи іншого виду радіотехнічних систем, зокрема систем передачі інформації, розрізняють «зв'язні», телефонні, телеграфні, радіомовні, телевізійні, радіолокаційні, радіонавігаційні, вимірювальні, керуючі, службові (у тому числі пілот-сигнали) та інші сигнали .

Наведена коротка класифікація радіотехнічних сигналів не повністю охоплює їх різноманітність.

Міністерством освіти

Республіка Білорусь

· Реєстраційний № ТД-I.008/тип.

·

·

·

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ РАДІОТЕХНІКИ

за спеціальностями 1Радіоінформатика,

СКЛАДНИК:

Доцент кафедри радіотехнічних пристроїв Установи освіти «Білоруський державний університет інформатики та радіоелектроніки», кандидат технічних наук, доцент

РЕЦЕНЗЕНТИ:

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

«Теоретичні основи радіотехніки» - це одна з дисциплін, що визначає своїм змістом професійну підготовку інженерів за спеціальностями 1Радіоінформатика, Радіоелектронний захист інформації. Мета дисципліни полягає у вивченні теоретичних основ сучасної радіотехніки, пов'язаних з аналізом радіотехнічних сигналів та пристроїв, використанні отриманих знань як основи щодо наступних радіотехнічних дисциплін.

Дисципліна «Теоретичні основи радіотехніки» передбачає вивчення теорії детермінованих та випадкових радіосигналів, принципів їх отримання та перетворення в радіотехнічних пристроях, методів аналізу лінійних, нелінійних та параметричних ланцюгів, схемної побудови типових пристроїв каналу зв'язку та інших інформаційних систем, питань оптимальної та цифрової. У дисципліні використовуються сучасні математичні методи вирішення задач аналізу радіотехнічних сигналів та ланцюгів. Завдання дисципліни - сформувати такий обсяг теоретичних та фізичних знань, які забезпечать розуміння та подальше вивчення основних проблем синтезу та аналізу складних радіотехнічних систем, оцінки їх якості за різними критеріями.

Типова програма з дисципліни "Теоретичні основи радіотехніки" розрахована на обсяг 170 навчальних годин. Приблизний розподіл навчальних годин за видами занять: лекцій – 102 години, лабораторних та практичних занять – 68 годин.

В результаті вивчення дисципліни студенти мають

знати:

Математичні моделі сигналів, методи опису та аналізу їх властивостей;

Методи аналізу лінійних, нелінійних та параметричних ланцюгів;

Схемна побудова та принципи роботи типових пристроїв радіотехнічного каналу зв'язку;

Основні положення статистичного аналізу випадкових сигналів;

Методи аналізу процесів лінійного та нелінійного перетворень випадкових сигналів;

Елементи теорії оптимальної лінійної фільтрації;

Основи теорії цифрової обробки сигналів;

вміти:

Класифікувати радіотехнічні сигнали та пристрої у системі різних показників;

Вирішувати задачі аналізу сигналів та їх перетворень із застосуванням сучасного математичного апарату та ЕОМ;

Аналізувати процес функціонування радіотехнічних пристроїв у різних режимах;

Синтезувати схеми оптимальних та цифрових фільтрів;

Проводити експериментальний аналіз сигналів та процесів їх обробки з використанням натурного моделювання та моделювання на ЕОМ, оформляти результати експериментів та формулювати відповідні висновки;

набути навички:

Розв'язання задач спектрального та кореляційного аналізу радіотехнічних сигналів;

Застосування ЕОМ для розрахунку спектральних та тимчасових характеристик сигналів та основних параметрів процесу їх перетворень;

Проведення експериментальних досліджень радіотехнічних сигналів та ланцюгів.

Список дисциплін, на яких базується дисципліна «Теоретичні основи радіотехніки»: вища математика, теорія ймовірностей, фізика, основи електротехніки, електронні прилади, основи теорії ланцюгів.

ВСТУП

Тематика дисципліни «Теоретичні основи радіотехніки», необхідність та особливості її вивчення, місце у системі підготовки спеціалістів з радіоінформатики. Основні завдання радіотехніки та галузі її застосування, тенденції розвитку. Призначення радіотехнічних інформаційних систем, їхня структура, класифікація, принципи функціонування. Класифікація сигналів. Проблема завадостійкості. Розвиток радіоелектронної промисловості Республіка Білорусь.

Розділ 1. РАДІОТЕХНІЧНІ СИГНАЛИ

Тема 1.1. АНАЛІЗ ДЕТЕРМІНОВАНИХ СИГНАЛІВ

Математичні моделі та основні характеристики детермінованих сигналів. Векторний подання сигналів. Ортогональні сигнали та узагальнений ряд Фур'є. Похибка апроксимації поруч Фур'є.

Поняття спектра сигналу, необхідність його використання. Гармонічний спектральний аналіз та синтез періодичних сигналів. Тригонометричне та комплексне представлення спектра періодичного сигналу. Розподіл потужності у спектрі періодичного сигналу.

Спектральний аналіз неперіодичних сигналів. Основні властивості перетворення Фур'є. Розподіл енергії у спектрі неперіодичного сигналу. Співвідношення між тривалістю сигналу та шириною його спектра. Зв'язок між спектрами періодичного та неперіодичного сигналів. Спектри випробувальних сигналів: сигналів, що описуються дельта функцією та одиничною функцією, гармонійного сигналу.

Кореляційний аналіз детермінованих сигналів. Зв'язок між кореляційною та спектральною характеристиками сигналу. Дискретизація та відновлення сигналів по теоремі відліків (теоремі Котельникова). Ряд Котельникова. Принципи тимчасового ущільнення каналів зв'язку.

Тема 1.2. МОДУЛОВАНІ СИГНАЛИ

Необхідність застосування модульованих коливань. Види модуляції. Сигнали із амплітудною модуляцією. Векторне представлення та спектри сигналів з амплітудною модуляцією. Енергетичні співвідношення. Балансна та односмугова амплітудні модуляції.

Кутова модуляція. Сигнали з частотною (ЧМ) та фазовою (ФМ) модуляціями. Векторне представлення та спектри сигналів з ЧС та ФМ. Енергетичні співвідношення. Порівняльний аналіз амплітудної, частотної та фазової модуляцій. Радіоімпульс з частотною модуляцією, його властивості та основні характеристики.

Сигнали з імпульсною, амплітудно-імпульсною та імпульсно-кодовою (цифровою) модуляціями. Методи модуляції, що використовуються для передачі дискретних даних каналами зв'язку обчислювальних мереж.

Узагальнене уявлення модульованих коливань як вузькосмугових сигналів. Огибаюча, частота та фаза вузькосмугового сигналу. Аналітичний сигнал та його властивості.

Розділ 2. ПЕРЕТВОРЕННЯ СИГНАЛІВ У ЛІНІЙНИХ РАДІОТЕХНІЧНИХ ЛАНЦЮГІВ

Тема 2.1. ЛІНІЙНІ РАДІОТЕХНІЧНІ ЛАНЦЮГИ З ПОСТІЙНИМИ ПАРАМЕТРАМИ

Класифікація лінійних кіл. Основні властивості та характеристики лінійних ланцюгів, методи їх розрахунку та способи експериментального визначення. Пристрої диференціювання та інтегрування сигналів, їх характеристики. Фільтри. Активні лінійні кола. Підсилювальні пристрої, класифікація та принцип роботи.

Лінійні радіотехнічні ланцюги із зворотним зв'язком. Вплив зворотного зв'язку на параметри пристроїв. Стійкість лінійних ланцюгів із зворотним зв'язком. Критерії стійкості Гурвіца, Найквіста, Михайлова.

Тема 2.2. ПРОХОДЖЕННЯ ДЕТЕРМІНОВАНИХ СИГНАЛІВ ЧЕРЕЗ ЛІНІЙНІ ЛАНЦЮГИ

Постановка задачі та методи аналізу лінійних ланцюгів. Тимчасовий та спектральний методи аналізу, їх порівняльна характеристика. Проходження сигналів через диференціюючу та інтегруючу ланцюга.

Особливості аналізу проходження широкосмугових та вузькосмугових сигналів через вузькосмугові ланцюги. Спрощений спектральний метод. Спрощений часовий метод (метод огинаючої). Аналіз проходження сигналів з амплітудною та частотною модуляціями через резонансний підсилювач.

Розділ 3. ПЕРЕТВОРЕННЯ СИГНАЛІВ У НЕЛІНІЙНИХ І ПАРАМЕТРИЧНИХ РАДІОТЕХНІЧНИХ ЛАНЦЮГІВ

Тема 3.1. НЕЛІНІЙНІ РАДІОТЕХНІЧНІ ЛАНЦЮГИ І МЕТОДИ ЇХ АНАЛІЗУ

Нелінійні радіотехнічні ланцюги, їх властивості та основні характеристики. Методи апроксимації характеристик нелінійних елементів. Перетворення спектра сигналу в ланцюги з нелінійним елементом при статечній та кусково-лінійній апроксимації характеристик. Метод кута відсічення.

Метод фазової площини. Фазові траєкторії, спеціальні точки, ізокліни, граничні цикли. Аналіз нелінійних механізмів шляхом фазової поверхні.

Тема 3.2. НЕЛІНІЙНІ ПЕРЕТВОРЕННЯ СИГНАЛІВ

Нелінійне резонансне посилення сигналів, режими роботи та параметри підсилювачів. Збільшення частоти. Синтез ідеального помножувача частоти. Резонансні та параметричні помножувачі частоти.

Отримання амплітудно-модульованих коливань. Амплітудні модулятори на основі резонансних підсилювачів та аналогових перемножувачів напруг. Балансний модулятор. Випрямлення коливань. Принципи побудови та функціонування випрямлячів. Детектування сигналів із амплітудною модуляцією. Лінійний та квадратичний детектори. Синхронне детектування.

Одержання сигналів із кутовою модуляцією. Частотні та фазові модулятори. Принцип роботи цифрового модулятора. Детектування сигналів із кутовою модуляцією. Частотне та фазове детектування.

Перетворення частоти. Балансні перетворювачі частоти.

Принципи побудови модуляторів та демодуляторів (модемів), що використовуються у каналах зв'язку обчислювальних мереж.

Тема 3.3. АВТОКОЛЕБАЛЬНІ СИСТЕМИ

Структурна схема генератора. Необхідність позитивного зворотного зв'язку. Виникнення коливань та стаціонарний режим роботи автогенератора. Баланс амплітуд та баланс фаз. "М'який" та "жорсткий" режими самозбудження. Квазилінійний метод аналізу стаціонарного режиму. Визначення амплітуди та частоти коливань, що генеруються, в стаціонарному режимі.

Схеми автогенераторів. LC та RC автогенератори. Триточкові автогенератори з індуктивним та ємнісним зв'язками. Автогенератори на приладах із негативним диференціальним опором. Стабілізація частоти автогенераторах.

Релаксаційні автогенератори. Мультивібратори, одновібратори.

Тема 3.4. ПАРАМЕТРИЧНІ ПРИСТРОЇ

Особливості та різновиди параметричних ланцюгів. Енергетичні співвідношення у ланцюзі з нелінійною ємністю. Рівняння Менлі-Роу.

Диференціальне рівняння ланцюга із змінною ємністю. Рівняння Матьє. Посилення сигналів у параметричних ланцюгах. Одноконтурний та двоконтурний параметричні підсилювачі. Параметричне збудження коливань. Ємнісний та індуктивний параметрони.

Розділ 4. ПЕРЕТВОРЕННЯ ВИПАДКОВИХ СИГНАЛІВ

Тема 4.1. ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИПАДКОВИХ СИГНАЛІВ

Випадкові сигнали та перешкоди в системах зв'язку та управління. Імовірнісно-статистичний підхід до опису фізичних явищ у радіотехніці. Випадковий процес, як модель випадкового сигналу. Одновимірні та багатовимірні закони розподілу ймовірностей випадкових процесів. Числові характеристики. Кореляційна функція як міра статистичних зв'язків. Концепція статистичної залежності випадкових процесів.

Стаціонарні та нестаціонарні випадкові процеси. Ергодичні випадкові процеси. Статистичні характеристики стаціонарних та ергодичних випадкових процесів.

Спектральна густина потужності випадкового сигналу. Теорема Вінера-Хінчина. Співвідношення між шириною спектра та інтервалом кореляції. Деякі моделі випадкових сигналів: нормальний (гаусівський) шум, білий шум, вузькосмуговий випадковий процес, їх ймовірні характеристики.

Тема 4.2. ЛІНІЙНІ ПЕРЕТВОРЕННЯ ВИПАДКОВИХ СИГНАЛІВ

Постановка задач аналізу лінійних ланцюгів при впливі випадкових сигналів. Спектральна щільність потужності та кореляційна функція випадкового сигналу на виході лінійного кола. Числові характеристики. Визначення законів розподілу випадкових сигналів на виході лінійного кола. Ефект нормалізації випадкових сигналів у вузькосмугових ланцюгах.

Характеристики власних шумів лінійних кіл. Диференціювання та інтегрування випадкових процесів.

Тема 4.3. НЕЛІНІЙНІ ПЕРЕТВОРЕННЯ ВИПАДКОВИХ СИГНАЛІВ

Постановка задач аналізу нелінійних ланцюгів при впливі випадкових сигналів. Методи визначення законів розподілу ймовірностей випадкових сигналів на виході нелінійного безінерційного кола. Спектральна щільність потужності та кореляційна функція вихідного сигналу. Визначення числових показників.

Перетворення сигналу та шуму у приймальному тракті. Характеристики огинаючої та фази вузькосмугового випадкового процесу. Вплив вузькосмугового нормального шуму на лінійний та квадратичний амплітудні детектори. Спільна дія гармонійного коливання та нормального шуму на амплітудний детектор. Перешкодостійкість амплітудних детекторів. Вплив сигналу та нормального шуму на частотний детектор.

Тема 4.4. ПРИНЦИПИ ОПТИМАЛЬНОЇ ЛІНІЙНОЇ ФІЛЬТРАЦІЇ

Поставляє задачу оптимальної лінійної фільтрації сигналів на фоні перешкод. Коефіцієнт передачі узгодженого фільтра та відношення сигналу до шуму на його виході. Імпульсна характеристика узгодженого фільтра. Фізична здійсненність. Сигнал та перешкоди на виході узгодженого фільтра. Синтез узгоджених фільтрів деяких типових сигналів. Формування сигналу, пов'язаного із заданим фільтром. Узгоджена фільтрація заданого сигналу при "небілому" шумі.

Сутність кореляційного прийому. Структурна схема кореляційного приймача. Квазіоптимальні фільтри.

Розділ 5. ЦИФРОВА ОБРОБКА СИГНАЛІВ

Тема 5.1. ПРИНЦИПИ ДИСКРЕТНОЇ ФІЛЬТРАЦІЇ

Проблеми цифрового оброблення сигналів. Загальна структура цифрового фільтра. Діапазон дискретизованого сигналу. Дискретне перетворення Фур'є. Швидке перетворення Фур'є. Загальні відомості про дискретне z - перетворення. Дискретна згортка сигналів.

Тема 5.2. ЦИФРОВІ ФІЛЬТРИ

Принцип впливу цифрового фільтра. Передатна функція цифрового фільтра. Нерекурсивні та рекурсивні цифрові фільтри. Канонічні схеми рекурсивних фільтрів Методи синтезу цифрових фільтрів.

ПРИКЛАДНИЙ ПЕРЕЛІК ТИМ ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ

1. Спектральний аналіз періодичних сигналів.

2. Спектральний аналіз неперіодичних сигналів.

3. Кореляційний аналіз сигналів.

4. Дискретизація та відновлення сигналів по теоремі відліків (теоремі Котельникова).

5. Проходження сигналів через лінійні пристрої.

6. Нелінійні перетворення сигналів.

7. Розрахунок параметрів амплітудно-модульованих коливань.

8. Розрахунок параметрів сигналів із частотною та фазовою модуляціями.

9. Розрахунок амплітуди та частоти коливань, що формуються автогенераторами.

10. Розрахунок параметрів параметричних підсилювачів.

11. Розрахунок числових характеристик стаціонарних та ергодичних випадкових сигналів.

12. Лінійні перетворення випадкових сигналів.

13. Нелінійні перетворення випадкових сигналів.

14. Синтез узгоджених фільтрів для різних сигналів.

15. Синтез цифрових фільтрів.

ПРИКЛАДНИЙ ПЕРЕЛІК ТИМ ЛАБОРАТОРНИХ РОБОТ

1. Дослідження спектрів періодичних та неперіодичних сигналів.

2. Дослідження спектрів сигналів з амплітудною, частотною та фазовою модуляціями.

3. Кореляційний аналіз детермінованих сигналів.

4. Дослідження процесів дискретизації сигналів за теоремою відліків.

5. Дослідження проходження сигналів через лінійні пристрої.

6. Дослідження проходження сигналів через нелінійні пристрої.

7. Дослідження процесів амплітудної модуляції.

8. Дослідження процесів випрямлення та детектування АМ коливань.

9. Дослідження генераторів гармонійних коливань.

10. Дослідження законів розподілу випадкових сигналів.

11. Дослідження проходження випадкових сигналів через лінійні пристрої.

12. Дослідження проходження випадкових сигналів через нелінійні пристрої.

13. Кореляційний аналіз випадкових сигналів.

14. Синтез та дослідження цифрових фільтрів.

ПРИКЛАДНИЙ ПЕРЕЛІК ТИМ КУРСОВИХ РОБОТ

1. Розрахунок проходження сигналів складної форми через лінійні ланцюги спектральним способом.

2. Розрахунок проходження сигналів складної форми через лінійні ланцюги тимчасовим способом.

3. Розрахунок тимчасових та спектральних характеристик сигналів на виході нелінійних пристроїв.

4. Розрахунок статистичних параметрів випадкових сигналів на виході лінійного пристрою.

5. Розрахунок статистичних параметрів випадкових сигналів на виході нелінійного пристрою.

ЛІТЕРАТУРА

ОСНОВНА

1. Нефедов радіоелектроніки та зв'язку: Підручник для вузів. - М: Вища школа, 2002.

2. Гоноровський ланцюги та сигнали: Підручник для вузів. - М: Радіо і зв'язок, 1986.

3. , Ушаков основи радіотехніки: Навчальний посібник для вузів. - М: Вища школа, 2002.

4. Баскаков ланцюги та сигнали: Підручник для вузів. - М: Вища школа, 2000.

5. Радіотехнічні ланцюги та сигнали. , та ін / Под ред. - Радіо та зв'язок, 1990.

ДОДАТКОВА

1. Манаєв радіоелектроніки. - М: Радіо і зв'язок, 1990.

2. Хеммінг фільтри: Пер. з англ. М:. Рад. радіо. 1980.

3. Каяцкас радіоелектроніки. - М:. Вища школа, 1988р.

4. , Нефьодов. - М:МІРЕА, 1997.

5. Левін основи статистичної радіотехніки. - М: Радіо і зв'язок, 1989.

6. Прокінс Дж. Цифровий зв'язок. - М: Радіо і зв'язок, 1999.

7. Бітус ланцюга та сигнали. Частина 1 і 3. - Мн.: БДУІР, 1999.

8. Радіотехнічні ланцюги та сигнали. Приклади та завдання: Навчальний посібник для вузів. / За ред. - М: Радіо та зв'язок, 1989 .

9. Баскаков ланцюги та сигнали: Посібник для вирішення завдань: Навчальний посібник для вузів. – М: Вища школа, 2002.

Під час проведення лекцій в аудиторіях, обладнаних системою навчального ТБ, забезпечується їх комп'ютерне супроводження. Лабораторні та практичні заняття проводяться у комп'ютерних класах з використанням персональних ЕОМ. Для цього є відповідне програмне забезпечення, створене співробітниками БДУІР, та пакети прикладних програм типу Mathcad, Matlab та ін.

ЗАТВЕРДЖЕНА

Міністерством освіти

Республіка Білорусь

16.01.2006

Реєстраційний № ТД-I.009/тип.

ЕЛЕКТРОННІ, СВЕРХВИСОКОЧАСТОТНІ

І КВАНТОВІПРИЛАДИ

Навчальна програма для вищих навчальних закладів

за спеціальностями 1 – Радіотехніка, 1 – Радіоелектронні системи, 1 – Радіоінформатика, 1 – Радіоелектронний захист інформації

СКЛАДНИКИ:

, завідувач кафедри електроніки Установи освіти «Білоруський державний університет інформатики та радіоелектроніки», кандидат технічних наук;

,

, старший викладач кафедри електроніки Установи освіти «Білоруський державний університет інформатики та радіоелектроніки»;

, доцент кафедри електроніки Установи освіти «Білоруський державний університет інформатики та радіоелектроніки», кандидат технічних наук;

, доцент кафедри електроніки Установи освіти «Білоруський державний університет інформатики та радіоелектроніки», кандидат технічних наук;

За загальною редакцією:

РЕЦЕНЗЕНТИ:

Кафедра електронікиВійськової Академії Республіки Білорусь (протокол від 01.01.2001);

, начальник відділу науково-дослідний приладобудівний інститут», кандидат технічних наук

Кафедрою електроніки Установи освіти «Білоруський державний університет інформатики та радіоелектроніки» (протокол від 01.01.2001);

Науково-методичною радою Установи освіти «Білоруський державний університет інформатики та радіоелектроніки» (протокол від 01.01.2001)

ПОГОДЖЕНО:

Головою Навчально-методичним об'єднанням вузів Республіки Білорусь за освітою у галузі інформатики та радіоелектроніки;

Начальником Управлінням вищої та середньої спеціальної освіти Міністерства освіти Республіки Білорусь;

Першим проректором Державною установою освіти «Республіканський інститут вищої школи»

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

Типова програма «Електронні, надвисокочастотні та квантові прилади» розроблена для спеціальностей 1 – Радіотехніка, 1 – Радіоелектронні системи, 1 – Радіоінформатика, 1 – Радіоелектронний захист інформації вищих навчальних закладів і забезпечує базову підготовку студентів, необхідну для успішного вивчення. та дослідницьких завдань відповідно до освітніх стандартів. Метою вивчення дисципліни є підготовка студентів до вирішення завдань, пов'язаних із раціональним вибором електронних приладів, їх режимів роботи та схем включення у різних пристроях.

Вивчення дисципліни «Електронні, надвисокочастотні та квантові прилади» має спиратися на зміст таких дисциплін: «Вища математика» (диференціальне та інтегральне обчислення, диференціальні рівняння, функції комплексної змінної); «Фізика» (електрика, магнетизм, електромагнітні хвилі, квантова фізика, фізика твердого тіла), «Електротехніка» (теорія лінійних та нелінійних електричних кіл).

Програма складена відповідно до вимог освітніх стандартів та розрахована на обсяг 86 навчальних годин. Приблизний розподіл навчального годинника за видами занять: лекцій – 52 години, лабораторних занять – 34 години.

В результаті вивчення курсу «Електронні, надвисокочастотні та квантові прилади» студент має:

знати:

– фізичні основи явищ, принципи дії, пристрій, параметри, характеристики електронних, надвисокочастотних та квантових приладів та елементів мікроелектроніки та їх різних моделей, що використовуються при аналізі та синтезі радіоелектронних пристроїв;

– сучасний стан та перспективи розвитку електронних, надвисокочастотних та квантових приладів;

вміти:

– використовувати отримані знання для правильного вибору електронного приладу та завдання його робочого режиму постійного струму;

- Знаходити параметри приладів за їх характеристиками;

– визначати вплив режимів та умов експлуатації на параметри приладів;

придбати навички роботи:

– з електронними приладами та апаратурою, що використовується для дослідження характеристик та вимірювання параметрів приладів;

Розділ 1. ЕЛЕКТРОННІ ПРИЛАДИ

ВСТУП

Визначення терміна "Електронні прилади". Класифікація електронних приладів за характером робочого середовища (вакуум, розріджений газ, тверде тіло), принципом дії та діапазоном робочих частот. Основні властивості та особливості електронних приладів.

Короткий історичний нарис розвитку вітчизняної та зарубіжної електронної техніки. Роль електронних приладів у радіоелектроніці, телекомунікаційних системах, обчислювальних комплексах та інших галузях науки та техніки. Значення курсу як однієї з базових дисциплін з радіотехнічних спеціальностей.

Тема 1. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ НАПІВПРОВІДНИКОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ

Властивості напівпровідників. Основні матеріали напівпровідникової електроніки (кремній, германій, арсенід галію, нітрид галію), їх основні електрофізичні параметри. Процеси утворення вільних носіїв заряду.

Концентрація вільних носіїв у власному та домішковому напівпровідниках, її залежність від температури. Час життя та дифузійна довжина носіїв. Рівень Фермі, його залежність від температури та концентрації домішок.

Кінетичні процеси у напівпровідниках. Тепловий рух та його середня швидкість. Дрейфовий рух, рухливість носіїв заряду та її залежність від температури та концентрації домішок. Щільність дрейфового струму, питома провідність напівпровідників та її залежність від температури та концентрації домішок. Рух носіїв у потужних електричних полях, залежність дрейфової швидкості від напруженості електричного поля. Дифузійний рух носіїв, коефіцієнт дифузії, щільність дифузійного струму. Співвідношення Ейнштейна. Поява електричного поля у напівпровіднику при нерівномірному розподілі домішок.

Фізичні процеси біля поверхні напівпровідника. Поверхневі енергетичні стани, особливості руху носіїв поблизу поверхні, поверхнева рекомбінація. Напівпровідник у зовнішньому електричному полі, довжина екранування. Збіднений, збагачений та інверсійний шари.

Контактні явища у напівпровідниках. Фізичні процеси в електронно-дірковому переході. Утворення збідненого шару, умова рівноваги. Рівняння Пуассон. Енергетична діаграма, розподіл потенціалу, напруженості електричного поля та об'ємного заряду у переході. Висота потенційного бар'єру та ширина переходу.

Електронно-дірковий перехід при подачі зовнішньої напруги. Інжекція та екстракція носіїв заряду. Особливості несиметричного переходу.

Вольт-амперна характеристика (ВАХ) ідеалізованого електронно-діркового переходу. Розподіл нерівноважних носіїв. Тепловий струм, його залежність від ширини забороненої зони, концентрації домішок та температури. Математична модель та параметри ідеалізованого p-n-переходу: статичний та диференціальний опір, бар'єрна та дифузійна ємності переходу, їх залежність від прикладеної напруги. Пробій p-n-переходу. Види пробою.

Контакт метал-напівпровідник. Випрямляючий та невипрямляючий (омічний) контакти.

Гетеропереходи. Енергетичні діаграми. Особливості фізичних процесів. Особливості ВАХ.

Тема 2. ПІВПРОВІДНИКОВІ ДІОДИ

Класифікація напівпровідникових діодів за технологією виготовлення, потужністю, частотою та функціональним застосуванням: випрямні, стабілітрони, варикапи, імпульсні діоди, діоди з накопиченням заряду, діоди Шотки, тунельні та обернені діоди. Принцип роботи, параметри, параметри, схеми включення. Система позначення напівпровідникових діодів. Вплив температури на ВАХ.

Тема 3. Біполярні транзистори

Влаштування біполярного транзистора (БТ). Схеми увімкнення. Основні режими: активний, відсічення, насичення, інверсний. Принцип дії транзистора: фізичні процеси в емітерному переході, базі та колекторному переході; розподіл неосновних носіїв на основі при різних режимах. Ефект модуляції ширини основи. Струми в транзисторі; коефіцієнти передачі струму у схемах із загальною базою (ПРО) та загальним емітером (ОЕ).

Фізичні параметри транзистора: коефіцієнт передачі струму, диференціальні опори та ємності переходів, об'ємні опори областей.

Статичні показники транзистора. Модель ідеалізованого транзистора (модель Еберса-Молла). Характеристики реального транзистора у схемах з ПРО та ОЕ. Вплив температури на параметри транзистора.

Транзистор як лінійний чотириполюсник. Концепція малого сигналу. Системи Z-, Y-, H - параметрів та схеми заміщення транзистора. Зв'язок H-параметрів із фізичними параметрами транзистора. Визначення H-параметрів за статичними характеристиками. Залежність H-параметрів від режиму роботи та температури. Т- та П-подібні еквівалентні схеми транзисторів.

Робота транзистора із навантаженням. Побудова навантажувальної прямої. Принцип посилення.

Особливості роботи транзистора на високих частотах. Фізичні процеси, що визначають частотні характеристики транзистора. Гранична та гранична частоти, еквівалентна схема транзистора на високих частотах. Способи підвищення робочої частоти БТ.

Робота транзистора у імпульсному режимі. Фізичні процеси накопичення та розсмоктування носіїв заряду. Імпульсні характеристики транзистора.

Різновиди та перспективи розвитку БТ.

Тема 4. ПОЛЬОВІ ТРАНЗИСТОРИ

Польовий транзистор (ПТ) з керуючим p-n-переходом. Пристрій, схеми увімкнення. Принцип дії, фізичні процеси, вплив напруги електродів на ширину p-n-переходу і форму каналу. Статичні характеристики, області відсічення, насичення та пробою p-n-переходу.

ПТ із бар'єром Шотки. Пристрій, принцип дії. Характеристики та параметри.

ПТ із ізольованим затвором. МДП-транзистори з вбудованим та індукованим каналами. Пристрій, схеми увімкнення. Режими збіднення та збагачення в транзисторі з вбудованим каналом та його статичні характеристики.

ПТ як лінійний чотириполюсник. Система параметрів польових транзисторів та їх зв'язок з фізичними параметрами. Вплив температури на характеристики та параметри ПТ.

Робота ПТ на високих частотах та в імпульсному режимі. Чинники, що визначають частотні характеристики. Гранична частота. Еквівалентна схема на високих частотах. Області застосування ПТ. Порівняння польових та біполярних транзисторів. Перспективи розвитку та застосування ПТ.

Тема 5. ПЕРЕКЛЮЧАЛЬНІ ПРИЛАДИ

Пристрій, принцип дії, ВАХ, різновиди тиристорів, діодні тиристори, тріодні тиристори, симістори, сфери застосування. Параметри та система позначення перемикаючих приладів.

· Тема 6. ЕЛЕМЕНТИ ІНТЕГРАЛЬНИХ МІКРОСХЕМ

Загальні відомості про мікроелектроніку. Класифікація компонентів електронної апаратури та елементів гібридних мікросхем. Пасивні дискретні компоненти електронних пристроїв (резистори, конденсатори, індуктивність). Призначення, фізичні засади роботи, параметри, системи позначення. Пасивні елементи інтегральних мікросхем: резистори, конденсатори. Біполярні транзистори в інтегральному виконанні, транзистори з бар'єром Шотки, багатоемітерні транзистори. Діоди напівпровідникових ІМС. Біполярні транзистори з інжекційним харчуванням. Напівпровідникові прилади із зарядним зв'язком (ПЗЗ). Застосування ПЗЗ. Параметри елементів ПЗЗ.

· Тема 7. КОМПОНЕНТИ ОПТОЕЛЕКТРОНІКИ

Визначення оптичного діапазону електромагнітних коливань. Класифікація оптоелектронних напівпровідникових пристроїв. Електролюмінесценція. Основні типи напівпровідникових випромінювачів: некогерентні та когерентні напівпровідникові випромінювачі. Світлодіоди, пристрій, принцип дії, характеристики, параметри. Основні матеріали, що застосовуються для виготовлення світлодіодів. Досягнення у створенні світлодіодів.

Напівпровідникові приймачі випромінювання: фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори, фототиристори. Принцип роботи, параметри.

Пристрій оптронів, основні типи оптронів: резисторні, діодні, транзисторні та тиристорні. Класифікація, принцип дії, вхідні та вихідні параметри оптронів.

Тема 10. ЕЛЕКТРОННО-КЕРУВАНІ ЛАМПИ

Електронна емісія. Види емісії. Катоди електровакуумних приладів, основні типи катодів. Проходження струму у вакуумі, струм перенесення, струм усунення, повний струм. Концепція наведеного струму.

Вакуумний діод. Принцип дії. Поняття про об'ємний заряд. Режим насичення та режим обмеження струму об'ємним зарядом. Ідеалізована та реальна анодні характеристики діода. Статичні параметри. Основні типи діодів, сфери застосування.

Триелектродна лампа. Пристрій, роль сітки у тріоді. Поняття про діючу напругу та проникність сітки. Струморозподіл у тріоді. Статичні показники тріода. Статичні параметри та визначення їх за характеристиками. Міжелектродні ємності. Режим роботи тріода з навантаженням, характеристики, параметри режиму роботи з навантаженням.

Тетроди та пентоди. Роль сіток. Чинна напруга. Струморозподіл. Статичні характеристики та параметри багатоелектродних ламп; міжелектродні ємності. Еквівалентні схеми електронних ламп на низьких та високих частотах.

Потужні генераторні та модуляторні лампи.

Особливості роботи електронних ламп зі статичним керуванням електронним потоком у діапазоні надвисоких частот (НВЧ). Концепція повного струму. Вплив інерційних властивостей електронного потоку працювати електронних ламп. Вплив на параметри ламп діапазону НВЧ міжелектродних ємностей та індуктивностей висновків. Особливості конструкції електронних ламп діапазону НВЧ. Потужні електронні лампи НВЧ діапазону. Області застосування електронних ламп діапазону НВЧ.

Тема 11. ПРИЛАДИ ВІДОБРАЖЕННЯ ІНФОРМАЦІЇ

Класифікація приладів для відображення інформації.

Типи електронно-променевих пристроїв. Пристрій та принцип дії електронно-променевих приладів. Елементи електронної оптики. Системи фокусування та відхилення в електронно-променевих трубках. Типи електронно-променевих трубок. Опції екранів.

Типи електронно-променевих трубок: осцилографічні, трубки індикаторних пристроїв, кінескопи, трубки дисплеїв, трубки, що запам'ятовують.

Напівпровідникові індикатори.

Рідкокристалічні індикатори. Основні параметри, що характеризують рідкі кристали. Пристрій РКІ в світлі, що проходить і відбитому. Можливість відображення кольору в РКІ. РК монітори, пристрій та їх основні параметри.

Вакуумні індикатори (ЗПІ), вакуумні люмінесцентні індикатори (ВЛІ): однорозрядні, багаторозрядні, сегментні ВЛІ, електролюмінесцентні індикатори (ЕЛІ): пристрій і принцип дії.

Газорозрядні індикатори (ГРІ). Основні положення теорії тліючого розряду з холодним катодом. Дискретні газорозрядні індикатори Типи та основні параметри ГРІ. Пристрій та принцип дії газорозрядних індикаторних панелей.

Видання третє, перероблене та доповнене

Допущено Міністерством вищої та середньої спеціальної освіти СРСР як підручник для студентів радіотехнічних спеціальностей вузів

МОСКВА «РАДЯНСЬКЕ РАДІО» 1977

Книга є підручником з курсу «Радіотехнічні ланцюги та сигнали» для вузів радіотехнічної спеціальності. У зв'язку із запровадженням нової програми цього курсу дане видання докорінно перероблено та доповнено такими новими розділами: дискретна та цифрова обробка сигналів; апроксимація процесів та характеристик функціями Уолша; синтез радіотехнічних ланцюгів

Особливу увагу приділено розділам, присвяченим статистичним явищам радіотехнічних ланцюгах. Методично перероблено розділи з спектрального та кореляційного аналізу детермінованих та випадкових сигналів, а також з теорії їх перетворення у лінійних, параметричних та нелінійних пристроях.

Хоча книга призначена для студентів радіотехнічних факультетів вузів, вона може бути також корисна широкому колу фахівців, що працюють у галузі радіоелектроніки та у суміжних галузях науки та техніки.

Гоноровський І. С. Радіотехнічні ланцюги та сигнали. Підручник для вишів. Вид. 3-тє, перероб. та дод. М., «Рад. радіо», 1977, 608 с.

Передмова до третього видання

Глава 1. ВСТУП
1.1. Основні галузі застосування радіотехніки
1.2. Передача сигналів на відстань. Особливості поширення радіохвиль і частоти, що використовуються в радіотехніці
1.3. Основні радіотехнічні процеси
1.4. Аналогові, дискретні та цифрові сигнали та ланцюги
1.5. Радіоланцюги та методи їх аналізу
1.6. Проблема завадостійкості каналу зв'язку
1.7. Завдання та зміст курсу

Розділ 2. СИГНАЛИ
2.1. Загальні зауваження
2.2. Розкладання довільного сигналу за заданою системою функцій
2.3. Гармонічний аналіз періодичних коливань
2.4. Спектри найпростіших періодичних коливань
2.5. Розподіл потужності у спектрі періодичного коливання
2.6. Гармонічний аналіз неперіодичних коливань
2.7. Деякі властивості перетворення Фур'є
2.8. Розподіл енергії у спектрі неперіодичного коливання
2.9. Приклади визначення спектрів неперіодичних коливань
2.10. Співвідношення між тривалістю сигналу та шириною його спектру
2.11. Нескінченно короткий імпульс із одиничною площею (дельта-функція)
2.12. Спектри деяких неінтегрованих функцій
2.13. Подання сигналів на площині комплексної змінної
2.14. Подання сигналів з обмеженою частотною смугою у вигляді ряду Котельникова
2.15. Теорема відліків у частотній області
2.16. Кореляційний аналіз детермінованих сигналів
2.17. Співвідношення між кореляційною функцією та спектральною характеристикою сигналу
2.18. Когерентність

Глава 3. РАДІОСИГНАЛИ
3.1. Загальні визначення
3.2. Радіосигнали з амплітудною модуляцією
3.3. Частотний спектр амплітудно-модульованого сигналу
3.4. Кутова модуляція. Фаза та миттєва частота коливання
3.5. Спектр коливання при кутовій модуляції. Загальні співвідношення
3.6. Спектр коливання при гармонійній кутовій модуляції
3.7. Спектр радіоімпульсу з частотно-модульованим заповненням
3.8. Спектр коливання при змішаній амплітудно-частотній модуляції
3.9. Огибаюча, фаза та частота вузькосмугового сигналу
3.10. Аналітичний сигнал
3.11. Кореляційна функція модульованого коливання
3.12. Дискретизація вузькосмугового сигналу

Глава 4. ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИПАДКОВИХ СИГНАЛІВ
4.1. Загальні визначення випадкових процесів
4.2. Види випадкових процесів. Приклади
4.3. Спектральна густина потужності випадкового процесу
4.4. Співвідношення між енергетичним спектром та кореляційною функцією випадкового процесу
4.5. Взаємно-кореляційна функція та взаємний енергетичний спектр двох випадкових процесів
4.6. Вузькосмуговий випадковий процес
4.7. Коливання, модульоване по амплітуді випадковим процесом
4.8. Коливання, що модулюється по фазі випадковим процесом. Щільність ймовірності

Глава 5. ЛІНІЙНІ РАДІОЦЕПИ З ПОСТІЙНИМИ ПАРАМЕТРАМИ
5.1. Вступні зауваження
5.2. Визначення та основні властивості активного ланцюга
5.3. Активний чотириполюсник як лінійний підсилювач
5.4. Транзисторний підсилювач
5.5. Підсилювач на електронній лампі
5.6. Аперіодичний підсилювач
5.7. Резонансний підсилювач
5.8. Зворотній зв'язок в активному чотириполюснику
5.9. Застосування негативного зворотного зв'язку для покращення характеристик підсилювача
5.10. Стійкість лінійних активних ланцюгів із зворотним зв'язком. Алгебраїчний критерій стійкості
5.11. Частотні критерії стійкості

Глава 6. ПРОХОДЖЕННЯ ДЕТЕРМІНОВАНИХ КОЛИВАНЬ ЧЕРЕЗ ЛІНІЙНІ ЛАНЦЮГИ З ПОСТІЙНИМИ ПАРАМЕТРАМИ
6.1. Вступні зауваження
6.2. Спектральний метод
6.3. Метод інтеграла накладання
6.4. Проходження дискретних сигналів через аперіодичний підсилювач
6.5. Диференціювання та інтегрування сигналів
6.6. Особливості аналізу радіосигналів у виборчих ланцюгах. Наближений спектральний метод
6.7. Спрощення методу інтеграла накладання (метод огинаючої)
6.8. Проходження радіоімпульсу через резонансний підсилювач
6.9. Лінійні спотворення коливання з безперервною амплітудною модуляцією
6.10. Проходження фазоманіпульованого коливання через резонансний ланцюг
6.11. Проходження частотно-маніпульованого коливання через виборчий ланцюг
6.12. Проходження частотно-модульованого коливання через виборчі ланцюги

Глава 7. ПРОХОДЖЕННЯ ВИПАДКОВИХ КОЛИВАННЯ ЧЕРЕЗ ЛІНІЙНІ ЛАНЦЮГИ З ПОСТІЙНИМИ ПАРАМЕТРАМИ
7.1. Перетворення характеристик випадкового процесу
7.2. Характеристики власних шумів у радіоелектронних ланцюгах
7.3. Диференціювання випадкової функції
7.4. Інтегрування випадкової функції
7.5. Нормалізація випадкових процесів у вузькосмугових лінійних ланцюгах
7.6. Розподіл суми гармонійних коливань із випадковими фазами

Глава 8. НЕЛІНІЙНІ ЛАНЦЮГИ І МЕТОДИ ЇХ АНАЛІЗУ
8.1. Нелінійні елементи
8.2. Апроксимація нелінійних характеристик
8.3. Вплив гармонійних коливань на ланцюги з безінерційними нелінійними елементами
8.4. Нелінійне резонансне посилення
8.5. Збільшення частоти
8.6. Амплітудне обмеження
8.7. Нелінійний ланцюг із фільтрацією постійного струму (випрямлення)
8.8. Амплітудне детектування
8.9. Частотне та фазове детектування
8.10. Перетворення частоти сигналу
8.11. Синхронне детектування
8.12. Отримання амплітудно-модульованих коливань

Глава 9. АВТОГЕНЕРАТОРИ ГАРМОНІЧНИХ КОЛИВАНЬ
9.1. Автоколивальна система
9.2. Виникнення коливання в автогенераторі
9.3. Стаціонарний режим автогенератора. Баланс фаз
9.4. М'який та жорсткий режими самозбудження
9.5. Приклади схем автогенераторів
9.6. Нелінійне рівняння автогенератора
9.7. Наближене розв'язання нелінійного рівняння автогенератора
9.8. Автогенератори з внутрішнім зворотним зв'язком
9.9. Автогенератор з лінією затримки в ланцюзі зворотного зв'язку
9.10. Дія гармонійної ЕРС на ланцюзі з позитивним зворотним зв'язком. Регенерація
9.11. Дія гармонійної ЕРС на автогенератор. Захоплення частоти
9.12. Кутова модуляція в автогенераторі
9.13. ЯС-генератори

Глава 10. ЛАНЦЮГИ З ЗМІННИМИ ПАРАМЕТРАМИ
10.1. Загальні характеристики ланцюгів із змінними параметрами
10.2. Проходження коливань через лінійні ланцюги із змінними параметрами. Передатна функція
10.3. Модуляція як параметричний процес
10.4. Визначення імпульсної характеристики параметричного ланцюга
10.5. Енергетичні співвідношення у ланцюгу з нелінійним реактивним елементом при гармонійних коливаннях
10.6. Принцип параметричного посилення коливань
10.7. Схема заміщення ємності або індуктивності, що змінюються за гармонічним законом
10.8. Одноконтурний параметричний підсилювач
10.9. Двочастотний параметричний підсилювач
10.10. Перетворення частоти за допомогою нелінійного реактивного елемента
10.11. Вільні коливання в контурі з ємністю, що періодично змінюється.
10.12. Параметричні генератори

Глава 11. ВПЛИВ ВИПАДКОВИХ КОЛИВАНЬ НА НЕЛІНІЙНІ І ПАРАМЕТРИЧНІ ЛАНЦЮГИ
11.1. Загальні зауваження
11.2. Перетворення нормального процесу у безінерційних нелінійних ланцюгах
11.3. Перетворення енергетичного спектра у безінерційному нелінійному елементі
11.4. Вплив вузькосмугового шуму на амплітудний детектор
11.5. Спільний вплив гармонійного коливання та нормального шуму на амплітудний детектор
11.6. Спільний вплив гармонійного коливання та нормального шуму на частотний детектор
11.7. Взаємодія гармонійного коливання та нормального шуму в амплітудному обмежувачі з резонансним навантаженням
11.8. Кореляційна функція та енергетичний спектр випадкового процесу у параметричному ланцюгу
11.9. Вплив мультиплікативної перешкоди на закон розподілу сигналу

Розділ 12. Узгоджена фільтрація сигналу на тлі перешкод
12.1. Вступні зауваження
12.2. Узгоджена фільтрація заданого сигналу
12.3. Імпульсна характеристика узгодженого фільтра. Фізична здійсненність
12.4. Сигнал та завада на виході узгодженого фільтра
12.5. Приклади побудови узгоджених фільтрів
12.6. Формування сигналу, пов'язаного з заданим фільтром
12.7. Узгоджена фільтрація заданого сигналу при небілому шумі
12.8. Фільтрування сигналу з невідомою початковою фазою
12.9. Узгоджена фільтрація комплексного сигналу

Глава 13. ДИСКРЕТНА ОБРОБКА СИГНАЛІВ. ЦИФРОВІ ФІЛЬТРИ
13.1. Вступні зауваження
13.2. Алгоритм дискретної згортки (у часовій області)
13.3. Дискретні перетворення Фур'є
13.4. Похибка дискретизації сигналів кінцевої тривалості
13.5. Дискретні перетворення Лапласа
13.6. Передатна функція дискретного фільтра
13.7. Передатна функція рекурсивного фільтра
13.8. Застосування методу г-перетворення для аналізу дискретних сигналів та ланцюгів
13.9. z-перетворення тимчасових функцій
13.10. z-перетворення передавальних функцій дискретних ланцюгів
13.11. Приклади аналізу дискретних фільтрів на основі методу z-перетворення
13.12. Перетворення аналога - цифра. Шуми квантування
13.13. Перетворення цифра - аналог та відновлення континуального сигналу
13.14. Швидкодія арифметичного пристрою цифрового фільтра. Шуми округлення

Глава 14. ПРЕДСТАВКА КОЛИВАНЬ ДЕЯКИМИ СПЕЦІАЛЬНИМИ ФУНКЦІЯМИ
14.1. Вступ
14.2. Ортогональні поліноми та функції безперервного типу
14.3. Приклади застосування безперервних функцій
14.4. Визначення функцій Волша
14.5. Приклади застосування функцій Волша
14.6 Взаємний спектр базисних функцій двох різних ортогональних систем
14.7. Дискретні функції Волша

Глава 15. ЕЛЕМЕНТА СИНТЕЗУ ЛІНІЙНИХ РАДІОЦЕПІВ
15.1. Вступні зауваження
15.2. Деякі властивості передавальної функції чотириполюсника
15.3. Зв'язок між амплітудно-частотною та фазочастотною характеристиками чотириполюсника
15.4. Подання чотириполюсника загального виду каскадним з'єднанням елементарних чотириполюсників
15.5. Реалізація типової ланки другого порядку
15.6. Реалізація фазокорегувального ланцюга
15.7. Особливості синтезу чотириполюсника за заданою амплітудно-частотною характеристикою
15.8. Синтез фільтру нижніх частот. Фільтр Баттерворгу
15.9. Фільтр Чебишева (нижніх частот)
15.10. Синтез різних фільтрів на основі вихідного фільтра нижніх частот
15.11. Чутливість характеристик ланцюга до змін параметрів елементів
15.12. Імітація індуктивності е за допомогою активного ДО-ланцюга. Гіратор
15.13. Деякі особливості синтезу цифрових фільтрів

Додаток 1. Сигнал із мінімальним добутком тривалості на смугу частот
Додаток 2. Кореляційна функція сигналу на площині час – частота
Список літератури
Умовні позначення
Предметний покажчик

ПЕРЕДМОВА ДО ТРЕТОГО ВИДАННЯ

Загальна спрямованість підручника за курсом «Радіотехнічні ланцюги та сигнали», покладена в основу перших двох видань, збережена і в цьому виданні. Однак книга докорінно перероблена у зв'язку з необхідністю запровадження нових розділів, що відображають сучасний розвиток техніки радіоланцюгів та сигналів.

Широке поширення дискретних і цифрових радіоелектронних систем не дозволяє обмежувати курс РТЦиС рамками тільки аналогових ланцюгів і сигналів.

Розвиток техніки інтегральних мікросхем, заснований на широкому застосуванні методів синтезу ланцюгів, не дозволяє обмежувати курс РТЦіС вивчення лише методів аналізу ланцюгів.

Нарешті, стрімке проникнення статистичних методів у всі галузі радіотехніки та електроніки вимагає більш ґрунтовного вивчення властивостей випадкових сигналів та перетворення їх радіоланцюгів.

У світлі цих вимог і відповідно до нової програми курсу РТЦіС до підручника включено нові розділи: «Основні характеристики випадкових сигналів» (гл. 4), «Проходження випадкових коливань через лінійні ланцюги з постійними параметрами» (гл. 7), «Дискретна обробка сигналів. Цифрові фільтри» (гл. 13), «Подання коливань деякими спеціальними функціями», включаючи функцій Уолша (гл. 14), «Елементи синтезу лінійних радіоланцюгів» (гл. 15). Наново написана гол. 5, присвячена теорії лінійних активних ланцюгів із зворотним зв'язком.

Решта глав попереднього видання зазнала методичної переробки з урахуванням досвіду викладання курсу РТЦіС та численних зауважень, зроблених викладачами радіотехнічних спеціальностей вузів, а також багатьма радіофахівцями.

Загальновизнано, що поряд із засвоєнням необхідних знань першорядне значення має розвиток у студентів навичок до самостійної творчої роботи. Відповідно до рішень XXV з'їзду КПРС про розвиток науково-дослідної роботи у вищих навчальних закладах все ширше практикується залучення студентів до наукової роботи. Тому автор прагнув поєднувати виклад основних відомостей, розрахованих на початкове вивчення та обов'язкових всім студентів радіотехнічної спеціальності, з викладом деяких додаткових, складніших матеріалів, розрахованих на студентів із підвищеною підготовкою. Такі розділи виділено петитом. Незначні скорочення, які можуть знадобитися в залежності від рівня загальнотеоретичної підготовки студентів, неважко здійснити без порушення послідовності та цілісності вивчення цього курсу.

Автор висловлює щиру подяку викладачам кафедри ГРТ Московського енергетичного інституту проф. Федорову Н. Н., доцентам Баскакову С. І., Білоусової І. В., асистенту Богаткіну В. І., доценту Жукову В. П., старшому викладачу Іванової Н. Н., доцентам Карташеву В. Г., Ніколаєву А М., Поллаку Б. П., старшому викладачеві Штикову В. В. за висококваліфіковане та докладне рецензування рукопису цієї книги. Велика кількість критичних зауважень та цінних порад допомогла суттєво покращити виклад усіх розділів підручника.

Неоціненну допомогу у роботі над рукописом надали викладачі, співробітники та аспіранти кафедри радіотехніки МАІ. Всім автор висловлює глибоку подяку.

Завантажити Гоноровський І. С. Радіотехнічні ланцюги та сигнали. Підручник для вишів. Видання третє перероблене та доповнене. Москва, Видавництво «Радянське радіо», 1977

Планшети