Файл: Конспект лекций СанктПетербург 2011.doc

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 Р_i = 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

---

Классификация радиоволн

Название	Диапазон длин волн	Диапазон частот	Нерекомендуемый термин
Мириаметровые	100...10 км	3...30 кГц	Сверхдлинные
Километровые	10...1 км	30...300 кГц	Длинные (ДВ)
Гектометровые	1000...100м	300...3000 кГц	Средние (СВ)
Декаметровые	100...10 м	3...30 МГц	Короткие (КВ)
Метровые	10...1 м	30...300 МГц	Ультракороткие (УКВ)
Дециметровые	100...10 см	300...3000 МГц
Сантиметровые	10...1 см	3...30 ГГц
Миллиметровые	10...1мм	30...300 ГГц
Децимиллиметровые	1...0,1 мм	300...3000 ГГц	Субмиллиметровые
Световые	< 0,1 мм	> 3000 ГГц

Основные законы распространения радиоволн следуют из системы уравнений Максвелла:
rot =  + ; (1.5)

rot = ; (1.6)

div = /; (1.7)
div = 0; (1.8)
=  ; = 

---

; =  . (1.9)
Здесь и – электрический и магнитный векторы; и – векторы электрической и магнитной индукции; , ,  – электрическая и магнитная проницаемости среды и ее удельная проводимость;  – объемная плотность заряда;  – плотность тока проводимости.

Следствия.

Из уравнений (1.5) и (1.6) следует, что характер распространения электромагнитных волн зависит от длины волны. Эффективность излучения электромагнитной энергии в пространство увеличивается с ростом скорости изменения электрической и магнитной индукции (т.е. с повышением частоты или уменьшением длины волны).

Из уравнений (1.7) и (1.9) следует, что характер распространения определяется параметрами среды ( и ).

Из уравнения (1.7) следует, что характер распространения электромагнитных волн зависит от наличия свободных электрических зарядов.

Из уравнения (1.8) следует замкнутость линий магнитного поля (магнитных зарядов в природе нет).

В соответствии с изложенным различают следующие основные случаи распространения радиоволн:

1. Прямолинейное распространение (x,y,z,t) = const и (x,y,z,t) = const.

2. Рефракция (огибание препятствий, размер которых много больше длины волны)  = f(x,y,z,t);  = f(x,y,z,t).

3. Преломление и отражение ₁  ₂, ₁  ₂.

4. Полное внутреннее отражение.

5. Дифракция (огибание препятствий соизмеримых по размерам с длиной волны).

6. Затухание (уменьшение энергии электромагнитной волны из-за явлений рассеяния, поглощения, конвекции).

На распространение радиоволн оказывает влияние состояние ионосферы, состоящей из нескольких слоев (наиболее важные из которых D, E, F₁, F₂) на высотах от 50 до 300 км.

Распространение мириаметровых и километровых (сверхдлинных) волн иллюстрирует рис. 1.5. Особенность – возможность проникать под воду.

---