RT001KL (Лекции)

Лекция 1

Лекция 1

ОСНОВНАЯ ЗАДАЧА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАДИОТЕХНИКИ

Радиотехника – это область науки и техники, занимающаяся изучением и применением электромагнитных колебаний и волн радиочастотного диапазона. К радиодиапазону относят частоты ниже инфракрасного диапазона (3 ТГц, что равно 3×10¹² Гц).

Радиотехникой решается множество задач, главная из которых – передача информации на расстояние с помощью радиоволн.

Радиоволны – это электромагнитные волны с частотами до 3 ТГц распространяющиеся в пространстве без искусственных направляющих линий. Развитие радиотехники началось с изобретения устройства для приема электромагнитных волн (Попов, Маркони).

Радиосвязь – это связь между объектами посредством радиоволн. Радиосвязь бывает:

• Односторонняя

• Двусторонняя

• Между двумя объектами

• Между несколькими объектами

• Между подвижными или неподвижными объектами

Круг применения радиотехники постоянно расширяется. В настоящее время радиотехника обеспечивает не только передачу, но и получение информации об окружающей среде. Радиотехника обеспечивает воздействие на природные или технические объекты:

• Радиолокация

• Радионавигация

• Радиоуправление

• Радиотелеметрия и др.

Радиолокация решает задачи обнаружения и распознавания различных объектов, а так же определение их координат параметров движения с помощью радиоволн (корабли, самолеты, ракеты, сооружения на земле, облака, осадки и т.д.). Радиолокация позволяет точно измерить расстояние от Земли до Луны и других планет.

Радионавигация решает задачи управления и движения по оптимальным траекториям различных объектов. Основные задачи решаемые радионавигацией: определение оптимального курса и географических координат объекта.

Радиоуправление обеспечивает автоматическое управление объектами на расстоянии при помощи радиоволн, радиотехнических методов и средств. Обеспечивает движение летательных аппаратов в автоматическом режиме (искусственные спутники Земли, метеорологические зонды и т.д.).

Радиотелеметрия решает задачи измерения физических величин на расстоянии. Например, на труднодоступных объектах: радиозондах, спутниках земли и т.д.

Радиотехника широко применяется в медицине, радиотехнические методы и устройства широко применяются во всех областях науки и техники.

ИНФОРМАЦИЯ, СООБЩЕНИЕ, СИГНАЛ

Информация – это совокупность сведений о событиях, явлениях, предметах предназначенная для передачи, приема, хранения, использования. Все применения радиотехники связаны с передачей информации.

Для передачи информации нужно представить ее в некоторой форме. Информация представленная в такой форме называется сообщением. Бывают звуковые сообщения, текстовые сообщения и т.д.

Сообщение (информация) может быть передано на расстояние с помощью определенного материального носителя. В роли носителя выступают различные сигналы. Сигналы – это физические процессы, значения параметров которых отражают передаваемые сообщения (электрические колебания и электромагнитные колебания и волны).

РАДИОКАНАЛ

Радиоканал обеспечивает передачу сообщения из одной точки в другую. Основные элементы радиоканала:

• Передатчик

• Приемник

• Физическая среда в которой распространяются радиоволны

П роцессы обеспечивающие функционирование радиоканала на примере канала радиосвязи:

1 – Источник сообщения (человек, аудиокассета…).

2 – Преобразователь сообщения в электрический сигнал (микрофон, магнитофон…). На выходе преобразователя получают сигналы сообщения. Эти сигналы как правило низкочастотные и они не используются для возбуждения радиоволн, т.к. размеры антенны должны быть соизмеримы с длинной волны. Для передачи информации ее модулируют. Модуляция состоит в изменении параметров высокочастотных (вторичного сигнала) колебаний в соответствии с низкочастотным (первичным) сигналом. Высокочастотный сигнал, измененный в соответствии с низкочастотным, сигналом называют модулированным сигналом.

3 – Радиопередатчик (модулятор).

Высокочастотные колебания излучаются передающей антенной. Радиоволна становится материальным носителем сообщения. Часть энергии улавливается приемной антенной.

4 – Радиоприемник. Служит для приема сигналов и преобразует их к начальному виду (процесс преобразования высокочастотного модулированного сигнала в низкочастотный сигнал называется демодулированием или детектированием). На выходе приемника 4 возникает низкочастотный сигнал близкий к передаваемому сигналу. Низкочастотный сигнал частично искажается помехами и т.д. Приемник конструируют таким образом, что бы он максимально ослаблял помехи.

5 – Преобразователь электрического сигнала в сообщение.

6 – Получатель сообщения.

В основном все эти процессы связаны с различными преобразованиями сигналов. Преобразование осуществляется посредством радиотехнических цепей.

Радиотехнические сигналы и их классификация

1. Основные характеристики и методы анализа сигналов, используемых в радиотехнике для передачи информации.

2. Основные виды преобразований сигналов в процессе построения каналов.

3. Способы построения и методы анализа радиотехнических цепей, посредством которых выполняются операции над сигналом.

Радиотехнические сигналы можно определить как сигналы, которые используются в радиотехнике. По своему назначению радиотехнические сигналы делятся на сигналы

• Радиовещания

• Телевизионные

• Телеграфные

• Радиолокационные

• Радионавигационные

• Телеметрические и др.

Все радиотехнические сигналы модулированы. При формировании модулированных сигналов используют первичные сигналы низкой частоты (аналоговые, дискретные, цифровые).

Аналоговый сигнал повторяет закон изменения повторяемого сообщения.

Дискретный сигнал – источник сообщения передает информацию через определенные интервалы времени (например, о погоде), кроме того, дискретный источник может быть получен в результате дискретизации во времени аналогового сигнала.

Цифровой сигнал – это отображение сообщения в цифровой форме. Пример: текстовое сообщение кодируем в цифровой сигнал. Все знаки сообщения могут кодироваться в двоичный код, шестнадцатеричный и другие коды. Кодирование осуществляется автоматически при помощи кодера. Таким образом, символы кода преобразуются в стандартные сигналы.

Преимущества цифровой передачи данных: высокая помехозащищенность. Обратное преобразование осуществляется при помощи цифроаналогового преобразователя.

Математические модели сигналов

При изучении общих свойств сигналов обычно отвлекаются от их физической природы и назначения, заменяя их математической моделью.

Математическая модель – выбранный способ математического описания сигнала отображающий наиболее существенные свойства сигнала. На основе математической модели можно произвести классификацию сигналов с целью определения их общих свойств и принципиальных отличий.

Радиотехнические сигналы принято делить на два класса:

• Детерминированные сигналы

• Случайные сигналы

Детерминированный сигнал – это сигнал, значение которого в любые моменты времени являются известными величинами или могут быть заранее вычислены.

Случайный сигнал – это сигнал, мгновенные значения которого являются случайными величинами (например, звуковой сигнал).

ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЕ СИГНАЛЫ

Математические модели детерминированных сигналов

Детерминированные сигналы делятся на два класса:

• Периодический

• Непериодический

s(t) – детерминированный сигнал. Периодические сигналы описываются периодической функцией времени:

и повторяются через период T. Приближенно t >>T.

Остальные сигналы непериодические.

Импульсы – это сигнал значение которого отлично от нуля в течение ограниченного интервала времени (длительность импульса ).

Однако, при описании математической модели используются функции заданные на бесконечном интервале времени. Вводят понятие эффективной (практической) длительности импульса:

(Это экспоненциальный импульс)

Например: определение эффективной длительности экспоненциального импульса как интервала времени, в течение которого значение сигнала уменьшается в 10 раз. Определить эффективную длительность импульса для рисунка:

Энергетические характеристики сигнала. Мгновенная мощность – это мощность сигнала на сопротивлении 1 Ом:

Для непериодического сигнала введем понятие энергии на сопротивлении 1 Ом:

Для периодического сигнала введено понятие средней мощности:

Динамический диапазон сигнала определяется как отношение максимальной P^(t) к той минимальной P^(t), которая позволяет обеспечить заданное качество передачи (выражается обычно в дБ)

Спокойная речь диктора имеет динамический диапазон примерно 25…30 дБ, у симфонического оркестра до 90 дБ. Выбор значения P_min связан с уровнем помех:

Энергетический метод определения эффективной длительности сигнала.

Эффективная длительность сигнала определяется как интервал времени внутри которого сосредоточена заданная часть (например 90%) полной энергии сигнала.

6