Глава 5 (Учебник - информационные системы), страница 2

Аргументом характеристики Н, как правило, является угол , отсчитываемый от направления мак­­­­­сималь­ного излучения. Угол ди­аграм­мы зависит от час­тоты излучателя.

Диаграмма Н описывается следующими параметрами:

• главным и добавочным максимумами (лепестками);

• шириной главного максимума ₀, определяемой углом ме­жду направлениями нулевого излучения (или по уровню 0,707, т.е. по уровню соответствующему 50 % излучаемой мощности);

• отношением значений уровней добавочных максимумов к главному.

Л епестковый характер диаграммы Н связан с интерференцией полей, излучаемых отдельными элементами. В главном лепестке направленного преобразователя сосредоточено свыше 90% всей излучаемой мощности. Наименее направленными излучателями являются вибратор Герца (диполь), представляющий собой короткий кусок провода с емкостями на концах и рамка (магнитный диполь) - виток провода, диаметр которого мал по сравнению с . Их диаграммы Н имеют форму тороида (рис. 5.4). Н реальных излучателей (и приемников) в горизонтальной и вертикальной плоскостях различаются. Так, в радиолокационных системах сантиметрового ди­апазона диаграмму Н делают узкой в горизонтальной плоскости и широкой (либо состоящей из множества узких лучей) - в вертикальной.

К оэффициент концентрации (называемый также коэффициентом направленного действия - КНД), характеризует меру концентрации излучаемой энергии вдоль некоторого направления (обычно направления главного максимума диаграммы Н). КНД K_нд определяется как отношение мощности излучения, в направлении главного максимума W_, к мощности гипотетического «нена­правленного» излучателя с такой же излучае­мой мощностью W на том же расстоянии l:

K_нд = W_/W

«Ненаправленным» считается излучатель с диаграммой Н типа шара. Его мощность W₁ в единице телесного угла равна W/4. Тогда K_нд = 4 W_/W. Для простейших преобразователей ЛИС (диполей) K_нд = 1,5.

Н зависит от волнового размера излучателя d_хар/ (от­ношения его характерных разме­ров, обы­чно длины или диаметра к длине волны). С уве­личением d_хар/ уменьшается ширина диаграммы Н и возрастает коэффициент концентрации (рис. 5.5б). В современных ЛИС, преобразователи которых состоят из большого числа элементарных диполей (так называемые антенные решетки), существует возможность уп­равления диаграммой Н. Это делается путем соответствующего амплитудно-фа­зового рас­пре­деления излучения по поверхности преобразователя (рис. 5.5а). Так, например, амплитудные распределения, характеризуемые спадом амплитуды излучения к краям изл­учающей повер­хно­сти, расширяют основной максимум диаграммы Н и уменьшают добавочные, а распределения с возрастанием амплитуды к краям, наоборот, уменьшают ширину главного максимума и увеличивают уровень добавочных (рис. 5.5а). Использование принципов управления фазой излучения позволяет поворачивать главный максимум диаграммы Н. В частности, при линейной зависимости фазы от координаты излучателя осуществляется сканирование среды излучения.

В ЛИС довольно часто применяются обратимые преобразователи. Их характеристики Н в режимах приема и излучения будут одинаковы, если обеспечивается постоянство амплитудного распределения и внутреннего механического сопротивления преобразователя.

5.1.2. Модуляция и детектирование сигналов

В ажнейшим принципом передачи информации в ЛИС является модуляция, под которой понимается изменение по заданному закону во времени некоторых параметров, характеризующих излучение. Обычно такими параметрами являются характеристики сигнала - его амплитуда, частота, фаза и т.д. Поскольку в ЛИС информация переносится волновыми процессами, то говорят о модуляции колебаний (МК). МК называется вариация каких-либо параметров периодических колебаний, медленная по сравнению с самими колебаниями. Колебание более высокой частоты, параметры которого изменяются сигналом, называется несущим. Разделяют непрерывную и импульсную модуляцию. В первом случае, модулирующий сигнал изменяет амплитуду, час­тоту или фазу несущего колебания, во втором - к указанным добавляются вариации ширины импульсов, а также импульсно-кодовая модуляция. Использование МК позволяет не только увеличить дальность и то­чность локации, но и помехозащищенность канала связи.

В живой природе при локации используется как непрерывная, так и импульсная МК. Первый тип характерен для летучих мышей, второй - для наземных млекопитающих. Для обоих случаев характерна частотная модуляция, причем закон изменения частоты довольно сложен и определяется конкретной задачей. Так, гладконосая летучая мышь в обычных условиях излучает ультразвуковые сигналы частотой  75 кГц, которая в конце посылки за 2 ... 5 мс линейно убывает до 45 кГц. У большого подковоноса тон постоянной частоты 80 ... 82 кГц длится в течение 40 ... 100 мс, но в конце сигнала его частота за 1 ... 3 мс падает до  60 кГц (рис. 5.6а). Локационные сигналы дельфинов име­ют очень ма­лую длительность  0,04 ... 0,1 мс и широкий спектр 30 ... 150 кГц Наземные млекопитающие (напри­мер, землеройки) излучают сигналы импульсного типа длительностью 0,1 ... 3,5 мс с наивысшей частотой 20 кГц. Слуховая (приемная) система животных, использующих локацию, об­ла­дает выраженными резонансными свойствами (рис.5.6б).

П ри любом способе непрерывной МК скорость изменения амплитуды, частоты или фазы должна быть достаточно мала, чтобы за один период несущего сигнала T_н, модулирующий сигнал почти не изменился (рис. 5.7). Обычно принимают T_м > 5T_н. Частота несущего сигнала при импульсной модуляции должна быть, в соответствии с теоремой Шеннона, по крайней мере, вдвое выше наиболь­шей частоты модулирующего сигнала.

Сложение сигналов с близкими частотами вызывает биения, которые также могут рассматриваться как МК.

Наиболее распространенным способом непре­рывной МК является модуляция амплитуды колебаний высокой частоты. В общем случае, амплитудно-модулированное (АМ) колебание имеет вид:

u (t) = U(t) cos t

где  = 1/T_н = 2f - круговая частота несущего (высокочастотного) колебания, U(t) - медленно изменяющаяся амплитуда модулирующего колебания, для которой справедливо неравенство: . АМ является линейной, если изменение амплитуды несущего колебания u(t) пропо­рционально модулирующему си­г­налу, т.е. когда u(t) = u₀ [1+ m U(t)/U_max(t)]. Здесь U(t) и U_max(t) - модулирующее колебание и его максимальное значение соответственно, u₀ - амплитуда несущего колебания, m - глуби­на модуляции, харак­теризую­щая степень изменения амплиту­ды:

В простейшем случае, когда модулирующее колебание является гармоническим U(t)/U_max(t) = cos t получим (рис. 5.8а):

u(t) = u₀ (1 + m cos t) cos (t + ),

где  - начальная фаза исходного колебания,  - частота модуляции. Частота модуляции характеризует ско­рость изменения амплитуды:  = 1/T_м <<  = 1/T_н.

Для определения спектра сигнала можно пренебречь величиной . Тогда исходное выражение АМ сигнала приводится к следующему виду:

Как следует из этой зависимости, АМ сигнал состоит из трех гармонических колебаний с частотами: несущей -  и двумя боковыми (или спутниками) - и + (рис. б). Амплитуда несущего колебания u₀ не изменяется, в то время как амплитуда каждого из спутников равна m u₀/2. Поскольку амплитуды спектральных линий относятся как 1:m/2:m/2, то, со­отношение мощностей, переносимых боковыми частотами имеет вид 1:(m/2)²:(m/2)². Следовательно, при m = 1, мощность каждой из боковых частот составит лишь 25% мощности несущей. Чем больше глубина модуляции, тем больше мощность переносимая бо­ковыми частотами, т.е. лучше отношение сигнал/шум. Однако практически m не бывает более 0,6 …0,8, поскольку в этом случае резко возрастают искажения при детектировании АМ сигнала. Ширина спектра B при АМ составляет 2, что соответствует десяткам килогерц (при передаче звука) и десяткам мегагерц (при передаче телевизионного сигнала).

В общем случае, модулирующее колебание U(t) имеет сложный спектр. Тогда, по обе стороны от несущей частоты образуются две полосы боковых частот. Если АМ линейная, то левая полоса боковых частот в точности повторяет форму модулирующего сигнала, а правая является ее зеркальным отражением (рис.5.8б - пунктир). Анализ спектра сигнала свидетельствует, что полезную информацию можно восстановить по любой боковой полосе. Для этого в схемах детектирования используется подавление несущей частоты и одного из спутников.

Достоинством АМ является простота решений и малая ширина спектра передаваемого сигнала. В то же время, передача АМ сигналов не экономична, а мощность передаваемого сигнала зависит от m. Так, при мощности несущего колебания 500 Вт, мощность собственно сигнала даже при m = 1 составит 125 Вт. Однако, как уже отмечалось, для уменьшения искажений значение m не превышает 0,8, и, следовательно, реальная полезная мощность еще ниже.

При частотной МК (ЧМ или FM в зарубежной ли­те­ра­туре) модулирующий сигнал U(t) вызывает изменение мгно­венных значений частоты , не влияя на амплитуду ко­лебаний (рис. 5.9). Характерным примером является известный скри­пичный прием «виб­рато» - качание пальца на струне изменяет ее длину и, тем самым, высоту звука. В большинстве случаев используется линейная ЧМ, при которой изменения частоты пропорциональны амплитуде модулирующего сигнала.

В простейшем случае модуляции синусоидальным сиг­налом, т.е. когда модулирующий сигнал U(t) гармонический - U(t) = U_max(t) cos t несущая частота  будет меняться по закону:

(t) = ₀+ cos t,

где cos t определяет форму модулирующего сигнала, а  представляет собой амплитуду отклонения частоты от несущей. Параметр , называемый девиацией частоты, не зависит от частоты сигнала и соответствует глу­бине модуляции при АМ.

Полоса частот ЧМ сигнала определяется значением индекса ЧМ, равного  = /. При малых  (т.е. когда  << 1) ши­рина спектра практически не зависит от  и равна 2 (рис. 5.10а). В этом случае, ЧМ, так же как и АМ колебание, состо­ит из сигнала несущей частоты ₀ и двух спутников с частотами ₀  . ЧМ сигнал описывается приближенным соотношением:

u (t)  u₀ (cos t +  cos t sin t)