Радиотехнические цепи и сигналы

Основные этапы развития радиоэлектроники и связь с другими отраслями науки и техники.

Основная задача радиотехники – передача информации на расстояния с помощью электромагнитных колебаний.

Радиотехника – наука об электромагнитных колебаниях и волнах радиодиапазона, о методах их генерирования, усиления, излучения и приёма. Эта отрасль техники, основанная на применении электромагнитных колебаний радиодиапазона для передачи информации в радиосвязи, радиовещании, радиолокации, радионавигации, телевидении и других системах.

К радиодиапазону относятся следующие длины и частоты:

1809г – год изобретения телеграфа. Баварский анатом Зельммеринг. Для индикации сигнала использовалось явление электролиза.

Электромагнитный телеграф появился в 1832 году. Продемонстрирован в Петербурге. Автор – Шиллинг. В нём использовалось магнитное действие тока. Соответствующие буквам алфавита магнитные стрелки помещались в катушках. При прохождении тока стрелочка отклонялась. Для уменьшения количества проводов, катушек и стрелок, он разработал соответствующий код и обходился восемью проводами.

1842г – американский художник Самуэль Морзе разработал азбуку Морзе.

Беспроводная связь стала возможна только с открытием электромагнитного поля. Главенствующая роль тут принадлежит англичанину Джорджу Максвеллу. Он математически изложил теорию электромагнитного поля. Экспериментально получил и исследовал электромагнитные волны Генрих Герц в 1888 году.

7 мая 1895 года А.С. Попов продемонстрировал первый радиоприёмник. Француз Маркони утверждает, что он первым произвёл радиоприёмник.

1897 год – осуществлена радиосвязь на расстоянии 5 км.

1899 год – осуществлена радиосвязь на расстоянии 45 километров.

В одном эксперименте обнаружилось, что проплывающий корабль погасил сигнал, и появилась идея о радиолокации.

1918 год – создана радио лаборатория в Нижнем Новгороде.

1926 год – в СССР работало 42 радиостанции.

50-е годы – активные работы в области квантовой радиоэлектроники, т.е. появление лазера. Белорусская школа квантовой техники и лазеров – одна из сильнейших в мире.

Значительно сокращаются сроки от появления идеи до её массового внедрения. Например, фотография – 100 лет от установки до внедрения, телефонная связь – 50 лет, радио – 35, радиолокация – 15 лет, телевидение – 12, транзисторы и интегральные схемы – 5 лет.

Радиотехнические системы передачи информации.

В процессе работы любого радиотехнического устройства происходит преобразование сигналов. Сигнал должен правильно отображать информацию.

Информация – совокупность разнообразных сведений, которые люди получают в процессе общения с собой и природой.

Сообщение – форма представления информации, как-то письмо, речь, изображение.

Обмен информацией осуществляется либо непосредственной передачей сообщения, либо в виде сигналов.

Сигнал – некоторый физический процесс, однозначно отображающий информацию и пригодный для передачи на расстояния. В радиотехнике применяются радиосигналы и электрические сигналы. Они невозможны без применения свойств электромагнитного поля.

Электромагнитное поле – особый вид материи, который характеризуется двумя векторными величинами E и H, т.е. напряжённостью электрического и магнитного поля. Обнаружить электромагнитное поле можно по его воздействию на заряженные частицы. Это воздействие зависит от величины заряда и от скорости этого заряда. Основная особенность электромагнитного поля следующая: если оно создано в пространстве, то не может оставаться в состоянии покоя, и распространяется в пространстве с огромной скоростью. В вакууме 3*10⁸ м/с.

Электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с определённой скоростью, называется электромагнитной волной. Для того, чтобы создать электромагнитное поле, необходимо переменный ток пропустить через антенну. Спрашивается, можно ли преобразовать человеческий голос с помощью микрофона в напряжении и подать его в антенну? Для того чтобы антенна эффективно излучала электромагнитные волны, она должна иметь размеры, соизмеримые с длинной волны. Человеческий голос имеет частоты от 75 до 5000 Гц. Самолётную радиосвязь ограничивают до 3 кГц. Этому соответствует длина волны от 4 до 100 км. Очевидно, что такую антенну не построить. Чтобы эффективно излучала небольшая антенна, частоту колебаний надо значительно повысить. Эти колебания называются несущими. Для того, чтобы сохранить информацию, несущие колебания надо «нагрузить», путём изменения его амплитуды, частоты или фазы по закону передаваемого сообщения. Получился модулированный сигнал.

Модуляция – процесс изменения одного из параметров несущего колебания по закону передаваемого сообщения.

Радиосигнал – высокочастотное электрическое колебание, у которого один или несколько параметров изменяется по закону передаваемого сообщения. В любом передатчике имеется преобразователь сообщения в сигнал (телефонная трубка, телеграфный ключ). Так же имеется модулирующее устройство и генератор несущего колебания.

В приёмнике необходимо выполнить следующие операции: преобразовать электромагнитную волну в напряжение или ток (с помощью антенны), принять только необходимый сигнал и подавить другие частоты (избирательное устройство), выделить из радиосигнала сообщение (детектор). Низкочастотный сигнал подаётся на оконечное устройство для его воспроизведения. Это может быть громкоговоритель, приёмная телетрубка, индикаторы.

Наряду с указанным, применяют следующие операции: усиление, декодирование, преобразование частоты.

Тема 1.1. «Общие сведения о сигналах и их спектральный анализ»

Занятие 1.1.1. Лекция «Общие сведения о сигналах»

Учебные вопросы:

1) Классификация сигналов.

2) Управляющие сигналы.

3) Радиосигналы.

Электрический сигнал – это ток или напряжение, в законе изменения которого во времени содержится информация. Преобразование сообщения в сигнал осуществляется с помощью операции кодирования. Кодирование может осуществляться с помощью микрофона, если передаваемое сообщение – это звуки. Ларингофон – ещё одно устройство для кодирования звуков. Передающая телевизионная трубка – если хотим передать изображение. С помощью телеграфного ключа – если сообщение зашифровано в виде символов (импульсов). Основное требование к кодирующему устройству – однозначное соответствие между сообщением и сигналом. Только в этом случае информация передаётся без искажений.

СХЕМА МИКРОФОНА В КАЧЕСТВЕ КОДЕРА!!!!!!!!

Сопротивление микрофона в этом случае изменяется по закону .

- сопротивление микрофона в исходном состоянии.

- коэффициент пропорциональности между звуковым давлением и сопротивлением.

Общее сопротивление получившейся цепи .

Ток, протекающий по этой цепи .

Напряжение в цепи .

Как видно, напряжение на нагрузке не есть прямо пропорциональная зависимость от звукового давления. Но если выбрать сопротивление нагрузки много меньше, чем , то выходной ток почти не будет зависеть от нагрузки, а в основном будет зависеть от сопротивления микрофона, т.е. от звукового давления.

Классификация сигналов.

Все сигналы можно разделить на две группы: детерминированные и случайные. Детерминированные сигналы – это такие сигналы, значение которых в любой момент времени можно предсказать с абсолютной точностью. Примеры таких сигналов: периодическая последовательность прямоугольных импульсов, у которых высота импульсов и период заранее известны.

Периодическая последовательность импульсов напряжения, форма, величина положение во времени которых известно.

Детерминированные сигналы подразделяются на периодические и непериодические.

Периодические сигналы – это такие сигналы, для которых выполняется условие

.

-период времени, через который значения сигналов повторяются.

.

Гармоническое колебание с амплитудой , - угловая частота. Если для детерминированного сигнала данное условие не выполняется, то сигнал непериодический, например одиночные импульсы различной формы.

Строго говоря, периодический детерминированный сигнал должен быть бесконечен во времени. Таких в природе не существует, поэтому периодическим считают такой, для которых условия периодичности выполняются на интервале времени .

Случайные – это сигналы, значения которых заранее неизвестны и могут быть предсказаны с вероятностью меньше 1.

Сигналы, полученные с помощью кодирования для передачи на большие расстояния без проводов с помощью электромагнитного поля непригодны. Для решения этой задачи необходимо использовать электрический сигнал высокой частоты, т.е. радиосигнал. При этом электрический сигнал, полученный в кодирующем устройстве, выступает в роли управляющего (модулирующего). Таким образом, все сигналы делятся на управляющие сигналы и радиосигналы.

Управляющие сигналы.

Управляющий сигнал (видеосигнал) – это такой электрический сигнал, который связан с передаваемым сообщением принятым способом кодирования. Основная особенность управляющих сигналов – то, что они занимают диапазон частот от 0 до 1-ц МГц.

Основные виды управляющих сигналов:

1) Телеграфный сигнал – это непериодическая последовательность импульсов напряжения или тока, разделённых сравнительно небольшими временными интервалами. Длительность импульса в таких сигналах примерно равна длительность паузы . Телеграфный сигнал – исторически первый вид электрического сигнала. С помощью телеграфного сигнала передаются дискретные сообщения – буквы, цифры, знаки. Каждому символу присвоена определённая комбинация импульсов и пауз. Длительность импульса в телеграфном сигнале – 1 мс. Кодовая комбинация состоит из элементов кода. Количество этих элементов различно. Например, код Бодо (двоичный код) – содержит два элемента – наличие импульса или его отсутствие. Код Морзе содержит 4 элемента – точка (короткий импульс), тире (длинный импульс), а так же короткую и длинную паузу.

Диапазон частот телеграфного сигнала – до единиц килогерц. Это очень узкий диапазон частот.

2) Телефонный сигнал – такой сигнал, который получается в результате преобразования звуковых колебаний в напряжение при помощи микрофона, ларингофона, звукоснимателя и других устройств. Телефонный сигнал занимает полосу частот от 10-ов Гц до 7-16 кГц. Данный сигнал используется в радиосвязи, радиовещании, в телевидении, в проводной связи.

3) Телевизионный сигнал – получается в результате преобразования светового изображения в импульсы напряжения или тока с помощью передающей телевизионной трубки.