Сигналы и процессы в электронике. В радиоэлектронике
 Скачать 2.48 Mb.
|
|
1.2. Основные радиоэлектронные процессы Основные радиоэлектронные процессы рассмотрим на примере укруп- ненной структурной схемы радиоэлектронной системы (РЭС). Эта система (рис. 1.1) состоит из двух частей: передающей и приемной. Рассмотрим по- следовательность операций (процессов), которые осуществляются над сигна- 13 лами при передаче сообщения от источника к потребителю. В передающей части РЭС осуществляют следующие операции. 1.2.1. Преобразование неэлектрической величины в электрическую Сообщение, которое подлежит передаче по каналу связи, как правило, носит неэлектрический характер. Поэтому необходимо преобразовать не- электрическую величину в электрическую. Преобразование осуществляют с помощью первичных преобразователей (блок 1), например, с помощью мик- рофона, видеокамеры, термопары и др. На выходе первичных преобразовате- лей получают электрический сигнал, который несет информацию. 1.2.2. Усиление сигналов первичных преобразователей Сигналы, поступающие с первичных преобразователей, как правило, имеют малый уровень, что вызывает необходимость их усиления. Эти сигна- лы являются относительно низкочастотными и занимают, как правило, дос- таточно широкую полосу частот. Поэтому для усиления применяют широко- полосные (апериодические) усилители напряжения или тока с полосой про- пускания, соответствующей полосе частот, занимаемой сигналами, посту- пающими с первичных преобразователей (блок 2). 1.2.3. Кодирование передаваемого сообщения Эту операцию используют при необходимости обеспечить скрытность, либо повысить помехоустойчивость передачи данных, а также при переходе к цифровым принципам передачи информации. Кодирование осуществляется с помощью устройств, называемых кодерами (блок 3). 1.2.4. Генерирование несущего колебания Несущее колебание — это высокочастотное колебание, параметры ко- торого подвергают изменению по закону передаваемого сообщения. Это ко- лебание исполняет роль переносчика сообщения. Это колебание поэтому и называют несущим, поскольку оно способно нести сообщение. В каждом радиопередающем устройстве имеется собственный генератор 14 несущего колебания (блок 4). Как правило, в качестве несущего колебания используют отрезок гармонического колебания высокой частоты. При этом частоту этого колебания называют несущей частотой. 7 8 10 11 9 13 12 Антенна приемная Сообщение принимаемое 1 — преобразователь неэлектрического сигнала в электрический; 2 — усилитель сигнала первичного преобразователя; 3 — кодирующее устройство; 4 — генератор несущего колебания; 5 —модулятор высокочастотного колебания; 6 — усилитель мощности высокочастотного сигнала; 7 — усилитель напряжения высокой частоты (УВЧ); 8 — смеситель; 9 — гетеродин; 10 — усилитель промежуточной частоты (УПЧ); 11 — детектор высокочастотного колебания; 12 — усилитель продетектированного сигнала; 13 — декодер; 14 — преобразователь электрического сигнала в неэлектрический. Рис. 1.1 Передающая часть 1 6 5 3 2 4 Сообщение передаваемое Антенна передающая Приемная часть 14 1.2.5. Модуляция высокочастотного колебания Модуляциявысокочастотного колебания —это процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного колебания по закону передаваемого сообщения. В результате модуляции синхронно с изменением передаваемого сооб- щения изменяется либо амплитуда (амплитудная модуляция), либо частота 15 (частотная модуляция), либо начальная фаза (фазовая модуляция) высокочас- тотного колебания. Модуляция осуществляется с помощью устройств, назы- ваемых модуляторами (блок 5). Применение модуляции позволяет уменьшить размеры передающей и приемной антенн и осуществить частотное разделение каналов. Проанализи- руем эти факторы. 1) Для эффективного излучения электромагнитных колебаний размер антенны L должен быть соизмерим с длиной волны. Рассмотрим случай ра- диотелефонии (передача звуковых сообщений). Нетрудно подсчитать, что длина электромагнитной волны на частоте 1000 Гц (средняя частота теле- фонного канала) составляет λ = 300 км. При размере антенны 4 λ = L она практически нереализуема (L = 75 км). Поэтому необходимо перейти на су- щественно более высокую частоту. Этот переход осуществляется с помощью модуляции. Так на частоте 10 МГц размер антенны составит всего 7,5 м. Та- кую антенну практически легко реализовать. 2) Частотное разделение каналов достигается тем, что передатчик каж- дой из радиостанций работает на своей несущей частоте. Это позволяет по- сле модуляции разнести полосы частот, которые занимают различные радио- станции, без перекрытия этих полос. 1.2.6. Усиление мощности высокочастотного колебания Для обеспечения требуемой дальности действия радиоэлектронной сис- темы передающая антенна должна излучать электромагнитные волны необ- ходимой мощности. Поэтому после модуляции высокочастотный сигнал уси- ливают с помощью усилителя мощности (блок 6). 1.2.7. Излучение и прием высокочастотных колебаний Создание свободно распространяющихся электромагнитных волн в ок- ружающем передатчик пространстве и прием этих волн приемником осуще- ствляется с помощью передающих и приемных антенн либо антенных систем (см. рис. 1.1). 16 В приемной части РЭС осуществляют следующие операции. 1.2.8. Избирательность Избирательность — это свойство приемной части системы осуществ- лять выбор нужного сигнала из всей совокупности сигналов, воздействую- щих на антенну приемника. Способ осуществления избирательности зависит от принципа разделения каналов передачи данных. В настоящее время ис- пользуют частотный, кодовый и временной принципы разделения каналов. При использовании принципа частотного разделения каналов передат- чики формируют сигналы с различными несущими колебаниями, а в прием- никах осуществляется частотная избирательность. Эта операция реализуется с помощью узкополосных полосно-пропускающий фильтров (LC-контуры, твердотельные фильтры и т.п.). Эти фильтры располагают во входной цепи приемника, а также в усилителях высокой (блок 7) и промежуточной (блок 10) частот. При использовании принципа кодового разделения каналов в передатчи- ках формируют кодированные сигналы на одной и той же несущей частоте, а в приемнике осуществляют кодовую избирательность. Эта операция реализу- ется с помощью специальных декодирующих устройств, обеспечивающих прием только тех сигналов, которые предназначены для данного абонента. При использовании принципа временного разделения каналов передат- чики формируют сигналы на одной и той же несущей частоте и последова- тельно излучают эти сигналы с соблюдение жесткого временного графика выхода в эфир. Зная этот график, в приемнике обеспечивается временная из- бирательность, поскольку сигналы от различных станций разделены во вре- мени. 1.2.9. Усиление напряжения высокочастотных сигналов Сигналы, наводимые в антенне, как правило, имеют малый уровень (единицы микровольт и менее). Поэтому необходимо усиление этих сигналов по напряжению. Это достигается применением усилителя высокой (УВЧ), 17 (блок 7), и усилителя промежуточной частоты (УПЧ) (блок 10). УВЧ, также называемый усилителем радиочастоты (УРЧ), настраивают на несущую час- тоту принимаемого сигнала. УПЧ настраивают на так называемую промежу- точную частоту. 1.2.10. Преобразование частоты Это операция, в результате которой в приемнике формируется радио- сигнал с другой несущей частотой отличной от несущей частоты прини- маемого сигнала. Эту частоту называют промежуточной частотой (ПЧ). При этом вид и параметры модуляции не изменяются. Для получения ПЧ в таких приемниках применяют преобразователь частоты, состоящий из смеси- теля (блок 8), генератора гармонических колебаний, называемого гетероди- ном (блок 9) и полосно-пропускающего фильтра промежуточной частоты, который расположен в усилителе промежуточной частоты (УПЧ) (блок 10). Смеситель формирует колебание, частота которого равна разности частот принимаемого сигнала и сигнала гетеродина. Это колебание выделяют с по- мощью полосно-пропускающего фильтра промежуточной частоты. Для того, чтобы промежуточная частота не изменялась при перестройке приемника, применяют синхронную перестройку частоты гетеродина и частоты настойки УВЧ. Приемник с преобразованием частоты называют супергетеродинным. Применение преобразования частоты позволяет применить неперестраи- ваемый УПЧ при приеме сигналов с различными несущими частотами. Это обеспечивает высокую частотную избирательность по соседнему каналу и высокую чувствительность приемника. 1.2.11. Детектирование высокочастотных колебаний Детектирование высокочастотных колебаний — это операция обрат- ная модуляции. Детектирование осуществляют с помощью устройств, назы- ваемых детекторами (блок 11). На выходе детектора получают сигнал, вели- чина которого пропорциональна модулируемому параметру входного высо- кочастотного сигнала. Для детектирования сигналов с амплитудной модуля- 18 цией применяют амплитудные детекторы, с частотной модуляцией — час- тотные детекторы, с фазовой модуляцией — фазовые детекторы. 1.2.12. Усиление продетектированного сигнала Эта операция необходима для получения выходного сигнала требуемого уровня. Для этих целей используют апериодические усилители тока, напря- жения или мощности (блок 12). 1.2.13. Декодирование Декодирование — операция обратная кодированию. Эта операция осу- ществляется в приемной части радиоэлектронной системы с помощью деко- дера (блок 13). Декодирование проводят только в том случае, когда в пере- дающей части осуществлялось кодирование передаваемого сообщения. 1.2.14. Преобразование электрического сигнала в неэлектрический Электрический сигнал на последнем этапе обработки, как правило, пре- образуют в неэлектрический (блок 14). Эту операцию осуществляют с помо- щью электромеханических, электронно-оптических и других преобразовате- лей. В частности, при передаче звука — это громкоговорители, при передаче изображения — электронно-лучевые трубки, светодиодные, плазменные па- нели и пр. 1.3. Основные области применения радиоэлектроники Перечислим наиболее важные области применения радиоэлектроники. Радиосвязь — связь между несколькими абонентами с помощью элек- тромагнитных волн. При этом каждый из абонентов может связаться с лю- бым другим абонентом при помощи приемо-передатчика. Примером совре- менных систем радиосвязи является мобильная сотовая связь. Радиовещание — односторонняя радиосвязь, при которой источники информации имеют только передатчики, а потребители — только приемники. В настоящее время Земной шар покрыт сетью радиовещательных станций, обеспечивающих беспроводную доставку информации потребителям. 19 Телевидение — передача изображения на расстояние с помощью элек- тромагнитных волн. Телевидение на сегодняшний день является мощным информационным средством во всех развитых странах. Радиолокация — обнаружение объектов, определение их скорости и координат с помощью электромагнитных волн. Радиолокация широко при- меняется в авиации, судовождении, для военных целей и др. Радиотелемеханика — управление объектами на расстоянии с помо- щью электромагнитных волн. Эта отрасль нашла свое применение в косми- ческой и военной технике, в системах дистанционного управления техноло- гическими процессами и др. Радионавигация — определение собственных координат объектов с помощью радиоэлектронных средств, например GPS (Global Position System), ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система) и др. К нави- гационному оборудованию относят также системы слепой посадки самоле- тов, системы стыковки космических кораблей и т.д. Существует также множество других областей применения радиоэлек- троники: радиоастрономия, радиотелеметрия, радиодоступ к информацион- ным сетям, радиоизмерения, бытовая радиоэлектроника и др. Не преувеличи- вая, можно сказать, что радиоэлектроника проникает во все области деятель- ности человека. 20 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ 2.1. Определение электрического сигнала Термин «сигнал» в переводе с греческого (signum) означает «знак». Как правило, сигнал — это физический процесс (звук, оптическое изображение и др.), однозначно связанный с неким сообщением, содержащем информацию. Эти физические процессы порождают в радиоэлектронных системах элек- трические сигналы, что достигается применением первичных преобразовате- лей. Электрический сигнал — некоторое изменение тока или напряжения, однозначно связанное с сообщением. Физические процессы изменяются во времени. Поэтому математическую модель электрического сигнала в даль- нейшем будем представлять функцией времени. Часто используют следую- щие обозначения сигналов: ) (t i — ток; ) (t u — напряжение; s(t) — видеосиг- нал (НЧ); a(t) — радиосигнал (ВЧ). Применяют также и другие обозначения. 2.2. Классификация сигналов 2.2.1. Классификация по вероятностным характеристикам По этому признаку сигналы делят на детерминированные и случайные. Детерминированные сигналы — это сигналы, значения которых в лю- бой момент времени известны, то есть предсказуемы с вероятностью, равной единице. Эти сигналы могут быть заданы аналитически (в виде математиче- ских формул), графически, либо в виде таблиц. Детерминированные сигналы не несут информации, поскольку они полностью определены. Случайные сигналы — это такие сигналы, значения которых в произ- вольный момент времени не могут быть определены с вероятностью, равной 21 единице, Модель случайного сигнала используют в двух случаях: для описа- ния шумов и помех; при рассмотрении информационных характеристик сиг- налов. В последнем случае случайный сигнал содержит информацию, напри- мер: речь, сигналы изображения и т.п. Детерминированные сигналы разделяют на периодические и непериоди- ческие. Периодическими сигналаминазывают сигналы, значения которых пе- риодически повторяются через интервалы времени, кратные периоду. То есть на интервале времени ∞ < < ∞ − t для таких сигналов выполняется условие , ) ( ) ( kT t s t s + = (2.1) где k = 0, +1, +2, +3,… целые числа; Т — период функции s(t). К числу таких сигналов относят периодические последовательности им- пульсов, примеры которых изображены на рис. 2.1: периодическая последо- вательность прямоугольных импульсов (диаграмма а); периодическая после- довательность треугольных импульсов (диаграмма b). Для импульсных последовательностей вводится понятие скважности. Скважность — это отношение периода сигнала Т к длительности отдельного импульса t и : и t T Q = (2.2) Число Q удовлетворяет условию: 1 ≥ Q Рис. 2.1 а) b) s(t) 0 t t и Т 2Т 3Т −Т −2Т −3Т … … E s(t) 0 t t и Т 2Т 3Т −Т −2Т −3Т … … E 22 Другим примером периодического сигнала является гармоническое ко- лебание (рис. 2.2). Рис. 2.2 a) b) c) s(t) t s(t) s(t) t t U m T −T − t 1 t 1 0 0 0 Аналитическая запись такого колебания имеет вид , ) cos( ) ( 1 1 θ + ω = t U t s m (2.3) где U m — амплитуда, измеряемая в вольтах (для напряжения) или в амперах (для тока); ω 1 =2 π f 1 — круговая частота, измеряемая в рад/сек; f 1 = 1/T — частота, измеряемая в герцах; T — период, измеряемый в секундах; 1 θ — начальная фаза, измеряемая в радианах. На рис. 2.2 построены колебания при различных значениях начальной фазы: a) θ 1 = 0; b) θ 1 = + ω t 1 > 0 (сдвиг влево); c) θ 1 = − ω t 1 < 0 (сдвиг вправо). Периодические сигналы являются математической абстракцией, по- скольку в соответствии с определением они отличны от нуля на интервале времени от ∞ − до + ∞ , то есть бесконечны во времени. И все же модель пе- риодического сигнала часто используют для теоретического описания по- вторяющихся процессов. Повторяющиеся процессы можно рассматривать как отрезки периодических функций. Если время наблюдения сигнала значи- тельно превышает интервал повторения, то с достаточной степенью точности можно считать повторяющийся процесс периодическим. 23 Непериодическиминазывают сигналы, для которых не выполняется условие (2.1). Обычно это сигналы отличные от нуля на конечном интервале времени. Например, одиночные импульсы и пачки импульсов. Пачкой назы- вают сигнал, содержащий конечное число импульсов. Непериодические сиг- налы могут отличаться от нуля и на бесконечном интервале времени, напри- мер сигнал вида kt kt ) sin( , где k = const. На рис. 2.3 изображены некоторые непериодические процессы: одиноч- ные импульсы (диаграммы |