книги / Основы радиоэлектроники

) ) )

Рис. 5в

Области применения радиотехники весьма обширны. Широ­ кое распространение получило радиовещание— односторонняя передача информации, заключенной в звуковых сигналах (речь, музыка), от передатчика радиовещательной станции через линию связи— околоземное пространство— с помощью электромагнит­ ных волн к приемникам слушателей (рис. 4 В). На входе передат­ чика включен микрофон, с помощью которого звуковые волны, создаваемые диктором в студии радиостанции, превращаются в электрические сигналы. На выходе приемника включен громко­ говоритель (или наушники), осуществляющий обратное преоб­ разование электрических сигналов в звуковые волны.

Телевидение— односторонняя передача информации, заклю­ ченной в оптическом изображении и звуковых сигналах от пере­ датчика телевизионной станции через околоземное пространство или коаксиальный кабель с помощью электромагнитных волн к телевизионным приемникам слушателей (рис. 5 В). На входе телевизионного передатчика включены два преобразователя: оп­ тического изображения — в первый электрический сигнал и зву­ ковых волн— во второй электрический сигнал. На выходе теле­ визионного приемника имеются также два преобразователя:

ней передачи информации с помощью электромагнитных волн между двумя или несколькими стационарными или движущими­ ся радиоустройствами, каждое из которых содержит и передат­ чик, и приемник (рис. 6 В). Радиосвязь — основное средство пе­ редачи информации с космических кораблей на землю, с поляр­ ных станций и метеостанций, между морскими судами и т. д.

Для связи на большие расстояния широко используются ра­ диорелейные линии связи, образованные цепочкой маломощных приемно-передающих радиостанций, последовательно принима­ ющих, усиливающих и передающих далее сигналы от одного конца линии связи к другому (рис. 7 В). На каждой из промежу­ точных станций происходит восстановление сигнала— т. е. заме­ на принятого слабого сигнала новым сильным, посылаемым на

c c f

) ) Ч

Рис. 6в

следующую станцию. В последние годы широкое применение получила спутниковая радиосвязь (рис. 8 В). На спутнике связи имеется приемно-передающая радиостанция, связывающая при­ емно-передающие радиостанции.

Можно перечислить еще ряд об­ ластей применения радиотехники. Радиолокация— обнаружение, изме­ рение пространственных координат

иопознавание различных объектов

спомощью радиотехнических средств. Различают активную и пас­ сивную радиолокацию. В случае ак­ тивной радиолокации излучаемый передатчиком радиолокационной станции сигнал (рис. 9 В) распро­ страняется до объекта, располо­ женного на расстоянии / за время

At = //с, (с— скорость электромаг­ нитной волны), затем отражается от объекта и возвращается назад к при­ емнику радиолокационной станции также за время At. На экране станции виден как излучаемый сигнал,

Устройства активной радиоастрономии содержат те же части, что и устройства активной радиолокации (рис. 9 В). Объектами изу­ чения являются относительно близко расположенные планеты Солнечной системы. Устройства пассивной радиоастрономии (ра­ диотелескопы) аналогичны устройствам пассивной радиолокации (рис. 10 В). С их помощью изучают Солнце, объекты, располо­ женные далеко за пределами Солнечной системы, а также релик­ товое радиоизлучение. Радиоастрономические исследования да­ ют ценные сведения о природе космических тел и о происходящих

Рис. 12в

Рис. 13в

Широко применяется при самолетовождении радиокомпас, ав­ томатически измеряющий угол между продольной осью са­ молета и направлением на пеленгуемую станцию (передатчикориентир).

Радиотелеметрия— определение с помощью электромагнит­ ных волн данных о работе и состоянии людей и механизмов и о протекании физических или технологических процессов (рис. 12 В). Источник информации воздействует на датчик, и с по­ мощью электромагнитных волн информация передается в уст­ ройство распознавания и анализа сигналов. Системы радиотеле­ метрии применяются для контроля за протеканием процессов на движущихся и труднодоступных объектах, например, при испы­ таниях самолетов и ракет, исследованиях атмосферы с помощью радиозондов и ракет, передаче сведений о погоде автоматиче­ скими метеорологическими станциями, а также для контроля работы автоматизированных установок.

Радиоуправление— управление исполнительными механизма­ ми самолетов, космических кораблей, моделей и др. на расстоя­ нии с помощью электромагнитных волн (рис. 13 В).

Радиотехнические идеи, методы и устройства широко приме­ няются в автоматике, вычислительной технике, физике, химии, биологии, медицине и т. д. Трудно переоценить исключитель­ ную важность радиоэлектроники в современном мире. Основ­ ное количество информации, используемой человечеством, передается с помощью радиотехнических средств (радиове­ щание, телевидение, радиосвязь). Миллиарды людей еже­ дневно пользуются радио— важной частью современной куль­ туры.

§ 3. История развития радиоэлектроники

Природа дала человеку зрение, с помощью которого человек получает ~90% информации об окружающем мире, используя электромагнитные волны оптического диапазона (свет).

Однако во многих случаях такого использования электромаг­ нитных волн для передачи информации оказалось недостаточно, и люди создали искусственные (технические) системы связи.

Еще в XII в. до н. э. информация о победе над Троей пришла в Древнюю Грецию с помощью электромагнитных (световых) волн— системы костров, зажженных на расстоянии прямой види­ мости.

В пьесе Эсхила «Агамемнон» дозорный, лежа на плоской крыше царского дворца в Аргосе, говорит: «А я все жду услов­ ленного светоча, столба огня, который возвестит, взыграв, что пала Троя». И такой столб огня появился. Таким образом, можно считать, что древние греки реализовали первый вариант «радио­ релейной» линии связи.

ВXVIII в., во времена Французской революции, для пере­ дачи информации использовался гелиограф, представляющий со­ бой систему зеркал, с помощью которых свет Солнца можно было направить в место приема и таким образом передать некоторое сообщение. Это был второй вариант радиорелейной линии связи.

ВXIX в. были проведены исследования и создана наука об электромагнитных явлениях, которая стала базой радиоэлектро­ ники.

В1831 г. английский ученый Майкл Фарадей (1791 — 1867)

открыл закон электромагнитной индукции. Это позволило в 1873 г. создать теорию электромагнитного поля и открыть законы распространения радиоволн Джеймсу Максвеллу (1831 — 1879). Теория Максвелла была экспериментально подтверждена Генрихом Гёрцем (1857— 1894) в Германии, доказавшим существова­ ние излучения электромагнитных волн и показавшим их отраже­ ние, преломление, интерференцию и поляризацию.

Изобретение радио сделано в России 7 мая 1895 года. Алек­ сандр Степанович Попов (1859— 1906) на заседании русского физико-химического общества в Петербурге продемонстрировал изобретенный им грозоотметчик — первый в мире радиоприем­ ник. В 1896 г. А. С. Попов осуществил телеграфирование без проводов на расстояние 250 м, передав с помощью азбуки Морзе

диосвязь на расстоянии 52 км, обеспечившую работы по спа­ сению броненосца «Генерал-адмирал Апраксин», севшего на кам­ ни. Было передано 440 радиограмм (6300 слов). В 1900 г. на

IV Всемирном электротехническом конгрессе в Париже А. С. Попову за изобретение радио были присуждены почетный диплом и золотая медаль.

За рубежом широко известен итальянец 1ульельмо Маркони (1874— 1937), также применивший электромагнитные волны для

В 1901 г. Г Маркони осуществил радиосвязь через Атлантиче­ ский океан.

(За рубежом изобретателем радио считают Г Маркони, по­ скольку он запатентовал грозоотметчик почти такой же кон­ струкции, что и грозоотметчик А. С. Попова, а А. С. Попов свое изобретение не патентовал.)

Первый период развития радиоэлектроники характеризуется применением искровых радиопередатчиков, создававших затуха­ ющие колебания и служивших для передачи телеграфных сиг­ налов. Эти генераторы создавали большие взаимные помехи. Поэтому появились генераторы незатухающих колебаний, в ко­ торых использовалась электрическая дуга.

Появление трехэлектродной электронной лампы— триода, изобретенной в 1906 г. Луи де Форестом (США), позволило создать ламповые генераторы для получения мощных незатуха­ ющих электромагнитных колебаний в передатчиках, усиливать их и выполнять различные преобразования при передаче сообще­ ний любой формы и сложности.

Автором первых разработок по электронной передаче изобра­ жения на расстояние был профессор Петербургского технологиче­ ского института Б. Л. Розинг (1869— 1938). В 1907 г. он изобрел электронную систему воспроизведения телевизионного изображе­ ния с помощью электронно-лучевой трубки, а в 1911 г. впервые продемонстрировал прием простейших геометрических фигур.

Его ученик, выдающийся ученый В. К. Зворыкин (1889— 1972) в 1923 г. оформил в США заявку на изобретение электронной системы телевидения. К 1929 г. В. К. Зворыкин, усовершенство­ вав электронно-лучевую трубку, создает кинескоп— приемную телевизионную трубку, а также в 1931 г. иконоскоп— переда­ ющую телевизионную трубку (независимо от советского ученого С. И. Катаева) и разрабатывает комплекс аппаратуры электрон­ ного телевидения. Большое значение имели труды В. К. Зворыки­ на по созданию цветного телевидения. В. К. Зворыкин получил во всем мире признание как «отец телевидения».

В30-е годы в наиболее развитых странах были разработаны первые образцы радиолокационных станций. В годы второй ми­ ровой войны англичане успешно использовали радиолокацию для борьбы с немецкими подводными лодками.

В1948 г. Клод Шеннон (США) сформулировал основы теории передачи информации. В том же году У X. Браттейном, У. Шок­

Г Л А В А 1

УПРАВЛЯЮЩИЕ СИГНАЛЫ И РАДИОСИГНАЛЫ

§1.1. Управляющие сигналы

Врадиовещании и радиосвязи звуковые сигналы действуют на микрофон, и на его выходе появляется электрический сигнал — электрический ток или напряжение, изменяющиеся в соответст­ вии с звуковым сигналом. Широко используемый угольный мик­ рофон содержит гранулы угля, прижатые мембраной. При воз­ действии звуковой волны мембрана сильнее давит на гранулы,

сопротивление гранул Rm уменьшается, и ток через микрофон i(t) = E/(Rm+ RH) возрастает. Этот ток протекает через сопротив­ ление нагрузки RH, на котором возникает выходное напряжение Мн = Лн-/(/) (рис. 1.1.а). Информация, заключенная в сигнале, от­ ображается в его форме и»(/), меняющейся по некоторому закону с течением времени. Если этот закон известен, сигнал называется детерминированным. Если в рассматриваемом примере звуковой сигнал представляет из себя периодический процесс (например, звенит звонок), то периодическим процессом является и электри­ ческий сигнал— ток i(t) в сопротивлении R„. Как известно из курса математики, периодический процесс с периодом Т может быть представлен рядом Фурье— суммой (бесконечной или, ре­ же, конечной) гармонических составляющих кратных частот и по­ стоянной составляющей. В случае конечной суммы имеем:

^max ^ ^min 0

Таким образом, периодический процесс, описываемый конеч­ ной суммой гармонических со­ ставляющих, характеризуется конечной полосой (конечным диапазоном) частот.

Периодические сигналы мо­ гут нести крайне ограниченную информацию, свидетельствуя только о наличии или отсутст­ вии какого-то явления. Обычно сигнал, несущий информацию, представляет собой непредска­ зуемый непериодический про­ цесс (рис. 1.1.6) (случайный сигнал). Чтобы донести до слу­ шателя новую информацию, произносят разные неповторя­ ющиеся слова. В этом случае ток /(/) обязательно является

бесконечной суммой гармонических составляющих с различны­ ми, некратными, частотами и характеризуется бесконечной поло­ сой частот. Однако не все составляющие одинаково важны для передачи информации. Проведенные физиологические исследова­ ния показали, что человеческое ухо слышит гармонические со­ ставляющие звуковых сигналов в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц (1 кГц=103 Гц). Для вполне удовлетворительного звуча­ ния достаточен более узкий диапазон от 50 Гц до 4,5 кГц. Этот диапазон обычно и используется в радиовещании. Для разбор­ чивого звучания человеческой речи достаточен диапазон от 200 Гц до 3 кГц, который используется в телефонной связи.

Вдиапазоне УКВ при стереовещании и при передаче звуковой информации в телевидении используется частотная модуляция как наиболее помехоустойчивая и, следовательно, способная пе­ редать сигнал наименее искаженным. Спектр звукового сигнала при этом простирается от 20 Гц до 12 кГц, что приводит к еще более высокому качеству передачи.

Втелевидении изображение проецируется на экран переда­

ющей телевизионной трубки, который покрыт маленькими фото­ элементами (рис. 1.2). Их число превышает 500000 и определяет­ ся физиологическими особенностями человеческого глаза. Ток, возникающий при попадании света на фотоэлемент, пропорци­ онален освещенности фотоэлемента. Токи от отдельных фотоэле­ ментов поочередно протекают через сопротивление нагрузки. В результате на этом сопротивлении появляется видеосигнал.

Телевизионная передающая трубка

Диапазон частот, занимаемый видеосигналом, строго говоря, бесконечен. Однако особенности физиологии человеческого глаза позволяют ограничить полосу частот видеосигнала от Fmin = 0 до

= 6,5 МГц (Г = £ ; 1 МГц= 10б Гц).

При передаче телеграфных сигналов в радиоспорте и радиоте­ леграфии используют азбуку Морзе. Каждая буква в этой азбуке характеризуется набором точек и тире. Например, буква «а» в азбуке Морзе имеет вид (.—). Эти точки и тире можно полу­ чить, замыкая ключ в цепи рис. 1.3.а. Через нагрузку будут протекать короткие и длительные прямоугольные импульсы (толчки) тока (рис. 1.3.6). Эти сигналы называют кодовыми. Они занимают полосы частот от 100 до 500 Гц, в зависимости от скорости передачи импульсов. В электронно-вычислительной тех­