Alapvető rádiótechnikai eljárások és jellemzőik. Rádiótechnikai jelek

Alapvető rádiótechnikai eljárások

1. 
   Az eredeti üzenet átalakítása elektromos jellé.
2. 
   Nagyfrekvenciás rezgések generálása.
3. 
   Oszcilláció szabályozás (moduláció).
4. 
   Gyenge jelek felerősítése a vevőben.
5. 
   Üzenet elkülönítése a nagyfrekvenciás oszcillációtól (észlelés és dekódolás).

Rádióáramkörök és módszerek

elemzésüket

Áramkör osztályozás

A jelek és rezgések felsorolt ​​transzformációinak megvalósításához használt elemek pedig a következő fő osztályokba sorolhatók:

Lineáris áramkörök állandó paraméterekkel;

Lineáris áramkörök változó paraméterekkel;

Nemlineáris áramkörök.
^ Lineáris áramkörök állandó paraméterekkel

A következő definíciókból indulhat tovább:

1. 
   Egy áramkör lineáris, ha a benne lévő elemek nem függnek az áramkörre ható külső erőtől (feszültség, áram).
2. 
   A lineáris lánc a szuperpozíció (overlay) elvének engedelmeskedik.

,

Ahol L az áramkör bemeneti jelre gyakorolt ​​hatását jellemző operátor.

Ha egy lineáris áramkörre több külső erő hat, akkor az áramkör viselkedése (áram, feszültség) az egyes erőkre külön-külön talált megoldások szuperpozíciójával (szuperpozíciójával) határozható meg.

Másképp: lineáris láncban az egyes hatásokból származó hatások összege egybeesik a hatások összegéből származó hatással.

1. 
   Állandó paraméterekkel rendelkező lineáris áramkörben végzett tetszőlegesen összetett műveletek esetén nem keletkeznek új frekvenciák rezgései.

^ Változó lineáris áramkörök

Ezek olyan áramkörök, amelyek egy vagy több paramétere idővel változik (de nem függ a bemeneti jeltől). Az ilyen láncokat gyakran lineárisnak nevezik. parametrikus.

Az előző bekezdés 1. és 2. tulajdonsága ezekre az áramkörökre is érvényes. Azonban a legegyszerűbb harmonikus hatás is összetett rezgést hoz létre frekvenciaspektrummal egy változó paraméterű lineáris áramkörben.
^ Nemlineáris áramkörök

Egy rádióáramkör nemlineáris, ha egy vagy több elemet tartalmaz, amelyek paraméterei a bemeneti jel szintjétől függenek. A legegyszerűbb nemlineáris elem a dióda.

A nemlineáris áramkörök alapvető tulajdonságai:

1. 
   Nemlineáris áramkörökhöz (és elemekhez) A szuperpozíció elve nem alkalmazható.
2. 
   A nemlineáris áramkör fontos tulajdonsága a jel spektrumának átalakulása.

^ A jelek osztályozása

Információs szempontból a jelek determinisztikusra és véletlenszerűre oszthatók.

Meghatározó tetszőleges jelet hívunk meg, amelynek pillanatnyi értéke minden pillanatban egyes valószínűséggel megjósolható.

NAK NEK véletlen olyan jeleket foglalnak magukban, amelyek pillanatnyi értékei nem ismertek előre, és csak egynél kisebb valószínűséggel jósolhatók meg.

A hasznos véletlenszerű jelek mellett elméletben és gyakorlatban is meg kell küzdeni a véletlenszerű interferenciával - zajjal. A kívánt véletlenszerű jeleket, valamint az interferenciát gyakran kombinálják a kifejezéssel véletlenszerű ingadozások vagy véletlenszerű folyamatok.

A rádiókommunikációs csatornában lévő jeleket gyakran felosztják vezérlő jelekés tovább rádiójelek; az elsőt modulálónak, a másodikat pedig modulált rezgéseknek kell érteni.

A modern rádióelektronikában használt jelek a következő osztályokba sorolhatók:

Méretben tetszőleges és időben folyamatos (analóg);

Méretben tetszőleges és időben diszkrét (diszkrét);

Nagyságrendben kvantált és időben folyamatos (kvantált);

Nagyságrendben kvantált és időben diszkrét (digitális).
^ A determinisztikus jellemzői

jeleket

Energetikai jellemzők

Az s (t) valós jel fő energiajellemzői a teljesítménye és az energiája.

A pillanatnyi teljesítmény az s (t) pillanatnyi érték négyzete:

A jelenergiát a t 2, t 1 intervallumban a pillanatnyi teljesítmény integráljaként határozzuk meg:

.

Hozzáállás

Értelmes az átlagos jelteljesítmény a t 2, t 1 intervallumon belül.
^ Tetszőleges hullámforma ábrázolás

mint elemi rezgések összege

A jelek elmélete és feldolgozása szempontjából fontos, hogy az adott f (x) függvényt különböző ortogonális j n (x) függvényrendszerekre bontsuk ki. Bármely jel általánosított Fourier-sorként ábrázolható:

,

ahol C i - súlytényezők,

J i - ortogonális bővítési függvények (alapfüggvények).

Az alapfunkciókhoz a következő feltételnek kell teljesülnie:

Ha a jelet a t 1 és t 2 közötti intervallumban határozzuk meg, akkor

Az alapfüggvény normája.

Ha a függvény nem ortonormális, akkor ily módon csökkenthető. Az n növekedésével C n csökken.

Tegyük fel, hogy adott a bázisfüggvények halmaza (j n). Bázisfüggvények halmazának megadásakor és fix számú taggal az általánosított Fourier-sorban, a Fourier-sor olyan közelítést ad az eredeti függvényhez, amelynél az eredeti függvény definíciójában a legkisebb a négyzetgyök hiba. Az általánosított Fourier-sor megadja

Egy ilyen sorozat minimális átlagos hibát (hibát) ad.

A jel legegyszerűbb függvényekre bontásának két problémája van:

1. 
   ^ Pontos bontás legegyszerűbb ortogonális függvényekre (jelelemző modell, jelviselkedés elemzés).

Ezt a feladatot trigonometrikus bázisfüggvényeken valósítjuk meg, mivel ezek a legegyszerűbb formájúak, és csak a lineáris láncokon való áthaladáskor megtartják alakjukat; ezeknek a függvényeknek a használatakor használhatja a szimbolikus módszert ().

1. 
   ^ Folyamatjelek és jellemzők közelítése amikor az általánosított sorozat tagjainak számát minimálisra kell csökkenteni. Ide tartoznak: Csebisev, Hermite, Legendre polinomok.

^ Periodikus jelek harmonikus elemzése

Ha az s (t) periodikus jelet kiterjesztjük egy Fourier-sorban trigonometrikus függvényekben, akkor ortogonális rendszernek vesszük

Az ortogonalitás intervallumát a függvény normája határozza meg

A függvény átlagos értéke az időszak alatt.

- alapképlet számára

a Fourier-sor definíciói

A modul páros, a fázis páratlan függvény.

Tekintsünk egy párt a k-edik taghoz

- Fourier-soros bővítés


^ Példák periodikus jelek spektrumára

1. 
   Téglalap alakú lötyögés... Hasonló tétovázás, gyakran ún kanyarog(A meander görögül "dísz" szó) különösen széles körben használják a méréstechnikában.

^ Nem periodikus jelek harmonikus elemzése

Adjuk meg az s (t) jelet valamilyen nullától eltérő függvény formájában a (t 1, t 2) intervallumban. Ennek a jelnek integrálhatónak kell lennie.

Vegyünk egy végtelen T időintervallumot, beleértve a (t 1, t 2) intervallumot. Azután . A nem periodikus jel spektruma folytonos. Az adott jel Fourier-sorként ábrázolható , ahol

Ez alapján a következőket kapjuk:

Т®µ óta az összeg helyettesíthető integrációval, W 1 pedig dW, nW 1 pedig W. Így áttérünk a kettős Fourier-integrálra.

,

ahol a jel spektrális sűrűsége. Ha a (t 1, t 2) intervallum nincs megadva, az integrálnak végtelen határa van. Ez az inverz és az előre irányuló Fourier transzformáció.

Ha összehasonlítjuk a nem periodikus jel folytonos spektrumának burkológörbéjének (spektrális sűrűség modulusának) és a periodikus jel vonalspektrumának burkológörbéjének kifejezéseit, látni fogjuk, hogy alakjukban egybeesnek, de léptékükben különböznek. .

Következésképpen az S (W) spektrális sűrűség rendelkezik egy összetett Fourier-sor összes alapvető tulajdonságával. Vagyis leírhatod, hogy hol

, a .

Spektrális sűrűség modul egy páratlan függvény, és amplitúdó-frekvencia válaszként tekinthető. Érv - fázisfrekvencia-válasznak tekinthető páratlan függvény.

Ez alapján a jel a következőképpen fejezhető ki

Mivel a modulus páros, a fázis pedig páratlan, ebből következik, hogy az integrandus az első esetben páros, a második esetben pedig páratlan W-hez képest, ezért a második integrál egyenlő nullával (páratlan függvény páros határokon belül). ) és végül.

Vegye figyelembe, hogy W = 0 esetén a spektrális sűrűség kifejezése egyenlő az s (t) görbe alatti területtel.

.
^ Fourier transzformáció tulajdonságai

Időeltolódás

Legyen egy tetszőleges alakú s 1 (t) jel S 1 (W) spektrális sűrűségű. Ha ezt a jelet a t 0 idő késlelteti, akkor az s 2 (t) = s 1 (t-t 0) idő új függvényét kapjuk. Az s 2 (t) jel spektrális sűrűsége a következő lesz ... Vezessünk be egy új változót. Innen .

Minden jelnek megvan a maga spektrális sűrűsége. A jel időtengely menti eltolódása a fázis változásához vezet, és ennek a jelnek a modulusa nem függ a jel időtengelyen elfoglalt helyzetétől.

^ Az időskála megváltoztatása

Legyen az s 1 (t) jel időben tömörítve. Az új s 2 (t) jel az eredeti kapcsolathoz kapcsolódik.

Az s 2 (t) impulzus időtartama n-szer rövidebb, mint a kezdeti. Sűrített impulzus spektrális sűrűség ... Vezessünk be egy új változót. fogunk kapni.

Ha egy jelet n-szer tömörítenek, akkor a spektruma ugyanennyivel bővül. Ebben az esetben a spektrális sűrűség modulusa n-szeresére csökken. Ha a jelet az idő múlásával megnyújtják, a spektrum szűkül, és a spektrális sűrűség modulusa nő.

^ Oszcillációs spektrum eltolódás

Szorozzuk meg az s (t) jelet a cos harmonikus jellel (w 0 t + q 0). Egy ilyen jel spektruma

2 integrálra osztottuk.

A kapott arány a következő formában írható fel

Így az s (t) függvény harmonikus rezgéssel történő szorzása a spektrum ± w 0-val eltolt 2 részre való felosztásához vezet.

^ Jeldifferenciálás és integráció

Legyen egy s 1 (t) jel, amelynek spektrális sűrűsége S 1 (W). Ennek a jelnek a megkülönböztetése megadja az arányt ... Integráció kifejezést eredményez .

^ Jel kiegészítés

Ha összeadjuk az s 1 (t) és s 2 (t) jeleket az S 1 (W) és S 2 (W) spektrumokkal, az s 1 (t) + s 2 (t) teljes jel az S 1 spektrumnak felel meg. (W) + S 2 (W) (mivel a Fourier-transzformáció lineáris művelet).

^ Két jel szorzata

Legyen . Ez a jel megfelel a spektrumnak

A függvényeket Fourier-integrálok formájában ábrázoljuk.

Ha a második integrált behelyettesítjük az S (W) kifejezésbe, megkapjuk

Ennélfogva .

Vagyis két időfüggvény szorzatának spektruma megegyezik spektrumaik konvolúciójával (1/2p együtthatóval).

Ha , akkor a jel spektruma az lesz .

^ A frekvencia és az idő kölcsönös megfordíthatósága

a Fourier transzformációban

1. 
   Legyen s (t) páros függvény az idő függvényében.

Azután . Mivel egy páratlan függvény második integrálja szimmetrikus határértékekben egyenlő nullával. Vagyis az S (W) függvény valós és páros W-hez képest.

Feltéve, hogy s (t) páros függvény. s (t)-t úgy írjuk, mint ... W-t t-re cseréljük, t-t W-re, kapjuk .

Ha a spektrum bármely jel alakja, akkor az ennek a spektrumnak megfelelő jel megismétli egy hasonló jel spektrumának alakját.
^ Energiaeloszlás a nem periodikus jel spektrumában

Tekintsünk egy kifejezést, ahol f (t) = g (t) = s (t). Ebben az esetben ez az integrál egyenlő. Ezt az arányt Parseval-egyenlőségnek nevezzük.

Energia sávszélesség számítás: , ahol , a .
^ Példák nem periodikus jelek spektrumára

Téglalap alakú impulzus

A kifejezés határozza meg

Határozza meg a spektrális sűrűséget

.
Az impulzus meghosszabbodásával (nyújtásával) a nullák közötti távolság csökken, S (0) értéke nő. A függvény modulját tekinthetjük egy téglalap alakú impulzus frekvenciaválaszának, az argumentumot pedig a spektrum fázisválaszának. Minden előjel-fordítás figyelembe veszi a p-vel történő fázisnövekedést.

Amikor az időt nem az impulzus közepétől, hanem elölről számoljuk, az impulzusspektrum fázisválaszát ki kell egészíteni egy olyan taggal, amely figyelembe veszi az impulzus idő szerinti eltolódását (az így kapott fázisválaszt szaggatott vonal jelzi ).

Harang alakú (gaussi) pulzus

Kifejezés határozza meg. Az a konstans az impulzus időtartamának felét jelenti, az impulzus amplitúdójának e -1/2 szintjén meghatározva. Így az impulzus teljes időtartama.

A jel spektrális sűrűsége .

A kényelem kedvéért a kitevőt kiegészítjük az összeg négyzetével , ahol a d mennyiséget a feltételből határozzuk meg , ahol . Így a spektrális sűrűség kifejezése a formára redukálható .

Továbblépés egy új változóra kap ... Figyelembe véve, hogy a kifejezésbe belépő integrál egyenlő, végül megkapjuk , ahol .

Impulzus spektrum szélesség

A Gauss-impulzus és spektruma ugyanazokkal a függvényekkel fejeződik ki, és szimmetria tulajdonsággal bír. Ehhez az impulzus időtartamának a sávszélességhez viszonyított aránya optimális, vagyis adott impulzus időtartamhoz a Gauss-impulzus minimális sávszélességgel rendelkezik.

delta impulzus (egy impulzus)

A jelet az arány adja ... A fenti impulzusokból úgy kaphatjuk meg, hogy t-t nullára fordítjuk.

Ismeretes, hogy ezért egy ilyen jel spektruma állandó lesz (ez az egységgel egyenlő impulzusterület).

Minden harmonikusra szükség van egy ilyen impulzus létrehozásához.

Exponenciális lendület

Az űrlap jele, c> 0.

A jel spektruma a következőképpen található

Írjuk fel a jelet más formában .

Ha akkor. Ez azt jelenti, hogy egyetlen ugrást kapunk. Nál nél a következő kifejezést kapjuk a jel spektrumára .




Ezért a modul

Rádiójelek
Moduláció

Legyen adott egy jel, benne A (t) az amplitúdómoduláció, w (t) a frekvenciamoduláció, j (t) a fázismoduláció. Az utolsó kettő szögmodulációt képez. A w frekvenciának nagynak kell lennie a W jelspektrum legmagasabb frekvenciájához (az üzenet által elfoglalt spektrum szélességéhez) képest.

A modulált rezgésnek van egy spektruma, melynek felépítése mind az átvitt üzenet spektrumától, mind a moduláció típusától függ.

Többféle moduláció lehetséges: folyamatos, impulzus, impulzuskód.
^ Amplitúdó moduláció

Az amplitúdómodulált oszcilláció általános kifejezése a következő

Az A (t) boríték karakterét a továbbított üzenet típusa határozza meg.

Ha a jel egy üzenet, akkor a modulált hullámforma burkológörbéje ábrázolható. Ahol W a modulációs frekvencia, g a burkológörbe kezdeti fázisa, k az arányossági tényező, DA m az amplitúdó abszolút változása. Hozzáállás - modulációs tényező. Ez alapján lehet írni. Ekkor az amplitúdómodulált oszcillációt a következő formában írjuk fel.

Torzítatlan moduláció esetén (M £ 1) az oszcilláció amplitúdója előtt .

A maximális érték a csúcsteljesítménynek felel meg. Az átlagos teljesítmény a modulációs periódus alatt.

Az amplitúdómodulált jel átvitelének teljesítménye nagyobb, mint egy egyszerű jel átviteléhez.

Amplitúdómodulált jelspektrum

Határozza meg a modulált rezgést a kifejezés

Ezt a kifejezést átalakítjuk

Az első tag az eredeti modulálatlan oszcilláció. A második és a harmadik a moduláció során megjelenő rezgések, amelyek frekvenciáit (w 0 ± W) mellékmodulációs frekvenciáknak nevezzük. Spektrum szélesség 2W.

Abban az esetben, ha a jel az összeg , hol és. Ráadásul hol .

Innen kapunk

A moduláló jel spektrumának mindegyik összetevője egymástól függetlenül két oldalfrekvenciát (bal és jobb) alkot. A spektrum szélessége ebben az esetben a moduláló jel maximális frekvenciájának 2W 2 = 2W max 2.

A vektordiagramban az időtengely az óramutató járásával megegyező irányban forog w 0 szögfrekvenciával (a számlálás a vízszintes tengelyről történik). Az oldallebenyek amplitúdói és fázisai mindig egyenlőek egymással, így a kapott DF vektoruk mindig az OD vonal mentén fog irányulni. Az eredményül kapott OF vektor csak az amplitúdójában változik, anélkül, hogy megváltoztatná a szöghelyzetét.

Legyen jel Írjuk fel más formában.

A spektrum megfelel a jelnek , ahol és S A a burkológörbe spektrális sűrűsége. Ebből következik a spektrum végső kifejezése

Ezt a d-függvény villogó hatása magyarázza, vagyis minden komponens egyenlő nullával, kivéve a w ± w n frekvenciákat (ezek azok az értékek, amelyeknél a d-függvény egyenlő nullával). Még ha a spektrum nem is diszkrét, akkor is vannak mellékkomponensek.
^ Frekvencia moduláció

Legyen egy frekvenciamodulált hullámforma. A frekvencia azonban a fázis deriváltja. Ha megváltoztatja a fázist, akkor az aktuális frekvencia is megváltozik.

Frekvencia moduláció

,

Hol van a frekvenciaeltérés amplitúdója. A rövidség kedvéért a következőkben felhívjuk frekvencia eltérés vagy egyszerűen eltérés.

ahol w 0 t az áram fázisváltozása; a szögmodulációs index.

Tegyük fel, hol .

,

Ahol m a modulációs tényező.

Így az indexes harmonikus fázismoduláció egyenértékű az eltéréssel járó frekvenciamodulációval.

Harmonikus moduláló jellel csak az FM és a PM közötti különbség érzékelhető a modulációs frekvencia megváltoztatásával.

FM eltérésnél W.

FM-nél a mennyiség arányos a moduláló feszültség amplitúdójával és nem függ a modulációs frekvenciátólW.

Monokróm alapsávú jel esetén a fázismoduláció és a frekvenciamoduláció nem különböztethető meg.
^ Jelspektrum szögmodulációnál

Adott legyen a hinta

Két amplitúdómodulált jel létezik. Az olyan komponenseket, amelyek különböznek egymástól, ún kvadratúra komponensek.

Legyen . Ez ugyanaz, mint. Itt q 0 = 0, g = 0.

A Cos és a sin periodikus függvények, és Fourier-sorral bővíthetők

J (m) – 1. típusú Bessel-függvény.

A szögmoduláció spektruma végtelenül nagy, ellentétben az amplitúdómoduláció spektrumával.

Szögmoduláció esetén a frekvenciamodulált rezgés spektruma még 1 frekvenciájú moduláció esetén is végtelen számú harmonikusból áll, amelyek a vivőfrekvencia köré csoportosulnak.

Hátrányok: a spektrum nagyon széles.

Előnyök: leginkább zajálló.

Tekintsük azt az esetet, amikor a m<< 1.

Ha m nagyon kicsi, akkor csak 2 mellékfrekvencia van jelen a spektrumban.

Spektrum szélesség (m<< 1) будет равна 2W.

Ha m = 0,5¸1, akkor megjelenik egy második w ± 2W oldalfrekvenciapár. A spektrum szélessége 4W.

Ha m = 1¸2, akkor megjelenik a harmadik és negyedik felharmonikus w ± 3W, w ± 4W.

A spektrum szélessége m-nél nagyon nagy

SHS = 2mW = 2w d

Ha a modulációs index sokkal kisebb, mint egy, akkor ilyen modulációt hívunk gyors, majd w d<< W.

Ha m >> 1, akkor ez lassú moduláció, majd w d >> W.
^ RF spektrum frekvenciamodulált

töltő

, ahol

Ahol ,

A lineáris frekvencia modulált jel (chirp) fő paramétere vagy a csiripjel alapja.

B lehet pozitív és negatív is.

Tegyük fel, hogy b> 0

A jel spektrumának két összetevője van:

1 - robbanás a w about frekvenciához közel;

2 - egy burst a -w о frekvencia közelében.

A spektrális sűrűség meghatározásakor a pozitív frekvenciák tartományában a második tag elhagyható.

Egészítsd ki a kitevőt egy teljes négyzetre

, ahol C (x) és S (x) a Fresnel integrálok

Chirp spektrális sűrűség modul

A csipogó jel spektrális sűrűségének fázisa

Minél nagyobb m, annál közelebb van a spektrum alakja a téglalaphoz a spektrum szélességéhez. A fázisfüggés kvadratikus.

Amikor m nagy értékekre hajlamos, a frekvenciamenet alakja téglalap alakú, és a fázis két részből áll:

1). parabolát ad

2). arra törekszik

Nagy m-hez és:

Ekkor a modul értéke:.
Vegyes amplitúdó-frekvencia moduláció

Koszinusz kvadratúra hullámforma spektrális sűrűsége at = 0 lesz

A szinuszos kvadratúra rezgés spektrumának meghatározásakor a fázisszöget -90 ° -ra kell beállítani. Ennélfogva,

Így végül az oszcilláció spektrális sűrűségét a kifejezés határozza meg

A változóra átlépve azt kapjuk

.

A vegyes amplitúdó-frekvencia modulációjú jelspektrum szerkezete az A (t) és q (t) függvények arányától és formájától függ.

Frekvenciamodulációval a páratlan harmonikusok fázisai 180°-kal megváltoznak. A frekvencia és az amplitúdó egyidejű modulálása egyes A (t) és q (t) arányoknál a spektrum szimmetriájának nem csak fázisban, hanem amplitúdójában is megsértéséhez vezet.

Ha q (t) páratlan függvénye t-nek, akkor bármely A (t) esetén a kimenő jel spektruma aszimmetrikus.

Legyen A (t) páros függvény, akkor A c (t) páros, A s (t) páratlan, tisztán valós, szimmetrikus W-re, páros, és tisztán képzeletbeli, aszimmetrikus W-re és páratlan.

A j tényezőt figyelembe véve a kimenő oszcilláció spektruma valós, így a spektrum aszimmetrikus, de w = 0-hoz képest szimmetrikus. Ugyanezt az eredményt kaphatjuk egy páratlan A (t) függvényre is. Ebben az esetben a spektrum tisztán képzeletbeli és páratlan.

A kimeneti spektrum szimmetriájához páros q (t) szükséges, feltéve, hogy A (t) páros vagy páratlan volt t-hez képest. Ha A (t) páros és páratlan függvények összege, akkor a kimeneti spektrum bármilyen feltétel mellett aszimmetrikus.

A csipogás fázisa egyenletes, az amplitúdója pedig egyenletes.

És

A kimeneti spektrum szimmetrikus.

1. 
   A (t) = páros függvény + páratlan függvény, q (t) pedig páros függvény.

Tegyük fel, hogy hol .

A spektrum aszimmetrikusnak bizonyult.
Keskeny sávú jel

Minden olyan jelet jelent, amelyben a jel által elfoglalt frekvenciasáv lényegesen kisebb, mint a vivőfrekvencia:.

Ahol A s (t) az azonos fázisú amplitúdó, B s (t) a kvadratúra amplitúdója.

A keskeny sávú jel komplex amplitúdója .

,

Hol van a forgatás operátor.

A legegyszerűbb habozás formában lehet bemutatni , ahol . Ebben a kifejezésben az A (t) burkológörbe, ellentétben A about-val, az idő függvénye, amely az adott a (t) függvény megőrzésének feltételéből határozható meg.

Ebből a kifejezésből látható, hogy az új A(t) függvény lényegében nem a hagyományos értelemben vett „burkológörbe”, mivel képes metszeni az a(t) görbét (ahelyett, hogy azokat a pontokat érintené, ahol A(t) egy maximális érték). Vagyis nem határoztuk meg helyesen a burkológörbét és a frekvenciát. Létezik egy pillanatnyi frekvencia módszer - a Hilbert-módszer a frekvencia meghatározására.

Ha a jel akkor

A jel teljes fázisa és a pillanatnyi frekvencia

Fizikai boríték .

Tegyük fel, hogy akkor nem w о, hanem w о + Dw referenciafrekvenciát választottunk

, ahol .

Első

A komplex burkológörbe modulusa megegyezik a fizikai burkológörbével, és állandó, független a frekvenciaválasztástól.

Második komplex boríték tulajdonság:

Az s (t) jelmodulus mindig kisebb vagy egyenlő, mint u s (t). Az egyenlőség akkor következik be, ha cos w o t = 1. Ezekben a pillanatokban a jel deriváltja és a burkológörbe deriváltja egyenlő.

A fizikai burkológörbe megegyezik a jel maximális amplitúdójával.

A komplex burkológörbe ismeretében megtalálhatja annak spektrumát, és ezen keresztül magát a jelet is.

,

.

G (w) ismeretében megtaláljuk U s (t).

Szorozza meg (-b-jt)-vel, és kapja meg a valós és a képzeletbeli részt , ... Innentől lesz az amplitúdó .
^ Analitikai jel

Legyen egy s (t) jel definiálva ... Osszuk két részre .

Ebben a kifejezésben –– elemző jel. Ha beír egy változót akkor. Vagyis megkaptuk ... Valóságos jel van , a Hilbert konjugált jel ... Van egy analitikus jel .

, –– közvetlen és inverz Hilbert transzformáció.
A hordozó és a burkolóanyag meghatározása Hilbert módszerrel

Jel amplitúdója , annak fázisa ... Pillanatnyi frekvencia érték .

Példa: . .

–– a boríték pontos meghatározása. A Hilbert-módszer használata lehetővé teszi a burkológörbe és a jel pillanatnyi frekvenciájának egyértelmű és abszolút megbízható értékeinek megadását.

–– Fourier sorozatban bármilyen jel kiterjeszthető.

–– Hilbert konjugált jel.

Ha a jelet nem a Fourier-sor, hanem a Fourier-integrál reprezentálja, akkor a következő összefüggések érvényesek , .
^ Az analitikai jel tulajdonságai

1. 
   A z s (t) analitikai jel szorzata a z s * (t) konjugált jelével egyenlő az eredeti (fizikai) jel burkológörbéjének négyzetével (s (t).

Különben hol.
Hilbert transzformáció keskeny sávú folyamathoz

Legyen, akkor a Hilbert konjugált jel .

Ez alapján azt kapjuk

A Hilbert transzformációk tulajdonságai

–– a Hilbert transzformáció, ahol Н () a transzformációs operátor.

Példa... Az s (t) jel ideális alacsony frekvenciájú jel.

Gyakorisági és időbeli jellemzők

rádió áramkörök

Legyen egy lineáris aktív bipoláris hálózat.

1. Átviteli funkció ... A kimenő jel változását jellemzi a bemeneti jelhez képest. A modult frekvencia átvitelnek vagy egyszerűen frekvencia átvitelnek nevezik. Az argumentum a fázis-frekvencia válasz, vagy egyszerűen fázis.

2. Impulzusválasz –– az áramkör reakciója egyetlen impulzusra. Jellemzi a jel időbeli változását. Az átviteli függvénnyel való kapcsolat inverz és direkt Fourier transzformáción keresztül történik (illetve) ... Vagy a Laplace-transzformáción keresztül .

3. A tranziens függvény a lánc reakciója egyetlen ugrásra. Ez a jel felhalmozódása t idő alatt.
^ Periodikus erősítő

A legegyszerűbb periodikus erősítő egyenértékű áramköre. Az erősítő eszköz SE 1 áramforrás formájában van bemutatva, belső vezetőképességgel G i = 1 / R i. A C kapacitás magában foglalja az aktív elem elektródák közötti kapacitását és az R n terhelőellenállást tolató külső áramkör kapacitását.
Egy ilyen erősítő átviteli funkciója

,

ahol S az aktív elem meredeksége, E 1 a bemeneti feszültség.

Maximális erősítés (at) ... Innen , hol van a késleltetési idő.

Átviteli karakterisztikus modul –– AFC. Vagyis ez az erősítő csak egy bizonyos frekvenciasávban engedi át a jelet. PFC –– .

Az előzőekből látható, hogy a jel különböző átalakításokon megy keresztül a kommunikációs csatornán történő átvitel során. Ezen folyamatok némelyike ​​kötelező a legtöbb rádiótechnikai rendszernél, függetlenül azok céljától, valamint a továbbított üzenetek természetétől. Soroljuk fel ezeket az alapvető folyamatokat, és menet közben jegyezzük meg főbb jellemzőiket egy rádiótechnikai csatorna általánosított sémája kapcsán, amely az ábrán látható. 1.1.

Az eredeti üzenet átalakítása elektromos jellé és kódolás... Beszéd és zene továbbításakor az ilyen átalakítást mikrofon segítségével, képek továbbításakor (televízió) - adócsövek (például szuperortikon) segítségével hajtják végre. Írott üzenet továbbításakor (rádiótelegráfia) először kódolás történik, ami azt jelenti, hogy a szöveg minden betűjét szabványos karakterek kombinációja helyettesíti (például pontok, kötőjelek és szünetek a morze-kódban), amelyeket ezután szabványossá alakítanak át. elektromos jelek (például különböző időtartamú vagy eltérő polaritású impulzusok).

Megjegyzendő, hogy az ábra szerinti áramkör. Az 1.1 annak az esetnek felel meg, amikor az információt a kommunikációs csatorna "elején", azaz közvetlenül az adón adják meg. Némileg más a helyzet például egy radarcsatornában, ahol a rádióhullámnak a szabad térben lévő célpontról való visszaverődése eredményeként kerülnek be a célpontra vonatkozó információk (hatótávolság, magasság, sebesség stb.).

Magas frekvenciájú rezgések generálása... A nagyfrekvenciás generátor a vivőfrekvenciás rezgések forrása. A rádiókommunikációs csatorna céljától függően az oszcillációs teljesítmény ezred watttól több millió wattig változik. Természetesen ezeknek a generátoroknak a tervezési formái és méretei eltérőek - a legegyszerűbb kis méretű elemtől a grandiózus műszaki szerkezetig.

A nagyfrekvenciás generátorok fő jellemzői a frekvencia és a tartomány (az egyik működési frekvenciáról a másikra való gyors váltás képessége), a teljesítmény és a hatékonyság. Különösen fontos a rezgési frekvencia stabilitása. A rádiótechnika ebből a szempontból kivételes helyzetben van. A rádióhullámok terjedési feltételei és a jelfrekvenciák széles spektruma nagyon magas vivőfrekvenciák alkalmazását diktálják. A jelfeldolgozás körülményei az interferencia hátterében és a különböző rádiócsatornák közötti kölcsönös interferencia mérséklésének szükségessége szükségessé teszi az abszolút frekvenciaváltozások lehető legnagyobb csökkentését. Ez rendkívül szigorú követelményekhez vezet a relatív frekvenciastabilitás tekintetében.

Oszcilláció szabályozás (moduláció)... A modulációs folyamat a nagyfrekvenciás rezgés egy vagy több paraméterének megváltoztatásából áll, a továbbított üzenet törvényének megfelelően. A moduláló jel frekvenciái általában kicsik a generátor vivőfrekvenciájához képest.A moduláció megvalósítására különféle technikákat alkalmaznak, amelyek általában a rádió áramkörébe tartozó elektronikus eszközök elektródáinak potenciáljának megváltoztatásán alapulnak. adó eszköz. A modulációs folyamat fő jellemzője a nagyfrekvenciás oszcillációs paraméter változása és a moduláló jel közötti megfelelés mértéke.

Gyenge jelek erősítése a vevőnél... A vevőantenna az adóantenna által kibocsátott energia elhanyagolható hányadát veszi fel, az adó- és vevőállomás távolságától, az antennasugárzás irányítottságának mértékétől és a rádióhullámok terjedésének körülményeitől függően a vevő bemeneti teljesítménye az 10 -10 ... 10 -14 W. A vevő kimenetén a megbízható jelregisztrációhoz milliwatt, watt vagy több nagyságrendű teljesítmény szükséges. Ebből látható, hogy a vevőben az erősítés teljesítményben 10 7 ... 10 14-et, feszültségben pedig 10 4 ... 10 7-et érjen el.

A modern vevőkészülékekben egy mikrovolt nagyságrendű bemeneti feszültségeknél megbízható jelregisztráció biztosított. Ennek az összetett problémának a megoldását a modern elektronika vívmányai teszik lehetővé. Fontos szerepet játszanak a vevőáramkörök felépítésének speciális módszerei is, amelyek nagy nyereséget biztosítanak, miközben megőrzik a vevő stabilitását. Ezek a módszerek magukban foglalják az oszcillációs frekvencia átalakítását (csökkentését) a vevőútban, oly módon, hogy az átvitt jel szerkezete megmarad (az 1.1. ábra diagramján a frekvenciaátalakítási folyamat nincs feltüntetve). A frekvenciaátalakítási eljárást a vevőkészülékeken kívül széles körben alkalmazzák a különböző rádiótechnikai és rádiómérő eszközökben.

A vevő erősítésének problémája elválaszthatatlan a jel és a háttérzaj elválasztásának problémájától. Ezért a vevő egyik fő paramétere a szelektivitás, ami azt jelenti, hogy a hasznos jeleket a jel összességétől és a jeltől frekvenciában eltérő külső hatásoktól (interferenciáktól) el lehet különíteni. A frekvenciaszelektivitást rezonáns oszcillációs áramkörök segítségével hajtják végre.

Az üzenet elválasztása a nagyfrekvenciás hullámformától (észlelés és dekódolás)... Az észlelés a moduláció fordított folyamata. Az észlelés eredményeként olyan feszültséget (áramot) kell kapni, amely az időben ugyanúgy változik, mint a modulált rezgés egyik paramétere (amplitúdója, frekvenciája vagy fázisa). Más szóval, a továbbított üzenetet vissza kell állítani. Az érzékelő általában a vevő kimenetén van bekapcsolva, ezért modulált rezgést alkalmaznak rá, amelyet a vevő előző lépései már felerősítenek. A detektorral szemben támasztott fő követelmény a hullámforma pontos reprodukálása.

Az észlelés után a jel dekódolásra kerül, vagyis a folyamat a kódolás fordítottja. Számos rádiótechnikai csatornán nem alkalmaznak kódolást és dekódolást.

A felsorolt ​​eljárásokon kívül a rádiótechnikai eszközökben széles körben alkalmazzák a frekvenciaspektrumok átalakításával vagy a rezgések frekvenciatranszformáció nélküli, különböző erősítőkben végzett erősítésével kapcsolatos így vagy úgy. Ezek az erősítők a következőket tartalmazzák:

Az adómodulátor előtt, valamint a vevő kimenetén használt vezérlőjelek alacsony frekvenciájú erősítői;

Televízió- és radartechnikában, valamint impulzusos rádiókommunikációs rendszerekben használt rövidimpulzus-erősítők;

Rádióadó eszközökben használt nagyfrekvenciás nagyteljesítményű erősítők;

Gyenge jelek nagyfrekvenciás erősítői rádióvevő- és mérőkészülékekben.

Az említett eljárásokon kívül, amelyek, mint már említettük, minden rádiótechnikai vonalban benne vannak, számos speciális esetben számos más eljárást is széles körben alkalmaznak: frekvenciaszorzás és -osztás, rövid impulzusok generálása, különféle impulzusmodulációk, stb.

1. fejezet A rádiótechnikai jelek általános elméletének elemei

A "jel" kifejezés gyakran nemcsak tudományos és műszaki kérdésekben, hanem a mindennapi életben is megtalálható. Néha anélkül, hogy a terminológia súlyosságára gondolnánk, olyan fogalmakat azonosítunk, mint a jel, üzenet, információ. Ez általában nem vezet félreértésekhez, mivel a "jel" szó a latin "signum" - "jel" kifejezésből származik, amelynek széles szemantikai tartománya van.

Mindazonáltal az elméleti rádiótechnika szisztematikus tanulmányozásának megkezdésekor, ha lehetséges, tisztázni kell a „jel” fogalmának jelentését. Az elfogadott hagyomány szerint jelnek nevezzük az objektum fizikai állapotának időbeni megváltoztatásának folyamatát, amely üzenetek megjelenítésére, regisztrálására és továbbítására szolgál. Az emberi tevékenység gyakorlatában az üzenetek elválaszthatatlanul kapcsolódnak a bennük lévő információkhoz.

Az "üzenet" és az "információ" fogalmain alapuló kérdések köre igen széles. Mérnökök, matematikusok, nyelvészek, filozófusok figyelmének tárgya. A 40-es években K. Shannon befejezte a mély tudományos irány - az információelmélet - kidolgozásának kezdeti szakaszát.

Azt kell mondani, hogy az itt említett problémák általában messze túlmutatnak a „Rádióáramkörök és jelek” kurzus keretein. Ezért ez a könyv nem írja le a kapcsolatot, amely a jel fizikai megjelenése és a benne foglalt üzenet jelentése között fennáll. Sőt, az üzenetben és végső soron a jelben foglalt információ értékének kérdését sem tárgyaljuk.

1.1. A rádiótechnikai jelek osztályozása

Bármilyen új objektum vagy jelenség tanulmányozásának megkezdésekor a tudomány mindig törekszik azok előzetes osztályozására. Az alábbiakban a jelekkel kapcsolatban teszünk ilyen kísérletet.

A fő cél az osztályozási kritériumok kidolgozása, valamint – ami a későbbiek szempontjából nagyon fontos – egy bizonyos terminológia kialakítása.

Jelek leírása matematikai modellekkel.

A jelek mint fizikai folyamatok különféle műszerek és eszközök – elektronikus oszcilloszkópok, voltmérők, vevők – segítségével tanulmányozhatók. Ennek az empirikus módszernek van egy jelentős hátránya. A kísérletező által megfigyelt jelenségek mindig sajátos, elszigetelt megnyilvánulásokként jelennek meg, nélkülözve azt az általánosítás mértékét, amely lehetővé tenné alapvető tulajdonságaik megítélését, az eredmények előrejelzését megváltozott körülmények között.

Ahhoz, hogy a jeleket az elméleti tanulmányozás és számítások tárgyává tegyük, meg kell jelölni a matematikai leírásuk módszerét, vagy a modern tudomány nyelvén meg kell alkotni a vizsgált jel matematikai modelljét.

Egy jel matematikai modellje lehet például egy funkcionális függés, melynek argumentuma az idő. Általában a jövőben a jelek ilyen matematikai modelljeit a latin ábécé s (t), u (t), f (t) stb. szimbólumai fogják jelölni.

A modell (jelen esetben egy fizikai jel) létrehozása az első lényeges lépés egy jelenség tulajdonságainak szisztematikus vizsgálata felé. Először is, a matematikai modell lehetővé teszi, hogy elvonatkoztassunk a jelhordozó sajátos természetétől. A rádiótechnikában ugyanaz a matematikai modell írja le azonos sikerrel az áramot, a feszültséget, az elektromágneses térerősséget stb.

A matematikai modell koncepcióján alapuló absztrakt módszer lényegi oldala abban rejlik, hogy lehetőséget kapunk a jelek azon tulajdonságainak pontos leírására, amelyek objektíve döntően fontosnak tűnnek. Ugyanakkor sok másodlagos jelet figyelmen kívül hagynak. Például az esetek túlnyomó többségében rendkívül nehéz pontosan kiválasztani azokat a funkcionális függéseket, amelyek megfelelnének a kísérletileg megfigyelt elektromos rezgéseknek. Ezért a kutató a rendelkezésére álló információk teljes halmazától vezérelve kiválasztja a rendelkezésre álló jelek matematikai modelljeinek arzenáljából azokat, amelyek egy adott helyzetben a legjobban és legegyszerűbben írják le a fizikai folyamatot. Tehát a modell kiválasztása nagyjából kreatív folyamat.

A jeleket leíró függvények valós és összetett értékeket is felvehetnek. Ezért a következőkben gyakran fogunk beszélni valós és összetett jelekről. Ennek vagy annak az elvnek az alkalmazása matematikai kényelem kérdése.

A jelek matematikai modelljeinek ismeretében össze lehet hasonlítani ezeket a jeleket egymással, megállapítani azonosságukat és különbségüket, valamint osztályozást végezni.

Egydimenziós és többdimenziós jelek.

A rádiótechnika tipikus jele az áramkör kivezetésein lévő feszültség vagy az elágazás árama.

Az ilyen jelet, amelyet az idő egy függvénye ír le, általában egydimenziósnak nevezik. Ebben a könyvben leggyakrabban egydimenziós jeleket tanulmányozunk. Néha azonban célszerű többdimenziós vagy vektoros alakjeleket figyelembe venni

egydimenziós jelek valamilyen halmaza alkotja. Az N egész számot egy ilyen jel dimenziójának nevezzük (a terminológiát a lineáris algebrából kölcsönöztük).

A többdimenziós jel például egy többpólus kivezetésein lévő feszültségrendszer.

Vegye figyelembe, hogy a többdimenziós jel egydimenziós jelek rendezett gyűjteménye. Ezért általános esetben a különböző komponenssorrendű jelek nem egyenlőek egymással:

A többváltozós jelmodellek különösen hasznosak olyan esetekben, amikor összetett rendszerek működését számítógéppel elemezzük.

Determinisztikus és véletlen jelek.

A rádiótechnikai jelek osztályozásának másik elve a pillanatnyi értékük pontos előrejelzésének lehetőségén vagy lehetetlenségén alapul.

Ha a jel matematikai modellje megenged egy ilyen előrejelzést, akkor a jelet determinisztikusnak nevezzük. A hozzárendelés módszerei változatosak lehetnek - egy matematikai képlet, egy számítási algoritmus és végül egy szóbeli leírás.

Szigorúan véve determinisztikus jelek, valamint az ezeknek megfelelő determinisztikus folyamatok nem léteznek. A rendszer elkerülhetetlen kölcsönhatása a környező fizikai objektumokkal, a kaotikus hőingadozás jelenléte és egyszerűen hiányos ismeretek a rendszer kezdeti állapotáról - mindez arra késztet bennünket, hogy a valós jeleket az idő véletlenszerű függvényeinek tekintsük.

A rádiótechnikában a véletlenszerű jelek gyakran interferenciaként jelentkeznek, megakadályozva az információ kinyerését a vett hullámformából. Az interferencia elleni küzdelem, a rádióvétel zajállóságának növelése a rádiótechnika egyik központi problémája.

Úgy tűnhet, hogy a "véletlenszerű jel" fogalma ellentmondásos. Azonban nem. Például a rádióteleszkóp-vevő kimenetén a kozmikus sugárzás forrására irányított jel kaotikus oszcilláció, amely azonban sokféle információt hordoz egy természeti objektumról.

A determinisztikus és a véletlen jelek között nincs áthághatatlan határ.

Nagyon gyakran olyan körülmények között, ahol az interferencia szintje sokkal kisebb, mint egy ismert alakú hasznos jel szintje, egy egyszerűbb determinisztikus modell eléggé megfelelőnek bizonyul az adott feladathoz.

A véletlenszerű jelek tulajdonságainak elemzésére az elmúlt évtizedekben kifejlesztett statisztikai rádiótechnika módszerei számos sajátos tulajdonsággal rendelkeznek, és a valószínűségelmélet és a véletlenszerű folyamatok elméletének matematikai apparátusán alapulnak. A könyv számos fejezete teljes egészében ennek a kérdéskörnek lesz szentelve.

Impulzusjelek.

A rádiótechnika számára a jelek egy nagyon fontos osztálya az impulzusok, vagyis olyan rezgések, amelyek csak véges időn belül léteznek. Ebben az esetben megkülönböztetünk videoimpulzusokat (1.1. ábra, a) és rádióimpulzusokat (1.1. ábra, b). A két fő impulzustípus közötti különbség a következő. Ha - videoimpulzus, akkor a megfelelő rádióimpulzus (a frekvencia és a kezdeti érték tetszőleges). Ebben az esetben a függvényt a rádióimpulzus burkológörbéjének, a függvényt pedig kitöltésének nevezzük.

Rizs. 1.1. Impulzusjelek és jellemzőik: a - videoimpulzus, b - rádióimpulzus; c - az impulzus numerikus paramétereinek meghatározása

A műszaki számításokban a teljes matematikai modell helyett, amely figyelembe veszi az impulzus "finom szerkezetének" részleteit, gyakran olyan numerikus paramétereket használnak, amelyek egyszerűsített képet adnak az impulzus alakjáról. Tehát egy trapézhoz közeli videóimpulzus (1.1. ábra, c) esetén az amplitúdóját (magasságát) szokás meghatározni A. Az időparaméterek az impulzus időtartamát, a front időtartamát és a levágási időtartamot jelzik.

A rádiótechnikában feszültségimpulzusokkal foglalkoznak, amelyek amplitúdója a mikrovolt töredékétől a több kilovoltig terjed, időtartama pedig eléri a nanoszekundum töredékeit.

Analóg, diszkrét és digitális jelek.

A rádiótechnikai jelek osztályozási elveinek rövid áttekintéseként a következőket jegyezzük meg. Gyakran a jelet generáló fizikai folyamat időben úgy fejlődik, hogy a jelértékek mérhetők. az idő bármely pillanatában. Az ebbe az osztályba tartozó jeleket általában analógnak (folyamatosnak) nevezik.

Az „analóg jel” kifejezés azt hangsúlyozza, hogy az ilyen jel „analóg”, teljesen hasonló az azt generáló fizikai folyamathoz.

Az egydimenziós analóg jelet a grafikonja (oszcillogramja) egyértelműen ábrázolja, amely lehet folyamatos vagy töréspontos.

Kezdetben kizárólag analóg típusú jeleket használtak a rádiótechnikában. Az ilyen jelek viszonylag egyszerű műszaki problémák (rádiókommunikáció, televízió stb.) sikeres megoldását tették lehetővé. Az analóg jeleket könnyű volt előállítani, fogadni és feldolgozni az akkori eszközökkel.

A rádiótechnikai rendszerekkel szembeni megnövekedett követelmények, az alkalmazások sokrétűsége új építési elvek keresését kényszerítette. Egyes esetekben az analóg rendszereket impulzusrendszerekre cserélték, amelyek működése diszkrét jelek használatán alapul. A diszkrét jel legegyszerűbb matematikai modellje egy megszámlálható ponthalmaz - egy egész szám) az időtengelyen, amelyek mindegyikénél meghatározzák a jel referenciaértékét. Általában minden jel mintavételi gyakorisága állandó.

A diszkrét jelek egyik előnye az analóg jelekkel szemben, hogy nincs szükség a jel folyamatos reprodukálására. Ennek köszönhetően lehetővé válik a különböző forrásokból származó üzenetek továbbítása ugyanazon a rádiókapcsolaton keresztül, többcsatornás kommunikáció megszervezésével a csatornák időosztásával.

Intuitív módon a gyorsan változó analóg jelekhez kis lépésekre van szükség a mintavételhez. ch. 5 ezt az alapvetően fontos kérdést részletesen megvizsgáljuk.

A diszkrét jelek egy speciális fajtája a digitális jel. Jellemzőjük, hogy a leolvasási értékek számok formájában jelennek meg. A megvalósítás és a feldolgozás technikai kényelme érdekében általában korlátozott és általában nem túl nagy számjegyű bináris számokat használnak. A közelmúltban a digitális jelekkel rendelkező rendszerek széles körű elterjedése irányába mutat. Ez a mikroelektronika és az integrált áramkörök által elért jelentős fejlődésnek köszönhető.

Nem szabad megfeledkezni arról, hogy lényegében minden diszkrét vagy digitális jel (jelről beszélünk - fizikai folyamatról, nem matematikai modellről) analóg jel. Tehát egy lassan változó analóg jel összehasonlítható a diszkrét képével, amely azonos időtartamú téglalap alakú videoimpulzusok sorozata (1.2. ábra, a); az ethnh impulzusok magassága arányos a referenciapontok értékeivel. Azonban másképpen is cselekedhet, az impulzusok magasságát állandóan tartva, de időtartamukat az aktuális leolvasási értékeknek megfelelően megváltoztatva (1.2. ábra, b).

Rizs. 1.2. Az analóg jel diszkretizálása: a - változó amplitúdójú; b - a számláló impulzusok változó időtartamával

Az itt bemutatott két analóg jel mintavételi módszer akkor válik egyenértékűvé, ha feltételezzük, hogy a mintavételi pontokon az analóg jelek értékei arányosak az egyes videoimpulzusok területével.

A mintaértékek számok formájában történő rögzítése az utóbbi videoimpulzus-sorozat formájában történő megjelenítésével is történik. A kettes számrendszer ideális erre az eljárásra. Például a magas szintet egyhez, az alacsony potenciálszintet pedig a nullához társíthatja, f A diszkrét jeleket és tulajdonságaikat részletesen a Ch. 15.

A fő rádiótechnikai folyamatok az üzeneteket tartalmazó és hordozó jelek átalakításának folyamatai. Az alapfolyamatok megközelítőleg azonosak (hasonlóak) minden rádióelektronikai rendszerben, függetlenül attól, hogy ezek a rendszerek milyen osztályba és milyen technológiai generációba tartoznak, függetlenül a rendszerek felépítésétől és céljától.

13. Nagyfrekvenciás rádiójelek kisugárzása és rádióhullámok terjedése

13.1. Rádiójelek és elektromágneses hullámok

Az elektromágneses indukció törvényének megfelelően egy változó mágneses mezőt körülvevő áramkörben EMF keletkezik, amely áramot gerjeszt ebben az áramkörben. Az útmutató itt nem játszik alapvető szerepet. Csak az indukált áram érzékelését teszi lehetővé. Az indukció jelenségének igazi lényege, ahogyan azt J. K. Maxwell megállapította, hogy abban a térben, ahol a mágneses tér megváltozik, egy időben változó elektromos tér keletkezik. Ezt az időben változó elektromos teret Maxwell az elektromos elmozdulás áramának nevezte.

Az álló töltések mezőjétől eltérően az időben változó elektromos tér erővonalai (elektromos elmozdulási áram) ugyanúgy zárhatók, mint a mágneses tér erővonalai. Ezért szoros kapcsolat és kölcsönhatás van az elektromos és a mágneses mezők között. A következő törvények határozzák meg.

1. Az időben változó elektromos tér a tér bármely pontjában változó mágneses teret hoz létre. A mágneses tér erővonalai lefedik az azt létrehozó elektromos tér erővonalait, ábra. 13.1, a). A tér minden pontjában az elektromos térerősség vektora Eés a mágneses térerősség vektora N merőlegesek egymásra.

2. Az időben változó mágneses tér a tér bármely pontjában változó elektromos teret hoz létre. Az elektromos tér erővonalai a 3.1. ábrán látható váltakozó mágneses tér erővonalait fedik le. b). A vizsgált tér minden pontjában a mágneses térerősség vektora Nés az elektromos térerősség vektora E egymásra merőleges.

3. A váltakozó elektromos tér és a vele elválaszthatatlanul kapcsolódó váltakozó mágneses tér elektromágneses teret alkot.

Rizs. 13.1. Első a) és a második b) az elektromágneses tér törvényei (Maxwell törvényei)

Az elektromágneses energia hullám által a térben történő átvitelét a vektor jellemzi NS egyenlő az elektromos és mágneses mező erősségének vektorszorzatával:

.

vektor iránya NS egybeesik a hullámterjedés irányával, és a modulus számszerűen egyenlő azzal az energiamennyiséggel, amelyet a hullám egységnyi idő alatt átad a hullámterjedés irányára merőlegesen elhelyezkedő egységnyi területen. A bármiféle energiaáramlás fogalmát először N.A. Umov 1874-ben. A vektor képlete NS Az elektromágneses tér egyenletei alapján Poynting 1884-ben kapta meg. Ezért a vektort NS, amelynek modulusa megegyezik a hullámteljesítmény fluxussűrűségével, Umov-Poynting vektornak nevezzük.

Az elektromágneses tér legfontosabb jellemzője, hogy a keletkezés helyétől kezdve minden irányban mozog a térben. A mező akkor is létezhet, ha az elektromágneses zavar forrása megszűnt. Változó elektromos és mágneses mezők, a térben pontról pontra haladva vákuumban fénysebességgel (310 8 m/s) terjednek.

A periodikusan változó elektromágneses tér terjedésének folyamata hullámfolyamat. A kisugárzott tér elektromágneses hullámai, útjuk során vezetőkkel találkozva, az indukált EMF-et létrehozó elektromágneses tér frekvenciájával azonos frekvenciájú EMF-et gerjesztenek bennük. Az elektromágneses hullámok által szállított energia egy része a vezetőkben fellépő áramokba kerül.

Hullámhossznak nevezzük azt a távolságot, amelyet a hullámfront az elektromágneses rezgés egy periódusával megegyező idő alatt megtesz.

.

A rádióhullámok, a hő- és ultraibolya sugárzás, a fény, a röntgen és a -sugárzás mind elektromágneses jellegű, de eltérő hosszúságú hullámok. És mindezeket a hullámokat különböző elektronikus rendszerek használják fel. Az elektromágneses hullámok skálája frekvencia szerint rendezve f, hullámhossz, és a tartomány neve az ábrán látható. 4.2.

Az elektromágneses tér terjedési körülményeinek ismerete nagyon fontos a rádióelektronikai rendszerek hatótávolságának és lefedettségének meghatározásához, olyan veszélyes távolságok meghatározásához, amelyeknél az elfogott jelekben található információkhoz műszaki felderítési eszközökkel illetéktelen hozzáférés lehetséges. Lehetőség szerint figyelik azt a területet, amelyen belül az elfogás veszélye áll fenn, hogy kizárják a technikai felderítő berendezések jelenlétét. Egyéb esetekben a felderítési elektromágneses terek számára tájékoztató jelek által hordozott információk védelme érdekében egyéb intézkedések megtétele szükséges.

Az elektromágneses terek terjedésének feltételei jelentősen függnek a frekvenciától (hullámhossztól). A rádióhullámok terjedése jelentősen eltér az infravörös sugárzás, a látható fény és a súlyosabb sugárzás terjedésétől.

A rádióhullámok terjedési sebessége a szabad térben vákuumban megegyezik a fény sebességével. A rádióhullám által szállított teljes energia állandó marad, és az energiaáram-sűrűség a forrástól való r távolság növekedésével fordított arányban csökken r 2. A rádióhullámok terjedése más közegekben olyan fázissebességgel történik, amely eltér a val velés az elektromágneses energia elnyelésével jár együtt. Mindkét hatás a pórusközeg elektronjainak és ionjainak rezgésének gerjesztésével magyarázható a hullám elektromos mezőjének hatására. Ha a térerősség | E | egy harmonikus hullám kicsi a közegben lévő töltésekre ható térerősséghez képest (például egy elektronon egy atomban), akkor az oszcillációk is fellépnek egy harmonikus törvény szerint a bejövő hullám frekvenciájával. . Az oszcilláló elektronok azonos frekvenciájú, de eltérő amplitúdójú és fázisú másodlagos rádióhullámokat bocsátanak ki. A bejövő másodlagos hullámok összeadása eredményeként új amplitúdójú és fázisú eredő hullám jön létre. Az elsődleges és az újrakibocsátott hullámok közötti fáziseltolódás a fázissebesség változásához vezet. A hullámok atomokkal való kölcsönhatása során fellépő energiaveszteség a rádióhullámok elnyelésének oka.

A hullám elektromos (és természetesen mágneses) mezejének amplitúdója a törvény szerint a távolsággal csökken

,

és a hullám fázisa úgy változik

ahol  – felszívódási sebesség, és n- törésmutató, a dielektrikumtól függően áteresztőképesség közeg, vezetőképessége o és hullámfrekvenciája:

,

A közeg dielektrikumként viselkedik , ha
karmesterként pedig ha
... Az első esetben
, a felszívódás kicsi, a második
.

Olyan közegben, ahol  és frekvenciától függ, hullámdiszperzió figyelhető meg . A frekvenciafüggés típusát és a közeg szerkezete határozza meg. A rádióhullámok szórása különösen jelentős azokban az esetekben, amikor a hullámfrekvencia közel van a közeg jellemző természetes frekvenciáihoz, például amikor a rádióhullámok az ionoszférikus és a kozmikus plazmában terjednek.

Amikor a rádióhullámok szabad elektronokat nem tartalmazó közegben terjednek (a troposzférában, a Föld belsejében), akkor a közeg atomjaiban és molekuláiban a megkötött elektronok a hullámtérrel ellentétes irányban elmozdulnak. E, ahol n> 1, és a fázissebesség v f<val vel(az energiát hordozó rádiójel csoportsebességgel terjed v gr<val vel). A plazmában a hullámtér a szabad elektronok elmozdulását okozza az irányba E, ahol n<1 иv f<val vel.

Homogén közegben a rádióhullámok egyenes vonalban terjednek, mint a fénysugarak. A rádióhullámok terjedése ebben az esetben a geometriai optika törvényeinek engedelmeskedik. Tekintettel a Föld gömbszerűségére, a látótávolság egyszerű geometriai konstrukciók alapján az arány alapján becsülhető meg.

,

ahol h prd és h prm - az adó- és vevőantennák elhelyezkedésének magassága méterben; R - látótávolság kilométerben.

A valós környezet azonban nem homogének. Bennük nés ennek következtében v A φ a közeg különböző részein eltérő, ami a rádióhullám pályájának görbületéhez vezet. Megtörténik a rádióhullámok fénytörése (törése). Figyelembe véve a rádióhullámok normál fénytörését, a maximális tartományt pontosabban határozzák meg, mint az arány

Ha NS egy koordinátától, például magasságtól függ h(lapos rétegű közeg), majd amikor egy hullám áthalad minden lapos rétegen, egy sugár inhomogén közegbe esik n A 0 = 1 a térben 0 szögben úgy görbül, hogy a közeg tetszőleges pontjában h az arány figyelhető meg:

.

Ha NS növekedésével csökken h, majd a fénytörés hatására a nyaláb terjedése során eltér a függőlegestől és egy bizonyos magasságban h m párhuzamos lesz a vízszintes síkkal, majd lefelé nyúlik. Maximális magasság h m, amelyen a sugár be tud hatolni egy inhomogén lapos rétegű közegbe, a 0 beesési szögtől függ. Ez a szög a következő feltételből határozható meg:

A területre h>h Az m-sugarak nem hatolnak át, és a geometriai optikai közelítés szerint a hullámtérnek ebben a tartományban 0-nak kell lennie. Valójában a sík közelében h=h m a hullámtér növekszik, és at h> h m exponenciálisan csökken. A geometriai optika törvényeinek megsértése a rádióhullámok terjedése során hullámdiffrakcióval jár, amelynek következtében a rádióhullámok behatolhatnak a geometriai árnyék tartományába. Az o6 geometriai árnyéktartomány határán hullámterek komplex eloszlása ​​alakul ki. A rádióhullámok diffrakciója akkor következik be, ha akadályok vannak az útjukban (átlátszatlan vagy áttetsző testek). A diffrakció különösen akkor jelentős, ha az akadályok mérete összemérhető a hullámhosszal.

Ha a rádióhullámok terjedése éles határ ( skálán) közelében történik két eltérő elektromos tulajdonságú közeg között (például a légkör, a Föld felszíne vagy a troposzféra - az ionoszféra alsó határa kellően hosszú hullámok esetén) , majd amikor rádióhullámok esnek az éles határra, visszavert és megtört (átvitt) rádióhullámok.

Inhomogén közegben lehetséges a rádióhullámok hullámvezető terjedése, amelyben az energiaáram bizonyos felületek között lokalizálódik, ami miatt a köztük lévő hullámterek a távolsággal lassabban csökkennek, mint egy homogén közegben. Így jönnek létre a légköri hullámvezetők .

Egy véletlenszerű lokális inhomogenitást tartalmazó közegben a másodlagos hullámok véletlenszerűen sugároznak ki különböző irányokba. A szórt hullámok részben elviszik az eredeti hullám energiáját, ami annak csillapításához vezet. A méret inhomogenitása miatti szóráshoz l<<рассеянные волны распространяются почти изотропно. В случае рассеяния на крупномасштабных прозрачных неоднородностях рассеянные волны распространяются правлениях, близких к направлению исходной волны. Приl erős rezonancia szórás lép fel.

A Föld felszínének hatása a rádióhullámok terjedésére az adó és a vevő hozzá képesti elhelyezkedésétől függ. A rádióterjedés egy nagy térterületet lefedő folyamat, de a rádióhullámok terjedésében a legjelentősebb szerepet az a terület játssza, amelyet egy felület határol szóródó ellipszoid formájában, amelynek fókuszpontjainál a távolság r az adó és a vevő található.

Ha a magasságok h 1 és h 2, amelyek a Föld felszíne feletti adó- és vevőantennákat összegzik, a hullámhosszhoz képest nagyok, akkor nem befolyásolják a rádióhullámok terjedését . Ha a rádióút mindkét végpontját vagy az egyik végpontját leengedjük, a Föld felszínéről közel tükörképes visszaverődést észlelünk. Ebben az esetben a rádióhullámot a vételi ponton a közvetlen és a visszavert hullámok interferenciája határozza meg . Az interferencia maximumai és minimumai határozzák meg a vételi területen lévő mező lebeny szerkezetét. Ez a minta különösen jellemző a méteres és rövidebb rádióhullámokra. A rádiókommunikáció minőségét ebben az esetben a talaj vezetőképessége határozza meg. A földkéreg felszíni rétegét alkotó talajok, valamint a tengerek és óceánok vizei elektromos vezetőképességgel rendelkeznek. De azóta NSés frekvenciától függ, akkor centiméteres hullámok esetén a földfelszín minden típusa dielektrikum tulajdonságokkal rendelkezik. A méteres és hosszabb hullámok esetében a Föld vezető, amelybe a hullámok mélységig behatolnak
( 0 a hullámhossz vákuumban). Ezért a föld alatti és víz alatti rádiókommunikációhoz főleg hosszú és szuperhosszú hullámokat használnak.

A földfelszín kidudorodása korlátozza azt a távolságot, amelyen az adó látható a vételi ponttól (látóvonaltól). A rádióhullámok azonban nagyobb távolságra is áthatolhatnak az árnyékterületen.
(R h - a Föld sugara), elhajlás a Föld körül, diffrakció eredményeként. A gyakorlatban a diffrakció miatt csak kilométeres és hosszabb hullámok tudnak behatolni ebbe a tartományba. A horizont felett a mező növekvő magassággal nő h 1, amelyen az emitter megemelkedik, és gyorsan (majdnem exponenciálisan) csökken a távolsággal.

A földfelszín domborzatának befolyása a rádióhullámok terjedésére az egyenetlenségek magasságától függ h, vízszintes hosszuk l, a hullám hullámhossza és beesési szöge a felszínen. Ha a szabálytalanságok elég kicsik és elég sekélyek ahhoz kh cos<1(
– hullámszám), és a Rayleigh-kritérium teljesül: k 2 l 2 cos<1, то они слабо влияют на распространение радиоволн. Влияние неровностей зависит, также от поляризации волн. Например, для горизонтально поляризованных волн оно меньше, чем для волн, поляризованных вертикально. Когда не ровности не малы и не пологи, энергия радиоволны может рассеиваться (радиоволна отражается от них). Высокие горы и холмы сh> árnyékolt területeket képez. A rádióhullámok diffrakciója a hegyláncokon időnként hullámerősödéshez vezet a közvetlen és visszavert hullámok interferenciája miatt: a hegycsúcs természetes ismétlőként szolgál.

A földfelszín mentén terjedő rádióhullámok (földhullámok) fázissebessége az emitter közelében annak elektromos tulajdonságaitól függ. Az emittertől azonban több  távolságra v f  c. Ha a rádióhullámok elektromosan inhomogén felületen terjednek, például először a szárazföldön, majd a tengeren, akkor a partvonal áthaladásakor a rádióhullámok terjedésének amplitúdója és iránya drámaian megváltozik (partmenti fénytörés figyelhető meg).

A rádióhullámok terjedése a troposzférában. Troposzféra - az a terület, ahol a levegő hőmérséklete általában csökken a magassággal h. A tropopauza magassága a földgömb felett nem azonos: az Egyenlítő felett nagyobb, mint a sarkok felett, a középső szélességeken pedig, ahol erős nyugati szelek rendszere van, hirtelen megváltozik. A troposzféra gázok és vízgőz keverékéből áll; vezetőképessége néhány centiméternél nagyobb  rádióhullámok esetén elhanyagolható. A troposzféra vákuumhoz közeli tulajdonságokkal rendelkezik, mivel a törésmutató a Föld felszínéhez közel
és a fázissebesség csak valamivel kisebb val vel... A magasság növekedésével a levegő sűrűsége csökken, ezért NS csökken, még közelebb kerül az egységhez. Ez a rádiósugarak Föld felé tartó pályájának eltéréséhez vezet. Ez a normál troposzférikus fénytörés hozzájárul a rádióhullámok látóvonalon túli terjedéséhez, mivel a fénytörés következtében a hullámok a Föld kidudorodása köré hajlanak. A gyakorlatban ez a hatás csak VHF-nél játszhat szerepet. Hosszabb hullámhossz esetén a Föld kidudorodásának a diffrakció miatti meghajlása dominál.

A meteorológiai viszonyok a normálhoz képest gyengíthetik vagy növelhetik a fénytörést, mivel a levegő sűrűsége függ a nyomástól, a hőmérséklettől és a páratartalomtól. Általában a troposzférában a gáznyomás és a hőmérséklet a magassággal csökken, a vízgőz nyomása pedig nő. Bizonyos meteorológiai körülmények között (például amikor a levegő felmelegszik a tenger felett) a levegő hőmérséklete a magassággal nő (hőmérséklet inverzió). Az eltérések különösen nagyok nyáron, 2 ... 3 km-es magasságban. Ilyen körülmények között gyakran hőmérsékleti inverziók, felhőrétegek képződnek, és a troposzférában a rádióhullámok fénytörése olyan erőssé válhat, hogy a horizonthoz képest kis szögben egy bizonyos magasságban felszabaduló rádióhullám irányt változtat és visszatér a troposzférába. Föld. Az alulról a földfelszín, felülről a troposzféra megtörő rétegével határolt térben a hullám nagyon nagy távolságokra terjedhet (hullámvezető terjedés). A troposzférikus hullámvezetőkben általában -vel hullámoznak<1 м.

A rádióhullámok elnyelése a troposzférában elhanyagolható minden rádióhullám esetében a centiméteres tartományig. A centiméteres és rövidebb hullámok elnyelése meredeken növekszik, ha a rezgési frekvencia egybeesik a levegőmolekulák egyik természetes rezgési frekvenciájával (rezonancia-abszorpció). A molekulák energiát kapnak a beérkező hullámból, amely hővé alakul, és csak részben kerül át a másodlagos hullámokba. A troposzférában a rezonáns abszorpció számos vonala ismert: = 1,35 cm, 1,5 cm, 0,75 cm (abszorpció vízgőzben) és = 0,5 cm, 0,25 cm (oxigénben való elnyelés). A gyengébb abszorpciós tartományok (átlátszósági ablakok) a rezonanciavonalak között helyezkednek el.

A rádióhullámok csillapítását a légtömegek turbulens mozgásából adódó inhomogenitásokon való szóródás is okozhatja. . A szórás erősen megnövekszik, ha a levegőben csepegési szabálytalanságok vannak eső, hó, köd formájában. A kis léptékű szabálytalanságokon csaknem izotróp Rayleigh-szórás lehetővé teszi a rádiókommunikációt a látóvonalat messze meghaladó távolságokban. Így a troposzféra jelentősen befolyásolja a VHF terjedését. A dekaméteres és hosszabb hullámok esetében a troposzféra gyakorlatilag átlátszó, terjedésüket a földfelszín és a légkör magasabb rétegei (ionoszféra) befolyásolják.

A rádióhullámok terjedése az ionoszférában. Az ionoszférát a föld légkörének felső rétegei alkotják, amelyben a gázok részben (legfeljebb 1%-ban) ionizálódnak ultraibolya, röntgen és korpuszkuláris napsugárzás hatására. Az ionoszféra elektromosan semleges, egyenlő számú pozitív és negatív töltésű részecskét tartalmaz, pl. a plazma .

Egy kellően nagy ionizáció, amely befolyásolja a rádióhullámok terjedését, 60 km magasságban kezdődik (réteg D), 300 ... 400 km magasságra nő, rétegeket képezve E, F 1 , F 2 , majd lassan csökken. A fő maximumon az elektronkoncentráció N eléri a 10 2 m -3-t. Függőség N a magasság változásaitól a napszak, az év, a naptevékenység, valamint a szélesség és hosszúság függvényében.

A rádióhullámok terjedésében a frekvenciától függően bizonyos típusú természetes rezgések játsszák a fő szerepet. Ezért az elektromos tulajdonságok eltérőek a rádió hatótávolságának különböző részein. Magas frekvenciákon az ionoknak nincs idejük követni a térváltozásokat, és csak az elektronok vesznek részt a rádióhullámok terjedésében. Az ionoszféra szabad elektronjainak kényszerrezgései a ható erővel ellenfázisban áradnak ki, és a plazma polarizációját okozzák a hullám elektromos mezőjével ellentétes irányban. E... Ezért az ionoszféra dielektromos állandója<1. Она уменьшается с уменьшением частоты:
... Az elektronok atomokkal és ionokkal való ütközését figyelembe véve pontosabb képleteket kapunk az ionoszféra dielektromos állandójára és vezetőképességére:

,

ahol  az effektív ütközési gyakoriság.

Dekaméteres és rövidebb hullámokhoz az ionoszféra legtöbbjében     és törésmutatók nés az abszorpciók megközelítik az értékeket:

.

Mivel az ionoszférának n> 1, akkor a rádióhullámok terjedésének fázissebessége
és a csoportsebesség
.

Az ionoszférában az abszorpció arányos -vel, hiszen minél több az ütközés, az elektron által kapott energiából annál több alakul hővé. Ezért az abszorpció nagyobb az ionoszféra alsó részein (réteg D), ahol nagyobb a gázsűrűség. Az abszorpció a gyakoriság növekedésével csökken. A rövid hullámok gyengén nyelődnek el, és nagy távolságokat is megtehetnek.

A rádióhullámok fénytörése az ionoszférában. Csak a 0 frekvenciájú rádióhullámok terjedhetnek az ionoszférában. 0-nál a törésmutató n pusztán képzeletbelivé válik, és az elektromágneses tér exponenciálisan csökken a plazma mélyére. Az ionoszférára függőlegesen beeső frekvenciájú rádióhullám visszaverődik arról a szintről, amelyen 0 és n= 0. Az ionoszféra alsó részén az u0 elektronkoncentráció a magassággal növekszik, ezért növekedésével a Földről kibocsátott hullám mélyebbre hatol az ionoszférába. A függőleges beesés során az ionoszférikus rétegről visszaverődő rádióhullám maximális frekvenciáját a réteg kritikus frekvenciájának nevezzük:

.

Kritikus réteg frekvencia F 2 (fő maximum) napközben és év közben széles tartományban változik (3 ... 5 és 10 MHz között). A cr hullámoknál a törésmutató nem tűnik el, és a függőlegesen beeső hullám visszaverődés nélkül áthalad az ionoszférán.

Ha egy hullám ferdén esik az ionoszférára, akkor fénytörés lép fel, mint a troposzférában. Az ionoszféra alsó részében a fázissebesség a magassággal növekszik (az elektronkoncentráció növekedésével együtt N). Ezért a sugár pályája a Föld felé eltérül. Az ionoszférára 0 szögben beeső rádióhullám egy magasságban a Föld felé fordul h, amelyre a feltétel =  kr. Az ionoszféráról visszaverődő hullám maximális frekvenciáját, amikor 0 szögbe esik, a maximális használható frekvenciának nevezzük max =
... Hullámok -vel< max отражаясь от ионосферы, возвращаются на Землю. Этот эффект что используется для дальней радиосвязи и загоризонтной радиолокации. Вследствие сферичности Земли величина угла 0 ограничена и дальность связи при однократном отражении от ионосферы не превосходит 3500…4000 км. Связь на большие расстояния осуществляется за счет нескольких последовательных отражений от ионосферы и Земли (скачков). Возможны и более сложные, волноводные траектории, возникающие за счет горизонтального градиентаN vagy szóródás az ionoszféra egyenetlenségein a rádióhullámok terjedésekor >  max. A szóródás hatására a sugár beesési szöge a rétegen F 2 nagyobbnak bizonyul, mint a hagyományos eloszlásnál. A sugár egymást követő visszaverődések sorozatát tapasztalja a rétegről F 2, amíg egy ilyen lejtős területre nem esik. N, aminek hatására az energia egy része visszaverődik a Földre.

A Föld mágneses terének hatása H intenzitással 0 lejön Nak nek ahhoz , mi van a sebességgel mozgó elektronnal v, a Lorentz-erő hat
, melynek hatására egy kör körül forog egy merőleges síkban N 0, N giroszkópos frekvenciával. Az egyes töltött részecskék pályája egy spirális vonal a tengely mentén N 0. A Lorentz-erő hatására megváltozik az elektronok kényszerrezgésének természete a hullám elektromos tere hatására, és ennek következtében a közeg elektromos tulajdonságai megváltoznak. Ennek eredményeként az ionoszféra elektromos tulajdonságai a rádióhullámok terjedési irányától válnak függővé, és nem skaláris mennyiséggel, hanem az ij permittivitás tenzorral írják le. Az ilyen közegre beeső hullám kettős törést tapasztal , vagyis két hullámra szakad, amelyek terjedési sebességében és irányában, abszorpciójában és polarizációjában különböznek egymástól. Ha a rádióhullámok terjedési iránya merőleges N 0, akkor a beeső hullám két lineárisan polarizált hullám összegeként fogható fel EN 0 és E || H 0 . Az első "rendkívüli" hullámnál az elektronok kényszermozgásának természete a hullámtér hatására megváltozik (egy gyorsulási komponens merőlegesen jelenik meg E), ezért megváltozik NS. A második "hétköznapi" hullámnál az erőltetett mozgás ugyanaz marad, mint a mező nélkül N 0 .

Az alacsony frekvenciájú (LF) és nagyon alacsony frekvenciájú (VLF) rádióhullámok energiájának nagy része gyakorlatilag nem hatol be az ionoszférába. A hullámok annak alsó határáról verődnek vissza (nappal - a D-réteg erős fénytörése miatt, éjszaka - az E-rétegről, mint két eltérő elektromos tulajdonságú közeg határáról). Ezeknek a hullámoknak a terjedését jól írja le az a modell, amely szerint a homogén és izotróp Föld és az ionoszféra éles gömbfalú felületi hullámvezetőt alkot. Ebben a hullámvezetőben terjednek a rádióhullámok. Ez a modell a térben megfigyelt csökkenést a távolsággal, a mező amplitúdójának növekedését pedig a magassággal magyarázza. Ez utóbbi a hullámvezető homorú felülete mentén történő elcsúszásával kapcsolatos, ami a mező egyfajta fókuszálásához vezet. A rádióhullámok amplitúdója jelentősen megnő a Földnek azon a pontján, amely a forrás ellenpólusa. Ez a rádióhullámok hozzáadásának köszönhető, amelyek minden irányban meghajlanak a Föld körül, és az ellenkező oldalon konvergálnak.

A Föld mágneses mezejének hatása az LF-hullámok ionoszférában történő terjedésének számos jellemzőjét meghatározza: az ultrahosszú hullámok az ionoszférán kívül hagyhatják el a felszíni hullámvezetőt, és a konjugált pontok között a geomágneses tér erővonalai mentén terjednek. Aés V Föld.

Nemlineáris hatások a rádióhullámok terjedésében az ionoszférában még a viszonylag alacsony intenzitású rádióhullámok esetében is megnyilvánulnak, és a közeg polarizációjának a hullám elektromos terétől való lineáris függésének megsértésével járnak. . A "melegítő" nemlinearitás akkor játszik főszerepet, ha az elektromos tér által megzavart plazmaterület jellemző méretei sokszorosan nagyobbak, mint az elektronok átlagos szabad útja. Mivel a plazmában az elektronok átlagos szabad útja jelentős, az elektronnak egy út során van ideje érezhető energiát fogadni a mezőből. Az ütközések során az energia átvitele az elektronról az ionokra, atomokra és molekulákra a nagy tömegkülönbség miatt nehézkes. Ennek eredményeként a plazmaelektronok már viszonylag gyenge elektromos térben erősen "hevülnek", ami megváltoztatja az effektív ütközési frekvenciát. Ezért a plazmák az elektromos tér erősségétől függenek E hullámok és a rádióhullámok terjedése nemlineárissá válik.

A nemlineáris hatások a hullám önműködésében és a hullámok egymás közötti kölcsönhatásában nyilvánulhatnak meg. Egy erős hullám önműködése az abszorpciós és modulációs mélység változásához vezet. Egy erős rádióhullám abszorpciója nemlineárisan függ az amplitúdójától. Az ütközési gyakoriság  emelkedő hőmérséklettel (elektronenergia) egyaránt növekedhet (az alsóbb rétegekben, ahol a semleges részecskékkel való ütközésé a főszerep), és csökkenhet (ionokkal való ütközéskor). Az első esetben az abszorpció meredeken növekszik a hullámteljesítmény növekedésével (a mező telítettsége a plazmában). A második esetben az abszorpció csökken (ezt a hatást nagy teljesítményű rádióhullámoknál plazmafehérítésnek nevezik). Az abszorpció nemlineáris változása miatt a hullám amplitúdója nemlineárisan függ a beeső tér amplitúdójától, ezért a modulációja torzul (a hullám önmodulációja és demodulációja). Törésmutató változás n egy erős hullám területén a sugárpálya torzulásához vezet. Amikor szűken irányított rádióhullámsugarak terjednek, ez a hatás a sugár önfókuszálásához vezethet, hasonlóan az önfókuszáláshoz. fény és egy hullámvezető csatorna kialakítása a plazmában.

A hullámok kölcsönhatása nemlinearitási feltételek mellett a szuperpozíció elvének megsértéséhez vezet . Különösen, ha egy erős, 1-es frekvenciájú hullám amplitúdóját modulálják, akkor az abszorpció változása miatt ez a moduláció átvihető egy másik 2-es frekvenciájú hullámra, amely az ionoszféra ugyanazon tartományában halad át. Ezt a jelenséget keresztmodulációnak nevezik.

A rádióhullámok terjedése a világűrben jellemzői annak a ténynek köszönhető, hogy a világűrből a Földre az elektromágneses akarat széles skálája érkezik, amelynek az űrből való úton át kell haladnia az ionoszférán és a troposzférán. Két fő frekvenciatartományú hullámok terjednek át a Föld atmoszféráján észrevehető csillapítás nélkül: a „rádióablak” az ionoszférikus kritikus frekvenciától az aeroszolok és légköri gázok erős abszorpciós frekvenciáiig terjedő tartománynak felel meg (10 MHz ... 20 GHz), az "optikai ablak" lefedi a látható és infravörös sugárzás tartományát (1 THz ... 10 3 THz). A légkör részben átlátszó a 300 kHz-ig terjedő alacsony frekvenciatartományban is, ahol sípoló atmoszférák és magnetohidrodinamikus hullámok terjednek.

Különböző sávú rádióhullámok terjedése. Rádióhullámok nagyon alacsony(3 ... 30 kHz) és alacsony (30 ... 300 kHz) frekvenciák a hullámvezető terjedés és diffrakció miatt a földfelszín körül meghajlanak, viszonylag gyengén hatolnak be az ionoszférába és kevéssé nyelődnek el benne. Jellemzőjük a nagy fázisstabilitás és a nagy területek egyenletes lefedésének képessége, beleértve a poláris régiókat is. Ez lehetővé teszi, hogy a nagy légköri interferencia ellenére is stabil nagy hatótávolságú és ultra-nagy hatótávolságú rádiókommunikációra és rádiónavigációra használhatók. A műsorszóráshoz a 150 kHz és 300 kHz közötti frekvenciatartományt használják. A nagyon alacsony frekvenciatartomány használatának nehézségei az antennarendszerek nehézkességeihez kapcsolódnak, magas légköri interferenciával, viszonylag korlátozott információátviteli sebességgel. A nagyon alacsony frekvenciájú hullámok lassú rezgéseit nem lehet modulálni gyors, nagy sebességű információt hordozó folyamatokkal. Ahogy N. Wiener írta erről: "Nem játszhatsz egy orgona alsó regiszterében egy jig-et."

Közepes hullámok(300 kHz… 3000 kHz) napközben a Föld felszínén terjednek (földi vagy közvetlen hullám). Az ionoszféráról visszaverődő hullám gyakorlatilag hiányzik, mivel a hullámok erősen elnyelődnek a rétegben D ionoszféra. Éjszaka a napsugárzási réteg hiánya miatt D eltűnik, megjelenik egy ionoszférikus hullám, amely visszaverődik a rétegről E... Ugyanakkor nő a terjedési tartomány és ennek megfelelően a vétel. A közvetlen és a visszavert hullámok összeadása erős térváltoztatást eredményez a vételi ponton. Ezért az ionoszférikus hullám sok földhullám-terjedést használó szolgáltatás számára zavarforrást jelent.

Rövid hullámok(3 MHz ... 30 MHz) gyengén elnyelte D-és E- rétegeket, és visszaverődik a rétegről F amikor azok frekvenciái< max . В результате отражения от ионосферы возможна связь как на малых, так и на больших расстояниях при значительно меньшем уровне мощности передатчика и гораздо более простых антеннах, чем в более низкочастотных диапазонах. Особенность радиосвязи в этом диапазоне – наличие замираний (фединга) сигнала из-за изменений условий отражения от ионосферы и интерференционных эффектов. Коротковолновые линии связи подвержены влиянию атмосферных помех. Ионосферные бури вызывают прерывание связи.

Mert nagyon magas frekvenciák a VHF (30 ... 1000 MHz) pedig a troposzférán belüli rádióhullámok terjedésének túlsúlya és az ionoszférán keresztüli áthatolás jellemzi. A földhullám szerepe csökken. Ennek a tartománynak az alacsony frekvenciájú részén az interferenciamezők továbbra is meghatározhatók az ionoszféráról érkező visszaverődésekkel, és 60 MHz-ig az ionoszférikus szórás továbbra is jelentős szerepet játszik. A troposzférikus szórás kivételével minden típusú rádióterjedés több MHz sávszélességű jelek továbbítását teszi lehetővé.

Az UHF és mikrohullámú hullámok (1000 MHz ... 10 000 MHz) főleg a látómezőn belül terjednek, és alacsony zajszint jellemzi őket. Ebben a tartományban a rádióhullámok terjedésében a kémiai elemek maximális abszorpciós és sugárzási frekvenciájának ismert tartományai játszanak szerepet (például az 1,42 GHz-es frekvencia közelében a hidrogénmolekulák rezonancia-abszorpciós vonalai).

A mikrohullámú hullámok (> 10 GHz) csak a látómezőn belül terjednek. A veszteségek ebben a tartományban valamivel nagyobbak, mint az alacsonyabb frekvenciákon, és értéküket erősen befolyásolja a csapadék mennyisége. A veszteségek növekedését ezeken a frekvenciákon részben ellensúlyozza az antennarendszerek hatékonyságának növekedése. ábrán látható egy diagram, amely a rádióhullámok terjedésének jellemzőit különböző tartományokban szemlélteti. 13.3.

Rizs. 13.3. Elektromágneses hullámok terjedése a felszíni térben

Annak ellenére, hogy történelmileg az optikai hullámtartományba eső sugárzást az emberiség sokkal korábban kezdte használni, mint bármely más elektromágneses mezőt, az optikai hullámok légkörben való terjedését a legkevésbé tanulmányozták a rádióhullámok terjedéséhez képest. hatótávolság. Ezt a terjedési jelenségek bonyolultabb képe magyarázza, valamint az a tény, hogy e jelenségek szélesebb körű vizsgálata csak a közelmúltban, az optikai kvantumgenerátorok - lézerek - feltalálása és széles körű használatának kezdete után kezdődött.

Három fő jelenség határozza meg az optikai hullámok légkörben való terjedésének törvényeit: az abszorpció, a szórás és a turbulencia. Az első kettő határozza meg az elektromágneses tér átlagos csillapítását rögzített légköri viszonyok és viszonylag lassú térváltozások (lassú fading) esetén, amikor a meteorológiai viszonyok megváltoznak. A harmadik jelenség az, hogy a turbulencia gyors térváltozásokat (gyors fading) okoz, amely bármilyen időjárási viszonyok között megfigyelhető. Emellett a turbulencia miatt a többutas hatás figyelhető meg, amikor a vett nyaláb szerkezete jelentősen megváltozhat az adó kimenetén lévő nyaláb szerkezetéhez képest.

Az információ forrásból a fogyasztóhoz történő átviteléhez számos átalakítást kell végrehajtani, amelyeket rádiótechnikai folyamatoknak nevezünk.

1. Üzenet átalakítása elektromossággá

funkció. Ez a művelet a konvertereknek nevezett eszközökben történik. Például a p (t) hangnyomás átalakulása i (t) elektromos árammá akkor következik be

Rizs. 1.1. Átalakító

a mikrofon erejét, és a kép potenciállá alakítását - televíziós adás segítségével

csövet adva. Az így kapott b (t) jelet elsődlegesnek nevezzük

nym. A jelátalakító jelölése az ábrán látható. 1.1.

2. Harmonikus rezgések generálása. Ez az átalakulás az

generátoroknak nevezett eszközökben érkezik. Ezekben a P0 állandó áramforrás teljesítménye a harmonikus rezgések P1 teljesítményévé alakul.

Érdekes megjegyezni, hogy a rádiótechnika és a kommunikáció fejlődésének teljes története az egyre magasabb frekvenciájú hullámtartományok elsajátításának története, beleértve az optikai tartományt is. Számos generátort fejlesztettek ki, a lámpagenerátoroktól az optikai kvantumgenerátorokig (LQG). Az ilyen generátorokkal szemben támasztott fő követelmény a nagyfrekvenciás stabilitás.

3. Moduláció. E folyamat nélkül ez lehetetlen

rendszerint alacsony frekvenciájú rezgések halmazából álló üzeneteket továbbítana nagy távolságokra. Az "Elektromos áramkörök elmélete" kurzus pozíciójából a modulátor egy hat-

pólus, amelynek bemeneteire az elsődleges

jel b (t) és nagyfrekvenciás harmonikus

Rizs. 1.2. Modulátor

u (t) oszcilláció (1.2. ábra). Az eredmény egy nagyfrekvenciás jel s (t),

amelynek egyik paramétere a b (t) törvény szerint változik.

4. Észlelés. Ez a folyamat az

S (t) b (t)

Rizs. 1.3. Detektor

Rizs. 1.4. Erősítő

ellentéte a modulációs folyamatnak, amelynek segítségével az átvitt üzenet kinyerésre kerül. Az ezt az átalakítást végző eszközt detektornak nevezzük, amelynek típusának meg kell felelnie a modulációs módszernek (1.3. ábra).

5. Nyereség. Ennek a folyamatnak az a célja

a vett jel teljesítményének növelése, miközben megtartja alakját. Ezt a rádiótechnikai eljárást megvalósító eszközt erősítőnek nevezzük (1.4. ábra).

A felsorolt ​​folyamatokon kívül a CEA használ

másokat is használnak: frekvenciaátalakítás, szorzás

frekvenciaosztás és -osztás, egyenirányítás stb. De csak a fent említett öt rádiótechnikai folyamat a fő, mivel ezek határozzák meg az üzenetek forrástól a fogyasztóhoz történő továbbításának lehetőségét.

A kommunikációs csatorna rádiótechnikai eszközök komplexuma, amikor

amelyek segítségével információt továbbítanak és fogadnak, plusz a köztük lévő környezetet (1.5. ábra). A kommunikációs csatorna magában foglalja az összes alapvető rádiótechnikai folyamatot végrehajtó eszközöket, valamint adó- és vevőantennákat. Ebben az esetben az információ továbbítása szabad téren keresztül történik, amelynek hullámimpedanciája 377 Ohm (rádiócsatorna). Ha a jelet kábelen továbbítják, akkor a kommunikációs vonal jellemző impedanciáját a kábel típusa határozza meg, és antennák helyett speciális illesztőeszközöket (vezetékes csatornát) használnak.

Eszközök halmaza, amelyek segítségével jel keletkezik, és egy sugárzó antenna (vagy illesztőeszköz) rádióadót (adót) alkot.

Fogadó antenna (illesztő eszköz) és jelfeldolgozó eszközök

a készpénz rádióvevő eszközt (vevőt) alkot. Fizikai környezet, szoftver

amelyet a jel terjeszt kommunikációs vonalnak nevezzük. Így a médium típusától függően a kommunikációs csatornák lehetnek vezetékesek és vezeték nélküliek (rádiócsatornák).

7

Rizs. 1.5. A kommunikációs csatorna szerkezeti diagramja:

1 - üzenetforrás, 2 - konverter, 3 - modulátor, 4 - önoszcillátor,

5 - rádiójel-erősítő, 6 - adóantenna (illesztő eszköz),

7 - kommunikációs vonal, 8 - vevőantenna (illesztő eszköz),

9 - frekvenciaválasztó eszköz, 10 - rádiójel-erősítő, 11 - detektor,

12 - videojel-erősítő, 13 - üzenet címzettje

Egy kommunikációs vonalon több jel átvitele esetén úgynevezett többcsatornás kommunikáció valósul meg (1.6. ábra). Ebben az esetben problémák vannak a csatorna szétválasztásával. Jelenleg a csatornaelválasztás frekvencia-, idő- és címmódszereit széles körben használják. A frekvenciamódszer lényege, hogy minden jelhez saját, meghatározott frekvenciasávot rendelnek, és a jelet speciális szűrőkkel vonják ki. A frekvencia módszer előnye a nagy sebesség, mivel az információ továbbítása párhuzamosan történik. A frekvenciamódszer hátránya a kommunikáció szervezéséhez szükséges széles frekvenciasáv. Az időmódszerrel minden jel ugyanazon a frekvenciasávon, de eltérő időintervallumban kerül továbbításra. Ez a módszer egy speciális ideiglenes elosztó és szinkronizáló eszközök jelenlétét feltételezi, ami bonyolítja a kommunikációs csatornát. A frekvenciasáv gazdaságos használatával teljesítménycsökkenést kapunk. A címkommunikációs rendszerekben a csatornák a továbbított jelek formájában különböznek egymástól.

A kommunikációs szervezet típusától függően különféle kommunikációs módok lehetségesek. Ha az üzenetek továbbítása egy irányban történik a

forrásból a vevőhöz, akkor ezt a módot szimplexnek nevezzük, például adatátvitelnek egy automatikus meteorológiai állomásról. Kommunikációs mód, amelyben lehetőség van üzenetek egyidejű továbbítására közvetlen és

az ellenkező irányt duplexnek nevezzük. A klasszikus példa a telefonálás. A kommunikációs módot, amelyben az információcsere felváltva történik, félduplexnek nevezik, például a bemondó munkáját a TV-ben.

zionic stúdió és egy újságíró a helyszínen.

Σ St.

Rizs. 1.6. Többcsatornás kommunikációs rendszer blokkvázlata:

IsN - üzenetforrások, KN - kommunikációs csatornák, Σ - összeadó,

ФN - a fogadó eszköz szűrői, DN - detektorok, АN - üzenet címzettjei

Valódi kommunikációs csatornákban különböző okokból véletlenszerű hatás lehetséges a jelre, amit n (t) interferenciának nevezünk. Az ilyen befolyás következtében az üzenet reprodukálásának megbízhatósága romlik. Ha a vevőkészülék z (t) bemeneti jele az s (t) hasznos jel és az n (t) interferencia összege, akkor az interferenciát additívnak nevezzük, azaz z (t) = s (t) + n (t). Abban az esetben, ha a bemeneti jelet z (t) = k (t) · s (t) formában ábrázoljuk, az interferenciát multiplikatívnak nevezzük. A valós kommunikációs csatornákban különböző eredetű additív és multiplikatív interferencia egyaránt működik. Ha nincs interferencia a kommunikációs csatornában, akkor egy ilyen kommunikációs csatorna ideális csatorna.