Основні радіотехнічні процеси та його характеристики. Лекції - Радіотехнічні ланцюги та сигнали - файл Лекції (детерменовані сигнали). DOC. Радіотехнічні ланцюги та методи

Глава 1 Елементи загальної теорії радіотехнічних сигналів

Термін «сигнал» часто зустрічається у науково-технічних питаннях, а й у повсякденному житті. Іноді, не замислюючись про строгість термінології, ми ототожнюємо такі поняття, як сигнал, повідомлення, інформація. Зазвичай це призводить до непорозумінь, оскільки слово «сигнал» походить від латинського терміна «signum» - «знак», має широкий смисловий діапазон.

Проте, приступаючи до систематичного вивчення теоретичної радіотехніки, слід наскільки можна уточнити змістовний сенс поняття «сигнал». Відповідно до прийнятої традицією сигналом називають процес зміни у часі фізичного стану будь-якого об'єкта, що служить для відображення, реєстрації та передачі повідомлень. У практиці людської діяльності повідомлення нерозривно пов'язані із укладеною у яких інформацією.

Коло питань, що базуються на поняттях «повідомлення» та «інформація», дуже широке. Він є об'єктом пильної уваги інженерів, математиків, лінгвістів, філософів. У 40-х роках К. Шеннон завершив початковий етап розробки глибокого наукового напряму - теорії інформації.

Слід сказати, що згадані тут проблеми, як правило, далеко виходять за межі курсу «Радіотехнічні ланцюги та сигнали». Тому в цій книзі не викладатиметься зв'язок, який існує між фізичним виглядом сигналу та змістом укладеного в ньому повідомлення. Тим більше не обговорюватиметься питання про цінність інформації, укладеної в повідомленні та, зрештою, у сигналі.

1.1. Класифікація радіотехнічних сигналів

Приступаючи до вивчення будь-яких нових об'єктів чи явищ, у науці завжди прагнуть провести їхню попередню класифікацію. Нижче така спроба здійснена стосовно сигналів.

Основна мета - вироблення критеріїв класифікації, а також, що дуже важливо для подальшого встановлення певної термінології.

Опис сигналів за допомогою математичних моделей.

Сигнали як фізичні процеси можна вивчати за допомогою різних приладів та пристроїв – електронних осцилографів, вольтметрів, приймачів. Такий емпіричний метод має значний недолік. Явлення, що спостерігаються експериментатором, завжди виступають як приватні, поодинокі прояви, позбавлені тієї міри узагальненості, яка б судити про їхні фундаментальні властивості, передбачати результати в умовах, що змінилися.

Для того щоб зробити сигнали об'єктами теоретичного вивчення та розрахунків, - слід вказати спосіб їх математичного опису або, говорячи мовою сучасної науки, створити математичну модель досліджуваного сигналу.

Математичною моделлю сигналу може бути, наприклад, функціональна залежність, аргументом якої є час. Як правило, надалі такі математичні моделі сигналів позначатимуться символами латинського алфавіту s(t), u(t), f(t) і т.д.

Створення моделі (у даному випадку фізичного сигналу) - перший суттєвий крок на шляху систематичного вивчення якості явища. Насамперед математична модель дозволяє абстрагуватися від конкретної природи носія сигналу. У радіотехніці та сама математична модель з рівним успіхом описує струм, напруга, напруженість електромагнітного поля тощо.

Істотна сторона абстрактного методу, що базується на понятті математичної моделі, полягає в тому, що ми отримуємо можливість описувати ті властивості сигналів, які об'єктивно виступають як визначально важливі. При цьому ігнорується велика кількість другорядних ознак. Наприклад, у переважній більшості випадків дуже важко підібрати точні функціональні залежності, які відповідали б електричним коливанням, що спостерігаються експериментально. Тому дослідник, керуючись всією сукупністю доступних йому відомостей, вибирає з наявного арсеналу математичних моделей сигналів ті, які у конкретній ситуації найкращим і найпростішим чином описують фізичний процес. Отже, вибір моделі – процес значною мірою творчий.

Функції, що описують сигнали, можуть набувати як речові, так і комплексні значення. Тому надалі часто говоритимемо про речові та комплексні сигнали. Використання того чи іншого принципу – справа математичної зручності.

Знаючи математичні моделі сигналів, можна порівнювати ці сигнали між собою, встановлювати їх тотожність та відмінність, проводити класифікацію.

Одновимірні та багатовимірні сигнали.

Типовим для радіотехніки сигналом є напруга на затискачі будь-якого ланцюга або струм у гілки.

Такий сигнал, який описується однією функцією часу, прийнято називати одновимірним. У цій книзі найчастіше вивчатимуться одновимірні сигнали. Однак іноді зручно вводити на розгляд багатовимірні, або векторні сигнали виду.

утворені деякою кількістю одновимірних сигналів. Ціле число N називають розмірністю такого сигналу (термінологія запозичена з лінійної алгебри).

Багатовимірним сигналом служить, наприклад, система напруги на затискачах багатополюсника.

Зазначимо, що багатовимірний сигнал – упорядкована сукупність одновимірних сигналів. Тому в загальному випадку сигнали з різним порядком прямування компонентів не рівні один одному:

Багатомірні моделі сигналів особливо корисні у випадках, коли функціонування складних систем аналізується з допомогою ЕОМ.

Детерміновані та випадкові сигнали.

Інший принцип класифікації радіотехнічних сигналівзаснований на можливості чи неможливості точного передбачення їх миттєвих значень будь-які моменти часу.

Якщо математична модель сигналу дозволяє здійснити таке передбачення, сигнал називається детермінованим. Способи його завдання можуть бути різноманітними – математична формула, обчислювальний алгоритм, нарешті, словесний опис.

Суворо кажучи, детермінованих сигналів, Як і відповідних їм детермінованих процесів, немає. Неминуча взаємодія системи з фізичними об'єктами, що оточують її, наявність хаотичних теплових флуктуацій і просто неповнота знань про початковий стан системи - все це змушує розглядати реальні сигнали як випадкові функції часу.

У радіотехніці випадкові сигнали часто проявляють себе як перешкоди, що перешкоджають вилученню інформації з прийнятого коливання. Проблема боротьби з перешкодами, підвищення стійкості до перешкод радіоприймання - одна з центральних проблем радіотехніки.

Може здатися, що поняття «випадковий сигнал» є суперечливим. Однак це не так. Наприклад, сигнал на виході приймача радіотелескопа, спрямованого на джерело космічного випромінювання, є хаотичні коливання, що несуть, проте, різноманітну інформацію про природний об'єкт.

Між детермінованими та випадковими сигналами немає непереборного кордону.

Дуже часто в умовах, коли рівень перешкод значно менший за рівень корисного сигналу з відомою формою, більш проста детермінована модель виявляється цілком адекватною поставленій задачі.

Методи статистичної радіотехніки, розвинені в останні десятиліття для аналізу властивостей випадкових сигналів, мають багато специфічних рис і базуються на математичному апараті теорії ймовірностей та теорії випадкових процесів. Цьому колу питань буде повністю присвячено низку розділів цієї книги.

Імпульсні сигнали.

Дуже важливий для радіотехніки клас сигналів є імпульси, тобто коливання, що існують лише в межах кінцевого відрізка часу. При цьому розрізняють відеоімпульси (рис. 1.1 а) і радіоімпульси (рис. 1.1 б). Відмінність між цими двома основними видами імпульсів ось у чому. Якщо - відеоімпульс, то відповідний радіоімпульс (частота і початкова довільні). При цьому функція називається огинаючої радіоімпульсу, а функція - його заповненням.

Мал. 1.1. Імпульсні сигнали та їх характеристики: а - відеоімпульс; б - радіоімпульс; в - визначення числових параметрів імпульсу

У технічних розрахунках замість повної математичної моделі, яка враховує подробиці тонкої структури імпульсу, часто користуються числовими параметрами, що дають спрощене уявлення про його форму. Так, для відеоімпульсу, близького до форми до трапеції (рис. 1.1, в), прийнято визначати його амплітуду (висоту) А. З часових параметрів вказують тривалість імпульсу тривалість фронту і тривалість зрізу

У радіотехніці мають справу з імпульсами напруги, амплітуди яких лежать у межах від часток мікровольта до кількох кіловольт, а тривалості досягають часток наносекунди.

Аналогові, дискретні та цифрові сигнали.

Закінчуючи короткий оглядпринципів класифікації радіотехнічних сигналів, зазначимо таке. Часто фізичний процес, що породжує сигнал, розвивається в часі таким чином, що значення сигналу можна вимірювати. будь-які моменти часу. Сигнали цього класу прийнято називати аналоговими (континуальними).

Термін «аналоговий сигнал» підкреслює, що такий сигнал «аналогічний», повністю подібний до фізичного процесу, що його породжує.

Одновимірний аналоговий сигнал наочно представляється своїм графіком (осцилограмою), який може бути безперервним, так і з точками розриву.

Спочатку радіотехніці використовувалися сигнали виключно аналогового типу. Такі сигнали дозволяли успішно вирішувати щодо нескладні технічні завдання (радіозв'язок, телебачення тощо. буд.). Аналогові сигнали було просто генерувати, приймати та обробляти за допомогою доступних у ті роки засобів.

Збільшені вимоги до радіотехнічним системам, Різноманітність застосувань змусили шукати нові принципи їх побудови. На зміну аналоговим у ряді випадків прийшли імпульсні системи, робота яких ґрунтується на використанні дискретних сигналів. Найпростіша математична модель дискретного сигналу - це численне безліч точок - ціле число) на осі часу, у кожній з яких визначено відлікове значення сигналу. Як правило, крок дискретизації кожного сигналу постійний.

Одна з переваг дискретних сигналів у порівнянні з аналоговими – відсутність необхідності відтворювати сигнал безперервно у всі моменти часу. За рахунок цього з'являється можливість однієї і тієї ж радіолінії передавати повідомлення від різних джерел, організуючи багатоканальний зв'язок з поділом каналів за часом.

Інтуїтивно ясно, що аналогові сигнали, що швидко змінюються в часі, для їх дискретизації вимагають малого кроку . У гол. 5 це фундаментально важливе питання буде детально досліджено.

Особливим різновидом дискретних сигналів є цифрові сигнали. Їх характерно те, що отсчетные значення представлені у вигляді чисел. З міркувань технічних зручностей реалізації та обробки зазвичай використовують двійкові числаз обмеженим і, як правило, не надто великою кількістю розрядів. Останнім часом намітилася тенденція широкого впровадження систем із цифровими сигналами. Це пов'язано із значними успіхами, досягнутими мікроелектронікою та інтегральною схемотехнікою.

Слід мати на увазі, що по суті будь-який дискретний або цифровий сигнал (мова йде про сигнал - фізичний процес, а не про математичну модель) є аналоговим сигналом. Так, аналоговому сигналу, що повільно змінюється в часі, можна зіставити його дискретний образ, що має вигляд послідовності прямокутних відеоімпульсів однакової тривалості (рис. 1.2, а); висота етнх імпульсів пропорційна значенням у відлікових точках. Однак можна надійти і по іншому, зберігаючи висоту імпульсів постійної, але змінюючи їх тривалість відповідно до поточних відлікових значень (рис. 1.2, б).

Мал. 1.2. Дискретизація аналогового сигналу: а - при змінній амплітуді; б - при змінній тривалості відлікових імпульсів

Обидва представлені тут сцособа дискретизації аналогового сигналу стають еквівалентними, якщо покласти, що значення аналогового сигналу в точках дискретизації пропорційні площі окремих відеоімпульсів.

Фіксування відлікових значень у вигляді чисел здійснюється шляхом відображення останніх у вигляді послідовності відеоімпульсів. Двійкова система числення ідеально пристосована для цієї процедури. Можна, наприклад, зіставити одиниці високий, а нулю - низький рівень потенціалу f Дискретні сигналита їх властивості детально вивчатимуться в гол. 15.

Основні радіотехнічні процеси - це процеси перетворення сигналів, що містять і переносять повідомлення. Основні процеси приблизно однакові (подібні) всім радіоелектронних систем, незалежно від цього, якого класу і якого покоління техніки ці системи ставляться, незалежно від структури і призначення цих систем.

13. Випромінювання високочастотних радіосигналів та поширення радіохвиль

13.1. Радіосигнали та електромагнітні хвилі

Відповідно до закону електромагнітної індукції, в контурі, що охоплює магнітне поле, що змінюється, виникає ЕРС, яка збуджує струм в цьому контурі. Провідник тут не відіграє суттєвої ролі. Він лише дозволяє виявити індукований струм. Справжня сутність явища індукції, як установив Дж.К.Максвелл, у тому, що у просторі, де змінюється магнітне полі, виникає змінюється у часі електричне полі. Це електричне поле, що змінюється в часі, Максвелл назвав струмом електричного зміщення.

На відміну від поля нерухомих зарядів, силові лінії, що змінюється в часі електричного поля (струму електричного зміщення), можуть бути замкнуті так само, як і силові лінії магнітного поля. Тому між електричними та магнітними полями існує тісний зв'язок та взаємодія. Вона встановлюється такими законами.

1. Змінне в часі електричне поле в будь-якій точці простору створює магнітне поле, що змінюється. Силові лінії магнітного поля охоплюють силові лінії електричного поля, що створило його рис. 13.1, а). У кожній точці простору вектор напруги електричного поля Ета вектор напруженості магнітного поля Нортогональні один одному.

2. Змінне в часі магнітне поле в будь-якій точці простору створює електричне поле, що змінюється. Силові лінії електричного поля охоплюють силові лінії змінного магнітного поля рис.3.1. б). У кожній точці простору, що розглядається, вектор напруженості магнітного поля Нта вектор напруженості електричного поля Евзаємно перпендикулярні.

3. Змінне електричне поле та нерозривно пов'язане з ним змінне магнітне поля разом утворюють електромагнітне поле.

Мал. 13.1. Перший а) та другий б) закони електромагнітного поля (закони Максвелла)

Перенесення хвилею електромагнітної енергії у просторі характеризується вектором П, рівним векторному добутку напруженостей електричного та магнітного полів:

Напрямок вектора Пзбігається з напрямом поширення хвилі, а модуль чисельно дорівнює кількості енергії, яку хвиля переносить в одиницю часу через одиничний майданчик, розташований перпендикулярно до напряму поширення хвилі. Поняття про потік енергії будь-якого виду було вперше запроваджено Н.А. Умовим у 1874 р. Формула для вектора Пбула отримана на підставі рівнянь електромагнітного поля Пойнтінгом у 1884 р. П,модуль якого дорівнює щільності потоку потужності хвилі, називають вектором Умова - Пойнтінг.

Найважливіша особливість електромагнітного поля полягає в тому, що воно переміщається в просторі на всі боки від точки, в якій виникло. Поле може існувати після того, як джерело електромагнітного обурення перестало діяти. Електричні та магнітні поля, що змінюються, переходячи від точки до точки простору, поширюються у вакуумі зі швидкістю світла (310 8 м/с).

Процес поширення електромагнітного поля, що періодично змінюється, - хвильовий. Електромагнітні хвилі випромінюваного поля, зустрічаючи на своєму шляху провідники, збуджують у них ЕРС тієї ж частоти, що і частота електромагнітного поля, що створює наведену ЕРС. Частина енергії, яку переносять електромагнітні хвилі, передається струмам, що у провідниках.

Відстань, на яку переміщається фронт хвилі за час, що дорівнює одному періоду електромагнітного коливання, називають довжиною хвилі

Радіохвилі, теплове та ультрафіолетове випромінювання, світло, рентгенівське та -випромінювання – це все хвилі електромагнітної природи, але різної довжини. І всі ці хвилі використовують різні радіоелектронні системи. Шкала електромагнітних хвиль, упорядкованих за частотою f, Довжина хвилі, і за назвою діапазону представлена на рис. 4.2.

Знання умов поширення електромагнітного поля є дуже важливим для визначення дальності та зони дії радіоелектронних систем, небезпечних відстаней, на яких можливий несанкціонований доступ технічних засобів розвідки до інформації, що міститься в сигналах, що перехоплюються. Якщо можливо, простір, в межах якого існує небезпека перехоплення, контролюється, щоб виключити наявність технічних засобів розвідки. В інших випадках доводиться вживати інших заходів для захисту інформації, що переноситься інформативними сигналами для розвідки електромагнітними полями.

Умови розповсюдження електромагнітних полів суттєво залежить від частоти (довжини хвилі). Поширення радіохвиль суттєво відрізняється від поширення ІЧ випромінювання, видимого світла та більш жорстких випромінювань.

Швидкість поширення радіохвиль у вільному просторі у вакуумі дорівнює швидкості світла. Повна енергія, що переноситься радіохвильою, залишається постійною, а щільність потоку енергії зменшується зі збільшенням відстані від джерела назад пропорційно r 2 . Поширення радіохвиль в інших середовищах відбувається з фазовою швидкістю, що відрізняється від зта супроводжується поглинанням електромагнітної енергії. Обидва ефекти пояснюються збудженням коливань електронів та іонів середовища пір дією електричного поля хвилі. Якщо напруга поля | Е|гармонійної хвилі мала в порівнянні з напруженістю поля, що діє на заряди в самому середовищі (наприклад, на електрон в атомі), то коливання відбуваються також за гармонічним законом з частотою хвилі, що прийшла. Електрони, що коливаються, випромінюють вторинні радіохвилі тієї ж частоти, але з іншими амплітудами і фазами. В результаті складання вторинних хвиль з приходить формується результуюча хвиля з новою амплітудою і фазою. Зсув фаз між первинною та перевипромінюваними хвилями призводить до зміни фазової швидкості. Втрати енергії при взаємодії хвилі з атомами є причиною поглинання радіохвиль.

Амплітуда електричного (і, зрозуміло, магнітного) поля хвилі зменшується з відстанню за законом

а фаза хвилі змінюється як

де  – показник поглинання, а n- Показник заломлення, що залежать від діелектричної проникності середовища, її провідності та частоти хвилі:

Середовище поводиться як діелектрик , якщо
і як провідник, якщо
. В першому випадку
, поглинання мало, у другому
.

У середовищі, де ізалежать від частоти, спостерігається дисперсія хвиль . Вигляд частотної залежності і визначається структурою середовища. Дисперсія радіохвиль особливо суттєва в тих випадках, коли частота хвилі близька до характерних власних частот середовища, наприклад, при поширенні радіохвиль в іоносферній та космічній плазмі.

При поширенні радіохвиль в середовищах, що не містять вільних електронів (в тропосфері, в товщі Землі), відбувається зміщення пов'язаних електронів в атомах та молекулах середовища у бік, протилежний до поля хвилі Е, при цьому n>1, а фазова швидкість vф<з(Радіосигнал, що несе енергію, поширюється з груповою швидкістю vгр<з). У плазмі поле хвилі викликає усунення вільних електронів у напрямку Е, при цьому n<1 иvф<з.

У однорідних середовищах радіохвилі поширюються прямолінійно, подібно до світлових променів. Процес поширення радіохвиль у разі підпорядковується законам геометричної оптики. Враховуючи сферичність Землі, дальність прямої видимості можна оцінити на основі простих геометричних побудов співвідношенням

де hпрд і hпрм - висоти розташування передавальної та приймальної антен в метрах; R - дальність прямої видимості в кілометрах.

Проте реальні середовища неоднорідні. У них n, а отже, і vф різні у різних ділянках середовища, що призводить до викривлення траєкторії радіохвилі. Відбувається рефракція (заломлення) радіохвиль. З урахуванням нормальної рефракції радіохвиль максимальна дальність визначається більш точним, ніж співвідношенням

Якщо пзалежить від однієї координати, наприклад, висоти h(плоскошарове середовище), то при проходженні хвилі через кожен плоский шар промінь, що падає в неоднорідне середовище в точці з n 0 =1 під кутом 0 у просторі викривляється так, що у довільній точці середовища hдотримується співвідношення:

Якщо пспадає зі збільшенням h,то в результаті рефракції промінь, у міру поширення, відхиляється від вертикалі та на деякій висоті h m стає паралельним горизонтальній площині, а потім поширюється вниз. Максимальна висота h m , на яку промінь може заглибитись у неоднорідне плоскослоїсте середовище, залежить від кута падіння  0 . Цей кут можна визначити за умови:

В область h>h m промені не проникають і, згідно з наближенням геометричної оптики, хвильове поле в цій області повинне дорівнювати 0. Насправді поблизу площини h=h m хвильове поле зростає, а при h>h m зменшується експоненційно. Порушення законів геометричної оптики при поширенні радіохвиль пов'язане з дифракцією хвиль внаслідок якої радіохвилі можуть проникати в область геометричної тіні. На межі області геометричної тіні o6розрізняється складний розподіл хвильових полів. Дифракція радіохвиль виникає за наявності на їхньому шляху перешкод (непрозорих або напівпрозорих тіл). Дифракція особливо суттєва у випадках, коли розміри перешкод порівняні довжиною хвилі.

Якщо поширення радіохвиль відбувається поблизу різкої межі (у масштабі ) між двома середовищами з різними електричними властивостями (наприклад, атмосфера поверхня Землі або тропосфера – нижня межа іоносфери для досить довгих хвиль), то при падінні радіохвиль на різку межу утворюються відбита та заломлена (пройшла) ) радіохвилі.

У неоднорідних середовищах можливе хвилеводне поширення радіохвиль, при якому відбувається локалізація потоку енергії між певними поверхнями, за рахунок чого хвильові поля між ними зменшуються з відстанню повільніше, ніж в однорідному середовищі. Так утворюються атмосферні хвилеводи .

У середовищі, що містить випадкові локальні неоднорідності, вторинні хвилі випромінюються безладно в різних напрямках. Розсіяні хвилі частково забирають енергію вихідної хвилі, що призводить до її ослаблення. При розсіянні на неоднорідностях розміром l<<рассеянные волны распространяются почти изотропно. В случае рассеяния на крупномасштабных прозрачных неоднородностях рассеянные волны распространяются правлениях, близких к направлению исходной волны. Приlвиникає сильне резонансне розсіювання.

Вплив поверхні Землі на поширення радіохвильзалежить від розташування щодо неї передавача та приймача. Поширення радіохвиль – процес, що захоплює велику область простору, але найбільш істотну роль у поширенні радіохвиль відіграє область, обмежена поверхнею, що має форму еліпсоїда розсіювання, у фокусах якого відстані rрозташовані передавач та приймач.

Якщо висоти h 1 та h 2 , на яких встановлені антени передавача і приймача над поверхнею Землі, великі в порівнянні з довжиною хвилі, то вона не впливає на поширення радіохвиль . При зниженні обох або однієї з кінцевих точок радіотраси спостерігатиметься близьке до дзеркального відображення поверхні Землі. При цьому радіохвиля в точці прийому визначається інтерференцією прямої та відбитої хвиль . Інтерференційні максимуми та мінімуми зумовлюють пелюсткову структуру поля у зоні прийому. Особливо характерна така картина для метрових і коротких радіохвиль. Якість радіозв'язку у разі визначається провідністюгрунта. Ґрунти, що утворюють поверхневий - шар земної кори, а також води морів і океанів мають отже, електропровідність. Але так як пі залежать від частоти, то для сантиметрових хвиль всі види земної поверхні мають властивості діелектрика. Для метрових і довших хвиль Земля – провідник, у який хвилі проникають на глибину
( 0 – довжина хвилі у вакуумі). Тому для підземного та підводного радіозв'язку використовуються в основному довгі та наддовгі хвилі.

Випуклість земної поверхні обмежує відстань, де з точки прийому видно передавач (область прямої видимості). Однак радіохвилі можуть проникати в область тіні на більшу відстань
(Rз - радіус Землі), огинаючи Землю, внаслідок дифракції. Практично в цю область за рахунок дифракції можуть проникати лише кілометрові та довші хвилі. За обрієм поле росте зі збільшенням висоти h 1 на яку піднятий випромінювач, і швидко (майже експоненційно) зменшується при віддаленні від нього.

Вплив рельєфу земної поверхні поширення радіохвиль залежить від висоти нерівностей h,їх горизонтальної протяжності l, довжини хвилі та кута падіння хвилі на поверхню. Якщо нерівності досить малі і пологи, то що kh cos<1(
– хвильове число) і виконується критерій Релея: 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> утворюють затінені області. Дифракція радіохвиль на гірських хребтах іноді призводить до посилення хвилі через інтерференцію прямих і відбитих хвиль: вершина гори служить природним ретранслятором.

Фазова швидкість радіохвиль, що розповсюджуються вздовж земної поверхні (земних хвиль) поблизу випромінювача, залежить від її електричних властивостей. Однак на відстані в кілька від випромінювача vф  c.Якщо радіохвилі поширюються над електрично неоднорідною поверхнею, наприклад, спочатку над сушею, а потім над морем, то при перетині берегової лінії різко змінюється амплітуда та напрямок поширення радіохвиль (спостерігається берегова рефракція).

Поширення радіохвиль у тропосфері.Тропосфера – область у якій температура повітря зазвичай зменшується з висотою h.Висота тропопаузи над земною кулею не однакова: вона більше над екватором, ніж над полюсами, а середніх широтах, де існує система сильних західних вітрів, змінюється стрибкоподібно. Тропосфера складається із суміші газів та парів води; її провідність для радіохвиль з більше кількох сантиметрів зневажливо мала. Тропосфера має властивості, близькі до вакууму, так як у поверхні Землі коефіцієнт заломлення.
і фазова швидкість лише трохи менше з. Зі збільшенням висоти щільність повітря падає, а тому й пзменшуються, ще більше наближаючись до одиниці. Це призводить до відхилення траєкторій радіопроменів до Землі. Така нормальна тропосферна рефракція сприяє поширенню радіохвиль за межі прямої видимості, оскільки за рахунок рефракції хвилі можуть огинати опуклість Землі. Фактично цей ефект може грати роль лише УКХ. Для довших хвиль переважає відгинання опуклості Землі з допомогою дифракції.

Метеорологічні умови можуть послаблювати або посилювати рефракцію порівняно з нормальною, оскільки густина повітря залежить від тиску, температури та вологості. Зазвичай у тропосфері тиск газів і температура з висотою зменшуються, а тиск водяної пари збільшується. Однак за деяких метеорологічних умов (наприклад, під час руху нагрітого над сушею повітря над морем) температура повітря з висотою збільшується (температурна інверсія). Особливо великі відхилення влітку висоті 2…3 км. У цих умовах часто утворюються температурні інверсії та хмарні шари і заломлення радіохвиль у тропосфері може стати настільки сильним, що вийшла під невеликим кутом до горизонту радіохвиля на деякій висоті змінить напрям і повернеться назад до Землі. У просторі, обмеженому знизу земною поверхнею, а згори – рефрагіруючим шаром тропосфери, хвиля може поширюватися дуже великі відстані (хвильоводне поширення). У тропосферних хвилеводах, як правило, можуть поширюватися хвилі з <1 м.

Поглинання радіохвиль у тропосфері дуже мало для всіх радіохвиль аж до сантиметрового діапазону. Поглинання сантиметрових і коротких хвиль різко збільшується, коли частота коливань збігається з однією зі своїх частот коливань молекул повітря (резонансне поглинання). Молекули отримують від хвилі, що приходить, енергію, яка перетворюється на теплоту і тільки частково передається вторинним хвиль. Відомий ряд ліній резонансного поглинання в тропосфері: =1,35 см, 1,5 см, 0,75 см (поглинання в парах води) та =0,5 см, 0,25 см (поглинання в кисні). Між резонансними лініями лежать області слабкішого поглинання (вікна прозорості).

Ослаблення радіохвиль може бути також спричинене розсіюванням на неоднорідностях, що виникають при турбулентному русі повітряних мас . Розсіювання різко збільшується, коли у повітрі присутні краплинні неоднорідності у вигляді дощу, снігу, туману. Майже ізотропне розсіювання Релея на дрібномасштабних неоднорідностях уможливлює радіозв'язок на відстанях, що значно перевищують пряму видимість. Отже, тропосфера істотно впливає поширення УКХ. Для декаметрових і довших хвиль тропосфера практично прозора і їх поширення впливає земна поверхню і вищі шари атмосфери (ионосфера).

Поширення радіохвиль в іоносфері.Іоносферу утворюють верхні шари земної атмосфери, де гази частково (до 1%) іонізовані під впливом ультрафіолетового, рентгенівського і корпускулярного сонячного випромінювання. Іоносфера електрично нейтральна, вона містить однакову кількість покладе, і негативно заряджених частинок, тобто. є плазмою .

Достатньо велика іонізація, що впливає на поширення радіохвиль, починається на висоті 60 км (шар D),збільшується до висоти 300...400 км, утворюючи шари Е, F 1 , F 2 , і потім повільно зменшується. У головному максимумі концентрація електронів Nдосягає 10 2 м-3. Залежність Nвід висоти змінюється з часом доби, року, із сонячною активністю, а також з широтою та довготою.

Залежно від частоти основну роль поширенні радіохвиль грають ті чи інші види власних коливань. Тому електричні властивості різні для різних ділянок радіодіапазону. При високих частотах іони не встигають слідувати за змінами поля, і поширення радіохвиль беруть участь лише електрони. Вимушені коливання вільних електронів іоносфери виходять у протифазі з діючою силою та викликають поляризацію плазми у бік, протилежний електричному полю хвилі Е. Тому діелектрична проникність іоносфери<1. Она уменьшается с уменьшением частоты:
. Облік зіткнень електронів з атомами та іонами дає більш точні формули для діелектричної проникності та провідності іоносфери:

де  - ефективна частота зіткнень.

Для декаметрових і більш коротких хвиль у більшій частині іоносфери     та показники заломлення nта поглинання наближаються до значень:

Бо для іоносфери n>1, то фазова швидкість поширення радіохвиль
, а групова швидкість
.

Поглинання в іоносфері пропорційно , оскільки чим більше зіткнень, тим більша частина енергії, яку отримує електрон, переходить у тепло. Тому поглинання більше у нижніх областях іоносфери (шар D),де вище густина газу. Зі збільшенням частоти поглинання зменшується. Короткі хвилі відчувають слабке поглинання і можуть поширюватися великі відстані.

Рефракція радіохвиль в іоносфері.В іоносфері можуть поширюватися лише радіохвилі з частотою  0 . При  0 показник заломлення nстає чисто уявним, і електромагнітне поле експоненційно зменшується вглиб плазми. Радіохвиля з частотою, що падає на іоносферу вертикально, відбивається від рівня, на якому 0 і n=0. У нижній частині іоносфери електронна концентрація і 0 збільшуються з висотою, тому зі збільшенням випромінювана з Землі хвиля все глибше проникає в іоносферу. Максимальна частота радіохвилі, яка відбивається від шару іоносфери при вертикальному падінні, називається критичною частотою шару:

Критична частота шару F 2 (головного максимуму) змінюється протягом доби та року у межах (від 3…5 до 10 МГц). Для хвиль с кр показник заломлення не перетворюється на нуль і падаюча вертикально хвиля проходить через іоносферу, не відбиваючись.

При похилому падінні хвилі на іоносферу відбувається рефракція, як і тропосфері. У нижній частині іоносфери фазова швидкість збільшується з висотою (разом із збільшенням електронної концентрації N).Тому траєкторія променя відхиляється у напрямку Землі. Радіохвиля, що падає на іоносферу під кутом 0, повертає до Землі на висоті h,для якої виконано умову = кр. Максимальна частота хвилі, що відбивається від іоносфери при падінні під кутом 0 , називається максимальною частотою, що застосовується max =
. Хвилі с< 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 градиентаNабо розсіювання на неоднорідностях іоносфери при поширенні радіохвиль із частотою > max . Внаслідок розсіювання кут падіння променя на шар F 2 виявляється більше, ніж за звичайного поширення. Промінь зазнає ряду послідовних відображень від шару F 2 , доки не потрапить в область з таким градієнтом N,що викликає відображення частини енергії назад до Землі.

Вплив магнітного поля Землі із напруженістю Н 0 зводиться до тому , що на електрон, що рухається зі швидкістю v, діє сила Лоренца
, під впливом якого він обертається по колу в площині, перпендикулярній Н 0, з гіроскопічною частотою Н. Траєкторія кожної зарядженої частки гвинтова лінія з віссю вздовж Н 0. Дія сили Лоренца призводить до зміни характеру вимушених коливань електронів під впливом електричного поля хвилі, отже, зміни електричних властивостей середовища. В результаті електричні властивості іоносфери стають залежними від напряму поширення радіохвиль і описуються не скалярною величиною , а тензором діелектричної проникності ij . Падаюча на таке середовище хвиля відчуває подвійне променезаломлення , т. е. розщеплюється на дві хвилі, що відрізняються швидкістю та напрямом поширення, поглинанням та поляризацією. Якщо напрям поширення радіохвиль перпендикулярно Н 0 , то падаючу хвилю можна уявити у вигляді суми двох лінійно поляризованих хвиль з ЕН 0 та Е||Н 0 . Для першої "незвичайної" хвилі характер вимушеного руху електронів під дією поля хвилі змінюється (з'являється компонент прискорення, перпендикулярна Е) і тому змінюється п.Для другої "звичайної" хвилі вимушений рух залишається таким самим, як і без поля Н 0 .

Основна частина енергії низькочастотних (НЧ) та дуже низькочастотних (ОНЧ) радіохвиль практично не проникає в іоносферу. Хвилі відбиваються від її нижньої межі (вдень – внаслідок сильної рефракції в D-шарі, вночі – від E-шару, як від межі двох середовищ з різними електричними властивостями). Поширення цих хвиль добре описується моделлю, згідно з якою однорідні та ізотропні Земля та іоносфера утворюють приземний хвилевід з різкими сферичними стінками. У цьому хвилеводі і відбувається поширення радіохвиль. Така модель пояснює спад спадання поля з відстанню і зростання амплітуди поля з висотою. Останнє пов'язане зі ковзанням хвиль уздовж увігнутої поверхні хвилеводу, що призводить до своєрідного фокусування поля. Амплітуда радіохвиль значно зростає в антиподній по відношенню до джерела точки Землі. Це пояснюється додаванням радіохвиль, що огинають Землю по всіх напрямках і сходяться на протилежному боці.

Вплив магнітного поля Землі зумовлює ряд особливостей поширення НЧ хвиль в іоносфері: наддовгі хвилі можуть виходити з приземного хвилеводу за межі іоносфери, поширюючись вздовж силових ліній геомагнітного поля між сполученими точками Аі УЗемлі.

Нелінійні ефекти при поширенні радіохвиль в іоносферівиявляються вже для радіохвиль порівняно невеликої інтенсивності та пов'язані з порушенням лінійної залежності поляризації середовища від електричного поля хвилі . "Нагрівна" нелінійність відіграє основну роль, коли характерні розміри обуреного електричним полем області плазми в багато разів більші за довжину вільного пробігу електронів. Оскільки довжина вільного пробігу електронів у плазмі значна, електрон встигає отримати від поля помітну енергію під час одного пробігу. Передача енергії при зіткненнях від електрона до іонів атомів і молекул утруднена через велику різницю в їх масах. В результаті електрони плазми сильно "розігріваються" вже порівняно слабкому електричному полі, що змінює ефективну частоту зіткнень. Тому іплазми стають залежними від напруженості електричного поля Ехвилі і поширення радіохвиль набуває нелінійного характеру.

Нелінійні ефекти можуть виявлятися як самовплив хвилі і як взаємодія хвиль між собою. Самовплив потужної хвилі призводить до зміни її поглинання та глибини модуляції. Поглинання потужної радіохвилі нелінійно залежить від її амплітуди. Частота зіткнень  зі збільшенням температури (енергії електронів) може як зростати (у нижніх шарах, де основну роль відіграють зіткнення з нейтральними частинками), так і зменшуватися (при зіткненні з іонами). У першому випадку поглинання різко зростає із збільшенням потужності хвилі (насичення поля у плазмі). У другому випадку поглинання падає (цей ефект називається просвітленням плазми для потужної радіохвилі). Через нелінійну зміну поглинання амплітуда хвилі нелінійно залежить від амплітуди падаючого поля, тому її модуляція спотворюється (автомодуляція та демодуляція хвилі). Зміна коефіцієнта заломлення nу полі потужної хвилі призводить до спотворення траєкторії променя. При поширенні вузьконаправлених пучків радіохвиль цей ефект може призвести до самофокусування пучка аналогічно до самофокусування світла та до утворення хвилеводного каналу в плазмі.

Взаємодія хвиль за умов нелінійності призводить до порушення принципу суперпозиції . Зокрема, якщо потужна хвиля з частотою 1 модульована по амплітуді, то завдяки зміні поглинання ця модуляція може передатися іншій хвилі з частотою 2 , що проходить в тій же області іоносфери. Це називається кросмодуляцією.

Поширення радіохвиль в умовах космічного просторумає особливості за рахунок того, що з космічного простору до Землі приходить широкий спектр електромагнітної волі, які на шляху з космосу мають пройти через іоносферу та тропосферу. Через атмосферу Землі без помітного згасання поширюються хвилі двох основних частотних діапазонів: "радіоокно" відповідає діапазону від іоносферної критичної частоти до частот сильного поглинання аерозолями та газами атмосфери (10 МГц…20 ГГц), "оптичне вікно" охоплює діапазон видимого ТГц ... 103 ТГц). Атмосфера також частково прозора в діапазоні низьких частот до 300 кГц, де поширюються свистячі атмосферики, та магнітогідродинамічні хвилі.

Поширення радіохвиль різних діапазонів.Радіохвилі дуже низьких(3…30 кГц) та низьких (30…300 кГц) частотогинають земну поверхню внаслідок хвилеводного поширення та дифракції, порівняно слабо проникають в іоносферу і мало нею поглинаються. Відрізняються високою фазовою стабільністю та здатністю рівномірно покривати великі площі, включаючи полярні райони. Це зумовлює можливість їх використання для стійкого далекого та наддальнього радіозв'язку та радіонавігації, незважаючи на високий рівень атмосферних перешкод. Смуга частот від 150 кГц до 300 кГц використовується для радіомовлення. Труднощі застосування частотного діапазону дуже низьких пов'язані з громіздкістю антенних систем з високим рівнем атмосферних перешкод, відносною обмеженістю швидкості передачі інформації. Повільні коливання хвиль дуже низьких частот не можна модулювати швидкими процесами, що несуть інформацію з високою швидкістю. Як писав з цього приводу М.Вінер, "Не можна зіграти джигу на нижньому регістрі органу".

Середні хвилі(300 кГц…3000 кГц) вдень поширюються вздовж Землі (земна чи пряма хвиля). Відбита від іоносфери хвиля практично відсутня, оскільки хвилі сильно поглинаються у шарі Dіоносфери. Вночі через відсутність сонячного випромінювання шар Dзникає, з'являється іоносферна хвиля, відбита від шару Е. При цьому дальність поширення та, відповідно, прийому зростає. Додавання прямої і відбитої хвиль тягне у себе сильну мінливість поля у точці прийому. Тому іоносферна хвиля – джерело перешкод багатьом служб, використовують поширення земної хвилі.

Короткі хвилі(3 МГц ... 30 МГц) слабо поглинаються D-і Е-шарами і відбиваються від шару F, коли їх частоти< 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.

Для дуже високих частоті УКХ (30…1000 МГц) характерно переважання поширення радіохвиль всередині тропосфери і проникнення крізь іоносферу. Роль земної хвилі падає. Поля перешкод у низькочастотній частині цього діапазону все ще можуть визначатися віддзеркаленнями від іоносфери, і до частоти 60 МГц іоносферне розсіювання продовжує відігравати помітну роль. Усі види поширення радіохвиль, крім тропосферного розсіювання, дозволяють передавати сигнали з шириною смуги частот кілька МГц.

Хвилі УВЧі НВЧ (1000 МГц ... 10 000 МГц) поширюються в основному в межах прямої видимості і характеризуються низьким рівнем шумів. У цьому діапазоні при поширенні радіохвиль відіграють роль відомі області максимального поглинання і частоти випромінювання хімічних елементів (наприклад, лінії резонансного поглинання молекулами водню поблизу частоти 1,42 ГГц).

Хвилі НВЧ (>10 ГГц) поширюються лише межах прямої видимості. Втрати в цьому діапазоні дещо вищі, ніж на нижчих частотах, причому на їхню величину сильно впливає кількість опадів. Зростання втрат цих частотах частково компенсується зростанням ефективності антенних систем. Схема, що ілюструє особливості поширення радіохвиль різним діапазоном, ілюструється рис. 13.3.

Мал. 13.3. Поширення електромагнітних хвиль у приземному просторі

Незважаючи на те, що історично випромінювання оптичного діапазону хвиль почали використовуватися людством набагато раніше, ніж будь-які інші електромагнітні поля, поширення через атмосферу оптичних хвиль найменше вивчено порівняно з поширенням будь-яких хвиль радіодіапазону. Пояснюється це складнішою картиною явищ поширення, а також і тим, що ширше вивчення цих явищ почалося лише останнім часом, після винаходу та початку широкого застосування всебічного оптичних квантових генераторів – лазерів.

Три основні явища зумовлюють закономірності поширення оптичних хвиль через атмосферу: поглинання, розсіювання та турбулентність. Перші два визначають середнє згасання електромагнітного поля за фіксованих атмосферних умов і порівняно повільні зміни поля (повільні завмирання), за зміни метеорологічних умов. Третє явище - турбулентність викликає швидкі зміни поля (швидкі завмирання), що спостерігаються за будь-якої погоди. Крім цього, через турбулентність спостерігається ефект багатопроменевості, коли структура променя, що прийшов на прийом, може істотно змінитися в порівнянні зі структурою променя на виході передавального пристрою.

Радіотехнічні ланцюги та елементи, що використовуються для здійснення перелічених у § 1.2 перетворень сигналів та коливань, можна розбити на такі основні класи:

лінійні ланцюги із постійними параметрами;

лінійні ланцюги із змінними параметрами;

нелінійні ланцюги.

Слід відразу вказати, що в реальних радіопристроях чітке виділення лінійних та нелінійних ланцюгів та елементів не завжди можливе. Віднесення одних і тих же елементів до лінійних або нелінійних часто залежить від рівня сигналів, що впливають на них.

Проте наведена вище класифікація ланцюгів необхідна розуміння теорії та техніки обробки сигналів.

Сформулюємо основні властивості цих кіл.

2. ЛІНІЙНІ ЛАНЦЮГИ З ПОСТІЙНИМИ ПАРАМЕТРАМИ

Можна виходити з таких визначень.

1. Ланцюг є лінійним, якщо елементи, що входять до нього, не залежать від зовнішньої сили (напруги, струму), що діє на ланцюг.

2. Лінійний ланцюг підпорядковується принципу суперпозиції (накладення).

У математичній формі цей принцип виражається такою рівністю:

де L – оператор, що характеризує вплив ланцюга на вхідний сигнал.

Суть принципу суперпозиції може бути сформульована наступним чином: при дії на лінійний ланцюг кількох зовнішніх сил поведінку ланцюга (струм, напруга) можна визначити шляхом накладання (суперпозиції) рішень, знайдених для кожної з сил окремо. Можна використовувати ще й таке формулювання: у лінійному ланцюзі сума ефектів від окремих впливів збігається з ефектом від суми впливів. При цьому передбачається, що ланцюг вільний від початкових запасів енергії.

Принцип накладання є основою спектрального і операторного методів аналізу перехідних процесів у лінійних ланцюгах, і навіть методу інтеграла накладання (інтеграл Дюамеля). Застосовуючи принцип накладення, будь-які складні сигнали передачі їх через лінійні ланцюга можна розкласти на прості, зручніші для аналізу (наприклад, гармонічні).

3. За будь-якої складної дії в лінійному ланцюгу з постійними параметрами не виникає коливань нових частот. Це випливає з того факту, що при гармонійному впливі на лінійний ланцюг з постійними параметрами коливання на виході залишається гармонійним з тією ж частотою, що і на вході; змінюються лише амплітуда та фаза коливання. Розклавши сигнали на гармонійні коливання та підставивши результати розкладання (1.1), переконаємося, що на виході ланцюга можуть існувати тільки коливання з частотами, що входять до складу вхідного сигналу.

Це означає, що жодне з перетворень сигналів, що супроводжуються появою нових частот (тобто частот, відсутніх в спектрі вхідного сигналу), не може в принципі бути здійснено за допомогою лінійного кола з постійними параметрами. Такі ланцюги знаходять найширше застосування для вирішення завдань, не пов'язаних із трансформацією спектра, таких як лінійне посилення сигналів, фільтрація (за частотною ознакою) і т.д.

3. ЛІНІЙНІ ЛАНЦЮГИ З ЗМІННИМИ ПАРАМЕТРАМИ

Маються на увазі ланцюги, один або кілька параметрів яких змінюються в часі (але не залежить від вхідного сигналу). Подібні ланцюги часто називають лінійними параметричними.

Сформульовані у попередньому пункті властивості 1 та 2 справедливі і для лінійних параметричних ланцюгів. Однак, на відміну від попереднього випадку, навіть найпростіший гармонійний вплив створює в лінійному ланцюгу зі змінними параметрами складне коливання, що має спектр частот. Це можна пояснити на наступному прикладі. Нехай до резистори, опір якого змінюється у часі за законом

додана гармонійна ЕРС

Струм через опір

Як бачимо, у складі струму є компоненти з частотами , яких немає . Навіть із цієї найпростішої моделі зрозуміло, що, змінюючи у часі опір, можна здійснити перетворення спектра вхідного сигналу.

Аналогічний результат, хоч і з більш складними математичними викладками, можна отримати для ланцюга зі змінними параметрами, що містить реактивні елементи - котушки індуктивності та конденсатори. Це питання у гол. 10. Тут лише зазначимо, що лінійний ланцюг зі змінними параметрами перетворює частотний спектр впливу і, отже, може бути використаний для деяких перетворень сигналів, що супроводжуються трансформацією спектра. З подальшого буде також видно, що періодична зміна в часі індуктивності або ємності коливального ланцюга дозволяє за деяких умов здійснити накачування енергії від допоміжного пристрою, що змінює цей параметр (параметрические підсилювачі і параметричні генератори, гл. 10).

4. НЕЛІНІЙНІ ЛАНЦЮГИ

Радіотехнічний ланцюг є нелінійним, якщо до його складу входять один або кілька елементів, параметри яких залежать від рівня вхідного сигналу. Найпростіший нелінійний елемент – діод з вольт-амперною характеристикою, представленою на рис. 1.4.

Перелічимо основні властивості нелінійних кіл.

1. До нелінійних ланцюгів (і елементів) принцип суперпозиції не застосовується. Ця властивість нелінійних ланцюгів тісно пов'язана з кривизною вольтамперних (або інших аналогічних) характеристик нелінійних елементів, що порушує пропорційність між струмом і напругою. Наприклад, для діода, якщо напрузі відповідає струму а напрузі - струм то сумарному напрузі відповідатиме струм відмінний від суми (рис. 1.4).

З цього прикладу видно, що з аналізі впливу складного сигналу на нелінійну ланцюг його не можна розкладати більш прості; необхідно шукати відгук ланцюга на результуючий сигнал. Незастосовність для нелінійних ланцюгів принципу суперпозиції унеможливлює спектральний та інші методи аналізу, засновані на розкладанні складного сигналу на складові.

2. Важливою властивістю нелінійного кола є перетворення спектра сигналу. При дії на нелінійний ланцюг найпростішого гармонійного сигналу в ланцюзі, крім коливань основної частоти, виникають гармоніки з частотами, кратними основній частоті (а в деяких випадках і постійна складова струму або напруги). Надалі буде показано, що при складній формі сигналу в нелінійному ланцюзі, крім гармонік, виникають ще й коливання з комбінаційними частотами, що є результатом взаємодії окремих коливань, що входять до складу сигналу.

З погляду перетворення спектра сигналу слід підкреслити важливе різницю між лінійними параметричними і нелінійними ланцюгами. У нелінійному ланцюзі структура спектра на виході залежить тільки від форми вхідного сигналу, а й його амплітуди. У лінійному параметричному ланцюгу структура спектра від амплітуди сигналу залежить.

Особливий інтерес для радіотехніки становлять вільні коливання у нелінійних ланцюгах. Подібні коливання називаються автоколебаними, оскільки вони виникають і можуть стійко існувати без зовнішнього періодичного впливу. Витрата енергії компенсується джерелом енергії постійного струму.

Основні радіотехнічні процеси: генерація, модуляція, детектування та перетворення частоти – супроводжуються трансформацією частотного спектру. Тому ці процеси можна здійснити за допомогою або нелінійних або лінійних параметричних ланцюгів. У деяких випадках використовуються одночасно нелінійні, так і лінійні параметричні ланцюги. Слід, крім того, наголосити, що нелінійні елементи працюють у поєднанні з лінійними ланцюгами, що здійснюють виділення корисних компонентів перетвореного спектра. У зв'язку з цим, як зазначалося на початку даного параграфа, розподіл ланцюгів на лінійні, нелінійні і лінійні параметричні досить умовно. Зазвичай для опису поведінки різних вузлів одного й того радіотехнічного пристрою доводиться застосовувати різноманітні математичні методи - лінійні і нелінійні.

Мал. 1.4. Вольт-амперна характеристика нелінійного елемента (діода)

Викладені вище основні властивості ланцюгів трьох класів - лінійних з постійними параметрами, лінійних параметричних і нелінійних - зберігаються за будь-яких форм реалізації ланцюгів: з зосередженими параметрами, з розподіленими параметрами (лінії, випромінюючі пристрої) і т. д. Ці властивості поширюються також і на пристрої цифрової обробки сигналів.

Слід, проте, підкреслити, що покладений основою поділу ланцюгів на лінійні і нелінійні принцип суперпозиції сформульований вище операції підсумовування сигналів на вході ланцюга [див. (1.1). Однак цією операцією не вичерпуються вимоги до сучасних систем обробки сигналів. Важливим для практики є, наприклад, випадок коли сигнал на вході ланцюга є добутком двох сигналів. Виявляється, що і для подібних сигналів можна здійснити обробку, що підкоряється принципу суперпозиції, проте ця обробка буде поєднанням спеціально підібраних нелінійних та лінійних операцій. Подібна обробка називається гомоморфною.

Синтез подібних пристроїв розглядається в кінці курсу (див. гл. 16), після вивчення лінійних та нелінійних ланцюгів, а також цифрової обробки сигналів, розвиток якої і стало поштовхом до широкого застосування гомоморфної обробки.

З попереднього видно, наскільки різноманітним перетворенням піддається сигнал у процесі передачі каналом зв'язку. Деякі з цих процесів є обов'язковими для більшості радіотехнічних систем незалежно від їх призначення, а також від характеру повідомлень, що передаються. Перерахуємо ці фундаментальні процеси і принагідно відзначимо їх основні риси стосовно узагальненої схеми радіотехнічного каналу, представленої на рис. 1.1.

Перетворення вихідного повідомлення на електричний сигнал і кодування. При передачі мови та музики таке перетворення здійснюється за допомогою мікрофона, при передачі зображень (телебачення) - за допомогою трубок, що передають (наприклад, суперортикона). При передачі письмового повідомлення (радіотелеграфія) спочатку здійснюють кодування, що полягає в тому, що кожна буква тексту замінюється комбінацією стандартних символів (наприклад, точок, тире і пауз у коді Морзе), які потім перетворюють на стандартні електричні сигнали (наприклад, імпульси різної тривалості або різної полярності).

Слід зазначити, що схема на рис. 1.1 відповідає випадку, коли інформація вводиться "на початку" каналу зв'язку, тобто безпосередньо в передавачі. Дещо інакша справа, наприклад, в радіолокаційному каналі, де інформація про мету (дальність, висота, швидкість і т. д.) вводиться в результаті відображення радіохвилі від мети у вільному просторі.

Генерація високочастотних коливань. Високочастотний генератор є джерелом коливань несучої частоти. Залежно від призначення радіоканалу зв'язку потужність коливань змінюється від тисячних часток вата до мільйонів ват. Природно, що конструктивні форми та розміри цих генераторів різні – від найпростішого малогабаритного елемента до грандіозної технічної споруди.

Основними характеристиками високочастотного генератора є частота і діапазон (можливість швидкої перебудови з однієї робочої частоти на іншу), потужність і коефіцієнт корисної дії. Особливо важливе значення має стабільність частоти коливань. Радіотехніка у цьому відношенні перебуває у винятковому положенні. Умови поширення радіохвиль та широкий спектр частот сигналів диктують застосування дуже високих частот. Умови обробки сигналів на тлі перешкод і необхідність ослаблення взаємних перешкод між різними радіоканалами змушують домагатися максимально можливого зменшення абсолютних змін частоти. Це призводить до надзвичайно жорстких вимог щодо відносної стабільності частоти.

Управління коливаннями (модуляція). Процес модуляції полягає у зміні одного або декількох параметрів високочастотного коливання за законом повідомлення, що передається. Частоти модулюючого сигналу, як правило, малі в порівнянні з несучою частотою генератора Для здійснення модуляції використовуються різні прийоми, зазвичай засновані на зміні потенціалу електродів електронних приладів, що входять в схему радіопередавального пристрою. Основна характеристика процесу модуляції – ступінь відповідності між зміною параметра високочастотного коливання та модулюючим сигналом.

Посилення слабких сигналів у приймачі. Антена приймача вловлює нікчемну частку енергії, що випромінюється антеною передавача, Залежно від відстані між передавальної та приймальною станціями, від ступеня спрямованості випромінювання антен та умов поширення радіохвиль потужність на вході приймача 10 -10 ... 10 -14 Вт. На виході приймача для надійної реєстрації сигналу потрібна потужність порядку міліватів, одиниць ватів і більше. Звідси видно, що посилення в приймачі має досягати 107...1014 за потужністю або 104...107 за напругою.

У сучасних приймачах впевнена реєстрація сигналу забезпечується при напрузі на вході порядку мікровольта. Вирішення цієї складної задачі виявляється можливим завдяки досягненням сучасної електроніки. Велику роль грають також спеціальні методи побудови схем приймачів, які забезпечують велике посилення за збереження стійкості роботи приймача. До таких методів відноситься перетворення (зниження) частоти коливання в тракті приймача, що здійснюється так, що при цьому зберігається структура сигналу, що передається (у схемі на рис. 1.1 процес перетворення частоти не позначений). Крім прийомних пристроїв, процес перетворення частоти широко використовується в різних радіотехнічних та радіовимірювальних пристроях.

Проблема посилення приймача невіддільна від проблеми виділення сигналу і натомість перешкод. Тому одним із основних параметрів приймача є вибірковість, під якою мається на увазі здатність виділяти корисні сигнали із сукупності сигналу та сторонніх впливів (перешкод), що відрізняються від сигналу частотою. Частотна вибірковість здійснюється за допомогою резонансних коливальних кіл.

Виділення повідомлення з високочастотного коливання (детектування та декодування). Детектування є процесом, зворотним стосовно модуляції. В результаті детектування має бути отримана напруга (струм), що змінюється в часі так само, як змінюється один із параметрів (амплітуда, частота або фаза) модульованого коливання. Іншими словами, має бути відновлено повідомлення, що передається. Детектор, як правило, включається на виході приймача, отже до нього підводиться модульоване коливання, вже посилене попередніми ступенями приймача. Основна вимога до детектора – точне відтворення форми сигналу.

Після детектування здійснюється декодування сигналу, т. Е. Процес, зворотний кодування. У ряді радіотехнічних каналів кодування та декодування не використовуються.

Крім перерахованих процесів, однак пов'язаних із перетворенням частотних спектрів, в радіотехнічних пристроях широке застосування знаходить посилення коливань без трансформації частоти, здійснюване у різних підсилювачах. До таких підсилювачів належать:

Низькочастотні підсилювачі керуючих сигналів, що використовуються перед модулятором передавача, а також на виході приймача;

Підсилювачі коротких імпульсів, що застосовуються у телевізійній та радіолокаційній техніці, а також у імпульсних системах радіозв'язку;

Високочастотні підсилювачі великої потужності, що використовуються в радіопристроях;

Високочастотні підсилювачі слабких сигналів, які застосовуються в радіоприймальних та вимірювальних пристроях.

Крім згаданих процесів, властивих, як зазначалося, будь-якої радіотехнічної лінії, у низці спеціальних випадків широко застосовуються інші процеси: множення і розподіл частоти, генерація коротких імпульсів, різні види імпульсної модуляції тощо.

"ЗАТВЕРДЖУЮ"

Проректор по навчальній роботі

_____________В.Г.Прокошев

«____»______________2011р.

РОБОЧА ПРОГРАМА ДИСЦИПЛІНИ
«Радіотехнічні ланцюги та сигнали»

(назва дисципліни)

Напрям підготовки 210400 «Радіотехніка»
Профілі підготовки «Радіотехніка», «Радіофізика»
Кваліфікація (ступінь) випускника Бакалавр
Форма навчання очна

Семестр	Трудомісткість (зач.од./год.)	Лекцій (год.)	Практ. занять (година.)	лаборат. робіт (година.)	Курс. роб. (година.)	СРС	Форма контролю (екз./залік)
4	4/144	34	17	17	---	76	Залік
5	3/108	17	17	17	30	27	Іспит, залік (кр)
Разом	7/252	51	34	34	30	103	Іспит, залік (кр)

Володимир, 2011

Цілі освоєння дисципліни

Дисципліна «Радіотехнічні ланцюги та сигнали» є фундаментальним курсом, присвяченим спектральному та кореляційному аналізу детерменованих та випадкових сигналів та їх перетворення у різних лінійних та нелінійних пристроях. Отримані знання можуть бути використані в процесі вивчення спеціальних радіотехнічних дисциплін, а також під час аналізу радіотехнічних сигналів у процесі розробки та експлуатації радіосистем.

Метою освоєння дисципліни «Радіотехнічні ланцюги та сигнали» є: прищеплення студентам, по-перше, глибокого розуміння властивостей різних радіосигналів і радіоланцюгів, сутності та особливостей процесів, що відбуваються при проходженні сигналів через радіотехнічні ланцюги; по-друге, вміння аналітично описувати, аналізувати та експериментально досліджувати процеси в радіоланцюжках на основі випромінюваних в курсі методів та методик, тим самим закладається фундамент теоретичних та практичних знань та умінь, що використовуються при вивченні студентами спеціальних дисциплін за спеціальністю «Радіотехніка». Підготовка в галузі радіотехніки для різних сфер професійної діяльності спеціаліста:

проектно-конструкторської;
виробничо-технологічної;
науково-дослідницькій;
організаційно-управлінської;
монтажно-налагоджувальною;
сервісно-експлуатаційної.

У завдання дисципліни входить навчання студента знанням з

класифікації, фундаментальним властивостям та основним характеристикам радіосигналів та радіоланцюгів у часовій та частотних областях, законам перетворення сигналів у різних радіоланцюгах;
методів аналізу передачі детерменованих та випадкових коливань через лінійні (з постійними параметрами), параметричні, нелінійні та дискретні ланцюги, межі застосування та властивості методів;
способів закладення та вилучення інформації з радіосигналів, принципів побудови пристроїв для цих цілей, джерел і способів зменшення помилок та спотворень повідомлення;
основ синтезу ланцюгів;
методи оптимальної фільтрації сигналів;

Місце дисципліни у структурі ОВП ВПО

Дисципліна «Радіотехнічні ланцюги та сигнали» відноситься до загальнопрофільних дисциплін:

Код УЦ ООП навчального циклу основної освітньої програми (розділу) – Б3;
Професійний цикл;
Базова (загальноосвітня) частина.

Взаємозв'язок з іншими дисциплінами

Курс «Радіотехнічні ланцюги та сигнали» ґрунтується на знанні «Математики», «Фізики», «Електроніки», «Цифрових пристроїв та мікропроцесорів», «Схемотехніки аналогових електронних пристроїв», «Основ теорії ланцюгів», «Електродинаміки та поширення радіохвиль» і є базою для вивчення «Передатників та пристроїв формування сигналів», «Пристроїв прийому та обробки сигналу», «Радіотехнічних систем», «Радіоавтоматики» та ін.

Компетенції учня. Формовані внаслідок освоєння дисципліни

В результаті освоєння дисципліни учень повинен мати наступні загальнокультурні компетенції (ОК)

Здатністю володіти культурою мислення, здатністю до узагальнення, аналізу, сприйняття інформації, постановки мети та вибору шляхів її досягнення (ОК-1)
Здатністю логічно правильно, аргументовано і ясно будувати усне та письмове мовлення (ОК-2)
Здібністю до кооперації з колегами, роботі в колективі (ОК-3)
Здатністю використовувати основні закони природничих дисциплін у професійній діяльності, застосовувати методи математичного аналізу та моделювання, теоретичного та експериментального дослідження (ОК-10),

а також наступними професійними компетенціями (ПК)

Здатністю представляти адекватну сучасному рівню знань наукову картину світу на основі знання основних положень, законів та методів природничих наук та математики (ПК-1)
Здатністю виявляти природничо сутність проблем, що виникають у ході професійної діяльності, залучати для їх вирішення відповідний фізико-математичний апарат (ПК-2)
Готовністю враховувати сучасні тенденції розвитку електроніки, вимірювальної та обчислювальної техніки, інформаційних технологій у своїй професійній діяльності (ПК-3)
Здатність володіти методами вирішення завдань аналізу та розрахунку характеристик електричних кіл (ПК-4)
Здатністю володіти основними прийомами обробки та подання експериментальних даних (ПК-5)
Здатністю збирати, обробляти, аналізувати та систематизувати науково-технічну інформацію з тематики дослідження, використовувати досягнення вітчизняної та зарубіжної науки, техніки та технології (ПК-6)
Здатністю здійснювати збір та аналіз вихідних даних для розрахунку та проектування деталей, вузлів та пристроїв радіотехнічних систем (ПК-9)
Готовністю виконувати розрахунок та проектування деталей, вузлів та пристроїв радіотехнічних систем відповідно до технічного завдання з використанням засобів автоматизації проектування (ПК-10)
Готовністю організовувати метрологічне забезпечення виробництва (ПК-16)
Здатністю здійснювати збір та аналіз науково-технічної інформації, узагальнювати вітчизняний та зарубіжний досвід у галузі радіотехніки, проводити аналіз патентної літератури (ПК-18)
Здатністю реалізовувати програми експериментальних досліджень, включаючи вибір технічних засобів та обробку результатів (ПК-20)
Здатністю виконувати завдання в галузі сертифікації технічних засобів, систем, процесів, обладнання та матеріалів (ПК-25)
Здатністю проводити повірку, налагодження та регулювання обладнання та налаштування програмних засобів, що використовуються для розробки, виробництва та налаштування радіотехнічних пристроїв та систем (ПК-27)
Здатністю брати участь в організації технічного обслуговування та налаштування радіотехнічних пристроїв та систем (ПК-29)
Готовністю здійснювати перевірку технічного стану та залишкового ресурсу обладнання, організовувати профілактичні огляди та поточний ремонт (ПК-30)
Здатність розробляти інструкції з експлуатації технічного обладнання та програмного забезпечення (ПК-32)

В результаті освоєння дисципліни учень повинен:
Знати:

основні типи активних приладів, їх моделі та способи їхнього кількісного опису при використанні в радіотехнічних ланцюгах та пристроях;
методи аналізу ланцюгів постійного та змінного струму у часовій та частотній областях;
основні методи вимірювання характеристик радіотехнічних ланцюгів та сигналів, оцінки їх надійності та точності;
основні види детермінованих та випадкових сигналів у радіотехніці та методи їх перетворення;
стандартні пакети прикладних програм, орієнтованих рішення наукових і проектних завдань радіоелектроніки;
принципи побудови пристроїв обробки сигналів у радіосистемах та комплексах різного призначення;

Вміти:

використовувати стандартні пакети прикладних програм на вирішення практичних завдань;
застосовувати комп'ютерні системи та пакети прикладних програм для проектування та дослідження радіотехнічних пристроїв;
застосовувати статистичні теорії виявлення-розрізнення сигналів, оцінювання їх параметрів та фільтрації інформаційних процесів;
використовувати теорію оптимального прийому сигналів під час проектування радіосистем передачі;

Володіти:

методами та засобами розробки та оформлення технічної документації;
моделями активних приладів, що використовуються у радіотехніці;
методами аналізу електричних кіл у стаціонарному та перехідному режимах;
спектральними методами аналізу детермінованих та випадкових сигналів та їх перетворень в електричних ланцюгах;
типовими програмними засобами для автоматизації проектування та моделювання радіоелектронних ланцюгів, пристроїв та систем;
статистичними методами аналізу та синтезу радіотехнічних систем та пристроїв.

СТРУКТУРА І ЗМІСТ ДИСЦИПЛІНИ

4.1. Теоретичний курс

4.1.1. Вступ
Вимоги навчального плану та робочої програми з дисципліни. Бали рейтингової системи атестації студентів. Рекомендації щодо вивчення курсу, взаємозв'язок з іншими дисциплінами.

Література Структурна схема системи передачі. Основні радіотехнічні процеси. Основні поняття, терміни та визначення.

Предмет та завдання дисципліни, її місце у системі знань інженера. Роль радіотехніки у наукових розробках та у промисловому виробництві.

Вимоги до роботи.
4.1.2. Основні характеристики сигналів. Класифікація сигналів.
Типові ланцюги радіотехнічні. Критерії класифікації. Детерміновані та випадкові, безперервні, дискретні, квантовані та цифрові сигнали, керуючі та модульовані коливання. Особливості поширення радіохвиль різних діапазонів.
4.1.3. Спектральний аналіз періодичних сигналів.
Узагальнений ряд Фур'є. Гармонійний аналіз періодичних сигналів.
4.1.4. Спектральний аналіз неперіодичних сигналів.
Перетворення Фур'є та його властивості.
4.1.5. Розподіл потужності у спектрі періодичного сигналу та енергії у спектрі неперіодичного сигналу
Незалежність середньої потужності періодичного сигналу від фаз окремих гармонік. Рівність Парсеваля. Співвідношення між тривалістю сигналу та шириною спектра (лема Рімана). приклади.
4.1.6. Одиничний імпульс та одиничний стрибок
Поняття про дельту-функцію (імпульс) як граничне вираження деяких імпульсів одиничної площі. Дельта-функція у часовій та частотній областях, її спектр та властивості. Одиничний стрибок, способи його введення, зв'язок із дельта-функцією, спектр. Висновки.
4.1.7. Кореляційний аналіз детермінованих коливань.
Поняття кореляційної функції детермінованого сигналу, її властивості, зв'язок із спектральною характеристикою. Взаємна кореляційна функція. Когерентність. приклади.
4.1.8. Дискретизація сигналів. Теорема та ряд Котельникова.
Подання сигналів з обмеженою частотною смугою у вигляді Котельникова. Число ступенів свободи сигналу. Теорема відліків у частотній області.
4.1.9. Лінійні радіоланцюги з постійними параметрами.
Визначення та основні властивості лінійних ланцюгів. АЧХ та ФЧХ аперіодичного та резонансного підсилювачів. Методи визначення АЧХ та ФЧХ. приклади. Ідеальні та реальні диференціюючі та інтегруючі ланцюги, їх АЧХ та ФЧХ, застосування операційних підсилювачів. Порівняння тимчасових характеристик ідеальних та реальних кіл.
4.1.10. Лінійні ланцюги із зворотним зв'язком.
Основні характеристики систем із зворотним зв'язком. Критерії стійкості. Негативний зворотний зв'язок. Системи із затримкою в ланцюгу із зворотним зв'язком. Імпульсна характеристика ідеального та реального гребінчастого фільтра.
4.1.11. Радіосигнали, АМ-коливання та їх спектри.
Умови повільності зміни амплітуди, фази, частоти. АМ-коливання, основні поняття та визначення. Амплітудна модуляція. Спектр та векторна діаграма АМ-коливання при модуляції гармонійним та складним сигналом. приклади.
4.1.12. Кутова модуляція. Спектр коливання з РОЗУМ.
Фаза та миттєва частота коливання. Спектр коливання за РОЗУМ. Спектр сигналу. Зв'язок ФМ та ЧС. Радіоімпульс із ЛЧМ сигналом з великою базою.
4.1.13. Спектр коливання за змішаної амплітудно-кутової модуляції.
Загальне уявлення таких вагань. Спектр коливання при змішаній амплітудно-фазовій модуляції гармонійним сигналом однієї частоти (2 випадки). Причини несиметрії діапазону.
4.1.14. Огинальна, частота та фаза вузькосмугового коливання.
Багатозначність визначення огинаючої та фази вузькосмугового коливання. Встановлення неоднозначності введенням додаткового, сполученого Гільбертом сигналу. Основні співвідношення. Властивості огинаючої, визначення миттєвої частоти та фази коливання за заданим сигналом. Приклад бігармонійного коливання.
4.1.15. аналітичний сигнал.
Узагальнення поняття комплексної амплітуди. Поняття комплексної огинаючої. Аналітичний (комплексний) сигнал та його зв'язок із заданим фізичним сигналом, властивості та зв'язок спектрів вихідного сигналу, що огинає, комплексної огинаючої та аналітичного сигналу. Властивості аналітичного сигналу та перетворення Гільберта.
4.1.16. Дискретизація вузькосмугового коливання Котельникова.
Зв'язок періоду (частоти) вибірок зі спектром огинаючої та фази модульованого коливання. Відмінність інформаційної ємності сигналів з різними видами модуляції.
4.1.17. Проходження детермінованих коливань через лінійні ланцюги із постійними параметрами.
Методи аналізу проходження коливань у лінійних ланцюгах. Спектральний метод. приклад. Метод інтеграла накладання. приклад.
4.1.18. Вплив радіосигналів на виборчі кола.
Особливості передачі сигналів через виборчі кола. Наближений спектральний метод, спрощений метод інтегралу накладання. Особливості застосування.
4.1.19. Спотворення модульованих коливань у виборчих ланцюгах.
Спотворення АМ-сигналів. Спотворення ФМ та ЧС-сигналів. Метод миттєвої частоти з прикладу резонансного підсилювача.
4.1.20. Нелінійні ланцюги та методи нелінійної теорії. Нелінійні елементи, їх характеристики та властивості.
Нелінійні елементи. Апроксимація нелінійних характеристик. Перетворення спектра в ланцюги з резистивним нелінійним елементом при дії одного та двох синусоїдальних напруг. Теорія комбінаційних частот. Нелінійний ланцюг із фільтрацією.
4.1.21. Отримання та детектування АМ-коливань.
Отримання АМ_коливань. Детектування АМ-коливань. Умови неспотвореного детектування коливань.
4.1.22. Частотне та фазове детектування, перетворення частоти сигналів, синхронне детектування.
Принципи побудови частотних та фазових детекторів, особливості перетворювачів частоти синхронне детектування сигналу.
4.1.23. Структура автоколивальної системи.
Визначення коливальної системи. Структура генератора. Механізм виникнення автоколивань. Умови балансу фаз та амплітуд. Режим генератора, що встановився. М'який та жорсткий режим генератора. М'який та жорсткий режими самозбудження. Стабільність частоти. Нелінійне рівняння автогенератора. Автогенератори з коливальним контуром, із внутрішнім зворотним зв'язком, РС-генератори. Кутова модуляція в автогенераторі.
4.1.24. Параметричні ланцюги.
Принципи реалізації параметричних ланцюгів та його основні властивості. Проходження коливань через параметричні ланцюги. Передатна функція.
4.1.25. Імпульсна характеристика параметричного ланцюга.
Отримання імпульсної характеристики ланцюга першого порядку. приклад. Відмінність від ланцюга з постійними параметрами.
4.1.26. Принцип параметричного посилення.
Принцип параметричного посилення. Отримання схеми заміщення реактивності, що змінюється за гармонійним законом. Одноконтурний параметричний підсилювач.
4.1.27. Застосування параметричних кіл.
Параметричні модулятори, датчики, перетворювачі частоти.
4.1.28. Характеристики випадкових вагань.
Класифікація випадкових процесів. Закони розподілу випадкових процесів. Стаціонарні випадкові процеси. Ергодична властивість.
4.1.29. Опис випадкових сигналів у частотній та часовій областях.
Спектральна щільність потужності та кореляційна функція випадкового процесу. Теорема Вінера-Хінчина. Модель випадкового процесу як «білого шуму». приклади.
4.1.30. Вузькосмугові випадкові процеси.
Розклад сигналу на квадратурні незалежні складові. Отримання законів розподілу кореляційної функції огинаючої, частоти та фази вузькосмугового нормального шуму.
4.1.31. Марківські процеси.
Основні визначення. Узагальнене рівняння Маркова. Області застосування марківських процесів.
4.1.32. Перетворення показників випадкового процесу.
Визначення спектральної щільності потужності та кореляційної функції вихідного сигналу. Вплив "білого" шуму на лінійні ланцюги.
4.1.33. Поширення суми гармонійних коливань із випадковими фазами.
Метод характеристичних функцій та його застосування для оцінок розподілу суми гармонійних коливань з випадковими фазами.
4.1.34. Нормалізація випадкових процесів у вузькосмугових ланцюгах.
Вплив послідовності однакових імпульсів з випадковою фазою на вузькосмугову систему, вплив ЧС-коливання з випадковим періодом модуляції на вузькосмугову систему. Умови, за яких відбуватиметься нормалізація. Денормалізація.
4.1.35. Вплив суми гармонійного сигналу та шуму на амплітудний детектор.
Закон розподілу та кореляційна функція шуму, що пройшов детектор. Основні співвідношення при проходженні через детектор адитивної суміші сигналу шуму. Відношення сигнал/перешкода.
4.1.36. Вплив сигналу та шуму на частотний детектор та амплітудний резонансний обмежувач.
Статичні показники сигналу на виході ланцюга. Відношення сигнал/перешкода на виході за різних співвідношень на виході.
4.1.37. Перетворення закону розподілу та енергетичного спектру у безінерційному нелінійному елементі.
Перетворення закону розподілу в лінійному елементі з однозначною та неоднозначною зворотною характеристикою. Методи пошуку енергетичних показників процесу на виході нелінійного ланцюга.
4.1.38. Оптимальна фільтрація на фоні перешкод.
Поняття основні завдання статистичної радіотехніки на прикладах різних систем. Узгоджена фільтрація заданого сигналу. Нерівність Шварца.
4.1.39. Частотні та часові характеристики узгодженого фільтра. Фізична здійсненність.
Частотна характеристика фільтра та її зв'язок із частотним спектром вхідного сигналу. Імпульсна характеристика фільтра та її зв'язок із вхідним сигналом. Критерій Пелі Вінера.
4.1.40. Сигнал та перешкода на виході узгодженого фільтра.
Форма корисного сигналу на виході. Кореляційні функції детермінованих сигналів приклади.
4.1.41. Приклади побудови узгоджених фільтрів.
Синтез та відшукання сигналу на виході узгоджених фільтрів, коли на вході пачка однакових імпульсів, імпульс з ЛЧМ. фільтр гребінчастий.
4.1.42. Формування сигналу, пов'язаного із заданим фільтром.
Принцип формування сигналу, узгодженого з цим фільтром.
4.1.43. Фільтрування заданого сигналу при не білому шумі.
Процедура відбілювання шуму. Побудова узгодженого фільтра.
4.1.44. Коди Баркер.
М-позиційні коди. Структурна схема узгодженого фільтра для Баркера коду.
4.2. Практичні заняття
Практичні заняття орієнтовані рішення завдань і прикладів, відповідних теоретичному курсу і службовців застосування отриманих знань до вирішення прикладних завдань. Введено розрахункові завдання з деяких розділів із залученням обчислювальної техніки з метою полегшення та прискорення обчислювальної роботи, дослідження нелінійних завдань, що не піддаються аналітичному рішенню, моделюванню процесів та ланцюгів.
Тема 1. Спектральний аналіз періодичних сигналів.

Мета занять: Застосування рядів Фур'є для спектрального аналізу періодичних сигналів різної форми. В аудиторії студенти здобувають навички щодо визначення спектрів сигналів. Підсумком заняття є вміння студентів визначити амплітудний та фазовий спектр періодичних сигналів.
Тема 2. Спектральний аналіз неперіодичних сигналів.

Ціль занять: Застосування інтегрального перетворення Фур'є для спектрального аналізу неперіодичних сигналів. При визначенні спектрів сигналів студенти отримують навички аналізу спектра сигналів, що управляють, вчаться визначати ефективну ширину спектра сигналів.
Тема 3. Передача сигналів через лінійні ланцюги із постійними параметрами.

Мета занять: Аналіз проходження сигналів через лінійні кола. Студенти навчаються застосовувати спектральний метод інтеграла положення при аналізі передачі сигналів через лінійні ланцюги, знайомляться з імпульсними характеристиками різних лінійних ланцюгів із постійними параметрами.
Тема 4. Аналіз амплітудно-модульованих сигналів.

Ціль занять: Вивчення структури спектра АМ-коливань. Студенти на занятті визначають спектри АМ-коливань з різними огинаючими, спектральні та векторні діаграми АМ-сигналів.
Тема 5. Аналіз радіосигналів із кутовою модуляцією.

Мета занять: Вивчення структури діапазону коливань при кутовий модуляції. Студенти навчаються розрізняти радіосигнали з фазовою та частотною модуляцією, визначати ефективну ширину спектра таких радіосигналів.
Тема 6. Передача радіосигналів через виборчі кола.

Мета занять: Набуття навичок застосування методів аналізу передачі радіосигналів через виборчі ланцюги. Аналіз базується на наближених характеристиках виборчих кіл – амплітудно-частотної та імпульсної. Порівняно з точними методами.
Тема 7. Апроксимація вольт-амперних характеристик нелінійних кіл.

Ціль занять: Вивчення можливих режимів роботи нелінійних елементів. На підставі цього студенти здобувають навички з розробки схем модульаторів, детекторів, змішувачів.
Тема 8. Модуляція та демодуляція.

Мета занять: розрахунок схем модуляторів та демодуляторів. Студенти знайомляться з практичними схемами на нелінійних елементах, за допомогою яких здійснюється перетворення сигналів та методиками їх розрахунку.
Тема 9. Випадкові процеси. Характеристики випадкових процесів.

Мета занять: Набуття навичок застосування теорії ймовірності до аналізу випадкових процесів. Студенти знайомляться із законами розподілу ймовірності радіосигналів, визначають їх числові характеристики.
Тема 10. Передача випадкових процесів через лінійні кола.

Мета занять: Отримання навичок аналізу характеристик випадкового процесу передачі його через лінійні ланцюга. Студенти вивчають та застосовують методи аналізу для різних цілей.
Тема 11. Передача випадкових процесів через нелінійні кола.

Ціль занять: Вивчення передачі випадкових процесів через типові радіотехнічні вузли. Студенти повинні розраховувати характеристики випадкових сигналів під час передачі через ланцюги – нелінійний елемент плюс навантаження (типові вузли).
Тема 12. Узгоджені фільтри.

Мета занять: Освоєння методик відгуку узгодженого фільтра на заданий сигнал та синтез структури фільтра для деяких сигналів. Студенти розраховують кореляційні функції різних сигналів, синтезують узгоджені фільтри для заданих сигналів, визначають відношення сигнал/перешкода на вході та виході фільтра.
4.3. Лабораторні роботи.
Лабораторний практикум з курсу «Радіотехнічні ланцюги та сигнали» розрахований на закріплення теоретичних знань, здобуття навичок та вивчення методик експериментальних досліджень, різних сигналів, ланцюгів та їх характеристик, та передбачає виконання 8 лабораторних робіт по 4 академічні години (дві відводиться для самостійної роботи зі складання плану експериментальних досліджень на тему, запропоновану викладачами). Роботи виконуються у два цикли, бригадами з 2-3 студентів (з урахуванням розбиття академічної групи на 2 підгрупи).

По виконаній роботі кожним студентом оформляється звіт АТ у встановленій формі. Своєчасний захист робіт – підстава для заліку з лабораторного практикуму.

Тема 1. Типові лінійні радіотехнічні ланцюги.

Тема 2. Спектральний аналіз.

Тема 3. Модулювання сигналів.

4. Транзисторні автогенератори.

Тема 5. Проходження амплітудно-модульованих коливань через виборчі кола.

Тема 6. Закони розподілу випадкових процесів.

Тема 7. Кореляційний аналіз сигналів.

Тема 8. Перетворення кореляційних функцій у лінійних радіотехнічних ланцюгах.

4.4. Курсова робота.
У типовій роботі студенти розраховують сигнал і його спектр на виході конкретного радіоланцюга або знаходять оптимальний варіант фільтра по заданому сигналу і шуму.

У курсовому проекті необхідно:

сторінка 1