1.2. Виды электронной аппаратуры и особенности ее функционирования

Передача сообщений в различных диапазонах длин волн имеет свои особенности. Наибольшую привлекательность имеют коротковолновые диапазоны. Это связано с тем, что при уменьшении длины волны возрастает эффективность излучения сигнала антеннами, появляется возможность создания направленных антенн, возрастает количество рабочих станций, которые могут быть расположены в заданном диапазоне.

Мощность, излучаемая в пространство антенной, определяется выражением: , где - ток, протекающий в антенне, -действующая длина (высота) антенны, - длина излучаемой волны.

Из представленного выражения следует, что мощность излучения возрастает при уменьшении длины волны, то есть с ростом частоты излучения. При этом следует обратить внимание на условия распространения радиоволн. На поле излучения в месте приема оказывают влияние три фундаментальных физических явления.

1. Отражение электромагнитных волн от поверхности земли. Поскольку земная поверхность обладает электрическими характеристиками – проводимостью и диэлектрической проницаемостью , отражение электромагнитных волн от поверхности земли не подчиняется законам оптики. Напряженность электромагнитного поля до отражения от поверхности земли и после него различны по амплитуде и фазе, то есть земная поверхность обладает коэффициентом отражения , характеризующим ослабление поля и изменение его фазы.

2. Дифракция. Представляет собой огибание электромагнитной волной предметов и земной поверхности. Благодаря явлению дифракции поле за земным горизонтом не равно нулю, но сильно ослаблено. Чем короче длина волны, тем сильнее ослабление поля в точке приема. Метровые и более короткие волны распространяются только в пределах прямой видимости.

3. Преломление волн в ионизированных слоях атмосферы. Ионизированные слои образуются благодаря ультрафиолетовому излучению солнца. Ионизация, вследствие сложной зависимости температуры и плотности атмосферы от высоты, изменяется не монотонно, а образует четыре ярко выраженных ионизированных слоя: на высоте 60…80 км от поверхности земли, (на высоте 100…120 км), и (на высоте 200…450 км). Из-за чередования освещенности земной поверхности (день, ночь) положение этих слоев очень изменчиво, ночью слои и практически исчезают. Высота слоев также сильно изменяется.

Указанные факторы определяют особенности образования радиолиний для различных диапазонов длин волн.

При распространении длинных волн ( метров) лучи, направленные под большим углом к ионосфере, полностью поглощаются в ней, не отражаясь к земной поверхности. Поэтому поле в точке приема образуется только за счет дифракционных процессов, ослабляясь при этом за счет поглощения в земной поверхности.

На распространение средних волн ( метров) влияют все три фактора: дифракция, отражение и преломление. Днем лучи, направленные под большим углом к ионосфере, полностью поглощаются слоем D. Поле в точке приема создается за счет дифракции. Потери энергии при поглощении в земной поверхности растут из-за возрастания частоты. Ночью слой D исчезает, а в слое Е происходит частичное преломление луча, создающее поле в точке приема.

В коротковолновом диапазоне ( метров) явление дифракции при передаче волн несущественно, из-за резкого возрастания поглощения в земной поверхности. Поле в точке приема создается за счет отражения от ионизированных слоев атмосферы.

Дециметровые и сантиметровые волны распространяются вдоль поверхности земли только в пределах прямой видимости. Поглощение в земной поверхности велико. Ионосфера для этих волн полностью прозрачна. Для волн короче 2 см начинает проявляться процесс поглощения электромагнитных волн молекулами кислорода и других газов, содержащихся в ионосфере. Это поглощение имеет резонансный характер – образуются области частот высокого поглощения и относительно прозрачные «окна».

Радиотехнические системы передачи, приема и обработки информации по функциональному признаку можно разделить на: системы радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиолокации, радионавигации, радиотелеметрии, радиотелеуправления.

Значительным достижением современной радиоэлектроники является создание общей теории построения оптимальных в каком-то смысле систем, которая основана на вероятностном подходе, вследствие принципиальной необходимости учета помех. Важной особенностью этой теории является то, что оптимальной системе соответствует количественная оценка на основании введения понятия критерия или целевой функции системы. Критерием может быть, например, минимальная вероятность ошибок при заданных мощностях или минимальная стоимость системы при заданных значениях ошибок.

Общая теория в ряде случаев позволяет математически строго и однозначно путем математического синтеза найти алгоритм работы системы и ее структурную схему. Полученная такими средствами система называется оптимальной.

Основное назначение систем передачи информации состоит в передаче сообщений. Сообщения могут быть непрерывными и дискретными. Дискретными сообщениями являются последовательности любых знаков, которые называются алфавитом сообщения. Непрерывные сообщения являются непрерывными функциями времени.

Сообщения передаются в материально-энергетической форме в виде радиотехнических сигналов. Они образуются путем наложения сообщений на несущее колебание, обычно гармоническое, которое и создает поле излучения.

Пусть несущее гармоническое колебание , где , и - амплитуда, частота и начальная фаза несущего колебания. Сущность наложения на состоит в изменении (модуляции) одной из этих величин в соответствии с сообщением .

Наиболее просто описывается изменение амплитуды или амплитудная модуляция. Предположим, что , где -коэффициент пропорциональности, - амплитуда при . В этом случае выражение для амплитудно-модулированного сигнала примет вид:

.

Рассмотрим сообщение , состоящее из N гармонических колебаний с соответствующими амплитудами, частотами и начальными фазами, то есть если .

После преобразования и подстановки имеем:

Здесь - частичный коэффициент модуляции, характеризующий наибольшее относительное приращение амплитуды, вызванной i-й составляющей . Из приведенного выражения следует, что амплитудно-модулированный сигнал является суммой гармонических колебаний с различными частотами, амплитудами и начальными фазами. Эти колебания в совокупности образуют спектр сигнала. В спектре амплитудно-модулированного сигнала можно выделить три различные группы гармонических колебаний: несущее колебание (первое слагаемое); колебания, имеющие частоты и начальные фазы , называемые верхними боковыми; колебания имеющие частоты и начальные фазы , называемые нижними боковыми. Боковые составляющие существуют лишь в случае, если , то есть если есть модуляция несущего колебания.

Важнейший для практики вывод состоит в том, что амплитудно-модулированный сигнал занимает полосу частот, ширина которой, равна . При этом средняя частота спектра равна частоте несущего колебания.

При разработке современных радиоэлектронных систем большое внимание уделяется освоению СВЧ диапазона. К СВЧ относятся электромагнитные колебания с частотами от 600 МГц до 30 ГГц. В этом диапазоне длин волн электромагнитное излучение удается сконцентрировать в узконаправленный луч, что позволяет создать экономичные, помехозащищенные системы связи, обнаружения и сопровождения целей.

Второй особенностью этого диапазона частот является его большая информативная емкость. В нем возможно разместить до сотен тысяч каналов телефонной и телеграфной связи, организовать многоканальную передачу широкополосных телевизионных сигналов.

Третьей важной особенностью этого диапазона является способность СВЧ колебаний свободно проходить через ионизированные слои атмосферы, что позволяет использовать его для организации систем космической связи.

Существенной особенностью является уменьшение спектральной плотности мощности всех видов помех с увеличением частоты. Минимальный уровень принимаемых сигналов в диапазоне СВЧ практически определяется малым уровнем помех, возникающих в самих приемных устройствах. Техника СВЧ как средство связи, получения, обработки и передачи информации, обнаружения, идентификации и сопровождения движущихся объектов все более широко используется в различных областях народного хозяйства.

Благодаря широкому применению в спутниковых, корабельных и авиационных приемопередающих системах микроэлектронных устройств НЧ и СВЧ было обеспечено решение сложнейших задач: автоматизации процесса приема и передачи информации, электронного управления диаграммой направленности антенн, создания многолучевых антенных решеток и малогабаритной компактной аппаратуры с выводом информации на дисплей и печатающие устройства. Дальнейший прогресс техники СВЧ связан с широким внедрением цифровых методов передачи информации, обеспечивающих увеличение скорости ее передачи и повышение помехозащищенности, а также с освоением новых диапазонов частот, в частности диапазона миллиметровых волн.

С каждым годом возрастает использование РЭС в бытовых целях и для организации бизнеса. В первую очередь следует отметить широкое распространение спутникового телевидения и радиотелефонной связи. Постоянно увеличивается число программ спутникового телевидения, принимаемых в регионах страны, растет площадь покрытия мобильной связью.

В медицинской технике РЭС используются в системах непрерывного наблюдения (мониторинга) за физиологическими показателями человека, в частности, прием, передача и анализ ЭКГ и ЭЭГ-сигналов, анализ плетизмограмм при наблюдении за органами дыхания. Автоматизированные системы определения биохимических показателей позволяет повысить точность анализа и усовершенствовать способы получения и хранения информации. Широкое распространение получили анализаторы газового состава крови, аппаратура для управления сложными многостадийными химическими реакциями.

Системы ультразвуковой диагностики также основаны на использовании электронных автоматизированных систем.

Важным аспектом современного подхода к построению РЭС является широкое использование дискретной (цифровой) обработки сообщений и сигналов. Цифровые системы обработки сигналов позволяют создавать универсальные, высоконадежные, достаточно простые в производстве и эксплуатации РЭС.