/
Автор: Мазор Ю.Л. Мачусский Е.А. Правда В.И.
Теги: электротехника справочники и справочные пособия по радиотехнике электроника радиотехника энциклопедия
ISBN: 5-94120-012-9
Год: 2002
Текст
Под редакцией
Ю.Л. Мазора, Е.А. Мачусского, В.И. Правды
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ
ОДЭКА
Москва
Издательский дом «Додэка-ХХ1»
2002
УДК 621.37(031)
ББК 32.84я2
Р15
Р15 Радиотехника: Энциклопедия/ Под ред. Ю.Л. Мазора,
Е.А. Мачусского, В.И. Правды. — М.: Издательский дом «Додэка-XXI»,
2002. — 944 с.
ISBN 5-94120-012-9
В энциклопедии помещен материал, терминологический состав которого в основ-
ном связан с материалами курсов радиотехнических дисциплин, преподаваемых в ву-
зах. Примерно 2500 статей словаря дают толкование примерно 4000 наиболее часто
употребляющихся радиотехнических терминов.
Книга может быть использована двояко, как энциклопедия по радиотехнике и как
сборник 33 кратких учебников по основным радиотехническим дисциплинам.
Для студентов радиотехнических специальностей вузов, а также для студентов
смежных специальностей, аспирантов, радиоинженеров, радиолюбителей.
УДК 621.37(031)
ББК 32.84я2
Авторы:
Белинский В. Т., Васюк Г. И., Вунтесмери Вал. С., Вунтесмери Вл. С., Гондюл В. П.,
ГрозинА. Б., Дьяченко С. М., КомарчукА. Р, Лысенко О. П., Мазор Ю. Л., Макаренко А. С.,
Мачусский Е. А., Могильный С. Б., Новоборский Ю. Л., Першин Н. А., Правда В. И.,
Прищепа Н. М., Рыбин А. И., Седов С. А.,Таныгин Ю. И., Чех В. Ю.
ISBN 5-94120-012-9
© Издательский дом «Додэка-XXI», 2002
Все права защищены. Никакая часть этого издания не может быть воспроизведена в любой
форме или любыми средствами, электронными или механическими, включая фотографирование,
ксерокопирование или иные средства копирования или сохранения информации, без письменного
разрешения издательства.
ОПТОВАЯ
БАЗА
КОМПЛЕКТАЦИИ
ЭЛЕКТРОННЫХ
КОМПОНЕНТОВ
и ПРИБОРОВ
ДЛЯ
РОЗНИЧНОЙ ТОРГОВЛИ
и ПРОИЗВОДСТВА
(095) 973-70-73 ( многоканальный)
Все товары е розницу в магазинах Чип и Дип
Единая справочная магазинов : Тел.: (095) 945-52-51 (многоканальный)
e-mail: sales@chipdip.ru
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие...........................................................18
О пользовании энциклопедией ..........................................20
Список общих аббревиатур .............................................22
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.....................................................25
1.1. Алгоритм.........................................................25
1.2. Величины, изменяющиеся во времени ...............................26
1.3. Диапазон радиочастот ............................................30
1.4. Информация ......................................................31
1.5. Класс радиоизлучения.............................................31
1.6. Методы оптимизации...............................................31
1.7. Модель детерминированного сигнала................................37
1.8. Нормативная документация.........................................45
1.9. Основные законы электротехники...................................46
1.10. Помеха..........................................................50
1.11. Помехозащищенность..............................................54
1.12. Помехоустойчивость..............................................54
1.13. Проектирование РЭС .............................................55
1.14. Радиотехника и смежные дисциплины ..............................57
1.15. Радиоэлектронные средства.......................................60
ОГЛАВЛЕНИЕ
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
1.16. Сигнал.........................................................61
1.17. Система информационная радиотехническая .......................62
1.18. Случайная величина.............................................64
1.19. Случайное событие..............................................71
1.20. Электричество и магнетизм......................................73
1.21. Электромагнитная совместимость РЭС.............................82
1.22. Элементы векторного анализа....................................82
2. АНТЕННЫ...........................................................87
2.1. Адаптивные антенны .............................................89
2.2. Активные антенны................................................89
2.3. Антенны бегущей волны ..........................................90
2.4. Антенные решетки................................................90
2.5. Апертурные антенны .............................................91
2.6. Вибратор........................................................91
2.7. Вибраторные антенны ............................................92
2.8. Директор........................................................94
2.9. Диэлектрические антенны........................,................94
2.10. Зеркальные антенны.............................................94
2.11. Импедансные антенны............................................95
2.12. Линзовые антенны ..............................................95
2.13. Магнитные антенны..............................................96
2.14. Микрополосковые антенны .......................................96
2.15. Облучатель антенны.............................................97
2.16. Параметры и характеристики антенн..............................97
2.17. Рамочные антенны ..............................................97
2.18. Рефлектор .....................................................98
2.19. Рупорные антенны ..............................................98
2.20. Слабонаправленные антенны......................................99
2.21. Спиральные антенны ............................................99
2.22. Широкополосные антенны........................................100
2.23. Щелевые антенны...............................................100
3. ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ....................................101
3.1. Гидроакустическая антенна......................................103
3.2. Гидроакустическая система......................................105
3.3. Гидролокатор (ГЛ) .............................................106
3.4. Имитатор гидроакустического сигнала............................107
3.5. Индикатор гидроакустической станции............................107
3.6. Кавитация......................................................107
3.7. Канал звуковой.................................................108
3.8. Мина акустическая............................................ 108
3.9. Обработка гидроакустических (ГА) сигналов......................108
3.10. Оптимальная рабочая частота гидроакустической (ГА) станции....108
3.11. Параметры и характеристики гидроакустических (ГА) станций ....109
4
РАДИОТЕХНИКА
ОГЛАВЛЕНИЕ
3.12. Поглощение акустической энергии ...............................109
3.13. Приемное устройство гидроакустической (ГА) станции..............НО
3.14. Реверберация....................................................НО
3.15. Сила цели .....................................................110
3.16. Станция звукоподводной связи...................................111
3.17. Шумопеленгаторная гидроакустическая станция ...................111
3.18. Шум океана.....................................................112
4. ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЗВУКА....................................113
4.1. Аппаратура магнитной записи.....................................114
4.2. Запись звука магнитная..........................................116
4.3. Запись звука механическая ......................................119
4.4. Запись звука фотографическая....................................119
4.5. Запись звука цифровая...........................................119
4.6. Носитель звукозаписи магнитный..................................121
4.7. Электропроигрыватель бытовой ...................................121
4.8. Электропроигрывающее устройство.................................121
4.9. Электрофон бытовой..............................................122
5. ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ .............................123
5.1. Автотрекинг ....................................................124
5.2. Аналоговая магнитная видеозапись ...............................124
5.3. Видеомагнитофон.................................................125
5.4. Искажения изображений ..........................................126
5.5. Канал звука видеомагнитофона ...................................126
5.6. Канал изображения видеомагнитофона..............................126
5.7. Лентопротяжный механизм ........................................126
5.8. Проигрыватель видеодисков.......................................127
5.9. Строчка записи видеомагнитофона ................................128
5.10. Траектория движения ленты в лентопротяжном механизме ..........128
5.11. Цифровая магнитная видеозапись.................................129
5.12. Цифровой видеомагнитофон ......................................131
6. ИНФОРМАЦИЯ И СООБЩЕНИЯ ...........................................133
6.1. Байт............................................................134
6.2. Бит.............................................................134
6.3. Данные .........................................................134
6.4. Избыточность сообщения..........................................134
6.5. Информация .....................................................134
6.6. Источник сообщений .............................................134
6.7. Канал связи.....................................................135
6.8. Код ............................................................135
6.9. Пропускная способность канала связи ............................136
6.10. Сигнал.........................................................137
6.11. Скорость передачи информации...................................137
ОГЛАВЛЕНИЕ
5
ОГЛАВЛЕНИЕ
6.12. Сообщение .....................................................137
6.13. Теория информации .............................................137
6.14. Энтропия информационная .......................................137
7. КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС ..............................................139
7.1. Безопасность РЭА ...............................................140
7.2. Бионика.........................................................140
7.3. Единая система конструкторской документации.....................141
7.4. Защита РЭА от воздействия влаги.................................142
7.5. Зашита РЭА от механических воздействий..........................144
7.6. Защита РЭА от тепловых воздействий .............................147
7.7. Защита РЭА от электрических, магнитных и электромагнитных полей.152
7.8. Комплексная оценка качества конструкции РЭА ....................154
7.9. Компоновка РЭА .................................................155
7.10. Миниатюризация ................................................156
7.11. Надежность РЭА.................................................157
7.12. Несущие конструкции РЭА .......................................162
7.13. Патентно-правовые характеристики ..............................163
7.14. РЭА структурного уровня нулевого...............................163
7.15. РЭА структурного уровня первого................................165
7.16. РЭА структурного уровня второго................................166
7.17. РЭА структурного уровня третьего...............................167
7.18. Технологичность РЭА ...........................................170
7.19. Точность РЭА...................................................172
7.20. Функционально-узловой метод ...................................178
7.21. Эргономика.....................................................179
7.22. Эстетика техническая......................................... 180
8. МАТЕРИАЛЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ .......................................181
8.1. Герметики.......................................................181
8.2. Жидкие кристаллы................................................182
8.3. Компаунды ......................................................182
8.4. Лаки............................................................182
8.5. Материалы диэлектрические.......................................182
8.6. Материалы конструкционные ......................................185
8.7. Материалы магнитные.............................................186
8.8. Материалы проводящие............................................188
8.9. Намагниченность ................................................189
8.10. Намагниченности механизмы .....................................190
8.11. Параметры радиоматериалов макроскопические ....................191
8.12. Пироэлектрики .................................................191
8.13. Полупроводники ............................................... 191
8.14. Поляризация диэлектриков.......................................192
8.15. Поляризации электрической механизмы............................193
8.16. Пробой диэлектриков............................................194
6
РАДИОТЕХНИКА
ОГЛАВЛЕНИЕ
8.17. Пьезоэлектрики................................................194
8.18. Свойства материалов радиационные..............................194
8.19. Свойства материалов физико-механические.......................195
8.20. Свойства материалов химические ...............................195
8.21. Сегнетоэлектрики..............................................195
8.22. Спектры параметров материалов.................................196
8.23. Тангенс угла потерь ..........................................196
8.24. Термины общие.................................................197
8.25. Электреты.....................................................197
8.26. Электропроводности механизмы..................................197
9. МИКРОПРОЦЕССОРЫ И МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ................................199
9.1. Адресация.................................................... 200
9.2. Адресное пространство .........................................200
9.3. Арбитр шины .................................................. 201
9.4. Архитектура микропроцессора ...................................202
9.5. Ввод-вывод.....................................................202
9.6. Генератор тактовых импульсов ..................................202
9.7. Интерфейс......................................................203
9.8. Команда .......................................................205
9.9. Контроллер.....................................................206
9.10. Контроллер шины...............................................206
9.11. Микроконтроллер...............................................206
9.12. Микропроцессор................................................212
9.13. МикроЭВМ......................................................214
9.14. Прерывание....................................................214
9.15. Сегментация памяти............................................215
9.16. Слово машинное................................................216
9.17. Сопроцессор...................................................216
9.18. Стек (магазин)................................................216
9.19. Таймер микропроцессора........................................216
9.20. Фиксатор адреса...............................................217
9.21. Флаг..........................................................217
9.22. Цикл машинный.................................................217
9.23. Шина..........................................................217
9.24. Шинный формирователь .........................................218
10. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА.................................................219
10.1. Базовый кристалл ИМС .........................................219
10.2. Интегральная микросхема ......................................220
10.3. Интегральная микросхема аналоговая............................222
10.4. Интегральная микросхема цифровая..............................225
10.5. Исполнение ИМС................................................228
10.6. Коммутационная плата..........................................228
10.7. Микросборка...................................................228
ОГЛАВЛЕНИЕ
7
ОГЛАВЛЕНИЕ
10.8. Надежность ИМС...............................................229
10.9. Подложка ИМС.................................................229
10.10. Технологическая операция....................................229
10.11. Технология производства ИМС, БИС и МС ......................233
10.12. Элемент ИМС.................................................236
11. ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ ......................................243
11.1. Взаимодействие электронов с ЭМП..............................244
11.2. Приборы квантовые ...........................................245
11.3. Приборы СВЧ газоразрядные ...................................246
11.4. Приборы СВЧ электровакуумные ................................247
11.5. Системы СВЧ колебательные и волноведущие.....................258
11.6. Устройства СВЧ твердотельные.................................266
11.7. Устройства СВЧ трактовые.....................................275
11.8. Шумы приборов СВЧ............................................280
12. РАДИОАВТОМАТИКА................................................283
12.1. Автоматическая система управления............................283
12.2. Дискретные системы радиоавтоматики...........................285
12.3. Моделирование автоматических систем управления ..............286
12.4. Нелинейные системы радиоавтоматики...........................288
12.5. Синтез систем радиоавтоматики ...............................289
12.6. Точность систем автоматического управления в установившемся режиме ... 291
12.7. Устойчивость системы радиоавтоматики ........................292
12.8. Функциональные системы радиоавтоматики.......................293
13. РАДИОВЕЩАНИЕ ..................................................295
13.1. Бытовая радиоприемная аппаратура ............................295
13.2. Проводное вещание ...........................................300
13.3. Процессор звуковой ..........................................301
13.4. Система звукового радиовещания ..............................301
13.5. Система стереофонического радиовещания ......................304
13.6. Тракт AM радиовещательного приемника.........................306
13.7. Тракт ЧМ радиовещательного приемника.........................307
13.8. Эквалайзер ..................................................308
13.9. Эксплуатационные удобства радиовещательного приемника........308
14. РАДИОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА.
МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА............................................311
14.1. Анализатор спектров ........................................ 312
14.2. Ваттметр ....................................................314
14.3. Вольтметр электронный........................................314
14.4. Генератор сигналов измерительный.............................315
14.5. Девиометр....................................................315
14.6. Измерители параметров компонентов цепей......................316
8
РАДИОТЕХНИКА
ОГЛАВЛЕНИЕ
14.7. Измерители характеристик случайных процессов ................317
14.8. Измеритель нелинейных искажений .............................317
14.9. Измерительные устройства СВЧ диапазона ......................317
14.10. Медицинская радиоэлектронная аппаратура.....................319
14.11. Модулометр..................................................321
14.12. Мультиметр..................................................321
14.13. Осциллограф электронный.............................321
14.14. Фазометр....................................................322
14.15. Характериограф .............................................322
14.16. Частотомер .................................................323
15. РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКАЯ СВЯЗЬ .......................................325
15.1. Виды радиолюбительской связи.................................325
15.2. Диапазоны частот радиолюбительской связи ....................329
15.3. Диплом радиолюбительский ....................................329
15.4. Документация любительской радиостанции.......................329
15.5. Категория любительской радиостанции .........................330
15.6. Классы излучений любительских радиостанций ..................330
15.7. Позывной любительской радиостанции ..........................330
15.8. РЭА радиолюбительская .......................................331
15.9. «Язык» радиолюбительской связи...............................332
16. РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА.....................................333
16.1. Возбудитель РПдУ ............................................334
16.2. Генератор с внешним возбуждением.............................339
16.3. Каскады усиления колебаний ВЧ и преобразования частоты РПдУ .346
16.4. Передающее устройство оптической связи ......................348
16.5. Передающее устройство радиовещания ..........................349
16.6. Передающее устройство радиосвязи.............................350
16.7. Передающее устройство радиорелейной линии космической связи..351
16.8. Передающее устройство радиорелейной линии наземной связи ...352
16.9. Передающее устройство сигналов с AM..........................352
16.10. Передающее устройство сигналов с импульсно-аналоговой модуляцией . . . 354
16.11. Передающее устройство сигналов с однополосной модуляцией ....354
16.12. Передающее устройство сигналов с угловой модуляцией .........356
16.13. Передающее устройство тропосферной связи....................357
16.14. Радиолокационное передающее устройство......................357
16.15. Телевизионная передающая станция............................357
17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА.......................................359
17.1. Автоматическая подстройка частоты............................359
17.2. Автоматическая регулировка усиления..........................362
17.3. Адаптивная антенная решетка..................................365
17.4. Вторичная обработка .........................................367
17.5. Входное устройство РПрУ......................................367
ОГЛАВЛЕНИЕ
9
ОГЛАВЛЕНИЕ
17.6. Грозоотметчик А.С.Попова ......................................369
17.7. Детектор приемников сигналов с AM..............................370
17.8. Детектор приемников сигналов с ЧМ ..............................373
17.9. Помехозащищенность РПрУ от индустриальных помех ...............374
17.10. Помехоустойчивость радиоприема................................374
17.11. Помехоустойчивость РПрУ при воздействии импульсных помех ......374
17.12. Помехоустойчивость РПрУ при воздействии пассивных помех........377
17.13. Помехоустойчивость РПрУ при воздействии сосредоточенных
по спектру помех ....................................................377
17.14. Помехоустойчивость РПрУ при воздействии флуктуационных помех...380
17.15. Преобразователь частоты супергетеродинного приемника..........386
17.16. Пространственно-временная обработка...........................390
17.17. Радиоприемное устройство аналоговых сигналов с AM.............391
17.18. Радиоприемное устройство аналоговых сигналов с ОМ.............393
17.19. Радиоприемное устройство аналоговых сигналов с ЧМ.............394
17.20. Радиоприемное устройство импульсных сигналов..................397
17.21. Радиоприемное устройство импульсно-аналоговых сигналов........401
17.22. Радиоприемное устройство импульсно-дискретных сигналов........405
17.23. Радиоприемные устройства различного назначения................411
17.24. Радиоприемное устройство сигналов миллиметровых волн..........421
17.25. Радиоприемное устройство сигналов в оптическом диапазоне волн.422
17.26. Радиоприемное устройство цифровое.............................424
17.27. Структура радиоприемного устройства...........................427
17.28. Типовой тракт обнаружения сигналов............................432
17.29. Усилитель промежуточной частоты супергетеродинного приемника..436
17.30. Усилитель сигнальной частоты РПрУ ............................443
17.31. Характеристики радиоприемного устройства......................449
17.32. Шумы РПрУ ....................................................454
18. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ.........................................459
18.1. Измерение скорости движения цели ..............................460
18.2. Индикаторные устройства .......................................461
18.3. Пассивные переизлучатели ......................................466
18.4. Показатели качества радиотехнических систем ...................467
18.5. Преобразование аналоговых сигналов РЛС в цифровую форму........470
18.6. Противорадиолокационное покрытие ..................471
18.7. Радиодальнометрия..............................................472
18.8. Радиолокация ................................................ 475
18.9. Радиолокационные цели..........................................477
18.10. Радиометеорология.............................................478
18.11. Радиометр ....................................................479
18.12. Радионавигация................................................480
18.13. Радиопеленгация...............................................483
18.14. Радиосвязь....................................................486
18.15. Радиотелескоп.................................................500
10
РАДИОТЕХНИКА
ОГЛАВЛЕНИЕ
18.16. Радиотехническая разведка .....................................500
18.17. Радиоуправление................................................501
18.18. Радиоэлектронная борьба.......................................501
18.19. Теплолокация ..................................................501
19. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ ..................................503
19.1. Гармонический анализ колебаний в нелинейных безынерционных цепях . . . 503
19.2. Генерирование гармонических колебаний...........................506
19.3. Дискретизация сигналов..........................................511
19.4. Корреляционный анализ детерминированных сигналов................513
19.5. Параметрическое усиление и возбуждение колебаний................516
19.6. Преобразование детерминированных сигналов в линейных цепях .....518
19.7. Преобразование детерминированных сигналов в нелинейных цепях....522
19.8. Преобразование случайных сигналов в линейных цепях..............526
19.9. Преобразование случайных сигналов в нелинейных цепях............527
19.10. Радиосигнал ...................................................531
19.11. Системы колебательные нелинейные под внешним воздействием......536
19.12. Спектральный анализ непериодических сигналов ..................537
19.13. Спектральный (гармонический) анализ периодических сигналов.....543
20. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС ... 547
20.1. Автоматизация проектирования..................................548
20.2. Автоматизированное рабочее место............................ 548
20.3. Алгоритмы анализа электрических схем..........................549
20.4. Алгоритмы компоновки схем.....................................555
20.5. Алгоритмы компьютерной графики................................556
20.6. Алгоритмы оптимизации электрических схем .....................558
20.7. Алгоритмы размещения элементов ...............................559
20.8. Алгоритмы трассировки.........................................561
20.9. База данных...................................................562
20.10. База знаний..................................................563
20.11. Информационное обеспечение САПР .............................564
20.12. Лингвистическое обеспечение САПР ............................564
20.13. Математические модели компонентов схем и схем РЭС............565
20.14. Математические модели конструкций РЭС........................566
20.15. Методы автоматизированного поиска технических решений........567
20.16. Программное обеспечение САПР ................................568
20.17. Техническое обеспечение САПР ................................568
20.18. Экспертные системы...........................................569
21. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ....................571
21.1. Алгоритмы статистического синтеза.............................572
21.2. Оптимальная фильтрация........................................574
ОГЛАВЛЕНИЕ
11
ОГЛАВЛЕНИЕ
21.3. Случайный процесс .............................................583
21.4. Статистический синтез информационных систем
при априорной неопределенности......................................593
21.5. Статистический синтез информационных систем
при априорной определенности........................................607
22. ТЕЛЕВИДЕНИЕ ....................................................613
22.1. Воспроизводящее устройство.....................................613
22.2. Датчик телевизионного сигнала..................................615
22.3. Информационная оценка телевизионных изображений ...............616
22.4. Контроль параметров телевизионного сигнала ....................617
22.5. Разложение изображений.........................................618
22.6. Сигналы вещательного телевидения ..............................619
22.7. Система вещательного телевидения...............................619
22.8. Специализированные телевизионные системы ......................622
22.9. Телевидение высокой четкости ..................................623
22.10. Телевизор ....................................................623
22.11. Телерадиоаппаратура типовая ..................................625
22.12. Физико-физиологическая основа телевидения ....................625
22.13. Цифровой способ передачи и обработки изображений..............627
22.14. MPEG-2 — цифровой единый стандарт начала XXI века.............627
23. ТЕОРИЯ ЦЕПЕЙ....................................................629
23.1. Двухполюсник...................................................630
23.2. Колебательная цепь ............................................630
23.3. Многополюсник .................................................634
23.4. Модели электрических цепей и элементов ........................636
23.5. Общие методы анализа линейных цепей в установившихся режимах...638
23.6. Переходные процессы в линейных цепях ..........................641
23.7. Фильтр электрический ..........................................643
23.8. Функции линейной цепи .........................................646
23.9. Характеристики нелинейных элементов ...........................648
23.10. Цепь с распределенными параметрами............................650
23.11. Четырехполюсник...............................................652
23.12. Эквивалентные преобразования линейных цепей...................655
24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ .......................659
24.1. Активное устройство обработки сигналов на операционном усилителе.659
24.2. Активный ЯС-фильтр на операционном усилителе ..................666
24.3. Включение транзистора в каскаде обработки сигнала .............669
24.4. Детектор AM сигналов...........................................676
24.5. Детектор ФМ сигналов...........................................679
24.6. Детектор ЧМ сигналов...........................................681
24.7. Каскад аналоговой обработки сигнала ...........................685
24.8. Каскад избирательный (селективный).............................685
12
РАДИОТЕХНИКА
ОГЛАВЛЕНИЕ
24.9. Каскад мощный выходной...........................................693
24.10. Каскад с общей базой (затвором).................................697
24.11. Каскад с общим коллектором (стоком) ............................698
24.12. Каскад с общим эмиттером (истоком) .............................699
24.13. Каскад фазоинверсный (парафазный) ..............................701
24.14. Каскад широкополосный ..........................................702
24.15. Обратная связь электронная......................................705
24.16. Ограничитель ...................................................710
24.17. Операционный усилитель..........................................711
24.18. Питание транзистора ............................................717
24.19. Преобразователь частоты.........................................724
24.20. Регенеративный усилитель........................................728
24.21. Регуляторы усилителей звука.....................................731
24.22. Упрощенный сравнительный анализ схем усиления...................736
24.23. Усилитель постоянного тока......................................739
24.24. Электронный усилитель аналоговых сигналов.......................744
25. УСТРОЙСТВА ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ.............................751
25.1. Аналого-цифровой преобразователь ................................752
25.2. Арифметико-логическое устройство ................................753
25.3. Быстрое преобразование Фурье.....................................753
25.4. Генератор импульсов .............................................753
25.5. Генератор чисел .................................................755
25.6. Двоичная арифметика..............................................755
25.7. Делитель частоты импульсов.......................................756
25.8. Демультиплексор .................................................756
25.9. Дешифратор ......................................................756
25.10. Дискретное преобразование Фурье ................................757
25.11. Запоминающее устройство.........................................757
25.12. Код ............................................................758
25.13. Комбинационное устройство.......................................758
25.14. Компаратор цифровой ............................................759
25.15. Логическая функция..............................................759
25.16. Мультиплексор ..................................................761
25.17. Программируемая логическая матрица..............................762
25.18. Регистр ........................................................762
25.19. Решетчатая функция (последовательность).........................763
25.20. Свертка дискретная..............................................763
25.21. Система счисления позиционная...................................763
25.22. Сумматор........................................................764
25.23. Счетчик.........................................................765
25.24. Триггер ........................................................766
25.25. Умножитель чисел ...............................................767
25.26. Форма представления чисел.......................................768
25.27. Цифро-аналоговый преобразователь ...............................769
ОГЛАВЛЕНИЕ
13
ОГЛАВЛЕНИЕ
25.28. Цифровой автомат.............................................769
25.29. Цифровой сигнал .............................................770
25.30. Цифровой фильтр..............................................770
25.31. Шифратор.....................................................775
25.32. Z-преобразование.............................................775
26. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА......................................777
26.1. Акустооптика .................................................777
26.2. Акустоэлектроника.............................................778
26.3. Голография ...................................................781
26.4. Дифракционное устройство......................................782
26.5. Интегральная оптика ..........................................783
26.6. Криоэлектроника ..............................................784
26.7. Магнитооптика.................................................785
26.8. Магнитоэлектроника............................................785
26.9. Молекулярная электроника .................................... 787
26.10. Оптоэлектроника..............................................792
26.11. ПАВ-устройства нелинейные.................................. 794
26.12. Электротеплоэлектроника .....................................795
27. ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ
И ЗВУКОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА.......................................797
27.1. Акустическая система .........................................797
27.2. Акустическое поле ............................................798
27.3. Головка громкоговорителя .....................................799
27.4. Микрофон......................................................800
27.5. Озвучивание помещений и открытых пространств..................801
27.6. Орган слуха...................................................803
27.7. Разборчивость речи............................................805
27.8. Стереофоническая система повышенного качества ................805
27.9. Устройство обработки акустических сигналов ...................806
27.10. Устройство передачи акустических сигналов ...................808
27.11. Электромеханическая аналогия ................................808
28. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН.....................809
28.1. Вектор волновой...............................................810
28.2. Вектор Пойнтинга—Умова........................................810
28.3. Виды колебаний резонатора.....................................810
28.4. Возбуждение электромагнитных волн.............................812
28.5. Волна электромагнитная........................................812
28.6. Волновое сопротивление .......................................813
28.7. Волновое уравнение............................................813
28.8. Гармоника пространственная....................................814
28.9. Глубина проникновения поля....................................814
28.10. Граничные условия электродинамики............................814
14
РАДИОТЕХНИКА
ОГЛАВЛЕНИЕ
28.11. Дисперсия электромагнитных волн ................................814
28.12. Дифракция электромагнитных волн.................................815
28.13. Длина электромагнитной волны....................................815
28.14. Длина электромагнитной волны критическая........................815
28.15. Добротность резонатора..........................................815
28.16. Зоны Френеля....................................................816
28.17. Излучение электромагнитных волн.................................816
28.18. Ионосфера.......................................................817
28.19. Линия передачи электромагнитной энергии ........................818
28.20. Поляризация электромагнитных волн ..............................818
28.21. Потенциалы электродинамические векторные .......................819
28.22. Потенциалы электродинамические скалярные .......................819
28.23. Принцип Гюйгенса................................................819
28.24. Принцип перестановочной двойственности .........................819
28.25. Распространение радиоволн.......................................819
28.26. Скорость электромагнитных волн групповая .......................821
28.27. Скорость электромагнитных волн фазовая .........................821
28.28. Теоремы электродинамики.........................................821
28.29. Типы электромагнитных волн .....................................823
28.30. Ток пространственный............................................824
28.31. Токи сторонние..................................................824
28.32. Тропосфера......................................................824
28.33. Уравнения Гельмгольца ..........................................825
28.34. Уравнения Максвелла.............................................825
28.35. Фронт электромагнитной волны ...................................825
28.36. Функция Грина...................................................825
28.37. Характеристическое сопротивление ...............................826
29. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ................................................827
29.1. Биполярный транзистор............................................827
29.2. Газовый разряд...................................................829
29.3. Газоразрядный (ионный) прибор....................................830
29.4. Жидкий кристалл .................................................831
29.5. Индикатор средств отображения информации ........................831
29.6. Катод электровакуумного прибора .................................833
29.7. Полевой транзистор ..............................................833
29.8. Полупроводники...................................................835
29.9. Полупроводниковый диод ..........................................835
29.10. Тиристор........................................................839
29.11. Фотоэлектрический приемник оптического излучения................840
29.12. Фотоэлектрические эффекты.......................................840
29.13. Фотоэлектронный умножитель......................................840
29.14. Шумы электронных приборов ......................................840
29.15. Электрический переход ..........................................841
29.16. Электронная лампа ..............................................843
ОГЛАВЛЕНИЕ
15
ОГЛАВЛЕНИЕ
29.17. Электронно-лучевой прибор ................................844
29.18. Электронно-лучевой прибор передающий.......................845
29.19. Электронно-лучевой прибор преобразовательный ................ . 846
29.20. Электронно-лучевой прибор приемный.........................846
30. ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ РЭС............................................849
30.1. Аккумулятор.................................................849
30.2. Выпрямитель.................................................850
30.3. Источник вторичного электропитания..........................851
30.4. Источник питания с бестрансформаторным входом...............852
30.5. Источник питания первичный..................................852
30.6. Преобразователь напряжения..................................855
30.7. Стабилизатор напряжения (тока)..............................856
30.8. Фильтр сглаживающий ........................................859
31. ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТЫ..........................................861
31.1. Дроссель питания............................................861
31.2. Кабель......................................................862
31.3. Катушка индуктивности ВЧ....................................862
31.4. Коммутационное устройство...................................865
31.5. Конденсатор.................................................867
31.6. Линия задержки .............................................869
31.7. Предохранитель .............................................870
31.8. Провод (проволока) .........................................870
31.9. Резистор ...................................................870
31.10. Трансформатор .............................................872
32. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ
УСТРОЙСТВА........................................................877
32.1. Датчик......................................................878
32.2. Магнесин....................................................878
32.3. Машина электрическая........................................878
32.4. Сельсин.....................................................881
32.5. Стабилизатор ферромагнитный.................................882
32.6. Тахогенератор...............................................882
32.7. Трансформатор вращающийся...................................882
32.8. Усилитель электромагнитный (магнитный)......................883
32.9. Устройство исполнительное...................................883
33. ЭЛЕМЕНТЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ.....................................885
33.1. Адрес.......................................................885
33.2. Алгоритм....................................................886
33.3. Ассемблер...................................................886
33.4. Библиотека программ.........................................886
33.5. Блок........................................................886
16
РАДИОТЕХНИКА
ОГЛАВЛЕНИЕ
33.6. Генерация программных средств.....................................886
33.7. Данные ...........................................................886
33.8. Комментарий ......................................................886
33.9. Макросредства ....................................................887
33.10. Массив данных....................................................887
33.11. Метка............................................................887
33.12. Модуль...........................................................887
33.13. Монитор .........................................................887
33.14. Оверлей..........................................................888
33.15. Оператор.........................................................888
33.16. Отладка программы ...............................................889
33.17. Память виртуальная ..............................................889
33.18. Параметр фактический.............................................889
33.19. Параметр формальный..............................................889
33.20. Переменная.......................................................889
33.21. Подпрограмма.....................................................889
33.22. Программирование.................................................889
33.23. Редактор связей..................................................891
33.24. Режим диалоговый ................................................891
33.25. Режим интерактивный .............................................891
33.26. Режим мультизадачный (мультипрограммирования)....................891
33.27. Режим пакетной обработки ........................................891
33.28. Режим разделения времени ........................................892
33.29. Режим реального времени .........................................892
33.30. Система операционная.............................................892
33.31. Точка входа......................................................892
33.32. Точка повторного входа ..........................................892
33.33. Точка прерывания.................................................892
33.34. Транслятор ......................................................892
33.35. Файл ............................................................892
33.36. Формат...........................................................892
33.37. Язык программирования ...........................................893
Предметный указатель....................................................897
ОГЛАВЛЕНИЕ
17
ПРЕДИСЛОВИЕ
Отечественная и зарубежная практика выс-
шей школы убеждает нас в том, что само-
стоятельная работа студентов является основ-
ным звеном современного учебного процесса,
поскольку именно она формирует систему зна-
ний будущего инженера. Для ее организации
прежде всего необходима учебно-методичес-
кая литература. При этом нужно отметить два
обстоятельства: очень большую разветвлен-
ность современной радиоэлектроники, что за-
трудняет формирование индивидуальной биб-
лиотеки инженера, и необходимость оператив-
ного получения справочной информации по
вопросам, возникающим во время самостоя-
тельной работы с технической литературой.
Исходя из этого авторы ставили перед собой
две задачи:
создать специализированную учебную эн-
циклопедию по радиотехнике, терминологиче-
ский состав которой в основном отвечал бы
программам дисциплин радиотехнических
специальностей;
создать комплекс сжатых учебных пособий
по дисциплинам, названия которых вынесены
в заглавия 33 глав книги.
Можно надеяться, что предложенная эн-
циклопедия улучшит научно-методическое
обеспечение учебного процесса и будет спо-
собствовать повышению качества подготовки
радиоинженеров, поскольку с начала обучения
студент получает возможность самостоятельно
выяснить для себя вопросы, возникающие во
время учебы или при чтении технической ли-
тературы. Радиотехническая студенческая эн-
циклопедия, насколько нам известно, аналогов
не имеет.
Энциклопедия содержит около 2500 ста-
тей, поясняющих почти 4000 наиболее употре-
бляемых в радиотехнике терминов. Поскольку
книга должна быть одновременно и энцикло-
педией, и учебным пособием, в ней использу-
ется комбинированная система расположения
терминов (статей): по темам они разделены на
главы, которые отвечают учебным дисципли-
Ничему нельзя научить, можно только научиться.
А. Эйнштейн
Мы столько можем, сколько знаем.
Ф. Бэкон
Sapere aude — дерзай знать.
нам, а в пределах глав расположены в алфавит-
ном порядке. Типовая статья энциклопедии со-
держит определение и сжатое описание пред-
мета, в случае необходимости оно сопровож-
дается справками теоретического или при-
кладного характера, математическими выклад-
ками, схемами и чертежами. Предметами рас-
смотрения служат явления, процессы, устрой-
ства, их схемы и конструкций, материалы, тео-
ретические положения, способы, закономерно-
сти, идеи.
В энциклопедии читатель найдет как об-
зорные статьи по основным направлениям раз-
вития радиотехники, так и короткие сведения
по отдельным вопросам, а также статьи-поня-
тийные определения. Обеспечена возможность
пользования энциклопедией без обращения к
дополнительной литературе. Паритетно изло-
жены материалы теоретического и прикладно-
го характера, физические подходы и способы
формализации, вопросы системотехнической,
общетеоретической, схемотехнической и кон-
структорской подготовки специалиста. По-
дробно рассмотрены современные методы ана-
лиза радиотехнических устройств и систем, в
том числе методы оптимизации, математичес-
кой статистики, автоматизированного проекти-
рования. Значительное внимание уделено по-
вышению надежности и степени интеграции
радиоаппаратуры, помехоустойчивой обработ-
ке сигналов и статистическому синтезу инфор-
мационных систем, микроэлектронике, функ-
циональной электронике, технике СВЧ, ис-
пользованию вычислительных устройств и ми-
кропроцессоров, адаптивным методам обра-
ботки информации, медицинской электронике
и т.д.
Основная сложность при написании книги
состояла в том, чтобы необычайно обширный
по тематике материал изложить в относитель-
но ограниченном объеме. При этом информа-
ционная насыщенность статей должна была
сочетаться с доступностью изложения: авторы
не стремились к математической строгости
18
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДИСЛОВИЕ
там, где отказ от нее мог упростить изложение
и обеспечить лучшее понимание материала.
Справочник адресован широкому кругу чи-
тателей: студентам радиотехнических, радио-
электронных и смежных специальностей выс-
ших учебных заведений, аспирантам, радиоин-
женерам, радиолюбителям (для них предусмо-
трена специальная глава) — всем тем, чьи ин-
тересы или практическая деятельность связа-
ны с использованием радиоэлектронных
средств. Там, где это возможно, справочник
строился по «двухслойной» структуре: сначала
приводится описание без обращения к матема-
тическим методам и формализации так, чтобы
даже студент-первокурсник, встретив незнако-
мый термин, мог понять о чем идет речь; для
более подготовленных читателей материал из-
лагается на достаточно высоком уровне. Оче-
видно, что каждый читатель в зависимости от
цели и уровня подготовки найдет свой подход
к использованию книги.
Энциклопедия по радиотехнике создана
коллективом преподавателей радиотехничес-
кого факультета Национального технического
университета Украины «Киевский политехни-
ческий институт». Его содержание базируется
на материалах лекционных курсов, научно-ис-
следовательских и опытно-конструкторских
работ. Материал энциклопедии распределен
между авторами следующим образом: В.Т. Бе-
линский — гл. 33, предметный указатель;
Г.И. Васюк — гл. 6, ст. 21.5; Вал.С. Вунтесмери
— гл. 8, 26, ст. 1.9; Вл.С. Вунтесмери — гл. 28,
ст. 1.9, 1.20, 1.22; В.П. Гондюл — гл. 20, ст. 1.6;
А.Б. Грозин — гл. 4, 31; С.М. Дьяченко — гл.
29; А.Р. Комарчук — гл. 16; О.П. Лысенко —
гл. 9,25; Ю.Л. Мазор — предисловие, «О поль-
зовании энциклопедией», гл. 7, 13, 17, ст. 1.1—
1.5,1.9—1.15,1.17,1.20,21.1,21.4,21.5,24.4—
24.6, 24.16; А.С. Макаренко — ст. 1.18, 1.19,
21.2, 21.3; Е.А. Мачусский — гл. 2, 11, ст. 1.20,
24.22; С.Б. Могильный — ст. 9.9, 9.11, 25.1,
25.12, 25.28, 25.29; Ю.Л. Новоборский — гл.
14, 19, 23, ст. 1.7, 1.9, 1.16, 1.20; Н.А. Першин
— гл. 15, 30, 32, ст. 18.14; В.И. Правда — гл.
18; Н.М. Прищепа — гл. 10; А.И. Рыбин — ст.
14.10; С.А. Седов — гл. 3, 5, 22, 24, 27;
Ю.И. Таныгин — гл. 12, ст. 1.8, 1.9, 1.21;
В.Ю. Чех — ст. 25.4, 25.32, 26.9.
Практически невозможно назвать всех,
кто содействовал созданию этой книги. Од-
нако авторы не могут не выразить глубокой
благодарности В.Т.Белинскому за весомый
вклад в улучшение качества справочника и
помощь при его редактировании, а также
группе преподавателей, аспирантов, студен-
тов и сотрудников Национального техничес-
кого университета Украины «Киевский по-
литехнический институт» за помощь при
подготовке отдельных глав.
ПРЕДИСЛОВИЕ
19
О ПОЛЬЗОВАНИИ ЭНЦИКЛОПЕДИЕЙ
Структура книги. Энциклопедия содер-
жит 33 главы, охватывающие около 2500 статей
(4000 терминов), а также список общих аббре-
виатур, предметный указатель и оглавление.
Принята поглавная алфавитно-гнездовая систе-
ма расположения терминов. Книга начинается
вступительной главой (Общие сведения), в ко-
торой собран минимум сведений, необходимых
для дальнейшего изучения тематических глав.
Читая ее, важно понять содержание основных
определений и освоить принятую терминоло-
гию. Далее по алфавиту располагаются темати-
ческие главы, каждая из которых отвечает опре-
деленной учебной дисциплине.
Структура главы. Каждая глава начина-
ется вступительной статьей, введением к изу-
чению основного материала. Эта статья со-
держит определение предмета главы, класси-
фикацию и общие сведения, а также сжатую
аннотацию. Поскольку статьи главы располо-
жены (как в толковом словаре) в алфавитном
порядке, для использования книги в качестве
сжатого учебника приведены рекомендации о
порядке изучения статей главы. При этом ис-
пользуются три типа статей: отдельная, гнез-
довая и входящая, которая входит в гнездо-
вую; каждая из названных статей начинается
соответствующим термином — отдельным,
гнездовым или входящим. Отдельные и гнез-
довые статьи располагаются в главе в алфа-
витном порядке следования терминов, имеют
шрифтовое выделение и сквозную двузнач-
ную нумерацию (первая цифра — номер гла-
вы, вторая — порядковый номер статьи). В
конце главы приводится список использован-
ной и рекомендуемой литературы, которая
может помочь читателю углубить свои знания
по рассмотренье вопросам.
Структура гнезда имеет два варианта: в
первом варианте гнездовой термин представ-
ляет собой заголовок гнезда и печатается от-
дельной строкой, за которой следуют входя-
щие в это гнездо статьи; во втором варианте
гнездовой термин сопровождается обзорной
статьей, содержащей материалы, общие для
всего гнезда. В пределах каждого гнезда вхо-
дящие статьи расположены в алфавитном по-
рядке, статьи не нумеруются, но имеют
шрифтовое выделение терминов, а также аб-
зацный отступ.
Структура статьи. Каждая статья энцик-
лопедии содержит термин (название), его оп-
ределение и сжатое толкование; в случае необ-
ходимости изложение сопровождается сведе-
ниями теоретического или прикладного харак-
тера, математическими выкладками, схемами и
чертежами. В справочнике есть статьи двух ти-
пов: развитая статья и статья-определение. В
обоих случаях отдельные, гнездовые и входя-
щие термины этих статей вносятся в предмет-
ный указатель.
Однословные термины являются ключе-
вым словом — существительным в именитель-
ном падеже единственного числа, за исключе-
нием тех случаев, когда обычной формой пред-
ставления является множественное число.
Слова многословных терминов, как правило,
группируются за ключевым словом гнезда в
порядке уменьшения общности. Встречаются
также термины, которые авторы считают нуж-
ным подчеркнуть, не вынося их в отдельную
статью. Эти термины выделены курсивом, и
они также внесены в предметный указатель. В
отдельных случаях, при достаточно большом
объеме курсивного текста, рассматриваемый
термин выделяется абзацным отступом.
Таблицы и рисунки имеют двузначную ну-
мерацию: первая цифра — номер главы, вторая
— порядковый номер в ее пределах. Нумера-
ция формул и литературных ссылок однознач-
ная: дается лишь порядковый номер в пределах
гнезда и главы соответственно. Подрисуноч-
ные подписи (за исключением номера рисунка)
отсутствуют, позиции рисунков поясняются в
тексте статьи.
Сокращения и аббревиатуры, использован-
ные в тексте, можно разбить на четыре группы:
— сокращения отдельных, гнездовых, вхо-
дящих и курсивных терминов в тексте статьи
представлены буквами без дополнительной
расшифровки. Если термин однословный, то
он обозначается прописной буквой с точкой, а
если многословный, то первая буква — про-
писная с точкой, последующие — строчные с
точкой;
— наиболее употребительные аббревиату-
ры, которые внесены в список, помещенный в
начале книги, выполнены прописными буква-
ми без точек, действуют во всех разделах спра-
вочника и в тексте не расшифровываются;
20
РАДИОТЕХНИКА
О ПОЛЬЗОВАНИИ ЭНЦИКЛОПЕДИЕЙ
— менее употребительные (частные) аб-
бревиатуры представлены прописными буква-
ми без точек. Вводятся в текст с расшифровкой
при первом упоминании и действуют только в
пределах той статьи, где они введены — на-
пример, идеальный полосовой фильтр (ИПФ).
Так же вводятся аббревиатуры иллюстрацион-
ных обозначений, которые расшифровываются
в тексте статьи.
В книге широко используются ссылки для
того, чтобы избежать лишних повторений.
Ссылки на статью двузначные: первые цифры
до точки — номер главы, а после нее — номер
статьи, например, см. ст. 13.2. При ссылке на
входящую статью или курсивный термин опре-
деляется только номер гнезда. Далее читатель
должен отыскать нужную статью в пределах
этого гнезда. Аналогично выполнены ссылки
на рисунок (см. Рис. 26.36) или таблицу (см.
Табл. 27.2). Ссылки на формулу или литерату-
ру — однозначные, например, (7) или [5] соот-
ветственно; действуют в пределах главы.
Предметный указатель. Энциклопедия
содержит алфавитный предметный указатель,
в который внесены все выделенные термины:
отдельные, гнездовые, входящие и курсивные.
Каждый из них имеет страничный адрес.
В сложных терминах слова, расположен-
ные после ключевого слова, следуют, как пра-
вило, в порядке уменьшения общности (напри-
мер, приемник оптимальный различения дис-
кретных сигналов бинарных с неизвестной на-
чальной фазой).
Способы пользования энциклопедией.
Возможны два способа пользования: режим
поиска термина (толковый словарь) и режим
изучения дисциплины (сжатый учебник). В
первом режиме читатель находит термин,
который его интересует, по адресу, указан-
ному в предметном указателе. Если термин
используется в разных местах книги, то в
адресе первой указывают статью-определе-
ние, а затем статьи основного использова-
ния термина.
В режиме изучения следует по оглавлению
найти нужную главу (дисциплину), во вступи-
тельной части которой приведен рекомендуе-
мый порядок изучения статей.
О ПОЛЬЗОВАНИИ ЭНЦИКЛОПЕДИЕЙ
21
СПИСОК ОБЩИХ АББРЕВИАТУР
АД — амплитудный детектор
АИМ — амплитудно-импульсная модуляция
AM — амплитудная модуляция, амплитудно-модулированный
АМн — амплитудная манипуляция
АПЧ — автоматическая подстройка частоты
АРУ — автоматическая регулировка усиления
АСУ — автоматическая система управления
АХ — амплитудная характеристика
АЦП — аналого-цифровой преобразователь
АЧХ — амплитудно-частотная характеристика
АЭ — активный элемент
БИС — большая интегральная схема
БПФ — быстрое преобразование Фурье
БТ — биполярный транзистор
ВАХ — вольт-амперная характеристика
ВИМ — времяимпульсная модуляция
ВЧ — высокие частоты (по Р. p.-св. З...ЗО МГц), высокочастотный
ГИС — гибридная интегральная схема
ГОСТ — государственный стандарт
ДБШ — диод с барьером Шоттки
ДВ — длинные волны (в р.-вещ. 148.5...283.5 кГц; 2020.2... 1058.2 м)
ДМВ — дециметровые волны (по Р. р.-св. 300.. .3000 МГц; 100... 10 см)
ДН — диаграмма направленности
ДХ — динамическая характеристика
ЕСКД — Единая система конструкторской документации
ЖИГ — железоиттриевый гранат
ЗУ — запоминающее устройство
34 — звуковая частота
ИКМ — импульсно-кодовая модуляция
ИМ — импульсная модуляция
ИС (ИМС)— интегральная схема (интегральная микросхема)
ИСЗ — искусственный спутник Земли
ИХ — импульсная характеристика
ИП — источник питания
КБВ — коэффициент бегущей волны
КВ — короткие волны (в р.-вещ. 3.95... 12.1 МГц; 75.9...24.8 м)
КВЧ — крайне высокие частоты (по Р. р.-св. 30...300 ГГц)
КД — конструкторская документация
КНД — коэффициент направленного действия
КПД — коэффициент полезного действия
КСВ — коэффициент стоячей волны
КФ — корреляционная функция
ЛБВ — лампа бегущей волны
ЛЗ — линия задержки
ЛОВ — лампа обратной волны
ЛПД — лавинно-пролетный диод
ЛЧМ — линейная частотная модуляция
ЛЭ — логический элемент
МВ — метровые волны (по Р. р.-св. 30...300 МГц; 10... 1 м)
МДП — метал л-диэлектрик-полупроводник
22
РАДИОТЕХНИКА
СПИСОК ОБЩИХ АББРЕВИАТУР
ммв — миллиметровые волны (по Р. р.-св. 30...300 ГГц; 10... 1 мм)
мдс — магнитодвижущая сила
мл — микрополосковая линия
МП — микропроцессор
мс — микросборка
МШУ — малошумящий усилитель
МЭА — микроэлектронная аппаратура
НсЧ — несущая частота
нч — низкие частоты (по Р. р.-св. 30...300 кГц), низкочастотный
нэ — нелинейный элемент
ОА — ограничитель амплитуды
ОБ — общая база
ОВЧ — очень высокие частоты (по Р. р.-св. 30...300 МГц)
ОЗ — общий затвор
ои — общий исток
ок — общий коллектор
ом — однополосная модуляция, однополосный модулятор
оос — отрицательная обратная связь
ОС — обратная связь
ОСт — общий сток
ОУ — операционный усилитель
ОФМн — относительная фазовая манипуляция
оэ — общий эмиттер
ПАВ — поверхностная акустическая волна
пимс — полупроводниковая интегральная микросхема
ПК — персональный компьютер
ПФ — полосовой фильтр
ПНсЧ — поднесущая частота
пос — положительная обратная связь
пп — полоса пропускания
ПрЧ — преобразователь частоты
пт — полевой транзистор
ПТБШ — полевой транзистор с барьером Шоттки
пх — переходная характеристика
пч — промежуточная частота
РЛС — радиолокационная станция
РПдУ — радиопередающее устройство
РПрУ — радиоприемное устройство
РРЛ — радиорелейная линия
РТС — радиотехническая система
РЭА — радиоэлектронная аппаратура
РЭС — радиоэлектронное средство
САПР — система автоматизированного проектирования
СБИС — сверхбольшая интегральная схема
СВ — средние волны (в р.-вещ. 526.5... 1606.5 кГц; 569.8... 186.7 м)
СВЧ — сверхвысокие частоты (по Р. р.-св. 3...30 ГГц), сверхвысокочастотный
СИ — Международная система единиц
СКВИП — сверхпроводниковый квантовый интерференционный прибор
с.к.о. — среднеквадратическое отклонение
смв — сантиметровые волны (по Р. р.-св. 3.. .30 ГГц; 10... 1 см)
СнЧ — синтезатор частоты
с/п — отношение сигнал/помеха
сч — средние частоты (по Р. р.-св. 300.. .3 000 кГц; 1000... 100 м)
СПИСОК ОБЩИХ АББРЕВИАТУР
23
СПИСОК ОБЩИХ АББРЕВИАТУР
с/ш — отношение сигнал/шум
ТВ — телевидение, телевизионный
тд — туннельный диод
тз — техническое задание
ТКЕ — температурный коэффициент емкости
тки — температурный коэффициент индуктивности
ткч — температурный коэффициент частоты
ТУ — технические условия
УВЧ — ультравысокие частоты (по Р. р.-св. 300.. .3000 МГц; 100... 10 см)
УЗЧ — усилитель звуковой частоты
УКВ — ультракороткие волны (в р.-вещ. 65.8...74.0 МГц; 4.56...4.05 м; 100... 108 МГц;
3.0...2.78 м)
УМ — угловая модуляция
УНЧ — усилитель низкой частоты
УПТ — усилитель постоянного тока
УПЧ — усилитель промежуточной частоты
УСЧ — усилитель сигнальной частоты
УЧМ — усилитель частоты модуляции
УЭ — управляющий элемент
ФАПЧ — фазовая автоматическая подстройка частоты
ФАР — фазированная антенная решетка
ФВЧ — фильтр верхних частот
ФД — фазовый детектор
ФИМ — фазоимпульсная модуляция
ФМ — фазовая модуляция, фазомодулированный
ФМн — фазовая манипуляция
ФНЧ — фильтр нижних частот
ФПЧ — фильтр промежуточной частоты
ФСС — фильтр сосредоточенной селекции
ФЧХ — фазочастотная характеристика
ЦАП — цифроаналоговый преобразователь
цмд — цилиндрический магнитный домен
ЦФ — цифровой фильтр
ЧАПЧ — частотная автоматическая подстройка частоты
чд — частотный детектор
чим — частотно-импульсная модуляция
чм — частотный модулятор, частотная модуляция,
частотно-модулированный
ЧМн — частотная манипуляция
ША — шина адреса
шд — шина данных
ШИМ — широтно-импульсная модуляция
ЭВМ — электронная вычислительная машина
эвп — электровакуумный прибор
эдс — электродвижущая сила
ЭЛТ — электронно-лучевая трубка
эмп — электромагнитное поле
ЭМС — электромагнитная совместимость
ЭРЭ — электрорадиоэлемент
Примечание: в р.-вещ. — в радиовещании; по Р. р.-св. — по Регламенту радиосвязи.
24
РАДИОТЕХНИКА
----------------------------------------ГЛАВА 1
• Любая техническая дисциплина является
пирамидой знаний, в основание которой
заложены общие сведения.
• Знания только тогда знания,
когда они получены усилиями мышления,
а не памяти.
Л.Н. Толстой
• Нет ничего более практичного,
чем хорошая теория.
• Знать — это уметь дать определение.
Сократ
• Математика — королева естественных наук.
К.Ф. Гаусс
• Мы все учились понемногу
Чему-нибудь и как-нибудь.
А. С. Пушкин
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Главное назначение вступительной главы
радиотехнической энциклопедии — дать
читателю общие сведения, необходимые для
изучения последующего материала. Здесь рас-
сматриваются основные понятия и законы эле-
ктричества и магнетизма, приводятся широко-
употребительные термины, освещаются поня-
тия, общие для многих разделов книги: модели
сигналов и помех, помехоустойчивость, мето-
ды оптимизации, способы проектирования,
случайные величины и процессы, элементы
векторного анализа, информация и информа-
ционные системы, нормативная документация
и т.п. Дается определение радиотехники и
смежных научно-технических дисциплин. При
изучении вступительной главы важно понять
смысл основных определений, освоить терми-
нологию.
1.1. АЛГОРИТМ (от algorithm! — латини-
зированной формы фамилии среднеазиатского
ученого Аль-Хорезми) — однозначное прави-
ло (процедура, последовательность указаний,
инструкций), которое опирается на конечную
последовательность пошаговых операций и
дает возможность за конечное время найти ре-
шение отдельной задачи или любой задачи из
некоторого класса задач. А. не имеет формаль-
ного определения в терминах более простых
понятий. При его реализации процесс реше-
ния формализуется, разбивается на простые
операции, в которых последующие шаги, как
правило, зависят от результатов предыдущих,
а переходы между ними возможны только од-
ним единственным путем. К А. предъявляют-
ся три основных требования. Он должен быть
однозначным — различные толкования ис-
ключаются; обладать свойством массовости
— возможностью использования для широко-
го круга исходных величин (параметров);
иметь свойство результативности — обяза-
тельно давать результат после конечного
Глава 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
25
1.1. АЛГОРИТМ
числа шагов. Программа — запись А. решения
задачи на одном из языков программирования.
Понятие А. занимает важное место в со-
временной математике. Теория А. наряду с ма-
тематической логикой составляет теоретичес-
кий фундамент кибернетики и используется
для создания быстродействующих ЭВМ, что,
в свою очередь, обеспечивает возможность
построения сложнейших А., которые включа-
ют сотни тысяч шагов (элементарных опера-
ций). Вместе с тем не следует ограничивать А.
только областью цифровых вычислений — ис-
ходными данными для А. могут быть различ-
ные объекты: А. перевода с одного языка на
другой, А. работы диспетчера, А., управления
и т.д., где используются операции с произ-
вольными символами.
1.2. ВЕЛИЧИНЫ, ИЗМЕНЯЮЩИЕСЯ
ВО ВРЕМЕНИ, — величины, которые на про-
тяжении заданного интервала времени приоб-
ретают различные значения.
К ним относится большинство физических
величин, которые используются в радиотехни-
ке. В зависимости от степени определенности
ожидаемых значений В. и. в. подразделяют на
детерминированные (от лат. determino — опре-
деляю) и случайные. Для первых мгновенные
значения известны в любой момент времени,
для вторых — наперед неизвестны и могут
быть лишь предсказаны с определенной веро-
ятностью.
По особенностям временной структуры В.
и. в. подразделяют на непрерывные (аналого-
вые или континуальные) и дискретные. Непре-
рывная величина имеет бесконечно малое при-
ращение при бесконечно малом изменении
времени. Дискретная величина (от лат. discre-
tus — прерывистый) — изменяется скачкооб-
разно и состоит из отдельных прерывистых ча-
стей; математическим изображением ее явля-
ется разрывная функция времени. Из детерми-
нированных В. и. в., как дискретных, так и ана-
логовых, по степени регулярности выделяют
периодические и непериодические (апериоди-
ческие) величины [1].
Импульсная величина (импульс) — дис-
кретная величина с конечной энергией, суще-
ственным образом отличной от нуля на протя-
жении ограниченного интервала времени; при
этом ограниченность интервала оценивают от-
носительно промежутка времени, на протяже-
нии которого И. в. находится в нулевом состо-
янии. И. в. x(t) может существовать в виде от-
дельных импульсов или импульсной последо-
вательности, которая принадлежит сигналу
или помехе:
N
•*(0 = У, Am 0 — h •> )»
/=1
где Ami — максимальное значение (высота) z-ro
импульса; — время его появления; т, —про-
должительное импульса; Г/ — интервал сле-
дования; А — число импульсов в последова-
тельности (см. Рис. 1.9, а).
В зависимости от природы, происхождения
и назначения импульсные последовательности
могут иметь вид детерминированных или слу-
чайных процессов (периодических или апери-
одических), а приведенные выше параметры
(Ab th ть Ti) — могут быть детерминированны-
ми, случайными или смешанными. Так, в им-
пульсной последовательности с детерминиро-
ванным тактовым интервалом время появле-
ния z-ro импульса можно представить в виде
/,=/Т+ШШ=о.
где iT — регулярная, £,(г) — случайная компо-
ненты.
Приведем два неравенства, характерных
для И. в.:
7/» Tz; Tj» Туст,
где туст — время установления переходного
процесса в системе, на которую воздействует
импульс.
Эти неравенства дают возможность рас-
сматривать каждый импульс последовательно-
сти как отдельный процесс, в отличие от флук-
туационного процесса, где отдельные элемен-
тарные импульсы перекрываются. При этом
случайное импульсное воздействие часто уп-
рощенно рассматривают как детерминирован-
ное воздействие некоторого среднестатистиче-
ского импульса.
Видеоимпульс — импульс без заполнения
несущей, который в большинстве случаев яв-
ляется односторонним (однополярным) откло-
нением от постоянного (в частности, нулево-
го) уровня и спектр которого сосредоточен в
области, несущественно превышающей поло-
су частот AF = 1/т, (см. ст. 17.20). Форма им-
пульса может быть различной: прямоуголь-
ной, экспоненциальной, трапециевидной и т.п.
В РТС передачи информации последняя за-
ключается в одном или нескольких парамет-
рах видеоимпульса. При этом видеоимпульсы
формируются в результате первичной модуля-
26
РАДИОТЕХНИКА
1.2. ВЕЛИЧИНЫ, ИЗМЕНЯЮЩИЕСЯ ВО ВРЕМЕНИ
ции периодической импульсной последова-
тельности сообщением, полученным с выхода
физико-электрического преобразователя —
ФЭПИ (см. Рис. 1.12, в). Далее видеоимпуль-
сы используются для вторичной модуляции
колебаний НсЧ. Сообщение, которое состоит
из ряда видеоимпульсов, число, форма и пара-
метры которых известны, называется кодовой
группой импульсов.
Импульсно-аналоговый сигнал имеет вид
последовательности радиоимпульсов, параме-
тры которых функционально связаны с анало-
говым сообщением, которое передается. Такой
сигнал образуется в результате вторичной мо-
дуляции (AM, ЧМ, ФМ) колебаний НсЧ после-
довательностью видеоимпульсов. В зависимо-
сти от вида первичной модуляции последова-
тельности видеоимпульсов различают АИМ,
ЧИМ, ШИМ, ИКМ (см. ст. 17.21).
Импульсно-дискретный сигнал имеет вид
дискретной последовательности радиоимпуль-
сов, причем каждый из них отвечает конечному
множеству символов, которые отображают сооб-
щение. В двоичной системе параметр модуляции
может приобретать одно из двух дискретных зна-
чений (двоичная манипуляция). В зависимости
от параметра, который подлежит манипуляции,
различают АМн, ЧМн, ФМн (см. ст. 17.22).
Комплексная спектральная плотность им-
пульса (непериодической последовательности
импульсов)
S(co)= |х(/)е’7<0'Л = |$((0)|е-7в<‘0) =
= Re[S(a>)]-jIm[S(w)],
где
Re[s (со)] = j x(t) cosco tdr,
Im[s (co)] = J x(r)sincotafr.
Модуль спектральной плотности импульса
|S(<b)| = ^Re2[S(<B)]+Im2[S(<B)].
Аргумент спектральной плотности импульса
0(со) = arg 5(со) = arctg [Im 5(co)/Re S(co)].
Радиоимпульс — конечная последователь-
ность несущих колебаний ВЧ, огибающая ко-
торой имеет форму видеоимпульса (см. ст.
17.21). В РТС передачи информации радиоим-
пульсы формируются в результате вторичной
модуляции колебаний НсЧ видеоимпульсами.
В РТС извлечения информации, например при
активной локации, радиоимпульс получает ин-
формацию при его отражении от цели. Сигнал,
который имеет вид последовательности конеч-
ного и известного числа радиоимпульсов оди-
наковой формы, называют пачкой радиоим-
пульсов.
Колебание — движение или изменение со-
стояния, для которого характерна определенная
повторяемость во времени. Биение — периоди-
ческое изменение во времени амплитуды К., ко-
торое возникает при сложении двух или более
гармонических К. с близкими частотами. К.
апериодические — К., которые затухают за вре-
мя, соизмеримое с их периодом. К. вынужден-
ные — К., вызванные внешним воздействием.
К. собственные (свободные) — затухающие К.,
которые возникают без внешнего воздействия
благодаря энергии, предварительно накоплен-
ной в системе. К. электрические — периодиче-
ские изменения напряжения, тока, заряда в эле-
ктрических цепях, которые сопровождаются со-
ответствующими изменениями электрических и
магнитных полей. К. затухающие (незатухаю-
щие) — К., энергия которых с течением време-
ни уменьшается до нуля (остается постоянной).
К. модулированные — К., характер которых из-
меняется в соответствии с передаваемым сооб-
щением с периодом, намного большим, чем пе-
риод несущих К. К. несущие — К., которые ис-
пользуют для передачи сообщения с помощью
их модуляции. К. параметрические — К., кото-
рые обусловлены и поддерживаются изменени-
ем параметров колебательной системы. К. пери-
одические — К., мгновенные значения которых
повторяются через одинаковые промежутки
времени. К. упругие (акустические) — знакопе-
ременное движение в упругой среде, например
в пьезоэлектрических устройствах. К. резонанс-
ные — К., которые возникают, если период вы-
нужденных К. близок к периоду собственных
К. К. релаксационные — собственные К., кото-
рые существенно отличаются по форме от гар-
монических. Это К. с резко выраженными гра-
ницами сравнительно медленных и быстрых из-
менений, которые обусловлены постепенным
накоплением энергии в одном элементе и быст-
рой передачей ее другому. К. стационарные (не-
стационарные) — К., характеристики которых
не зависят (зависят) от времени.
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
27
1.2. ВЕЛИЧИНЫ, ИЗМЕНЯЮЩИЕСЯ ВО ВРЕМЕНИ
Колебания гармонические (монохрома-
тические) — частный случай колебаний, у ко-
торых периодическое изменение физических
величин происходит по законам синуса или ко-
синуса. Амплитуда — максимальное значение
величины х = Лсоэф, которая гармонически ко-
леблется. Амплитуда комплексная — комплекс-
ная величина А = Hie70, модуль которой равен
амплитуде, а аргумент — начальной фазе. К.
квадратурные — К. г., частоты которых совпа-
дают, а разность фаз составляет я/2 радиан. К.
когерентные (от лат. coherence — сцепленный)
— К. г. одинаковой частоты, разность фаз кото-
рых постоянна во времени. К. синфазные — К.
г., частоты которых одинаковы, а фазы совпада-
ют. К. синхронные — К. г., частоты которых
одинаковы, кратны или находятся в рациональ-
ном соотношении. Фаза — периодически изме-
няющийся аргумент ф = (М + 0 гармонического
колебания х = Лэтф или х = Лсоэф, где 0 — на-
чальная фаза. Фазовый сдвиг — модуль разно-
сти начальных фаз 0СД = |0i - 02| двух гармони-
ческих колебаний одинаковой частоты.
Режим работы — состояние объекта или
порядок его функционирования и соответству-
ющая им совокупность характеристик. Р ди-
намический — Р., при котором воздействие на
систему постоянно изменяется. Р ключевой —
Р., при котором устройство находится в одном
из двух состояний в зависимости от управляю-
щего воздействия. Р короткого замыкания —
работа при нагрузке бесконечно малым сопро-
тивлением, при котором выходное напряжение
равно нулю. Р. переходный — Р., который ха-
рактеризует переход от одного установивше-
гося Р. к другому. Р периодический — Р., кото-
рый идентично воссоздается на одинаковых
интервалах независимой переменной. Р рабо-
ты под нагрузкой — Р., при котором устройст-
во отдает в нагрузку полезную энергию. Р
синхронный — R, который совпадает во време-
ни с определенным явлением или величиной.
Р согласования по мощности — Р., при кото-
ром в нагрузке выделяется наибольшая воз-
можная мощность. Р установившийся — Р.,
при котором характеристики системы остают-
ся постоянными. Р холостого хода — работа
при нагрузке бесконечно большим сопротив-
лением, при котором выходной ток равен ну-
лю. Р. ждущий — Р., при котором система на-
ходится в состоянии наибольшей экономии
энергии источника питания при готовности к
переходу в рабочее состояние в случае поступ-
ления управляющего воздействия.
Характеристики изменяющихся во
времени величин. Относительное откло-
нение переменной величины от линейного
закона (в процентах) оценивают коэффици-
ентом кИЛ = (3„л/хтах)100, где 8НЛ — абсо-
лютное отклонение этой величины от пря-
мой линии, соединяющей мгновенные зна-
чения, которые соответствуют началу и кон-
цу заданного интервала времени; хтах —
максимальное значение величины на этом
интервале.
Переменная составляющая величины (цен-
трированная величина) — разность между
мгновенным значением величины и ее посто-
янной составляющей:
х~ = x(t) - x(t) = x(t) - (1 /Т )J x(t)dt.
О
Максимальное (минимальное), или пиковое
значение величины — наибольшее (наимень-
шее) значение xmax = max x(t) на протяжении
определенного интервала времени Т.
Мгновенное значение величины — значение
х = x(t) в заданный момент времени t.
Постоянная составляющая (среднее зна-
чение) величины — среднеарифметическое
мгновенных значений
хср = х_ = х(0 = (1 /Г) j x(t)dt
о
на протяжении заданного интервала времени Т.
Размах (полное изменение) величины — раз-
ница между максимальным и минимальным
значениями R - xmax - xmin на протяжении за-
данного интервала времени Т.
Среднеквадратическое (действующее, или
эффективное) значение величины — корень
квадратный из среднего значения квадратов
мгновенных значений величины на протяже-
нии заданного интервала времени Т:
Среднеквадратическое отклонение величи-
ны — корень квадратный из среднего
значения квадратов переменной составляющей
на протяжении заданного интервала времени Т:
•^ск.0 ~ ]/х~ (0 ~ yl[x(f) x(t) ] .
28
РАДИОТЕХНИКА
1.2. ВЕЛИЧИНЫ, ИЗМЕНЯЮЩИЕСЯ ВО ВРЕМЕНИ
Средневыпрямленное значение величины —
среднеарифметическое модулей мгновенных
значений на протяжении заданного интервала
времени Г:
_________ т
xCB=|x(/)| = (l/T)J|x(z)|^.
О
Средняя мощность, которая выделяется
на сопротивлении 1 Ом, — среднее значение
квадратов мгновенных значений на протяже-
нии заданного интервала времени Г:
____ т
О
Средняя мощность переменной составля-
ющей, которая выделяется на сопротивлении
1 Ом, — среднее значение квадратов перемен-
ной составляющей на протяжении заданного
интервала времени Т:
pcp~=^(o=[x(o-W-
Время задержки t3 — временной сдвиг од-
ной из переменных величин, при котором до-
стигается ее тождественное равенство с другой
величиной с точностью до постоянного мно-
жителя и постоянной составляющей:
X2(r) = atXi(t - t3)+a2.
Характеристики периодически изме-
няющихся (периодических) величин.
Периодические величины — частный случай
колебаний, широко используемый в радио-
технике класс изменяющихся во времени ве-
личин.
Гармоника — гармоническая составляю-
щая разложения в ряд Фурье периодической
величины с частотой, кратной частоте основ-
ной составляющей. Гармоника пространст-
венная — см. ст. 28.8.
Переменная составляющая периодической
величины — см. характеристики изменяющих-
ся во времени величин.
Коэффициент амплитуды (пик-фактор) —
отношение максимального значения периоди-
ческой врличины к ее среднеквадратическому
значению:
~' ^•шах^ск ~ ^тах^эф’
: Коэффициент гармоник (клирфактор) —
коэффициент, характеризующий отличие фор-
мы периодической величины от гармоничес-
кой и равный отношению среднеквадратичес-
кого напряжения суммы всех гармоник, кроме
основной, к среднеквадратическому напряже-
нию основной составляющей:
Коэффициент нелинейных искажений —
коэффициент, характеризующий отличие фор-
мы периодической величины от гармоничес-
кой и равный отношению среднеквадратичес-
кого напряжения суммы всех гармоник, кроме
основной, к среднеквадратическому напряже-
нию переменной составляющей:
*ни = ----
Jsx
1 /=1
Коэффициент формы — отношение сред-
неквадратического значения периодической
величины к ее средневыпрямленному значе-
нию. кф хэф/хсв.
Основная составляющая — составляющая
первого порядка разложения периодической
величины в ряд Фурье.
Период — наименьший интервал времени,
по истечении которого мгновенные значения
периодической величины повторяются.
Постоянная составляющая величины —
см. характеристики изменяющихся во времени
величин.
Пульсирующая величина — периодическая
величина, постоянная составляющая которой
за период не равна нулю: х = х_ + x~(t).
Спектр амплитуд периодической величины
(амплитудный спектр) — совокупность функ-
ций дискретного аргумента, которые являются
модулями комплексного спектра периодически
изменяющейся величины:
| А(псо)| = д/яе2[А(ясо)] + 1ш2[А(исо)].
Спектр комплексный периодической вели-
чины — совокупность функций дискретного
аргумента, равного целому числу п значений
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
29
1.2. ВЕЛИЧИНЫ, ИЗМЕНЯЮЩИЕСЯ ВО ВРЕМЕНИ
частоты периодической величины x(f), которые
являются коэффициентами комплексного ряда
Фурье для этой величины:
Т/2
А(п<л) = (2/Г) Jx(t)e~jna,dt.
-Т/2
Спектр фаз периодической величины — со-
вокупность функций дискретного аргумента,
которые являются аргументами комплексного
спектра периодической величины:
ф(исо) = arg[^(nco)] = arctg[Im Я(исо) / Re Я(исо)].
Субгармоника — колебание, частота кото-
рого в целое число раз меньше частоты основ-
ной составляющей.
Характеристики случайных величин и
процессов — см. ст. 1.18, 21.3.
Частота — число повторений процесса за
единицу времени; параметр / = со/(2л) =1/7^
обратный периоду переменной величины Г,
где со = 2л/ — круговая Ч. Девиация Ч. — наи-
большее отклонение Ч. частотно-модулиро-
ванного сигнала от НсЧ. Диапазон рабочих Ч.
— полоса Ч., в границах которой обеспечива-
ется установленное качество работы РТС. По-
лоса пропускания устройства (системы) —
полоса Ч., в пределах которой устройство вос-
производит сигналы с искажениями, не превы-
шающими допустимых значений. Полоса Ч.
боковая — полоса Ч., расположенная ниже
или выше НсЧ, которую занимают спектраль-
ные составляющие, образующиеся при моду-
ляции несущего колебания. Полоса Ч. необхо-
димая — минимальная полоса Ч., обеспечива-
ющая передачу сигнала с заданными скоро-
стью и качеством. Ч. отрицательная — мате-
матическое понятие, обусловленное способом
представления сигнала в виде комплексного
числа. Ч. собственных колебаний — Ч., с кото-
рой в системе происходят колебания после
прекращения внешнего воздействия. Ч. звуко-
вая — Ч. слышимых звуков, ориентировочно в
диапазоне 20...20000 Гц. Ч. дискретизации —
число отсчетов (выборок) сигнала за единицу
времени. Ч. зеркальная — см. ст. 17.15. Ч. ком-
бинационная — Ч. колебания, возникающего в
нелинейной цепи при одновременном воздей-
ствии на нее двух или более сигналов. Ч. несу-
щая (поднесущая) — Ч. несущего (поднесуще-
го) гармонического колебания, модулируемого
сообщением. Ч. промежуточная — см. ст.
17.15. Ч. пространственная характеризует
скорость изменения фаз гармонического про-
странственного сигнала при изменении соот-
ветствующей координаты. Ч. резонансная —
Ч. вынужденных колебаний, при которой воз-
никает резонанс в колебательных цепях.
1.3. ДИАПАЗОН РАДИОЧАСТОТ (ра-
диоволн) — сплошной частотный интервал, в
пределах которого колебания имеют сходные
свойства. В соответствии с регламентом радио-
связи [2] радиоспектр от 3 кГц до 3000 ГГц
разделен на девять Д. р., каждому из которых
присвоено условное наименование, соответст-
вующее длине радиоволн (например, сантиме-
тровые волны). При этом границы z-ro Д. р. оп-
ределяют таким образом:/min = 0.3 • 10' кГц,
/шах = 3 • 10' кГц, z = 1,2, ...,9. В Табл. 1.1 при-
ведены диапазоны радиочастот (радиоволн) и
их наименования. Отметим, что четких физи-
ческих границ между Д. р. не существует, они
в значительной мере условны.
Таблица 1.1
Номер диапазона Диапазон радиочастот Наименование радиочастот Диапазон радиоволн Наименование радиоволн
4 3...30 кГц Очень низкие (ОНЧ) 100...10 км Мириаметровые
5 30...300 кГц Низкие (НЧ) 10...1 км Километровые
6 300...3000 кГц Средние (СЧ) 1000...100М Гектометровые
7 3...30 МГц Высокие (ВЧ) 100...10М Декаметровые
8 ЗО...ЗООМГц Очень высокие (ОВЧ) 10...1М Метровые
9 ЗОО...ЗОООМГЦ Ультравысокие (УВЧ) 100...10 см Дециметровые
10 3...30ГГЦ Сверхвысокие (СВЧ) 10...1 см Сантиметровые
11 ЗО...ЗООГГц Крайне высокие (КВЧ) 10...1 мм Миллиметровые
12 ЗОО...ЗООО ГГц Гипервысокие (ГВЧ) 1...0.1 мм Децимиллиметровые
30
РАДИОТЕХНИКА
1.6. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ
Следует отметить, что с развитием радио-
техники интенсивно осваиваются все более
коротковолновые диапазоны. Это связано с
возможностью размещения большого числа
частотных каналов, использования сложных
широкополосных сигналов, реализации ос-
тронаправленного излучения и приема при
малых размерах антенн, уменьшения уровня
помех, измерения малых радиальных скоро-
стей объектов.
Радиоволны, в свою очередь, являются од-
ним из видов электромагнитных волн, всего (в
порядке уменьшения длины волны) выделяют
четыре группы электромагнитных волн: радио-
волны, оптическое излучение (инфракрасное,
видимое, ультрафиолетовое), рентгеновское и
гамма-излучение. С уменьшением длины вол-
ны все больше проявляется квантовый харак-
тер электромагнитного излучения и все мень-
ше — его волновые свойства. Поэтому при на-
именовании Д. р. обычно употребляют терми-
ны «миллиметровые» или «децимиллиметро-
вые» волны, но «инфракрасное», «ультрафио-
летовое» и «гамма-излучение».
Наименование Д. р., которые используются
в радиовещании, — см. в ст. 13.4.
1.4. ИНФОРМАЦИЯ (от лат. informatio —
разъяснение) — совокупность сведений о ка-
ком-либо процессе, событии или предмете,
уменьшающих неопределенность, которая бы-
ла у пользователя до получения сообщения.
Таким образом, если сообщение не уменьшает
неопределенности, то оно не несет И. Сообще-
ние — материальная форма представления И.
В системах связи под сообщением понимают
электрическое напряжение (ток), возникающее
на выходе физико-электрического датчика (на-
пример, микрофона, иконоскопа), который
преобразовывает энергию первичного поля —
носителя И. в энергию электрических колеба-
ний. Сообщением модулируют сигнал, физиче-
ский процесс (агент), который несет И. на не-
обходимое расстояние (см. ст. 1.17).
И. не может отождествляться ни с матери-
ей, ни с энергией: в то же время И. — одно из
универсальнейших свойств материи, ее пере-
дача и восприятие основываются на объектив-
йом свойстве материи — отражении (см. гл. 6).
Для количественной оценки передаваемой И.
используют вероятностный критерий — разли-
чие между априорной и апостериорной энтро-
пией, которое характеризует неопределенность
ситуации до и после приема сообщения (см. ст.
6.5). Единицей И. является бит — количество
И., которую получает пользователь при приеме
одного из двух равновероятных сообщений.
Очевидно, что при таком подходе абстрагиру-
ются от смыслового (семантического) значе-
ния И., ее полезности для пользователя. Следу-
ет отметить, что понятие И. как меры умень-
шения неопределенности, несмотря на его
универсальность и распространенность, не яв-
ляется единственным. Существуют также дру-
гие определения: комбинаторное, алгоритми-
ческое, топологическое. Полезность И. можно
оценить приращением вероятности достиже-
ния цели благодаря ее использованию.
Апостериорная информация (от лат. а
posteriori — из последующего) — И., получен-
ная в результате опыта в широком смысле это-
го слова. В качестве примера укажем А. и., из-
влеченную из принятого локатором колебания,
которое является смесью помехи и отраженно-
го зондирующего сигнала.
Априорная информация (от лат. a priori
— из предыдущего) — И. доопытная, получен-
ная на основании предыдущего опыта, теоре-
тического исследования, обобщения статисти-
ческих материалов и т.п. Так, при решении сто-
хастических задач обнаружения под А. и. по-
нимают знание законов распределения случай-
ных величин (сигналов, помех, их смесей), от
которых зависит принятие решения.
1.5. КЛАСС РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ —
разновидность радиоизлучения, которая харак-
теризуется совокупностью трех основных и
двух дополнительных признаков. Каждый К.
р. по регламенту связи [2] имеет трехзначный
символ основных признаков: первое обозначе-
ние — тип модуляции основной несущей; вто-
рое — характер сигнала, который модулирует
основную несущую; третье — тип информа-
ции, которая передается. Если необходима бо-
лее подробная классификация, то трехзначный
символ дополняют двумя вспомогательными
знаками: первый определяет особенность сиг-
нала (тип кода), второй — вид уплотнения (ча-
стотное, временное, комбинированное). Обо-
значения классов излучений приведены в
Табл. 1.2.
1.6. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ в зада-
чах проектирования РЭС — аналитические,
графические, числовые методы и алгоритмы
отыскания максимальных (минимальных)
значений функции и аргументов, при которых
они достигаются при наличии ограничений
или без них. Оптимальность — свойство
объекта проектирования быть самым лучшим
Глава 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
31
1.6. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ
Таблица 1.2
Классы радиоизлучения Обозначение класса радиоизлучения
старое новое
Излучение немодулированной несущей АО NON
Амплитудная модуляция и манипуляция
Телеграфия амплитудная двухполосная (АМн незатухающих колебаний) с приемом:
слуховым А1 А1А
автоматическим А1 А1В
Телеграфия амплитудная двухполосная тональная (АМн звуковой частоты), слуховой прием А2 A2A
Телеграфия амплитудная однополосная тональная (АМн):
с полной несущей, слуховой (автоматический) прием A2A Н2А(Н2В)
с подавленной несущей, автоматический прием A2J J2B
Телеграфия амплитудная однополосная тональная, многоканальная (АМн):
с ослабленной несущей, автоматический прием А7А R7B
с подавленной несущей, автоматический прием A7J J7B
Телефония амплитудная двухполосная (в том числе AM в радиовещании) АЗ АЗЕ
Телефония амплитудная однополосная (АМн):
с полной несущей АЗН НЗЕ
с ослабленной несущей АЗА R3E
с подавленной несущей A3J J3E
Телевидение с частично подавленной боковой полосой частот А5С C3F
Угловая модуляция и манипуляция
Телеграфия частотная одноканальная (ЧМн) F1 F1B
Телеграфия фазовая одноканальная (ФМн) F1 G1B
Телеграфия частотная двухканальная (ЧМн) F6 F7B
Телеграфия фазовая двухканальная (ФМн) F6 G7B
Фототелеграфия частотная (факсимиле) F4 F1C
Телефония частотная (в том числе ЧМ в радиовещании и звуковом сопровождении телевидения) F3 F3E
Импульсная модуляция и манипуляция
Последовательность смодулированных импульсов РО P0N
Телеграфия с АМн импульсов несущей P1D К1В
Телефония с АИМ P3D КЗЕ
Телефония с ШИМ РЗЕ L3E
Телефония с ВИМ P3F МЗЕ
по одному показателю или группе показате-
лей, называемых критериями оптимальности.
Среди современных М.о. в проектировании
РЭС широко применяют методы математичес-
кого программирования. На ранних этапах
проектирования зачастую используют упро-
щенные методы структурной оптимизации, на
этапах технического и рабочего проектирова-
ния РЭС — методы параметрической оптими-
зации (Табл. 1.3).
Критерий оптимальности, или целевая
функция — функция
F(S, X, У) -> extr, (1)
которая характеризует самые важные свойст-
ва объекта проектирования, а также позволяет
определить относительные приоритеты воз-
можных решений. К. о. служит основой мето-
дологии системного подхода к проектирова-
32
РАДИОТЕХНИКА
1.6. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ
Таблица 1.3
Раздел прикладной математики Наименование задач Методы решения
Линейное программирование Основная задача Параметрическая задача Транспортная задача Задача выбора Симлекс-метод [5] Двойной симплекс-метод [5] Модифицированный симплекс-метод [5] Видоизмененный симплекс-метод [5] Метод потенциалов [5] Распределительный метод [5] «Венгерский метод» [5]
Нелинейное программирование Безусловная оптимизация — одномерная задача Безусловная оптимизация — многомерная задача Условная оптимизация Квадратичное программирование Сепарабельное программирование Целочисленное программирование Дифференциальные методы [4 — 6] Метод дихотомии [4 — 6] Метод «золотого сечения» [5,6] Метод Фибоначчи [5,6] Методы прямого поиска [4 — 6] Метод покоординатного спуска (восхождения) [4—61 Метод Розенброка [6] Метод Пауелла [6] Градиентные методы [6] Метод Ньютона — Рафсона [6] Метод Давидена [6] Метод множителей Лагранжа [4,5] Метод проекции градиента J4J Методы штрафных функции [4 — 6] Метод Вольфа [5] Метод вектора спада [5] Х-метод [5] Метод Гоморри [5]
Динамическое программирование Многошаговые задачи Методы рекуррентных соотношений [5]
Стохастическое программирование Задачи оптимизации со случайными коэффициен- тами целевой функции и параметрами ограничений Методы сведения к задачам линейного и нелинейного программирования [5]
Вариационное исчисление Задачи оптимизации с непрерывными параметрами Уравнение Эйлера [71 Принцип максимума Понтрягина [7]
Теория игр Игры в чистых стратегиях Игры в смешанных стратегиях Максиминный метод [5,3] Методы линейного программирования [5,3]
Комбинаторные (экстремальные) задачи на графах Задача о коммивояжере Задача разрезания графа на подграфы Задача построения экстремального дерева Метод последовательного конструирования и отбора вариантов [8] Метод «ветвей и границ» [8] Тоже Методы Краскала, Прима [7]
нию, в соответствии с которым модель объек-
та проектирования РЭС характеризуется мно-
жеством возможных структур S = {5Ь s2, ...,
sh ...,sn}, векторами входных воздействий X=
{хь х2, •••, Xj, ..., хт} и выходными параметра-
ми (показателями) У = {УьУ2, •••>№ •••> У/}-
Структура — это схемно-конструкторское
решение РЭС. При проектировании РЭС зача-
стую используются группы признаков, измене-
ние которых обеспечивает дискретный переход
от одной структуры к другой: функциональные
элементы; их взаимосвязи (необходимые —
обусловлены реализацией электрической схе-
мы, паразитные — обусловлены принятым
конструкторским решением); компоновка эле-
ментов.
Выходными параметрами, т.е. проекциями
вектора У, являются показатели функционирова-
ния, габаритные размеры, объем, масса, надеж-
ность, технологичность и прочие характеристи-
ки, которые определяют различные компоненты
качества РЭС. В обзщем случае выходные пара-
метры у*, к = 1,7, зависят от элементов и их свя-
зей, т.е. от структуры s, и входных воздействий
2-2959
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
33
1.6. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ
X: ук = Фа/5/, X). Каждая проекция уь к = 1,1, век-
тора Y характеризует только один из компонен-
тов качества РЭС, который является частным
показателем качества. Для одновременного
учета всех компонентов этого вектора использу-
ют комплексный показатель качества F(S, X, Y)
— скалярную функцию структуры st е S вход-
ных воздействий g X, частных показателей
yk g У. Переменные xj, yk при проектировании
РЭС почти всегда имеют ограниченный интер-
вал значений, которые определяются стандарта-
ми, ТУ, иными нормативными документами:
V(Xy G X)[xymin — xj — Xjmax ипи
/(^ymin ) — /(*./) —/(•*/ max)L
V(>* er)[ytmin < yk < »max или
8(Уктт)£8(Ук)£8(Ук max )!•
В зависимости от способа оценки К. о. при
проектировании РЭС различают рациональ-
ные, оптимальные и квазиоптимальные реше-
ния. Если во время проектирования РЭС це-
лью является лишь выполнение условий (2), то
К. о. можно записать в виде
F(5,X,X) =
1 при выполнении условий (2);
О при невыполнении хотя бы
одного из условий (2).
В таких случаях находят рациональные ре-
шения, т.е. решения, которые удовлетворяют
условиям ограничений. Если при проектирова-
нии РЭС цель заключается в достижении само-
го лучшего (экстремального) значения опреде-
ленной величины, которая оценивает конеч-
ный результат проектирования, то К. о. можно
записать как Г($Опт, Л>пт» Уопт) = extr F(S, X, У)
при выполнении условий (2). Решение ($Опт,
-Уопт, Уопт)» которое приводит к экстремуму це-
левой функции (1), называется оптимальным.
Решение (5°, Х°, У°), при котором целевая
функция F(s°, Х°, Y°) приобретает значение
больше (меньше), чем допустимое (пороговое)
значение F4on, называется квазиоптимальным.
Максиминный метод оптимизации —
метод математического программирования, ко-
торый основывается на рассмотрении задач
проектирования РЭС в условиях статистичес-
кой неопределенности входных воздействий X
и выходных показателей У при использовании
элементов теории игр. Исходя из принципа по-
лучения гарантированного результата, исполь-
зуют такой К. о.
F = maxminP(4/Z),
5 z
где А — случайное событие, которое состоит в
достижении поставленной цели проектирова-
ния; Z — неопределенные факторы, которые
включают множества входных воздействий X и
выходных показателей У; P(A/Z) — вероят-
ность события А при условиях Z.
Игра — это упрощенная модель ситуации
выбора решениям Проектировщик (первый иг-
рок) может принимать возможные решения
(стратегии) по выбору структуры s, g S, приро-
да (второй игрок) может формировать различ-
ные сочетания факторов Z (комбинации X, У)
как свои стратегии. Платежная функция Р(а, Ь)
— вероятность достижения результата при ис-
пользовании первым игроком стратегии а, вто-
рым — стратегии Ь. Цена игры — число, кото-
рое обеспечивает максимальный выигрыш
первого игрока и минимальный проигрыш вто-
рого. При условии, что
max[minP(a, b)] = min[maxP(a, Ь)],
a b а b
соответствующее значение функции Р(а, Ь) на-
зывается седловой точкой игры, которая явля-
ется точкой пересечения оптимальных страте-
гий обоих игроков. В зависимости от вида пла-
тежной функции Р(а, Ь) ддя разработки алго-
ритма поиска максимина используют аналити-
ческие, матричные, геометрические методы
решения теории игр [3].
Оптимизация параметрическая характе-
ризуется обобщенной постановкой задачи оп-
тимизации при проектировании РЭС, которая
состоит в отыскании для заданной структуры
g S и вектора входных воздействий Х° опти-
мального вектора УО1ГГ, Для которого F(s„ Х°,
Уопт) = extr F(sh Х°, У) при выполнении условий
(2). При проектировании РЭС для О. п. исполь-
зуют методы вариационного исчисления, ли-
нейного и нелинейного программирования
(см. Табл. 1.3).
Оптимизация структурная — обобщен-
ная постановка задачи структурного оптималь-
ного проектирования РЭС, состоящая в отыс-
кании такого решения ($опт, ^°, У°)» которое
при заданных значениях xj е Х,уке У, (удов-
летворение условий (2)) позволяет выбирать из
всех возможных структур s, е S, такую струк-
туру 5опт, при которой достигается экстремум
целевой функции (1), т.е.
F(Saa ,Х°,У°) = extr F(S,Х°,У°).
34
РАДИОТЕХНИКА
1.6. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ
Во время проверки выполнения условий
(2) могут возникнуть три взаимоисключаю-
щие ситуации: на заданном множестве струк-
тур нет ни одной, для которой выполнялись бы
условия (2), что означает невозможность по-
лучения допустимого решения; на заданном
множестве структур существует единствен-
ная, которая отвечает условиям (2), т.е. опти-
мальная; существует множество допустимых
структур, для которых выполняются условия
(2). Если бы среди этого множества структур
существовала единственная, которая по всем
показателям превосходила бы остальные, то
она была бы оптимальной. Однако по одному
показателю лучшей может быть одна структу-
ра, по другому — другая, т.е. допустимые
структуры составляют множество Парето. Для
выбора оптимальной структуры используют
методы последовательной и параллельной оп-
тимизации.
Метод последовательной оптимизации
— метод О. с., который основывается на мно-
гошаговой процедуре оптимизации по каждо-
му из показателей, ранжированных по пре-
имуществам: у 1—>у2 -> ••• ~*Ук~> ---—tyi- На
каждом шаге, начиная с упроводится срав-
нение структур по одному показателю. Из
множества S остается подмножество струк-
тур Si, для которых значение показателя у^ >
Jimax - ДУ1 (нормальный показатель) или>>1 <
Zimin + Ду 1 (инверсный показатель). Величина
Ayl называется уступкой. На каждом к-м ша-
ге к рассмотрению включаются новые струк-
туры Sk. На определенном шаге будет найден
оптимальный вариант 5ОПТ е Sk. Метод после-
довательной О. с. алгоритмически прост, и
вдобавок он дает возможность определить,
ценой каких уступок Ду* по каждому показа-
телю качества находится оптимальный вари-
ант.
Метод параллельной оптимизации (метод
взвешенных сумм) — метод О. с., который осно-
вывается на использовании для оценки каждой
структуры g S критерия оптимальности вида
F(5,., У') =
*=1
где У* — нормированные значения показателя
ук для структуры ак — весовой коэффициент
показателя ук, причем
/
>0, =1-
Л=1
Нормирование показателей осуществляет-
ся по формуле
i Ук ~ У к min г
У к =-----------Lk +
Zjt max УЛ min
УЛ УЛ max Z1 _ ч
"*------------U “* Lk )>
У Л max Ул min
где ук min (у* тах) — минимальное (максималь-
ное) значение показателя ук на множестве до-
пустимых структур S,Lk = 1, если этот показа-
тель нормальный; Lk = 0, если он инверсный.
Для определения весовых коэффициентов
применяют директивные, статистические, ана-
литические и эвристические методы [4]. На эта-
пе О. с. используют также методы динамическо-
го программирования, теории игр, решения
комбинаторных задач на графах (см. Табл. 13).
Программирование динамическое — со-
вокупность методов математического програм-
мирования, которые основываются на много-
шаговом решении задачи оптимизации с ис-
пользованием серии связанных между собою
одношаговых задач. В их основе лежит прин-
цип оптимальности Веллмана: оптимальное
поведение в определенный момент времени
определяется лишь состоянием системы в этот
момент и конечным желаемым ее состоянием,
но не зависит от поведения системы в про-
шлом. Идея П. д. формально состоит в том, что
поиск экстремума целевой функции многих
переменных, например (1), замещается много-
разовым поиском экстремума функции одной
или нескольких переменных, т.е. одноразовое
решение сложной задачи замещается многора-
зовым решением простой. Для П. д. характер-
ным является такой способ: оптимизируемый
процесс раскладывают на несколько последо-
вательных этапов (шагов) и в ходе принятия
решений проводят последовательную оптими-
зацию на каждом из них, начиная с последне-
го. Методы П. д. не обязательно связаны с ре-
альными динамическими задачами, а являются
прежде всего специфическим способом реше-
ния, который оперирует определенными ре-
куррентными соотношениями. Особенно цен-
ными эти методы оказываются при решении
нелинейных и стохастических задач. Методы
П.д. не являются универсальными. Для их при-
менения к конкретной задаче последняя долж-
на быть соответственным образом формализо-
вана. Кроме того, реализация этих методов
связана со значительным объемом вычисле-
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
35
1.6. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ
ний, которые существено возрастают при уве-
личении числа ограничений.
Программирование дискретное — раз-
дел математического программирования, в за-
дачах которого на переменные наложены усло-
вия дискретности. Такое встречается в задачах
линейного программирования при округлении
результатов, в транспортной задаче, дискрет-
ных задачах динамического программирова-
ния, а также в экстремальных задачах на гра-
фах (см. Табл. 13).
Программирование линейное — раздел
математического программирования, в кото-
ром целевую функцию (1) задают в виде ли-
нейной функции
f=Xc>z>’ <3)
/=1
где Ci — константы, характеризующие влияние
управляемого подмножества входных воздей-
ствий и выходных показателей; z, — перемен-
ные, характеризующие основные показатели,
достигаемые в результате проектирования.
Условия (2) сводят к виду
«nzi +а12г2 + ... + ahz, +... + a,„z„ =bx;
.....................................(4)
amiz, +am?z? + ... + amiZ: +... + am„z„ = bm;
Ш! 1 wz z mi i mn n m ’
Zj > 0; z2 > 0;...;z„ > 0.
В параметрических задачах П. л. выраже-
ния (3), (4) содержат не постоянные коэффи-
циенты Ci и свободные члены bj, а функции ка-
кого-либо одного аргумента, например време-
ни. При этом отыскивается такое решение за-
дачи, которое было бы пригодным для произ-
вольного возможного значения этого аргумен-
та — параметра задачи.
Транспортная задача П. л. имеет следую-
щие целевую функцию (3) и систему ограниче-
ний (4):
F = SZc<7z« -»<min);
i=l 7=1
Xz« =a<;'
1=1
£ZV J=l, 71,
7=1
где (c/7)m x n — матрица стоимости перевозок;
(аь а2,..., ah ..., ап) — вектор способов; (Ьь Ь2,
..., bj,..., bn) — вектор потребностей.
Транспортные задачи по своей цели делятся
на несколько групп: задачи минимальной стои-
мости перевозок; задачи минимальных сроков
перевозок; задачи минимальной длины маршру-
тов и т.п. Математическая структура транспорт-
ной задачи характерна для большого класса за-
дач П. л., которые называются распределитель-
ными и имеют самое разнообразное реальное
содержание, совсем не связанное с задачей о пе-
ревозке грузов. 1 Задача выбора является част-
ным вариантом транспортной задачи при усло-
вии т = п, =1, i = 1, т; bj =1,7= 1, п.
Программирование математическое —
раздел прикладной математики, в котором изу-
чаются задачи оптимизации и разрабатывают-
ся числовые алгоритмы их решения.
Программирование нелинейное — раз-
дел математического программирования, зада-
чи которого сводятся к отысканию экстремума
целевой функции
f = /(zi>z2>->z») (5)
на множестве значений, определяемых систе-
мой условий
g j(zl,z2,...,zn){<=>}bj, j = l,m, (6)
где все функции (или их часть) — нелинейные
(как алгебраические, так и трансцендентные).
Задачи П. н. не являются задачами определен-
ной стандартной формы, поскольку не сущест-
вует общего универсального метода их реше-
ния. Тип задачи П.н. и метод ее решения опре-
деляются целевой функцией (5) и ограничени-
ями (6) (см. Табл. 13).
Безусловная оптимизация (одномерная за-
дача) — частный случай П. н., формулирует-
ся как нахождение экстремума функции од-
ной переменной Ди). Условием достижения
экстремума функции/(z) в точке 2 является
<№). =0,
^Zz z=z
или f(&) = 0. Минимум (максимум) функции
f(z) в точке 2 достигается при/'(*) > 0 (f'(z) <
0). Числовые алгоритмы поиска экстремума
функции одной переменной основываются на
многошаговом процессе уменьшения интер-
вала неопределенности [zh z2]. Если zx < z2,
то возможны три варианта: l)/(zi) >/(z2); 2)
/(zj) </(z2); 3)Xzi) =/(z2). При минимизации
функции f(z) минимум не может лежать в ин-
36
РАДИОТЕХНИКА
1.7. МОДЕЛЬ ДЕТЕРМИНИРОВАННОГО СИГНАЛА
тервалах: [-«>, zj — для первого, [z2, °°] —
для второго и [-г*», zi] U [z2, °°] — для треть-
его вариантов. Интервал [zb з2], в котором
находится 2, называется интервалом неопре-
деленности. Метод деления пополам (дихото-
мии) дает возможность уменьшить интервал
неопределенности от [zb z2] до е (допусти-
мой погрешности) за п шагов, где п определя-
ется из условия (zj - z2)/2" < е. Метод Фибо-
наччи и метод «золотого ведения» дают воз-
можность сократить числа тпагов благодаря
несимметричному отбору отрезков интервала
неопределенности.
Безусловная оптимизация (многомерная за-
дача) — частный случай П. н., формулируется
как отыскание экстремума скалярной функции
векторного аргумента (5). Условием достижения
экстремума функции/(zb z^ ...z„) в точке много-
мерного пространства (2Ь 2„)является ра-
венство нулю всех ее частных производных:
aZi
или, что одно и то же, равенство нулю градиен-
та функции:
grad/(f ь ^..., 2Й) = ^..., *я) = 0.
Минимум (максимум) функции (5) в точке
^п) достигается при условии, что матри-
ца ее вторых производных является неотрица-
тельно (неположительно) определенной. Число-
вые методы безусловной оптимизации построе-
ны на различных способах пошагового опреде-
ления точек tz/, z2\ ..., z„), (z2, z22, ..., zn2), ...,
(z/, z2*,..., z„ j, начиная c (zi°, z2°,..., z„°), при ко-
торых^0) >fizl) >... >/(z*) для задачи миними-
зации или/fc0) <fcx) <... </(2*) Для задачи мак-
симизации. Такие последовательности {z*} на-
зываются релаксационными, а методы их пост-
роения — методами спуска (восхождения).
Условная оптимизация — частный случай
П. н., когда реализуются процедуры отыскания
точки (zb z2,..., z„) целевой функции (5) с уче-
том ограничений (6).
Метод множителей Лагранжа основывает-
ся на построении функции п + т переменных
(функции Лагранжа)
т
L(z,k)^f(z) + ^jgj(z),
>1
отыскании частных производных по z и X, при-
равнивании их к нулю, решении системы п + т
уравнений относительно п + т неизвестных zt,
z2,..., z,,..., z„, Xb A^,..., X/,..., Xm.
В числовых методах П. н. используют
особенности целевой функции (5) и ограни-
чений (6). Среди них выделяют задачи квад-
ратичного программирования, где целевая
функция и ограничения есть сумма квадра-
тичной и линейной форм, а также задачи се-
парабельного программирования, где целевая
функция и ограничения есть сумма функций,
каждая из которых зависит лишь от одной пе-
ременной.
Программирование стохастическое —
раздел математического программирования, в
котором изучается класс задач оптимизации
со случайными параметрами. Основные типы
задач: задачи со стохастическими коэффици-
ентами целевой функции и детерминирован-
ными ограничениями и переменными; задачи
с детерминированной целевой функцией и
стохастическими параметрами системы огра-
ничений; задачи со случайными свободными
членами системы ограничений, Наиболее рас-
пространенный подход к решению стохасти-
ческих задач состоит в усреднении случай-
ных величин, т.е. в сведении задач к детерми-
нированным, или в формулировании стохас-
тических задач как задач, которые максимизи-
руют вероятность достижения определенного
уровня критерия оптимальности. Стохастиче-
ские задачи сводят к задачам линейного, не-
линейного или дискретного программирова-
ния и решают их соответствующими метода-
ми (см. Табл. 1.3).
1.7. МОДЕЛЬ ДЕТЕРМИНИРОВАН-
НОГО СИГНАЛА — математическое опи-
сание сигнала в форме, наиболее пригодной
для исследования процессов его преобразо-
вания в конкретной радиотехнической сис-
теме (устройстве, цепи). Отыскание М. д. с.
есть задача аппроксимации сигнала fit)
функцией
7(r) = W;Cl;C2;...;C,)>
состоящая в выборе вида функции /(0 и под-
боре значений коэффициентов Ch мини-
мизирующих ошибку аппроксимации
¥(0 =/(0-/(0
(или ее количественную оценку |ДГ(г)|; 4f2(0)-
Наиболее распространена аппроксимация ряда-
ми по упорядоченным и, особенно, по ортого-
Глааа 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
37
1.7. МОДЕЛЬ ДЕТЕРМИНИРОВАННОГО СИГНАЛА
нальным системам функций {(р(г)}, т.е. суммой
~ N
i=0
счетного множества ортогональных колеба-
ний <рХО (ортогональные разложения). Воз-
можно также представление сигнала несчет-
ным множеством (интегральной суммой) эле-
ментарных колебаний (обратными преобразо-
ваниями Фурье или Лапласа, сверткой с 8-
функцией и т.п.). Ниже приводятся краткие
сведения о функциях, системах функций и ме-
тодах, наиболее часто используемых для мо-
делирования как сигналов, так и любых дру-
гих функциональных зависимостей Дх) про-
извольного аргумента х (спектров, АЧХ и
ФЧХ цепей и т.п.).
Дельта-функция (8-функция, единичная
импульсная функция Дирака) — обобщенная
функция [1], удовлетворяющая следующим ус-
ловиям:
(оо;х = Х0;
8(x-x0) = j и
[ 0; х * х0,
ь
|8(х-х0)Л =
а
1; а < х0 < Ь;
0.5; х0 = а или х0 = Ь\
0;xq < а или х0 > Ь,
т.е. функция, график которой (Рис. 1.1, а)
имеет вид бесконечно большого, бесконечно
короткого импульса с единичной площадью,
существующего в точке х = х0. Д.-ф. является
функцией-пределом, к которому стремятся
любые импульсные функции с единичной
площадью при стремлении области их суще-
ствования к нулю. Д.-ф. можно определить
также как производную единичного скачка
(Рис. 1.1, б):
8(х-х0) = -у-[1(х-х0)].
dx
Основные свойства 8-функции:
а) фильтрующее (пинцетное) свойство
J /(х)8(х-х0)<& = /(х0);
б) свертка с произвольной функцией
8(х) * /(х) = J /(z)8(x - z)dz = f(x)\
в) преобразование Фурье 8-функции
(спектр 8-импульса)
F{8(z)} = l;F{8(r±f0)}=e±y<0/o;
г) обратное преобразование Фурье 8-функ-
ции, заданной в частотной области
. 1 1 еТ>0'
F"1 {8(<в)} ;F” {8(co±<o0)}“-------;
2. ТС 2 ТС
д) преобразование Лапласа 8-функции
0.5; f0 = 0,
L{b(t - 'о)} = 1; 'о > 0 — бесконечно
малая).
Единичный скачок (функция включения,
единичная функция Хевисайда) — функция
1(х -х0) (Рис. 1.1, б), удовлетворяющая условию:
1(х-х0) = <
0; х<х0;
О.5;х = хо;
1;х>х0.
Основные свойства Е. с.:
а) связь с 8-функцией
х
1(х-х0) = |8(х-х0)Л;
б) свертка с производной f'(x) произволь-
ной функции Дх)
/'(х)*1(х)= j/'(z)l(x-z)rfz = /(x);
в) свертка с произвольной функцией
/(х) * 1(х) = j/(z)l(x - z)dz = J f(x)dx;
г) преобразование Фурье Е. с.
Г{1(г)} = тс8(ш) + 1/усо;
38
РАДИОТЕХНИКА
1.7. МОДЕЛЬ ДЕТЕРМИНИРОВАННОГО СИГНАЛА
- 1 sign (х) sign (х—х0)
0 х0 X
-1 Рис. 1.2
д) преобразование Лапласа Е. с.
L{l(r)} = l/p.
Знаковая функция (переключательная
функция) — функция sign(x - х0), удовлетворя-
ющая условию (Рис. 1.2):
sign(x-x0) =
1; х > xQ;
0; х = х0;
-1;х < х0
Ортогональное разложение — разложе-
ние функции fix) в ряд по системе ортогональ-
ных функций (СОФ) {<pi(x)}, т.е. представление
(аппроксимация)fix) суммой:
/(х) = 7(х) = Софо(х) + С1ф1(х) +
Д (о
+ С2ф2 (•») + ••• = 2^,С,ф, (х),
1=0
гдеДх) — произвольная кусочно-непрерывная
функция, интегрируемая в интервале разложе-
ния; Ci — коэффициенты разложения по вы-
бранной СОФ.
Выбор СОФ зависит от цели разложения
(нужна ли точная аппроксимация или с допус-
тимой погрешностью, конечным или бесконеч-
ным, медленно или быстро сходящимся рядом
простейших или специальных функций и т.п.).
Способ вычисления С, определяется принятым
критерием точности аппроксимации. Так, тре-
бование минимума среднего квадрата ошибки
аппроксимации
О2=[/(х)-/(х)]2
на интервале [а; Ь] приводит к таким выраже-
ниям:
для комплексных СОФ
. ь
С>=-------\f{x)tf(x)dx-,
||ф,||2 Ja
для действительных СОФ
1 /о\
с,=-------J/(x)q>,(x)dx, (2)
ще |<pj2 — квадрат нормы функции <pf(x).
Ряд (1) с коэффициентами определенными
согласно (2), называют обобщенным рядом Фу-
рье (ОРФ) по данной СОФ. Он обеспечивает ми-
нимальную (по сравнению с другими способами
определения Q среднеквадратическую ошибку
а аппроксимации и сходится к/(х) в среднеквад-
ратическом смысле (т.е. lim а = 0).
Совокупность коэффициентов {CJ ОРФ на-
зывают спектром функции у(х), а отдельные его
члены Сдр/х) — спектральными составляющими.
СОФ, используемую для разложения в ОРФ, на-
зывают ортогональной базисной системой функ-
ций, ортогональным базисом и, проводя аналогию
с векторами, говорят об ортогональном сигналь-
ном пространстве (TV-мерном или бесконечно
мерном).
Ортогональные функции — пара функций
у(х) ит|(х), удовлетворяющая условиям ортого-
нальности:
для комплексных функций:
ъ
]\(х)т)‘(х)</х = 0;
а
для действительных функций:
ь
Jy(x)t)(x)<Zx = 0
а
в интервале ортогональности [а; Ь] (точка или
звездочка над обозначениями функций — сим-
волы комплексности или комплексной сопря-
женности этих функций). Функции, ортого-
нальные с весом, — это функции у(х) и z(x), от-
вечающие условиям ортогональности в случае
домножения на специально подобранную ве-
совую функцию р(х), т.е.
ь
J у(х)г(х)р(х)г& = 0.
Норма функции (рХх) — величина, опреде-
ляемая выражениями:
для комплексных функций:
J. Р
J ф,(*)ф*(*)<& = JJI ФХ*) l2<fr;
а I а
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
39
1.7. МОДЕЛЬ ДЕТЕРМИНИРОВАННОГО СИГНАЛА
для действительных функций:
||ч>,||=
Нормированная функция — функция с еди-
ничной нормой ||<р(х)|| = 1.
Ортогональная система функций — сово-
купность (множество) функций {фХ*)}: Фо00>
<р!(х), фгОО» •••> ФХХ), •••» любая пара из которых
ортогональна на интервале, т.е. система функ-
ций, отвечающая условиям:
для системы комплексных функций:
Г * [0;п*т;
]Фт (*)Фи - ц2 , л
Ja [НФЛ |Г*0;п = т;
для системы действительных функций:
a v
Ортонормированная система функций —
ортогональная система нормированных функ-
ций. Полная (замкнутая) ортогональная систе-
ма функций — система ортогональных функ-
ций, для которой не существует никакой дру-
гой функции ф(х), которая была бы ортого-
нальной с каждой из функций <pj(x), составляю-
щих систему.
Преобразования Гильберта — интеграль-
ные преобразования, связывающие между со-
бой две функции одного аргумента (например,
сигналы a(t) и a(t)) таким образом:
при прямом П. Г.
й(0 = H{a(t)} = «(0*^7=^
при обратном П. Г.
a(t) = /Г1 {а(Г)} = - = -IjjQix
В теории радиосигналов (PC) П. Г. исполь-
зуют для установления функциональной связи
между мнимой и действительной составляю-
щими комплексной модели PC (аналитическо-
го сигнала) — см. ст. 19.10. П. Г. линейны
(Я{са7(0 ± da2(t)} = сН{аМ} ± dH{a2(t}) и ус-
траняют (не восстанавливают) постоянную со-
ставляющую сигнала, поскольку Н{const} = 0.
Сигнал а(0, называемый сигналом, сопряжен-
ным по Гильберту (ССГ) с сигналом a(t), с
комплексным спектром £,(<»). энергетическим
спектром (ЭС) РРа((о) - &((») 12 и автокорреля-
ционной функцией (АКФ) Ва(х), отличается
следующими особенностями:
спектр ССГ:
S(co) = F{a(t)} = -jsign(co)Sa(co) =
= [-Д,(со);<в>О;
[_/£,(©); со <0;
ЭС и АКФ ССГ и исходного сигнала идеи-
тичны:
их®)=^(®);Жт) = ва(т),
а взаимнокорреляционная функция (ВКФ) сиг-
налов a(t) и a(t):
^(т) = - = Н{Ва(т)} = Д,(т).
Кроме того, так как
3s,то Ва>о(0) = О,
т.е. сигналы a(f) и a(t) некоррелированы в сов-
падающие моменты времени и ортогональны
на бесконечном интервале (-<»; °°);
П. Г. некоторых сигналов имеют вид:
Н {AqCosgV} - A) sin(O0r;// {AosinG)or} =
= -A()COSG)o^
ОО I
Н< ^(a„cos nQt+Z>„sin nQt) ? =
./1 = 1 J
= ^(дл sin nQt - Z>„cos nQt);
л=1
1
=—J[a(co) sin ay - Z>(co) cosoy ]day.
0
Для узкополосных PC вида
a(t) = A(r)cos[coHr + 0(0]
ССГ равен:
a(t) = H{a(t)} « J(r)sin[av + 0(0]-
40
РАДИОТЕХНИКА
1.7. МОДЕЛЬ ДЕТЕРМИНИРОВАННОГО СИГНАЛА
. Преобразования Лапласа — дара взаимно
обратных интегральных преобразований, одно-
значно связывающих между собой функции дей-
ствительной переменной/^)-1 (г) (оригинал) и ком-
плексной переменной S(p) (изображение), обозна-
чаемых и определяемых следующим образом:
П. Л. прямое (ПЛ):
i{/(O}=J/(Oe-p'A = S(^;
П. Л. обратное (ПЛО):
£"’{«(₽)}= ^7 /$(/>>"> =/(О-
G-JOO
Соответствие между оригиналом и изобра-
жением обозначают как или
Комплексную переменную p = <3+j<&
называют комплексной частотой или операто-
ром Лапласа. П. Л. связывают представления
сигнала во временной и операторной областях.
Соответствие между эквивалентными матема-
тическими операциями над оригиналом и изоб-
ражением устанавливается теоремами, приве-
денными в Табл. 1.4. Причиной перехода при
анализе в операторную область является упро-
щение многих математических операций в ней.
Возврат во временную область по окончании
анализа осуществляется с помощью ПЛО по
хорошо разработанной методике интегрирова-
ния на комплексной плоскости или с помощью
таблиц операторных изображений [9].
Преобразования Фурье — пара взаимно
обратных интегральных преобразований:
Таблица 1.4
№ п/п Теорема Если Дг)н5ф); /Х/)нВД> то:
I Линейности п п Уaf fj (г) «-> У,OjSj (р); а, — константы /=1 /=1
2 Масштабов /(аг) <->—S(—); a>0 a a
3 Запаздывания f(t+tQ)^S(p)e±p'o
4 Смещения /(r)e±X/ <-» S(p + 1), где l = a+ JP
5 Дифференцирования оригинала at
6 Интегрирования оригинала 0
7 Дифференцирования изображения (-0/(0 dp
8 Интегрирования изображения ^f(t)<->"js(p)dp p
9 Свертки оригиналов МО-ЛМ (p)S2(p)
10 Перемножения оригиналов 1 1 0+yo° /l(0/2(0^5-7S1(p)*S2(p) = 5-7 [s^S^p-qydq G-joo
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
41
1.7. МОДЕЛЬ ДЕТЕРМИНИРОВАННОГО СИГНАЛА
П. Ф. прямое:
оо
J/(z)e-^A = $(>) = $(©);
П. Ф. обратное:
F -* {5 (со)} = р (<и)еdm = f (t),
однозначно связывающих между собой две
функции (в общем случае — комплексные)
различных аргументов — оригинал fit) и изоб-
ражение (по Фурье) 5(ш), соответствие между
которыми обозначают как/(г) <-> «Я®). П. Ф.
связывают представления сигнала во времен-
ной и частотной (спектральной) областях. Ус-
ловие существования (сходимости интеграла)
П. Ф. — интегрируемость оригинала, т.е.
J|/(c)|A<oo.
П. Ф. для оригиналов видаДг)’ 1(0 является ча-
стным случаем преобразования Лапласа при
условии 0 = 0, т.е. р =уш. Соответствие между
эквивалентными математическими операциями
над оригиналом и изображением устанавлива-
ется теоремами спектрального анализа (см. ст.
19.12), которые в большинстве своем совпада-
ют с теоремами Табл. 1.4 при условии р = уш.
Косинус-преобразование Фурье — П. Ф.
четных функций fi-t) -fit)'.
Sc (со) = 2 J f (t) cos co tdt;
о
1 °°
f(t) = — [sc (co) cos co td<&.
*1
Синус-преобразование Фурье — П. Ф. не-
четных функций fi-t) = -fit)'.
Sfiv) = -у 2 J f(t)sinaxdr,
о
/(0 = y“jS5(co)sinoyJco.
о
Разложение по полиномам Чебышева
(ПЧб) — ортогональное разложение
/(x) = C0 + £c„T„«
Л=1
на интервале -1 х 1 по полной системе ор-
тогональных функций
К(х)7рЮ0}=^(х)/^Г?};
(л = 0,1,2,3...),
составленной из ПЧб первого рода
т (х) = ( 2) ”!Vl-x2— (V1-X2)2"’1
" (2л)! dxn
ортогональных с весом
р(х) = 1/ 71-х2.
Коэффициенты разложения:
“-1 Vl-x=
Для ПЧб справедлива рекуррентная фор-
мула:
Тл+1(х) = 2хТл(х)-Тл_1(х), л>0.
ПЧб низших степеней имеют вид:
Т0(х) = 1; Т1(х) = х; Т2(х) = 2х2-1;
Г3(х) = 4х3-Зх; Т4(х) = 8х4-8х2 +1;
Т5 (х) = 16х5 - 20х3 + 5х.
ПЧб обеспечивают наименьшую максималь-
ную ошибку равномерной аппроксимации в
интервале [-1; 1]. ПЧб, в частности, широко
применяют для аппроксимации АЧХ в теории
электрических фильтров. Таблицы и графики
ПЧб —см. [10, 11, 16].
Разложение по функциям Лагерра (ФЛ)
— ортогональное разложение
Z(x) = J}c„Z„(x); 0<х<«;
л=0
с„ =J/(x)/„(x)dx
О
по ортонормированной системе {/„(х)} функций
/л(х) = е-1/2£„(х),
где
42
РАДИОТЕХНИКА
1.7. МОДЕЛЬ ДЕТЕРМИНИРОВАННОГО СИГНАЛА
L"(X)=V ^(х"е'Х); (х^0)
— полиномы Лагерра. Первые полиномы Ла-
герра имеют вид
L0(x) = l; L,(x) = l-x;
L2 (х) = 1 - 2х + х2 / 2;
L3(x) = 1-Зх + —х2 х3.
2 6
ФЛ широко применяют в теории и практике бла-
годаря простоте их генерирования — они совпа-
дают с импульсными характеристиками каскад-
ного соединения простых электрических звень-
ев [1]. Таблицы полиномов и ФЛ — см. [11].
Разложение по функциям Уолша (ФУ) —
ортогональное разложение
/(в)=Xc"wal<";
л=0
С„ = J/(0) wal(n; 0)d0; 0 = ГIT
О
по ортонормированной системе {wal(/i; 0)}
функций. ФУ wal(zi; 0) — кусочно-постоянные
ортонормированные периодические функции,
принимающие лишь два значения (1 и -1) в
интервале определения [0; Т\ или [-Т/2; 772]
(Рис. 1.3). Существуют несколько способов
аналитического задания и нумерации (упоря-
дочения) ФУ [1, 12]. ФУ широко используют в
связи с развитием цифровых методов обработ-
ки сигналов.
Разложение по функциям Хаара (ФХ) —
ортогональное разложение
л=0
по ортонормированной на интервале [0; 1] си-
стеме {AjXx)} функций, определяемых следую-
щим образом:
zj(x)=7F для
Хк„(х) = -42" для
2к-2 2к-1
----г“ < х <---—;
2»+1 2Л+
2£-1
2л+1
2к
< х <-----г;
2л+1
Л^(х) = 0 для остальных значений х, где п = 0,
1, 2, 3,...; к = 1,2, 3,...,2Л. Коэффициенты разло-
жения Сп определяются по формуле (2). ФХ не-
скольких начальных порядков изображены на
Рис. 1.4. Преимущество ФХ — простота их по-
лучения (генерирования радиоустройствами).
Ряд Котельникова — обобщенный ряд
Фурье по базисной системе функций отсчетов
Рис. 1.4
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
43
1.7. МОДЕЛЬ ДЕТЕРМИНИРОВАННОГО СИГНАЛА
(функций sine х = Smx) {sinc [^(Г - лДг)]}, где
х
п = 0; ±1; ±2..., ортогональных на интервале
(-©о; оо) при условии Дг = л/Q:
/(0 = sinc[£2(f —лД/). (3)
Л=-оо
Достоинствами Р. К. являются бесконечный ин-
тервал аппроксимации и простота определения
коэффициентов разложения Сп равных
дискретным значениям (отсчетам) аппроксими-
руемой функции у(0 (Рис. 1.5), взятым с шагом
(периодом) А/. Р. К. аппроксимирует точно (с
нулевой среднеквадратической ошибкой) лишь
функции/(г) с гармоническим спектром, огра-
ниченным частотой <&т < Q. Если это условие не
выполняется или спектр не ограничен, то равен-
ство (3) является точным лишь в узлах интерпо-
ляции, когда t = n&t. На аппроксимации Р. К. ба-
зируется теорема отсчетов и возможность дис-
кретизации сигналов (см. ст. 19.3).
Ряд Фурье тригонометрический — обоб-
щенный Р. Ф. по базисной системе тригонометри-
ческих функций {sinnQr, cosnQz}; n = 0, 1,2, 3...;
Q - 2тс/Т, ортогональных в интервале [fo h +
f(t) = — + У, (ап cos n£lt + bn sin n£lt) =
л=1
= ло + У.cos(nQi + <p„ ),
И=1
i ° i-----
*0
Фл = -arctg—.
«Л
P. Ф. т. широко используют для аппроксимации
периодических сигналов (см. ст. 19.13).
Ряд Фурье экспоненциальный (ком-
плексный Р. Ф.) — обобщенный Р. Ф. по базис-
ной системе комплексных экспоненциальных
функций {е"*0*}; л = 0; ±1; ±2; ±3...; £2 = 2л/Г,
ортогональных в интервале [z0; t0 + 7]:
f(t)= Y = ^c„ej{nO,+^
где
. *о+т
С„=- =
*0
Р. Ф. э. широко применяют для представления
периодических сигналов в комплексной форме
(см. ст. 19.13).
Свертка — математическая операция, обо-
значаемая символом «*» и преобразующая две
функции одного аргумента fi(x),f2(x) в третью
fix) следующим образом:
f(x) = ft (х) * f2 (х) = J /1 (z)/2 (* - z)<*z =
где
2 ‘о+Т
а„=~ ]7(0 совлОгЖ;
to
2'°гТ
bn~ — J f(t) sin n£ltdr,
to
(.x-z)f2(z)dz.
(4)
В геометрическом смысле (Рис. 1.6) С. двух
44
РАДИОТЕХНИКА
1.8. НОРМАТИВНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ
функций является зависимостью площади (за-
штрихованной) под кривой произведения од-
ной из них fx(z) на обращенную и сдвинутую
на х другую/2[-(г - *)] =/2<* - z) от сдвига х.
Для конкретизации пределов интегрирования
в (4) целесообразно: начертить ориентировоч-
ные графики функций f\(z) nf2(x - z), обозна-
чая на оси z их характерные точки (начало, ко-
нец и т.п.); мысленно сдвигая вдоль оси z
функцию f2(x - z) (изменяв х от -©© до °°), оп-
ределить границы перекрытия вдоль z функ-
ций /j(z) и JiC* - z) и интервалы изменения х, в
которых эти границы неизменны; найденные
границы перекрытия по z и будут пределами
интегрирования для каждого найденного ин-
тервала по х. Например, в соответствии с Рис.
1.6 имеем
Л(О*Л(О = jf,(z)f2(x-z)dz =
0; х<0, х>а+Ь\
1\*; 0<х<а;
1\^;а<х<Ь'9
I \°_b ; b<x<a+b.
Для С. действительны те же законы алгебры,
что и для умножения: коммутативный —f\(x) ♦
*/2(х) =fz(x) */i(x); дистрибутивный —/i(x) ♦
* [/г(х) +/з(х)] =/i(х) ♦/2(*)+/i(-*) */з(х); ассоци-
ативный —/Их) ♦ [f2(x) *Л(х)] = [АОО */г(х)] *
♦ УзОО- Операцию С. широко используют при
анализе преобразований сигналов в линейных
цепях (см. ст. 19.6 и 19.8).
Функция отсчетов — функция (Рис. 1.7)
sinc(x) - (sinx)/x, обладающая следующими
особенностями: sinc(-x) = sinc(x); sinc(0) = 1;
sinc(hc) = 0, при |fc| - 1, 2, 3...;
J sinc(x)Jx= J [sinc(x)]2 dx = n.
Рис. 1.7
Свойства Ф. о., заданной во временной об-
ласти в виде sinc(Qf):
преобразование Фурье:
л
F{sinc (О/)} = —П(ю + О) - 1(ш - □)];
автокорреляционная функция:
г л
В(т) = J sinc(Qt)sinc[Q(t + т)]dt = — sinc(Qx);
условием ортогональности двух Ф. о., отлича-
ющихся лишь временным сдвигом т, является
т = пЛ/ = лл/D, т.е. ортогональны любые две
Ф. о., временной сдвиг между которыми кра-
тен А/ = л/Q;
взаимнокорреляционная функция с сигна-
лом У(0, спектр которого ограничен частотой
сот < Q, запишется в виде:
В f, sine (т) = л/(т)/П;
свертка с тем же сигналом fit) ♦ sinc(Sh) =
=
Ф. о. используют в теории дискретизации
сигналов (см. ст. 19.3), численном спектраль-
ном и корреляционном анализах, теории филь-
тров и др.
1.8. НОРМАТИВНАЯ ДОКУМЕНТА-
ЦИЯ — совокупность документов, которые
содержат правила, общие принципы или ха-
рактеристики, касающиеся различных видов
деятельности или их результатов.
Стандарт — нормативный документ, раз-
работанный, как правило, на основе отсутст-
вия противоречий по существенным вопросам
у большинства заинтересованных сторон и ут-
вержденный признанным органом. В С. уста-
новлены правила, требования, общие принци-
пы или характеристики, которые касаются раз-
личных видов деятельности или их результа-
тов, необходимые для достижения оптималь-
ной упорядоченности в определенной области.
С. разделяются по таким категориям: С. госу-
дарственные (ГОСТ), С. отраслевые (ОСТ), С.
научно-технических и инженерных товари-
ществ и союзов (СТТ), С. предприятий (СТП).
Видами С. являются: основополагающие (в
том числе на термины и определения), на про-
дукцию, услуги, процессы, методы контроля
(испытаний, измерений, анализа).
Группы стандартов — совокупность С., ко-
торые отвечают общей проблематике. Это — С.
государственной системы стандартизации
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
45
1.8. НОРМАТИВНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ
(ТСС), государственной системы обеспечения
единства измерении (ГСИ), единой системы за-
щиты от коррозии и старения (ЕСЗКС), единой
системы конструкторской документации
(ЕСКД), единой системы программной доку-
ментации (ЕСПД), единой системы технологи-
ческой подготовки производства (ЕСТ1Ш), еди-
ной системы технологической документации
(ЕСТД), системы разработки и запуска продук-
ции в производство (СР31Ш), системы безопас-
ности труда (ССБТ), системы показателей каче-
ства продукции (ССПКП), унифицированной
системы документации (в экономике). Кроме то-
го, есть еще такие группы С.: по прикладной
статистике; на параметры изделий культурно-
бытового и хозяйственного назначения; по ком-
плексной системе контроля качества; по расче-
там и испытаниям на прочность в машиностро-
ении; по надежности техники; по управлению
технологическими процессами и т.п. Стандарт
региональный — С., принятый региональной
международной организацией стандартизации.
Стандарт международный — С., принятый
странами, которые присоединились к Соглаше-
нию о проведении согласованной политики в об-
ласти стандартизации, метрологии и сертифика-
ции, и непосредственно ими применяемый.
Стандартизация — вид нормативной дея-
тельности, осуществляемой с целью достиже-
ния оптимальной упорядоченности в опреде-
ленной области путем установления положе-
ний для общего и многоразового использова-
ния при решении реально существующих или
возможных задач. Объектом стандартизации
могут быть продукция, процессы, услуги, ма-
териалы, компоненты, оборудование, системы,
их совокупности, а также правила, процедуры,
методы деятельности. Результатом стандарти-
зации являются нормативные документы:
стандарты, ТУ, сводки правил, регламенты.
Стандартизация международная — стан-
дартизация, участие в которой открыто для со-
ответствующих органов всех стран. Междуна-
родные стандарты принимаются международ-
ными организациями: ISO (International
Organization for Standardization) — Междуна-
родной организацией стандартизации, IEC
(International Electrical Comission) — Между-
народной электротехнической комиссией и пр.
Унификация — сокращение разнообразия
технических характеристик изделий, докумен-
тации и средств общения (терминов, обозначе-
ний и т.п.). В технике — рациональное умень-
шение числа типоразмеров (марок, форм, ком-
плектующих элементов и т.п.) одинакового
функционального назначения [13].
1.9. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРО-
ТЕХНИКИ. В этой статье сжато формулиру-
ются основные закономерности и эффекты в
области электричества, магнетизма и электро-
магнетизма. Подчеркивается общность явле-
ний электричества и магнетизма. Материал из-
ложен применительно к дальнейшему рассмо-
трению вопросов радиотехники.
Закон Ампера определяет механическую
силу (силу Ампера), которая воздействует на
проводник длиной / с током I в магнитном по-
ле с индукцией В. Эта сила направлена перпен-
дикулярно к плоскости, образованной векто-
ром 2? и элементом проводника А/:
F
I
где а — угол между направлениями А/ и В.
Закон Био—Савара—Лапласа определя-
ет вектор магнитной индукции в произволь-
ной точке магнитного поля, который образует-
ся в вакууме элементом проводника длиной dl
с током /:
5в = (ц0/4я)(//г3)[Лх7],
где dl — вектор элемента проводника, прове-
денный в направлении тока; R — радиус-вектор,
проведенный от элемента проводника в точку
поля^ которая исследуется, при этом г = | R |;
dlxr — векторное произведение; Цо = 4л107
Гн/м — магнитная постоянная в системе СИ.
Закон Вебера—Фехнера — см. ст. 27.6.
Закон Гаусса — связывает между собой
поток электрического смещения с распределе-
нием электрического заряда и обобщает экспе-
риментальные наблюдения о том, что электри-
ческие заряды являются источниками и стока-
ми электростатистического поля, т.е. линии
электрического поля начинаются и заканчива-
ются на электрических зарядах. Поле точечно-
го заряда q описывается векторной функцией
напряженности электрического поля
4тГ€0ЕГ
или электрической индукции (электрического
смещения)
4пг2
46
РАДИОТЕХНИКА
1.9. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
где г — расстояние от заряда к исследуемой
точке поля.
Поток вектора электрической индукции
сквозь поверхность сферы радиусом г, описан-
ной вокруг заряда,
$Dds = |D|S = 4яг 2q /(4лг 2) = q.
s
Последний от формы поверхности не зависит.
Поэтому если внутри поверхности расположе-
на система точечных зарядов, то каждый из
них образует поток электрической индукции
поверхности S и в соответствии с принципом
суперпозиции потоки складываются:
^bds=^q,.
S /
Полученное соотношение выражает закон Га-
усса: поток электрической индукции (электри-
ческого смещения) сквозь замкнутую поверх-
ность равен полному заряду, охваченному этой
поверхностью.
Закон Джоуля—Ленца, определяет коли-
чество теплоты, которое создается током в
проводнике: оно пропорционально силе тока,
времени его прохождения и падению напря-
жения на проводнике, т.е. Q = 0.24/ta.
Законы Кирхгофа — законы, в соответст-
вии с которыми мгновенные значения токов и
напряжений распределяются между ветвями и
узлами электрических цепей произвольной
конфигурации и сложности.
Первый закон Кирхгофа: алгебраическая
сумма токов в каждом узле электрической цепи
в любой момент времени равна нулю, т.е.
$>*(0=0,
к
где к — номера ветвей, сходящихся к данному
узлу; знаки токов, втекающих в узел и вытека-
ющих из него, берутся противоположными.
Второй закон Кирхгофа: алгебраическая
сумма ЭДС, действующих в каждом контуре
электрической цепи, в любой момент времени
равна алгебраической сумме напряжений на
элементах этого контура, т.е.
$>*(') = $Х(0,
к п
где к — номера источников напряжения; п —
номера пассивных элементов контура. При
этом знаки ек и направленных навстречу
произвольно взятому направлению обхода кон-
тура, берут отрицательными.
Для магнитных цепей, выполненных в виде
разветвленных магнитопроводов, потоками
рассеяния которых можно пренебречь (напри-
мер, ферромагнитных), законы аналогичны.
Первый 3. К для магнитной цепи: алгебраиче-
ская сумма магнитных потоков в любом узле
магнитной цепи равна нулю, т.е.
=0-
к
Второй 3. К для магнитной цепи: алгебраиче-
ская сумма МДС в любом контуре магнитной
цепи равна алгебраической сумме магнитных
напряжений в том же контуре, т.е.
= »
к п
где Fk—к-я МДС контура; Ф„ЛМЛ — магнитное
напряжение; RMn — магнитное сопротивление
«-го элемента того же контура.
Закон Кулона: сила F, с которой на два то-
чечных электрических заряда qx и q2, находя-
щихся в вакууме, действует их общее электро-
статистическое поле, прямо пропорциональна
произведению зарядов, обратно пропорцио-
нальна квадрату расстояния г между ними и на-
правлена по прямой, соединяющей заряды, т.е.
^ = e,.?|?2/(4W2).
где £о = 10-9/(36л)Ф/м — электрическая кон-
станта в системе СИ, — единичный вектор в
направлении радиус-вектора, соединяющего
оба заряда.
Закон Ома — констатирует прямо про-
порциональную зависимость тока (плотности
тока) от напряжения (напряженности элект-
рического поля) в линейных резистивных
элементах цепей (проводящих средах). Раз-
личают 3. О. в дифференциальной форме: 7=
О? и 3. О. в интегральной форме (3. О. для
участка цепи): I - GU (или U = RI), где
ДА/м2] и £*[В/м] — векторы плотности тока и
напряженности электрического поля в дан-
ной точке среды; G [См/м] — удельная прово-
димость среды; I [А] — ток в элементе (уча-
стке) цепи; U [В] — разность потенциалов
(напряжение) между зажимами элемента (се-
чениями проводника); Я[Ом] — активное со-
противление; G [См] — активная проводи-
мость элемента (участка цепи, отрезка про-
водника). 3. О. справедлив как для постоян-
ного, так и для переменного токов (напряже-
ний, полей), хотя в интегральной форме —
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
47
1.9. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
лишь для частотно-независимых Ли G (т.е. в
диапазоне частот, где еще несущественны по-
верхностный или другие частотно-зависимые
эффекты). Для участка цепи с ЭДС 3. О. име-
ет такой вид:
1=+Z£* >z 2Х=+Z£*
к п к
где Uob = уа~Уь — разность потенциалов меж-
ду концами участка, взятая в соответствии с
выбранным направлением тока;
= Ei+E2-E3 +...
к
— алгебраическая сумма ЭДС, действующих
на участке (взятых со знаком «-», если их
направление не совпадает с направлением
тока /);
^R„=l/Gah=Ri+R2+...
п
— суммарное сопротивление участка цепи. Ес-
ли рассчитанный таким образом ток окажется
отрицательным, то его направление, ранее вы-
бранное произвольно, нужно изменить на про-
тивоположное.
Закон Ома для магнитной цепи аналогичен
рассмотренному, но связывает МДС и магнит-
ное напряжение UM на участке магнитной цепи
с магнитным потоком Ф в нем: UM = ФЯМ, где
ЛМ[А/Вб] — магнитное сопротивление участка
цепи, которое, например для магнитопровода
длиной I с постоянным поперечным сечением
S, определяется выражением RM = I /цроЗ, где Ц
— относительная магнитная проницаемость;
Цо — магнитная постоянная.
Закон полного тока: линейный интеграл
вектора напряженности магнитного поля, кото-
рая создается электрическим током, протекаю-
щим по замкнутой цепи, пропорционален сум-
ме потоков зарядов (токов), которые охватыва-
ются этой цепью, т.е.
I к
где л — число охваченных проводников с током.
Закон Фарадея для электролиза (электро-
химического процесса на электродах, погружен-
ных в электролит,—жидкость, которая содержит
достаточное количество ионов). Первый закон
Фарадея: масса вещества А/, оседающая из рас-
твора на электроде, прямо пропорциональна эле-
ктрическому заряду q, который прошел через
раствор, т.е. М = kq, где к — электрохимический
эквивалент. Второй закон Фарадея', электрохи-
мический эквивалент элемента прямо пропорци-
онален его химическому эквиваленту, т.е. к =
A/(Fz), где химический эквивалент есть отноше-
ние молекулярной массы А элемента к его ва-
лентности z; F — постоянная Фарадея, равная
электрическому заряду, который необходимо
пропустить через электролит для того, чтобы по-
лучить на электроде 1 г-экв. вещества:
F= 9.65 Ю4 Кл/г-экв. Объединенный закон Фара-
дея: М = (l/F)A/(2It) или М= (l/F)A/(2q).
Закон Фарадея для электромагнитной
индукции: ЭДС электромагнитной индукции в
цепи количественно равна и противоположна
по знаку скорости изменения магнитного пото-
ка Ф сквозь поверхность, ограниченную этой
цепью, т.е. е = -d&/dt, или (при наличии и> вит-
ков) е = -dy/dt, где у = нФ — потокосцепление.
Правило буравчика: если закручивать бу-
равчик по направлению тока, протекающего в
проводнике, то направление движения рукоят-
ки буравчика показывает направление линий
магнитной индукции.
Правило левой руки: если ладонь левой
руки расположить так, что вектор магнитной
индукции входит в нее, а четыре вытянутых
пальца показывают направление электрическо-
го тока в проводнике, то отставленный боль-
шой палец покажет направление механической
силы, которая действует со стороны поля на
проводник.
Правило Ленца: ток, индуцируемый в
контуре, всегда имеет такое направление, при
котором создаваемый им магнитный поток
сквозь поверхность, ограниченную этим кон-
туром, «пытается» уменьшить те изменения
магнитного потока, которые обусловили появ-
ление индуцируемого тока.
Правило правой руки: если ладонь пра-
вой руки расположить так, что вектор магнит-
ной индукции входит в нее, а отставленный
большой палец указывает направление переме-
щения проводника, то четыре вытянутых паль-
ца покажут направление индуцированного то-
ка, который возникает в проводнике.
Сила Лоренца — сила, действующая на
электрический заряд, который движется в маг-
нитном поле:
F=<?[VxB],
где q — заряд (с учетом знака); 1? — скорость
движения заряда; В — магнитная индукция
48
РАДИОТЕХНИКА
1.9. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
поля, в котором движется заряд; [ ИХ В} —
векторное произведение.
Эффект Джозефсона — см. ст. 26.6.
Эффект Доплера — изменение частоты
колебаний (длины волны), которое восприни-
мается наблюдателем, вследствие относитель-
ного движения наблюдателя и источника излу-
чения. Частота колебаний увеличивается (дли-
на волны уменьшается), если приемник и ис-
точник сближаются, и наоборот. Э. Д. наблю-
дается у волновых процессов любой природы
(распространение света, звука, радиоволн и
т.д.). С помощью Э. Д. можно определять отно-
сительную скорость перемещения приемника
и источника излучения, что используется в ра-
диолокации, гидролокации, астрономии.
Эффект Зеебека — появление ЭДС (тер-
моЭДС) в электрической цепи, состоящей из
последовательно соединенных между собой
разнородных проводников, контакты которых
находятся при различных температурах. Одна
часть ЭДС связана с движением электронов от
нагретого конца, где они имеют большую энер-
гию, к холодному с меньшей энергией — объ-
емная термоЭДС; другая ее часть — с темпера-
турной зависимостью контактной разности
электрохимических потенциалов — контакт-
ная термоЭДС. Э. 3. используется при измере-
нии температуры, но он вреден для высокочув-
ствительных ОУ из-за наличия градиента тем-
пературы в электрических цепях.
Эффект Керра — возникновение двойного
лучепреломления (расщепления одного поляри-
зованного луча на два с различными ушами пре-
ломления) в оптической анизотропной среде, ко-
торая приобретает эти свойства под действием
электрического поля. Э. К. является квадратич-
ным относительно электрического поля эффек-
том, что связано с ориентацией молекул. Раз-
ность показателей преломления -Да = ЛХЕ2, где
к — постоянная Керра; 1 — длина волны; Е —
напряженность электрического поля. Э. К. ис-
пользуют для создания устройств оптоэлектро-
ники и интегральной оптики.
Эффект магнитострикционный — см. ст.
8.7.
Эффект Пельтье — эффект, обратный Э.
3., состоит в выделении или поглощении тепла
в области контакта двух разнородных провод-
ников (полупроводников) при пропускании че-
рез него электрического тока: Q - ПЛ, где Q —
количество тепла; П — коэффициент Пельтье;
I — сила тока; t — время. Выделение или по-
глощение тепла зависит от направления про-
хождения тока. Э. П. связан с перенесением за-
ряда с определенной энергией (электрохими-
ческим потенциалом) внешним источником из
одной среды в другую, где этот заряд забирает
или отдает энергию для выравнивания своего
потенциала. Э. П. используют для термоэлект-
рического охлаждения. Максимальная эффек-
тивность наблюдается в полупроводниковых
спаях.
Эффект пироэлектрический — появле-
ние электрических зарядов на поверхности по-
ляризованного диэлектрика при изменении его
температуры. Это обусловлено изменением по-
ляризации диэлектрика при изменении его
температуры, что приводит к изменению плот-
ности связанного поверхностного заряда и, как
следствие, скачку нормальной составляющей
вектора поляризации. Э. п. сильно проявляется
в материалах со спонтанной поляризацией —
пироэлектриках, поляризованных сегнетоэлек-
триках и пьезокерамике. Э. п. используют для
создания электротепловых устройств.
Эффект Покельса — см. ст. 26.10.
Эффект пьезоэлектрический — появле-
ние или изменение вектора поляризации диэ-
лектрика и, как следствие, появление или из-
менение заряда на поверхности образца при
воздействии на него механического возбуж-
дения — прямой пьезоэффект, а также изме-
нение размеров пьезоэлектрика при возбуж-
дении его электрическим полем — обратный
пьезоэффект. Э. п. сильно выражен в особых
материалах — пьезоэлектриках. Он широко
применяется при создании устройств акусто-
электроники.
Эффект Саньяка — см. ст. 26.10.
Эффект Томсона — термоэлектрическое
явление, которое заключается в том, что если
на участке проводника, по которому протекает
электрический ток, существует перепад темпе-
ратуры, то на нём кроме тепла, выделяемого по
закону Джоуля—Ленца, выделяется или погло-
щается (в зависимости от направления тока)
тепло Томсона Q = S(T2 - T/)It, где S — коэф-
фициент Томсона, (Т2- Tj) — разница темпе-
ратур, I— сила тока, t — время. Коэффициент
Томсона зависит от материала проводника (по-
лупроводника).
Эффект Фарадея — проявляется во вра-
щении плоскости поляризации электромагнит-
ной волны (поляризованного света) при ее про-
хождении сквозь намагниченное вещество в
направлении намагничивания. Э. Ф. является
следствием различий в условиях распростра-
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
49
1.9. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
нения лево- и правополяризованых волн с кру-
говой поляризацией из-за появления гиротроп-
ных свойств вещества при его намагничива-
нии. Гиротропия связана с вращением вектора
намагниченности в намагниченных ферритах,
ферромагнитных пленках и некоторых стеклах
(магнитогиротропия) или вектора поляризации
в намагниченной полупроводниковой или га-
зовой плазме (электрогиротропия). При этом
свойства вещества описываются эрмитовым
тензором магнитной или электрической вос-
приимчивости соответственно (см. ст. 1.20).
Эффект Холла — появление электричес-
кого поля в проводнике с током, помещенном в
магнитное поле. При этом направление элект-
рического поля перпендикулярно как к направ-
лению тока, так и к направлению магнитного
поля. Э. X. является следствием действия силы
Лоренца на движущийся заряд, что обуславли-
вает появление анизотропии удельного сопро-
тивления или проводимости изотропного мате-
риала при размещении его в магнитном поле.
Э. X. используют для измерения магнитного
поля, концентрации носителей заряда, опреде-
ления типа проводимости и т.п.
Эффекты фотоэлектрические — элект-
рические явления, которые возникают при эле-
ктромагнитном, в частности световом, облуче-
нии вещества, если поглощенная энергия кван-
та затрачивается на квантовый переход элек-
трона на более высокий энергетический уро-
вень. Если поглощенной энергии кванта доста-
точно для преодоления электроном поверхно-
стного потенциального барьера, то возникает
внешний фотоэлектрический эффект: фото-
электронная эмиссия в твердых и фотоиониза-
ция в газообразных телах. При меньших значе-
ниях поглощенной энергии появляются не-
уравновешенные носители (электроны или
дырки) — возникает внутренний фотоэлект-
рический эффект: изменение электропровод-
ности, диэлектрической проницаемости, появ-
ление внутренней ЭДС, генерация акустичес-
ких колебаний в кристаллах и т.д.
1.10. ПОМЕХА — стороннее воздействие,
которое мешает приему и обработке сигналов.
В РТС передачи информации П. вызывает от-
клонение принятого сообщения от переданно-
го. При радиовещательном приеме П. проявля-
ются как трески и шумы, которые ухудшают
качество звучания. При телевизионном приеме
П. искажают изображение, при локации они
вызывают пропуск реально существующей
или обнаружение несуществующей цели (лож-
ную тревогу). Классификационная схема П. по
их происхождению приведена на Рис. 1.8. По
принадлежности к РТС помехи подразделяют
на внесистемные и внутрисистемные (внут-
ренние шумы, шумы квантования, межканаль-
ные П., излучения гетеродинов и др.).
По своей природе П. подразделяются на де-
терминированные (П. мешающих радиостан-
ций) и случайные (космические, атмосферные,
внутренние и др.). Мгновенные значения пер-
вых можно определить заранее, поэтому борь-
ба с ними существенно упрощается. Мгновен-
Рис. 1.8
50
РАДИОТЕХНИКА
1.10. ПОМЕХА
ные значения случайных П. заранее неизвест-
ны и могут быть только предсказаны с опреде-
ленной вероятностью. Эти П., в отличие от де-
терминированных, полностью устранить не-
возможно, поскольку они определяются дис-
кретным строением материи и статистическим
характером многих физических процессов.
Вследствие этого их подавление встречает зна-
чительные трудности как при разработке тео-
рии, так и при технической реализации. Значи-
тельная часть П. имеет гауссовский или произ-
водные от него законы распределения (усечен-
ный гауссовский, логарифмический гауссов-
ский, полигауссовский). В числе негауссовских
распределений чаще других используются за-
коны Релея, Лапласа, Вейбулла — см. ст. 1.18.
П. может влиять на сигнал через электромаг-
нитное, электростатическое, магнитостатичес-
кое, акустическое поля, а также кондуктивным
путем — через провода, шасси, монтаж и др. В
общем случае на вход радиосистемы поступает
смесь сигнала и П. UCM = V(UC, Un). Если опера-
тором V определяется сумма V(UC, Un) = UC + Un,
то П. называют аддитивной, а если произведе-
ние V(UC, Un) = UcUn — мультипликативной.
Обычно первая принадлежит классу активных
П., а вторая — пассивных.
Большинство рассмотренных П. могут быть
представлены пятью моделями: флуктуацион-
ной, импульсной (сосредоточенной во времени),
квазиимпульсной, сосредоточенной по спектру и
пассивной; соответственно в гп. 17 рассматрива-
ются помехоустойчивость приемника и способы
подавления этих помех. Удобной идеализацией
реальных П. являются также марковские случай-
ные процессы (см. ст. 21.3), которые дают воз-
можность охватить рассмотренные модели —
стационарные и нестационарные, с гауссовским
и негауссовским распределениями. Модели и ха-
рактеристики П. рассмотрены в [1, 14—17].
Атмосферные помехи — П., обусловлен-
ные электрическими процессами в атмосфере,
прежде всего грозовыми разрядами, которые
создают в приемной антенне быстроспадаю-
щие импульсы продолжительностью 0.1...3
мс. Спектральная плотность мощности (СПМ)
этих П. уменьшается обратно пропорциональ-
но кубу частоты. Напряженность поля А. п. до-
статочно велика, поэтому даже на расстоянии
порядка сотен километров она может дости-
гать сотен милливольт на метр.
Кроме импульсных А. п., которые возника-
ют во время местных гроз, непрерывно дейст-
вуют флуктуационные П., создаваемые много-
численными разрядами дальних гроз (каждую
секунду на Земле в среднем насчитывают до
100 молний). Их интенсивность зависит от
времени суток, времени года, места приема и
других факторов. Крутизна спада СПМ этих
помех составляет примерно 50 дБ на декаду.
Статистическая модель А. п. — квазиим-
пульсная П., которую можно представить в ви-
де двух составляющих: флуктуационной с га-
уссовским законом распределения и более
мощной импульсной негауссовской. А.п. про-
являются в основном в диапазоне кило- и гек-
тометровых волн.
Внутренние помехи (шумы) — см. ст. 17.32.
Импульсные помехи представляют собой
отдельные импульсы или регулярные, а чаще
нестационарные, случайные последовательно-
сти отдельных видео- (Рис. 1.9, а) или радио-
импульсов (Рис. 1.9, б), где tj — время появле-
ния, Т/ — продолжительность, Tz — интервал
следования, Umi — максимальное значение z-ro
импульса. Для И. п. характерны такие неравен-
ства
Ъ«ТЬ- 7}»туст; т,<то (1)
где туст — время установления цепи, на которую
воздействует И. п.; тс — длительность элемен-
тарной посылки сигнала.
И. п. создаются в основном индустриальны-
ми и атмосферными источниками. Аналитичес-
кая запись реализации случайного импульсного
процесса имеет вид
МО = £с/п,.<р(г-г,.,т().
/=1
Параметры процесса могут быть как случайны-
ми, так и регулярными величинами. Неравенст-
ва (1) позволяют рассматривать импульсное
воздействие как воздействие одиночного им-
пульса, что принципиально отличается от
флуктуационных помех, которые перекрывают-
ся. Типовая экспоненциальная форма И. п. по-
казана на Рис. 1.9, в, в соответствии с которым
“п(0 =
иптеШ пРи,-°>
0 при t < 0,
где а — коэффициент, характеризующий ско-
рость спадания помех.
Спектральная плотность амплитуд И. п. в
соответствии с преобразованием Фурье
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
51
1.10. ПОМЕХА
S (уш) = Jm„ (г )е'“'<* =
о
-Рпте-^Л=^.
О J
откуда
S(<a) = UBm/->la2+<o2,
т.е. для И. п. характерен широкополосный, па-
дающий с частотой спектр (Рис. 1.9, г). Чем
меньше время действия помехи, т.е. чем боль-
ше коэффициент а, тем спектр шире и равно-
мернее по частоте. Ширина спектра И. п., как
правило, больше, чем ширина спектра сигнала.
Распределение амплитуд (в частности, для ат-
мосферных помех) удовлетворительно описы-
вается логарифмическим гауссовским законом
wqj„m)=-~—Схр[-(\ё2ипт/2с2)],
<=^гипт.
Распределение импульсов во времени близко к
распределению Пуассона
F(k, 0) = [(0/Гср)/Л!]е'в/Гср,
где F(k, 0) — вероятность появления к импуль-
сов за время 0; Гср — средний период следова-
ния И. п.
Квазиимпулъсная помеха — последователь-
ность импульсов, у которой Т, < туст, вследст-
вие чего К. п. можно рассматривать как сово-
купность импульсных и флуктуационных по-
мех, характеристики которой зависят от соот-
ношения уровней импульсных и флуктуацион-
ных составляющих.
Индустриальные помехи — активные, ис-
кусственного происхождения, но непреднаме-
ренные помехи, обусловленные работой электри-
ческих устройств, не предназначенных для пере-
дачи информации. По виду спектра источники И.
п. можно разделить на две группы: источники
квазигармонических колебаний со сравнительно
узким спектром (промышленные и медицинские
генераторы, гетеродины приемников, генераторы
разверток телевизоров и др.); источники с широ-
ким спектром — устройства, в которых возника-
ют скачкообразные изменения токов, прерыва-
ния контактов и т.п. (электросварочные аппара-
ты, цепи зажигания двигателей внутреннего сго-
рания, электрические машины со скользящими
контактами, токосъемы электрического транс-
порта, бытовые и осветительные приборы, ли-
нии электропередач). Вследствие импульсного
характера помех их спектральная плотность
мощности непрерывна и убывает с ростом часто-
ты примерно по гиперболическому закону. По-
этому основная часть энергии И. п. сосредоточе-
на в области сравнительно низких частот, так что
уже в дециметровом диапазоне их уровень мень-
ше уровня собственных шумов приемника.
И. п. распространяются в виде электромаг-
нитных излучений или высокочастотных токов
проводов, которые могут стать вторичными из-
лучателями помех.
Космические помехи — помехи, обуслов-
ленные процессами, которые происходят в раз-
личных объектах Вселенной и сопровождают-
ся шумовым излучением в диапазоне радиоча-
стот (от метровых до миллиметровых волн).
Энергию К. п. оценивают шумовой температу-
рой антенны ГА. Последняя определяется как
температура эквивалентного сопротивления
антенны, на котором выделяется та же мощ-
ность, что и мощность принимаемого шумово-
го излучения. Основным видом К. п. являются
шумы Галактики. По происхождению галакти-
ческие излучения подразделяют на тепловые и
нетепловые (от колебаний неоднородностей
плазмы, процессов обмена зарядами газовых
масс и др.). Нетепловые излучения преоблада-
ют на более длинных волнах, при 1 < 1.5 м ос-
новным становится тепловое излучение. По
пространственному распределению шумы Га-
лактики подразделяют на две группы: фоно-
вый шум, не имеющий определенных источни-
52
РАДИОТЕХНИКА
1.10. ПОМЕХА
ков, и шумы, обусловленные дискретными ис-
точниками. Первый зависит от ориентации
приемной антенны и частоты. При ориентации
на центр Галактики ГА возрастает в пять-семь
раз сравнительно с ориентацией на полюса Га-
лактики. Наблюдается снижение шумовой тем-
пературы антенны с повышением частоты по
закону
ГА = const f 2 4.
(2)
Число известных сегодня дискретных (то-
чечных) источников шумов составляет при-
мерно 2000. Вследствие малых угловых разме-
ров вероятность их приема очень мала и поэто-
му эти источники можно не учитывать.
Еще одним источником К. п. является
Солнце, которое вследствие относительной
близости Земли может возбуждать в приемни-
ке с антенной средних размеров мощность,
сравнимую с мощностью собственных шумов,
а при вспышках - и значительно большую. При
использовании больших антенн принятое ими
излучение Солнца приводит к «ослеплению»
приемника, что следует учитывать при про-
граммном слежении за ИСЗ.
Земля и планеты также являются источни-
ками К.п. Так, для спутниковой антенны шу-
мовая температура Земли составляет 290 К.
Для наземных антенн шумы Земли воспроиз-
водятся боковыми лепестками ДН, ГА = 30 К.
Шумовая температура планет соизмерима с
температурой Земли.
При определении уровня К. п. на Земле
(Рис. 1.10) следует учитывать отражение и по-
глощение радиоволн, которые приходят из кос-
моса сквозь ионизированные слои (особенно в
диапазоне ДВ, СВ, КВ). В указанных диапазо-
нах К. п. у поверхности Земли практически не
наблюдаются. С учетом этого эффекта и спада
интенсивности К. п. с ростом частоты (2) ос-
новной максимум космического излучения на-
ходится в области 20...30 МГц, где для прием-
ок j
10§
103-
10
1
Шум
межзвездного Шум
водорода ионизированных
/! \ \ / паров воды
|! \ yk / Шум теплового
I I ! \ /rv происхождения
30 300 3000 30000 Г, МГц
Рис. 1.10
ников с малым уровнем собственных шумов и
шириной ДН приемной антенны около 20...30°
К. п. превышают собственные.
Пассивные помехи — мультпликативные
помехи, обусловленные изменением состояния
канала связи, подразделяются на внешние и
внутренние. Первые возникают вследствие из-
менений условий распространения радио- или
акустических волн в канале связи или свойств
отражающих объектов. Проявляются они при
локации протяженных целей, а также в радио-
системах передачи информации, использую-
щих ионо- или тропосферные каналы. Воз-
можны также П. п. от атмосферных образова-
ний. Исскуственные маскирующие П. п. созда-
ются дипольными противорадиолокационны-
ми отражателями из метализированных поло-
сок и т.п. Плотность распределения вероятнос-
тей огибающей сигналов, отраженных от про-
странственно распределенных рассеивателей,
описывают распределениями Релея, Райса или
логарифмическим гауссовским законом (см. ст.
1.18). Одним из распространенных видов П. п.
в каналах связи является замирание сигналов
(фединг), обусловленное многолучевым рас-
пространением радиоволн, вследствие чего в
месте приема возникает интерференция лучей.
Замирания сильнее всего проявляются в дека-
метровом диапазоне. Различают быстрые за-
мирания с частотой, близкой к частотам моду-
ляции, и медленные, частота которых значи-
тельно ниже. Внутренние П. п. обусловлены
изменениями параметров элементов тракта,
возникающими под влиянием внешней среды
или вследствие изменения условий эксплуата-
ции РЭС.
Помехи радиопротиводействия — см. ст.
18.18.
Сосредоточенные по спектру помехи —
немодулированные или модулированные, гар-
монические или квазигармонические колеба-
ния, основная часть мощности которых нахо-
дится в узкой полосе частот, не превышающей
ширины спектра сигнала
«п (0 = У, и к cos(faw + е*),
к
где к = 1,2, ...; Uk, Вк — случайные величины.
Основной источник — непреднамеренные
системные П. сторонних радиостанций и гете-
родинов, обусловленные чрезмерной полосой
спектра сигнала передатчика, недостаточными
стабильностью его частоты и уровнем фильт-
рации гармоник мощных радиостанций, нару-
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
53
1.10. ПОМЕХА
шением регламента рабочих частот, нелиней-
ными процессами в пространстве распростра-
нения радиоволн. Кроме того, С. с. п. могут
создаваться различными радиочастотными ге-
нераторами, которые используются в произ-
водственных процессах, а также возникать в
самом приемнике (комбинационные П.). С. с.
п. подразделяют на внутриполосные, которые
расположены в рабочей полосе РПдУ, и внепо-
лосные. Статистические свойства С. с. п. опи-
сывают их распределениями по уровню и час-
тоте. Общепринятые модели: гауссовский и
логарифмический гауссовский законы по
уровню и равномерное распределение по час-
тоте ^(соо) = 1/(Юотах-Фотт)- Мешающее дей-
ствие С. с. п. сильнее всего проявляется в диа-
пазоне кило- и декаметровых волн.
Флуктуационные помехи являются хао-
тической последовательностью кратковремен-
ных импульсов, следующих друг за другом с
интервалами, намного меньшими, чем продол-
жительность переходных процессов в цепях,
на которые они воздействуют. Вследствие это-
го отдельные возмущения перекрываются, со-
здавая непрерывный во времени случайный
стохастический процесс. Типичными примера-
ми Ф.п. являются внутренние и космические
шумы, которые существуют в широком диапа-
зоне частот. Флуктуационный характер имеют
также суммарные колебания, создаваемые
большим числом соразмерных по интенсивно-
сти составляющих, сосредоточенных по спект-
ру или во времени (индустриальных, атмо-
сферных, помех мешающих радиостанций).
По статистическим свойствам Ф. п. часто рас-
сматривают как стационарный эргодический
случайный процесс с нулевым средним и гаус-
совским распределением (см. ст. 21.3). Так, од-
номерная плотность вероятностей мгновенных
значений Ф. п.
ИЧ«п) = -у=1—ехр[-(ип2/2оп2)], (3)
где дисперсия оп2 = и2n(t)=
Характерной особенностью Ф. п. является
малая вероятность появления больших уровней
помех. В этом смысле Ф. п. называют также
гладкой помехой (пик-фактор кп = Uma^/U^ =
= 3...4). Фаза Ф. п. имеет равномерное распре-
деление ИХф)= (1/2я).
Спектральную характеристику Ф. п. оцени-
вают зависимостью спектральной плотности
мощности от частоты Gn(co). В качестве моде-
ли широко используют белый шум — стацио-
нарный случайный процесс с равномерным в
очень широком диапазоне частот (до
1012...1013 Гц) спектром (см. ст. 21.3). Два про-
извольных временных сечения белого шума,
разделенных сколь угодно малым интервалом,
некоррелированы, т.е. реализации такой поме-
хи непредсказуемы, что существенно затрудня-
ет борьбу с ней. В то же время при ограничен-
ной полосе некоррелированными можно счи-
тать значения помехи, разделенные временным
интервалом, который превышает интервал кор-
реляции тк = const/Д^
Ф. п. на выходе полосового фильтра можно
рассматривать как узкополосный случайный
процесс (см. ст. 21.3). При этом Ф. п. представ-
ляют квазигармоническим колебанием ип(1) =
t7n(t) cos[ciV + Ф(0] со случайными огибающей
Un(6 и фазой ф(0-
Следует отметить, что в отличие от им-
пульсных и сосредоточенных по спектру по-
мех Ф. п. принципиально устранить невоз-
можно.
1.11. ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТЬ —
способность радиосистемы (устройства) про-
тивостоять воздействию помех определенного
типа. При этом под помехами обычно понима-
ют радиоэлектронное противодействие или ин-
дустриальные помехи.
1.12. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ —
способность радиосистемы (устройства)
противостоять воздействию помех. Для ра-
диосистемы передачи информации (см. ст.
1.17) П. количественно определяют как спо-
собность с заданной вероятностью выделить
сообщение из смеси сигнала и помехи, по-
ступающей к месту приема. При этом под
сигналом понимают физический процесс, ко-
торый несет сообщение, отображающее ин-
формацию. Для радиосистемы извлечения
информации (например, бинарного обнару-
жения) П. определяют как способность с за-
данной вероятностью выделить информацию
из смеси сигнала и помехи. При этом инфор-
мация содержится в самом факте присутст-
вия сигнала. Обе задачи остаются неопреде-
ленными до тех пор, пока априорно не зада-
на функция потерь: для системы передачи
информации — вероятность ошибки или до-
пустимая потеря качества (искажение сооб-
щения); для системы обнаружения — оценка
потерь, возникающих в случае ошибочного
обнаружения (например, вероятность лож-
ных тревог) [16].
54
РАДИОТЕХНИКА
1.13. ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЭС
1.13. ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЭС (от лаг.
projectus — брошенный вперед) — процесс со-
здания проекта, реализация прообраза желае-
мого объекта. Проектирование так же, как и
вся инженерная деятельность, является про-
цессом поиска, нахождения и отображения в
КД решений, связанных с созданием новых
РЭС. Проектирование РЭС как прикладная на-
учная дисциплина — это обобщение методов
анализа и синтеза схем, конструкций и техно-
логий, необходимых при разработке радиотех-
нических систем. Проектирование схем и кон-
струкций принадлежит к процессам принятия
решений, которые на всех уровнях выполняют-
ся по такой схеме: постановка задачи — фор-
мулирование конкретных требований к объек-
ту; поиск решений — подбор вариантов (син-
тез алгоритмов преобразования информации);
принятие решения — выбор и обоснование на-
илучшего (оптимального) варианта из числа
возможных на основании четко сформулиро-
ванного критерия оптимизации; исполнение
решения — разработка КД по выбранному ва-
рианту; оценка полученных результатов —
сравнение с установленными требованиями,
корректирование схемы и конструкции в слу-
чае необходимости. В этой схеме следует под-
черкнуть вариантность проработки и необхо-
димость количественной оценки качества объ-
екта.
По степени новизны проектируемых сис-
тем различают такие уровни П. РЭС: частич-
ная модернизация уже существующей системы
— изменение параметров, которое определяет
сравнительно небольшое улучшение показате-
лей качества; существенная модернизация —
изменение параметров и структуры системы,
которое определяет существенное улучшение
показателей качества; создание новой систе-
мы, которая базируется на новых принципах
действия для обеспечения значительного улуч-
шения основных показателей качества при вы-
полнении тех же самых или новых функций.
По степени сложности задачи П. РЭС ус-
ловно подразделяют на простые (когда необхо-
димо привлечь меньше десяти инженеров),
средней сложности и очень сложные (тысячи
инженеров).
Основные этапы проектирования включа-
ют: выбор и обоснование цели П. РЭС и исход-
ных данных (техническое задание, техничес-
кое предложение); определение принципов по-
строения системы (эскизный проект); аппара-
турный синтез — проектирование схем, конст-
рукций, технологических процессов (техниче-
ский проект, разработка КД опытных образ-
цов, установочная партия, серийное производ-
ство) — см. ст. 7.3.
По характеру выполняемых работ П. РЭС
часто подразделяют на системотехническое
(первые этапы), схемотехническое и конструк-
торско-технологическое. При этом следует
подчеркнуть тесную взаимосвязь и переплете-
ние этих этапов. При проектировании микро-
электронных приборов и приборов СВЧ их
разделение почти невозможно. По методам П.
РЭС различают проектирование алгоритмиче-
ское и эвристическое, математическое и экспе-
риментальное. Наиболее полное решение за-
дач П. РЭС возможно только на основании си-
стемного подхода [13, 18].
Степень сложности современных РЭС при-
ближается к границе, за которой эффектив-
ность труда человека-проектировщика резко
падает. В связи с этим при использовании тра-
диционных методов проектирования время,
необходимое для разработки КД и подготовки
производства сложных РЭС, становится соиз-
меримым со временем их морального старе-
ния. Выходом из этого положения является ав-
томатизация самого процесса П. РЭС, которая
может быть достигнута с помощью формали-
зации работы проектировщика и использова-
ния возможностей ЭВМ — см. гл. 20.
Проектирование алгоритмическое —
проектирование по определенному алгоритму
(последовательности правил). П. а. — нетвор-
ческий процесс, который выполняется по точ-
ной конечной пошаговой последовательности
указаний: вычисления по ранее выведенной
формуле, эксперимент по установленной ме-
тодике, выполнение сборочных чертежей по
чертежам общих видов, деталировка по сбо-
рочным чертежам, составление спецификаций
при наличии жестких ограничений, разработка
операционных карт типового технологическо-
го процесса и т.д. Объем П. а. относительно эв-
ристического возрастает на заключительных
этапах проектирования.
Проектирование математическое — про-
ектирование, при котором синтез системы осу-
ществляют математическими методами. При
этом совокупность исходных данных формули-
руют математически: составляют математичес-
кое описание условий работы системы и огра-
ничений, которые налагаются на структуры си-
стемы и значения ее параметров. Потом мате-
матически определяют целевые функции, т.е.
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
55
1.13. ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЭС
зависимость частных показателей качества от
структуры системы и значений ее параметров
при заданных условиях. Далее математически-
ми методами анализа и синтеза находят алго-
ритмы работы и параметры системы, которые
отвечают выбранному критерию качества.
П. м. включает математическое моделиро-
вание, расчеты и автоматизированное проекти-
рование (с помощью САПР). К расчетам при-
надлежат вычисления по заранее выведенным
формулам при фиксированных значениях их
параметров, а также при вариациях парамет-
ров для нахождения экстремума одной или не-
скольких переменных (линейное и нелинейное
программирование). К расчетам относятся
также решения уравнений.
Математическое моделирование в основ-
ном используют на системотехническом уров-
не. При этом исходные уравнения, которые
описывают поведение системы, приводят к ви-
ду, удобному для цифровой обработки, и вво-
дят в ЭВМ. Так же вводятся ограничения и
критерии качества. На выходе ЭВМ в реаль-
ном, ускоренном или замедленном масштабе
времени получают результаты анализа или
синтеза, в том числе и оптимизацию парамет-
ров системы. Задачи синтеза структуры сего-
дня решают только для радиосистем малой и
средней степеней сложности. Автоматизиро-
ванное проектирование (см. гл. 20) так же, как
и математическое моделирование, выполняет-
ся на ЭВМ и имеет с ним много общего. Разли-
чие заключается в том, что основной задачей
САПР является не анализ системы, а синтез ее
структуры, при этом результаты получают в
виде готовой КД: чертежей, схем, таблиц, про-
грамм и т.д. Сегодня САПР используют чаще
при конструировании и разработке технологии
изготовления, меньше — на схемотехническом
уровне (в основном при разработке ИС, цифро-
вых и СВЧ-устройств) и еще реже — на систе-
мотехническом уровне. С развитием науки и
техники области использования САПР будут
неуклонно расширяться.
Проектирование эвристическое (от греч.
heurisko — нахождение) — проектирование, при
котором алгоритм не может быть задан и работа
исполнителя определяется его способностями
генерировать идеи, анализировать и сравнивать
аналоги, синтезировать решения в сложных
многовариантных ситуациях. П. э. базируется на
эвристике — науке, которая изучает закономер-
ности и методику нахождения такого решения,
которое сводит к минимуму перебор возможных
многочисленных решений, сокращает время по-
иска по сравнению с традиционными методами.
Эвристический подход необходим при решении
таких типовых задач: выбор физических прин-
ципов действия системы, обоснование ее мате-
матических моделей, выбор методов математи-
ческого и экспериментального исследования,
выбор элементной базы при отсутствии ограни-
чений, толкование результатов исследований и
принятие окончательных решений.
Известно несколько методов, которые по-
вышают эффективность эвристического поис-
ка. Агрегатирование — создание комплексов,
которые выполняют различные функции при
изменении состава изделия или структуры его
составных частей. Аналогия — использование
технических решений из других областей на-
уки и техники. Идеализация — наделение ре-
альных объектов идеальными свойствами с
тем, чтобы обнаружить существенные связи и
получить возможность применения математи-
ческих методов решения. Инверсия — метод
получения нового технического результата пу-
тем отказа от традиционного взгляда на задачу.
Комбинирование — получение нового качества
благодаря новому сочетанию ранее известных
решений. Компенсация — уравновешивание
нежелательных факторов средствами противо-
положного действия. Мультипликация — по-
вышение эффективности путем использования
нескольких объектов, выполняющих одинако-
вые функции. Расчленение (декомпозиция) —
условное разделение объекта с целью упроще-
ния рассмотрения его работы.
Проектирование экспериментальное —
проектирование, которое осуществляют экспе-
риментальными методами. Оно включает по-
лунатурное моделирование, лабораторные ис-
следования, полевые, ходовые и летные испы-
тания, пробные пуски, эксплуатационные ис-
пытания. Полу натурное моделирование отли-
чается от математического тем, что часть зве-
ньев включают в состав системы в виде натур-
ных макетов, а не моделируют на ЭВМ. Под
лабораторными исследованиями понимают ис-
следования натурных макетов, которые прово-
дят в лабораториях, при этом реальные источ-
ники сигналов и внешних помех заменяют
имитаторами, построенными на основании ма-
тематических моделей этих сигналов и помех.
Отсюда следует, что полунатурное моделиро-
вание и лабораторные исследования являются
не чисто экспериментальными, а эксперимен-
тально-теоретическими .
56
РАДИОТЕХНИКА
1.14. РАДИОТЕХНИКА И СМЕЖНЫЕ ДИСЦИПЛИНЫ
При полевых испытаниях наземную аппа-
ратуру испытывают в полевых условиях, при
этом все имитаторы сигналов и внешних помех
(или их значительную часть) заменяют реаль-
ными источниками. Наибольшее приближение
к натурным условиям дают ходовые испыта-
ния морской и летные испытания бортовой ап-
паратуры, которые проводят на специально
оборудованных кораблях и самолетах. При ис-
пытаниях ракетной и космической аппаратуры
полностью экспериментальными можно счи-
тать только испытания, которые проводятся во
время пробных пусков и эксплуатации аппара-
туры.
Системный подход — метод проектиро-
вания на основе всестороннего рассмотрения
системы с учетом ее развития и взаимодейст-
вия с окружающей средой. В основе С. п. ле-
жат: учет всех этапов жизни системы (проек-
тирования, производства, эксплуатации, ути-
лизации); учет истории, особенно перспектив
развития систем того же (и близких) класса;
учет взаимодействия системы с внешней сре-
дой (взаимодействия с другими системами
данного иерархического уровня, учет обмена
информацией, энергией, веществом, сигнала-
ми, помехами, влияния температуры, влажно-
сти, давления, механических нагрузок, радиа-
ции и т.д.); учет развития элементной базы;
выделение главного показателя качества.
Стремление улучшить наибольшее число по-
казателей качества может привести к потере
оптимального решения. В большинстве при-
кладных задач к главным вопросам относят-
ся: определение показателей помехоустойчи-
вости, надежности, точности, пропускной
способности, массогабаритных характерис-
тик, стоимости; выяснение основных техни-
ческих противоречий, которые препятствуют
повышению качества системы, и нахождение
способов их преодоления; объединение раз-
личных методов проектирования — алгорит-
мических и эвристических, математических и
экспериментальных.
1.14. РАДИОТЕХНИКА И СМЕЖНЫЕ
ДИСЦИПЛИНЫ. Радио (от лат. radio — из-
лучать) — часть сложных слов, которая указы-
вает на принадлежность предметов (понятий),
ими обозначаемых, к излучению электромаг-
нитных волн, а также к радиоактивности.
Радиотехника — наука об электромагнит-
ных колебаниях и волнах длиной от десятков
километров до десятых долей миллиметра, ме-
тодах их генерации, усиления, преобразова-
ния, излучения, распространения, приема, по-
мехоустойчивой обработки; отрасль техники,
связанная с использованием электромагнит-
ных колебаний и волн для передачи информа-
ции (системы связи, управления, радиовеща-
ния, телевидения), ее извлечения (радиолока-
ция, радионавигация, научные исследования,
технологические процессы), а также для ра-
диопротиводействия передаче и извлечению
информации. Развитие Р. базируется на дости-
жениях радиофизики, физики диэлектриков и
полупроводников, акустики, автоматики, элек-
троники (вакуумной и полупроводниковой тех-
ники, микроэлектроники, функциональной
электроники), вычислительной техники и дру-
гих смежных отраслей, многие из которых, в
свою очередь, возникли и развились на основе
Р. Среди основных разделов Р. следует выде-
лить: генерирование электрических колебаний,
прием и обработку дискретных и аналоговых
сигналов; излучение и распространение радио-
волн в свободном пространстве, различных
средах и направляющих системах; теорию ин-
формации, статистический синтез информаци-
онных систем, оптимальные методы обработ-
ки, автоматическое регулирование радиосис-
тем, запись и воспроизведение передаваемой
информации.
Если в первые годы своего развития Р. слу-
жила только для беспроволочной телеграфии,
то современная Р. характеризуется проникнове-
нием практически во все сферы человеческой
деятельности: бытовую технику, радиовеща-
ние, связь, транспорт, управление, промышлен-
ность, медицину, военное дело и др. Широко
используются радиотехнические методы и уст-
ройства для проведения научных исследований
в физике, астрономии, метеорологии, автомати-
ке, кибернетике, биологии, медицине и т.д.
Поражает прогресс, достигнутый Р: плот-
ность монтажа — 105 схемных элементов в
1см3, средняя наработка на отказ ИС — 108 ч,
дальность космической связи — 109... 1О10 км,
чувствительность приемного устройства —
10~23 Вт, коэффициент гармоник сквозного
тракта запись—воспроизведение 10~2...1(Г1%,
число каналов в радиорелейных и спутниковых
линиях связи — 104, скорость передачи цифро-
вого потока — 4102 Мбит/с, быстродействие
МП — 109... 1О10 опер./с, объем дисковой памя-
ти — десятки гигабайт (объем Большой совет-
ской энциклопедии — 200 Мбайт). Заметим,
что все эти параметры быстро нарастают в свя-
зи с бурным развитием Р. [19].
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
57
1.14. РАДИОТЕХНИКА И СМЕЖНЫЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Акустика — наука о звуке и колебаниях
упругих сред; подразделяется на физическую,
физиологическую, архитектурную, акустоэле-
ктронику (см. ст. 26.2), акустооптику (см. ст.
26.1), электроакустику (см. гл. 27), гидроакус-
тику (см. гл. 3). Физическая А. изучает особен-
ности распространения акустических волн в
жидкой, твердой и газообразной средах, их
взаимодействие с веществом. На основе элект-
роакустики создана прикладная отрасль —
звукотехника, связанная с разработкой аппара-
туры для передачи, записи, воспроизведения
речевых и музыкальных программ. Большое
прикладное значение имеет ультразвук, кото-
рый используют в промышленности для обра-
ботки материалов и контроля качества продук-
ции, в медицине для лечения и диагностики.
Особый раздел А. — биологическая А., кото-
рая занимается изучением звукоизлучения и
звукорецепции органов человека и животных,
проблемами передачи и приема речи, действия
акустических волн на биологические объекты.
Бионика (от греч. bion — живой) — наука,
которая решает инженерно-технические (в том
числе радиотехнические) задачи на основе
анализа жизнедеятельности живых организмов
(см. ст. 7.2).
Кибернетика (от греч. kybemetike — ис-
кусство управления) — наука об общих зако-
нах управления информацией, ее получения и
обработки. Основные объекты исследования
— кибернетические системы (КС), которые
рассматриваются абстрактно, независимо от
их материальной природы, что дает возмож-
ность изучать КС с помощью общих методов.
Каждая КС представляет собой множество
взаимосвязанных элементов, способных вос-
принимать, сберегать и перерабатывать инфор-
мацию, а также обмениваться ею. Основной за-
дачей К. является разработка аппарата и мето-
дов исследования сложных КС (КС, элементы
которых можно разделить на более мелкие
подсистемы и т.д. вплоть до выделения физи-
чески или условно неделимых элементов). Ча-
сто сложными КС называют такие системы,
которые нельзя корректно описать математиче-
ски (например, из-за большого числа элемен-
тов, неизвестно как связанных один с другим,
или потому, что неполностью известны приро-
да и механизм процессов, которые в них проте-
кают). Теоретические и экспериментальные
исследования сложных КС часто малоэффек-
тивны, поэтому применяют методы машинно-
го эксперимента (математического моделиро-
вания на ЭВМ) с использованием совокупнос-
ти математических соотношений, которые опи-
сывают КС. Модель системы вводят в ЭВМ,
имитируют входные воздействия и по реакции
модели определяют характеристики КС. Ис-
пользование кибернетических методов иссле-
дования в технических системах способство-
вало появлению технической К. (см. анализ ав-
томатических систем — гл. 12). Аналогично
возникла К. экономическая, биологическая,
военная и т.д. Примерами КС являются авто-
матические регуляторы в механике, ЭВМ как
объект исследования, человеческий мозг, био-
логические популяции, общество. Теоретичес-
кое ядро К. составляют теории: информации,
алгоритмов, оптимального управления, рас-
познавания образов.
Радиоастрономия — раздел астрономии,
в котором изучают космические объекты на
основе наблюдения их радиоизлучения или
поглощения (пассивные методы), а также с
помощью радиозондирования (активные ме-
тоды). Для радиоастрономических наблюде-
ний используют радиотелескопы, которые
включают антенные системы и приемные уст-
ройства — радиометры (см. ст. 17.23, 18.15).
Наземные наблюдения проводят в диапазоне
волн 1 мм...ЗО м, свободном от существенно-
го атмосферного поглощения. Диапазон не ог-
раничивается при размещении радиотелеско-
пов на космических объектах.
С помощью пассивных методов Р. обнару-
живают излучения со сплошным и дискретным
спектрами. Механизмы возникновения радио-
излучения со сплошным спектром — тепловые
эффекты твердых тел (планет), тормозные из-
лучения электронов в полях плазмы и космиче-
ских магнитных полях (газовые туманности,
радиогалактики, пояса радиации), коллектив-
ные процессы в плазме (солнечные вспышки).
Механизм монохроматического радиоизлуче-
ния — квантовые переходы между атомными и
молекулярными энергетическими уровнями.
Активные методы Р. дают возможность точнее
определить расстояния до космических объек-
тов, параметры их движения, осуществлять
картографирование планет и т.д.
По объектам исследований Р. подразделя-
ют на солнечную, планетарную, галактичес-
кую и внегалактическую. Кроме того, в рамках
Р. осуществляется программа поисков сигна-
лов внеземных цивилизаций (SETI — Search
Extraterrestrial Intelligence). Наблюдения в ра-
диодиапазоне существенно дополняют наблю-
58
РАДИОТЕХНИКА
1.14. РАДИОТЕХНИКА И СМЕЖНЫЕ ДИСЦИПЛИНЫ
дения небесных тел в оптических и более ко-
ротковолновых диапазонах электромагнитных
волн. Так, методами Р. подробно исследованы
планеты, скрытые от наземного наблюдателя
плотной атмосферой; открыты новые типы ис-
точников космического электромагнитного из-
лучения: радиогалактики, пульсары (источ-
ники импульсного излучения), квазары (мощ-
ные внегалактические источники излучения
переменной интенсивности), межзвездный газ,
реликтовое излучение (излучение вещества,
заполнявшего Вселенную на ранних стадиях
развития).
Радиобиология — наука о действии всех
видов ионизирующих излучений на живые ор-
ганизмы, в том числе электромагнитных волн
сантиметрового, миллиметрового, инфракрас-
ного и ультрафиолетового диапазонов. Дейст-
вие излучений обусловлено большой энергией
квантов и частиц, которая значительно превы-
шает энергию ионизации атомов, а также спо-
собностью частиц проникать в глубь объекта.
Р. занимается поиском различных способов за-
щиты организма от излучений (в том числе ус-
тановлением предельно допустимых доз при
работе с излучающими устройствами), а также
разработкой путей использования ионизи-
рующих излучений в медицине для диагности-
ки и лечения (радиология), генетике, сельском
хозяйстве (фотобиология, радиационная селек-
ция) и т.д.
Радиогеофизика — раздел прикладной ге-
офизики, совокупность методов разведки по-
лезных ископаемых, которые базируются на
изучении аномалий электромагнитных полей,
определяющихся геоэлектрическим строением
горных пород. Электромагнитные поля созда-
ются естественными или искусственными
внешними источниками, диапазон волн про-
стирается от мириаметровых до декаметровых.
По методам разведки различают радиоволно-
вое просвечивание, радиопеленгование, радио-
волновое зондирование, спутниковую разведку.
Радиометеорология — наука, которая изу-
чает, с одной стороны, влияние метеоусловий в
тропосфере и стратосфере на распространение
радиоволн, а с другой — метеорологические
явления в атмосфере по характеристикам ра-
диосигналов, в том числе и от собственного из-
лучения атмосферы как теплового, так и обус-
ловленного электрическими разрядами.
Радиоспектроскопия — совокупность ме-
тодов исследования строения вещества, а так-
же физических и химических процессов в нем,
которые определяются резонансным поглоще-
нием радиоволн. Р. изучает вещество в твер-
дом, жидком и газообразном состояниях.
Радиофизика — раздел физики, в кото-
ром изучают физические основы радиотех-
ники и электротехники, в том числе физиче-
ские процессы, связанные с электромагнит-
ными колебаниями в радиодиапазоне: их воз-
буждение, излучение, распространение, при-
ем, преобразование, а также взаимодействие
электрических и магнитных полей с носите-
лями зарядов в вакууме, газах и твердых те-
лах. Радиофизические методы исследования
широко применяются в смежных областях
науки (физике диэлектриков, физике полу-
проводников, геофизике, квантовой электро-
нике, радиоспектроскопии и т.д.) и в технике
при создании приборов с использованием пе-
речисленных процессов.
Радиохимия — область химии, в которой
изучают свойства и физико-химические зако-
номерности поведения радиоактивных изото-
пов, элементов и веществ, методы их выделе-
ния и концентрации. Р. включает также разра-
ботку методов синтеза меченых соединений и
использование радиоактивных изотопов в раз-
личных отраслях.
Радиоэлектроника — совокупность от-
раслей науки и техники, связанных с переда-
чей, приемом и преобразованием информации
с помощью электромагнитных волн. Термин Р.
является в определенной мере обобщающим,
поскольку охватывает радиотехнику и электро-
нику, а также ряд производных отраслей, кото-
рые выделились в результате их развития и
дифференциации.
Электроника — научно-техническая об-
ласть, связанная с исследованиями законов
взаимодействия электронов и других носите-
лей зарядов с электромагнитными полями с це-
лью создания электронных приборов, у кото-
рых это взаимодействие используется для пе-
редачи, обработки и хранения информации, ав-
томатизации производственных процессов, со-
здания энергетических устройств, контрольно-
измерительной аппаратуры, средств научного
эксперимента и др. Э. подразделяется на три
основные области: вакуумную, твердотельную
и квантовую электронику.
Вакуумная Э. охватывает вопросы, связан-
ные с электронной эмиссией, формированием
потоков электронов и управлением ими, фор-
мированием электромагнитных полей с помо-
щью резонаторов, замедляющих систем, физи-
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
59
1.14. РАДИОТЕХНИКА И СМЕЖНЫЕ ДИСЦИПЛИНЫ
кой и техникой глубокого вакуума. Основное
направление развития связано с созданием эле-
ктровакуумных приборов: электронных ламп,
приборов СВЧ (магнетронов, клистронов и
т.д.), электронно-лучевых и фотоэлектронных
приборов (кинескопов, видиконов, фотоэлек-
тронных умножителей), газовых приборов,
рентгеновских трубок и т.д. (см. гл. 11, 29).
Твердотельная Э. изучает свойства твердо-
тельных материалов (полупроводниковых, ди-
электрических, магнитных и т.д.), влияние на
них примесей различных веществ. Т. Э., в
свою очередь, делится на: полупроводниковую
электронику, связанную с разработкой и изго-
товлением различных приборов (диодов, тран-
зисторов, ИС, полупроводниковых матриц и
т.п.); акустоэлектронику; оптоэлектронику;
магнитоэлектронику; пьезоэлектронику и т.д.
(см. гл. 10, 11,26, 29).
Квантовая Э. связана с разработкой спосо-
бов усиления и генерации электромагнитных
колебаний на основе вынужденного излучения
атомов, молекул и твердых тел. Главным на-
правлением ее развития является разработка
лазеров, квантовых усилителей, молекулярных
генераторов (см. гл. 11).
Электротехника — научно-техническая
отрасль, связанная с использованием электри-
ческих и магнитных явлений для получения и
преобразования электрической энергии. Ши-
рокое использование Э. во всех сферах челове-
ческой деятельности объясняется ее преиму-
ществами: простотой передачи электрической
энергии к месту потребления, удобством рас-
пределения мощностей в электрических сетях,
легкостью преобразования электрической
энергии в другие виды энергии, относительной
простотой эксплуатации электрических машин
и приборов, возможностью практически мгно-
венно передавать электрические сигналы на
дальние расстояния, точностью и чувствитель-
ностью электрических методов контроля и уп-
равления.
1.15. РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТ-
ВА (радиоэлектронная аппаратура) — изделия
и их составные части, в основу функциониро-
вания которых заложены принципы радиотех-
ники и радиоэлектроники. Уровни разукрупне-
ния РЭС по функциональной сложности: ра-
диоэлектронная система (радиосистема), ра-
диоэлектронный комплекс, радиоэлектронное
устройство. Уровни разукрупнения РЭС по
конструкторской сложности (иерархия конст-
рукций): нулевой структурный уровень — эле-
ментная база, первый структурный уровень —
радиоэлектронная ячейка, второй структурный
уровень — радиоэлектронный блок, третий
структурный уровень — радиоэлектронный
шкаф. По элементной базе и структуре конст-
рукций различают пять поколений РЭС.
РЭС поколения первого (РЭС-I, РЭА-1)
— аппаратура, выполненная на электронных
лампах с навесными ЭРЭ и печатным или объ-
емным монтажом. Главные недостатки РЭС-1:
значительные габаритные размеры и масса,
большое тепловыделение, низкая надежность.
Конструкция не давала возможности автома-
тизировать производство РЭС. Представляет
интерес, поскольку и до настоящего времени
эксплуатируется какая-то часть такой аппара-
туры.
РЭС поколения второго (РЭС-П, РЭА-П)
— аппаратура, выполненная на транзисторах с
навесными малогабаритными ЭРЭ и печатным
монтажом. Замена электронной лампы транзи-
стором дала возможность улучшить массогаба-
ритные характеристики, повысить надежность,
уменьшить мощность потребления, упростить
схему электропитания, осуществить автомати-
зацию производства печатных плат. Использо-
вание транзисторов улучшило эксплуатацион-
ные характеристики аппаратуры, позволило
освоить выпуск функциональных узлов (ФУ).
Процесс унификации и стандартизации ФУ по
габаритным размерам, форме и типам соедине-
ний привел к созданию конструкций в виде мо-
дулей различных типов.
РЭС поколения третьего (РЭС-Ш, РЭА-
III) — аппаратура, выполненная на базе кор-
пусных ИС первой и второй степеней интегра-
ции, многослойного печатного монтажа, мини-
атюрных ЭРЭ, изделий акустоэлектроники и
других твердотельных узлов, которые работа-
ют на основе различных физических явлений.
Использование ИС обеспечивает ряд преиму-
ществ, связанных с дальнейшим уменьшением
энергопотребления, массы, габаритных разме-
ров, повышением надежности, упрощением
проектирования, изготовления, обслуживания.
Основой конструкции функциональных узлов
остается печатная плата, но значительно более
сложная, чем у РЭС-П.
РЭС поколения четвертого (РЭС-IV,
РЭА-IV) — аппаратура, которая характеризу-
ется лучшими по сравнению с РЭС-Ш показа-
телями надежности и массогабаритными ха-
рактеристиками благодаря использованию ИС
третьей и четвертой степеней интеграции, рос-
60
РАДИОТЕХНИКА
1.16. СИГНАЛ
ту их номенклатуры, введению МС. ИС чет-
вертой степени интеграции (ИС-4) называют
БИС. МС являются, по существу, специализи-
рованными гибридными ИС, которые создают-
ся производителями РЭС-FV для своих элект-
рических схем и конструкций при отсутствии
аналогов в номенклатуре ИС. Они исполняют-
ся в бескорпусном варианте или в корпусах,
предназначенных для ИС, на основе полуфаб-
рикатов ИС, которые входят в каталоги центра-
лизованно поставляемой элементной базы.
РЭС поколения пятого (РЭС-V, РЭА-V)
— аппаратура, выполненная на базе СБИС,
сверхбыстродействующих гибридно-интег-
ральных модулей (ГИМ), волоконно-оптичес-
ких кабелей и соединителей. ГИМ — это круп-
ноформатные МС, выполненные на металли-
ческой плате с улучшенным теплоотводом, по-
крытой слоем стеклоэмали, на поверхности ко-
торой по толстопленочной технологии нанесен
рисунок, содержащий проводники, резисторы,
конденсаторы, а в СВЧ-диапазоне и колеба-
тельные цепи. Как навесные элементы исполь-
зуют СБИС, БИС, МС, изделия функциональ-
ной электроники, отдельные конденсаторы.
Переход от МС к ГИМ, который можно срав-
нить с переходом от полупроводникового при-
бора к ИС, также сопровождается соответству-
ющим улучшением массогабаритных показа-
телей и повышением надежности. Использова-
ние волоконно-оптических кабелей и соедини-
телей между блоками, приборами и комплекса-
ми позволяет существенно выиграть в ком-
плексной микроминиатюризации.
РЭА-Ш, РЭА-IV, РЭА-V называют микро-
электронной аппаратурой (МЭА).
РЭС структурного уровня нулевого
(РЭС-О, РЭА-0), элементная база — являются
неделимыми схемными и конструкторскими
элементами, которые характеризуются конст-
руктивной и функциональной взаимозаменяе-
мостью. К ним относятся: ЭРЭ, полупроводни-
ковые приборы, электровакуумные приборы,
ИС, БИС, МС и др. Стандартные элементы ну-
левого структурного уровня, размерно скоор-
динированные с базовыми несущими конст-
рукциями первого структурного уровня, назы-
вают радиоэлектронными модулями нулевого
структурного уровня (РЭМ-0).
РЭС структурного уровня первого (РЭО1,
РЭА-1), радиоэлектронная ячейка (РЯ) — конст-
руктивно автономная, эксплуатационно неавто-
номная сборочная единица, которая содержит
минимально оправданное число элементов нуле-
вого структурного уровня, необходимое для реа-
лизации завершенных функций приема, переда-
чи или преобразования сигналов (сообщения).
При этом функциональная завершенность озна-
чает способность реализовать заданное число
операций, а конструкторская — возможность ме-
ханической фиксации и электрического подсое-
динения без дополнительных средств. Радиоэле-
ктронным модулем первого структурного уров-
ня РЭМ-1 (в микроминиатюрном исполнении —
микромодулем) называют стандартизованную
РЯ, на которую с целью обеспечения системной
совместимости налагают ряд ограничений: един-
ство формы, типоразмеров, выводов. Поскольку
конструкции низких уровней мало зависят от на-
значения РЭС и объекта установки, РЭС-0 и
РЭС-1 являются наиболее универсальными и
пригодными для унификации и стандартизации.
РЯ часто используют в качестве типовых элемен-
тов замены (ТЭЗ).
РЭС структурного уровня второго (РЭС-2,
РЭА-2), радиоэлектронный блок (РБ) — конст-
руктивно автономная, эксплуатационно неавто-
номная сборочная единица, которая реализует
сложную завершенную функцию приема, пере-
дачи или преобразования сигналов (сообщения).
РБ является совокупностью РЯ, выполненных на
базе несущей конструкции второго структурного
уровня. РЭМ-2 — это РБ, выполненный на осно-
ве РЭМ-1 и базовой несущей конструкции второ-
го структурного уровня. Разновидности РБ: мик-
роблоки, субблоки, панели; кроме электронных
блоков следует выделить блоки механические,
электрические, электромеханические, оптичес-
кие, акустические и др.
РЭС структурного уровня третьего
(РЭС-3, РЭА-3), радиоэлектронный шкаф
(РШ) — конструктивно и эксплуатационно ав-
тономная сборочная единица, как правило,
специализированная для выполнения сложных
завершенных функций, которые определяются
техническими требованиями к РЭС-3. РШ яв-
ляется совокупностью РБ и РЯ, собранной на
основе несущей конструкции третьего струк-
турного уровня. Разновидности РШ: шкафы,
стойки, стеллажи, пульты, приборы. РЭМ-3 —
это РШ, выполненный на базе РЭМ-1, РЭМ-2 и
базовой несущей конструкции третьего струк-
турного уровня [13].
1.16. СИГНАЛ — физический процесс, не-
сущий определенную информацию (сообще-
ние) и связанный с ней принятыми способами
модуляции и кодирования (в простейших слу-
чаях, например в проводной связи, С. как непо-
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
61
1.16. СИГНАЛ
средственный аналог сообщения может быть и
немодулированным или декодированным). С.
классифицируют по множеству признаков, ос-
нованных на физических свойствах источника
их получения или на самых важных парамет-
рах, определяющих возможности их использо-
вания [1, 12]. Так, С. различают: по физической
природе (электрический, электромагнитный,
акустический, оптический С. и т.п,); по степени
неопределенности (детерминированный —
полностью известный С., не несущий новой
информации, поэтому его мгновенные значе-
ния в любой момент времени могут быть пред-
сказаны абсолютно точно; случайный — сиг-
нал, мгновенные значения которого заранее не-
известны, поскольку подчиняются лишь стати-
стическим закономерностям, из-за чего могут
быть предсказаны лишь с некоторой вероятно-
стью); по принадлежности к тому или иному
виду связи (телефонный, телевизионный, теле-
графный, фототелеграфный С. и т.п.); по степе-
ни полезности (полезный С. и помеха). Модели
детерминированных сигналов — см. ст. 1.7.
Во временной области С. различают: по
протяженности (финитный, т.е. С., ограничен-
ный во времени, и нефинитный С.); по регу-
лярности повторения: периодический — сиг-
нал, для которого выполняется соотношение
f (О =f (* + ЬТ) (£ — любое целое число, Т —
период), и непериодический — сигнал, для ко-
торого f(t + kT) Ф f (z); по характеру перемен-
ных (непрерывные — дискретные): аналого-
вый (континуальный) — сигнал, произволь-
ный по значениям и непрерывный во времени
(Рис. 1.119 о), который является аналогом оп-
ределенного информационного процесса; дис-
кретизированный — сигнал, произвольный по
значениям и дискретный во времени (Рис.
1.11, б)\ квантованный по значениям (прини-
мает лишь дискретные значения) и непрерыв-
ный во времени (Рис. 1.11, в)-, дискретный во
времени и квантованный по уровням, пригод-
ный для цифрового кодирования отсчетов,
следующих с тактовой частотой, и потому ча-
сто называемый цифровым С. (Рис. 1.11, г).
В спектральной области С. различают: по
относительной ширине спектра — широкопо-
лосный С., для которого ширина физического
спектра Дсос = - (0^ соизмерима с его
средней частотой соср, и узкополосный С., для
которого ДсОе/сОер « 1; по области частот, в ко-
торой расположен спектр С. — низко-, высоко-,
радиочастотные сигналы, сигналы СВЧ и т.п. —
см. ст. 1.3.
По функции в процессе модуляции разли-
чают: С., который модулируют (несущее коле-
бание), и модулирующий (управляющий) С. —
первичный С., который модулирует несущую;
управляющим С. может быть как непосредст-
венно сообщение, так и какой-либо вспомога-
тельный С., промодулированный сообщением
(например, последовательность видеоимпуль-
сов с АИМ, ШИМ и т.п.). Узкополосный (в от-
носительном смысле) С., полученный модуля-
цией гармонической несущей, называется ра-
диосигналом (см. ст. 19.10).
Радиосигналы (PC) классифицируют по
видам модуляции и особенностям модулирую-
щих С., а именно: PC с аналоговой модуляци-
ей (AM, ОМ, ЧМ, ФМ), с импульсной модуля-
цией — импульсно-аналоговые С. (АИМ,
ВИМ, ШИМ, ИКМ); импульсно-дискретные С.
(одиночные импульсы, их последовательности,
манипулированные PC с АМн, ЧМн, ФМн,
ОФМн и т.п.), см. гл. 16, 17.
База сигнала — количественная характе-
ристика сложности С. — произведение дли-
тельности С. Тс на ширину его спектра Д/с (см.
также ст. 19.3): М = Тс Д /с. Для радиосигнала
под ДУс понимают ширину спектра соответст-
вующего аналитического С. (или математичес-
кого спектра его комплексной огибающей —
см. ст. 19.10). По этому условию база PC при-
обретает смысл отношения ширины спектра
ДУрС PC к ширине спектра Д /м.с модулирую-
щего С.: М= ДС. с базой, соизмери-
мой с 1, называются простыми, а с М » 1 —
сложными.
1.17. СИСТЕМА ИНФОРМАЦИОННАЯ
РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ — техническая сис-
тема, в которой основные функциональные опе-
рации выполняются радиоэлектронными сред-
ствами. Составными частями радиотехнической
системы являются радиоэлектронные комплек-
62
РАДИОТЕХНИКА
1.17. СИСТЕМА ИНФОРМАЦИОННАЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ
сы и устройства: радиопередающие, радиопри-
емные, антенно-фидерные, электронно-вычис-
лительные, отображения информации, электро-
питания и др. В зависимости от функциональ-
ного назначения РТС подразделяют на следую-
щие классы [18]: РТС передачи информации,
РТС извлечения информации, РТС противодей-
ствия, РТС управления, комбинированные РТС.
Совокупность функционально связанных РТС,
которые обеспечивают выполнение общей зада-
чи, называют большой радиосистемой. Такими
являются РТС спутниковой связи, РТС управле-
ния воздушным движением, РТС ПВО и др.
Указанные РТС рассматриваются в га. 18.
Радиотехническая система извлечения
информации — РТС, в которой информация
не передается, а создается в результате приема
сигналов от объекта локации (ОЛ). Р. с. и. и.
подразделяют на активные и пассивные. У
первых (Рис. 1.12, а) источником информации
об ОЛ (расстояние, координаты, скорость) яв-
ляется отраженный от него сигнал, который
принимается РПрУ и после обработки посту-
пает пользователю информации ПИ. Источник
зондирующего сигнала (РПдУ), как правило,
располагается на малом растоянии от РПрУ,
что позволяет достаточно просто ввести в при-
емник копию зондирующего сигнала и благо-
даря этому существенно улучшить выделение
отраженного сигнала из смеси сигнала и поме-
хи. В пассивных Р. с. и. и. (Рис. 1.12, б) пере-
датчик, как правило, отсутствует, а информа-
ция извлекается из естественных колебаний,
излучаемых ОЛ — электромагнитных, гидро-
акустических, тепловых. Кроме того, применя-
ют пассивные Р. с. и. и. с искусственным ис-
точником излучения (РПдУ) — например, в си-
стемах радионавигации. Воздействие помех в
Р. с. и. и. приводит к ошибкам первого и второ-
го рода: пропускам цели и ложным тревогам
соответственно. Основными отраслями ис-
пользования являются радио- и гидролокация,
радионавигация, радиометеорология, радиоас-
трономия, радиогеология, радиоизмерения,
разведка, медицина, интроскопия. В перечис-
ленных отраслях широко используют как ак-
тивные, так и пассивные методы извлечения
информации, каждый из которых имеет свои
преимущества и недостатки. Так, преимущест-
вами активной локации являются относитель-
ная точность, высокая помехоустойчивость и
большой объем получаемой информации, а
пассивной локации — скрытность, возмож-
ность исследования источников естественного
излучения. Наибольшее распространение по-
лучили активные методы.
Радиотехническая система комбиниро-
ванная — РТС, в состав которой входят две
или более системы различных классов. Так, Р.
с. к. командного управления содержит РТС из-
влечения информации (радиолокаторы) и сис-
тему передачи информации (командную ра-
диолинию).
Радиотехническая система передачи ин-
формации — РТС, предназначенная для переда-
чи сообщения (информации) из одной точки про-
лива 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
63
1.17. СИСТЕМА ИНФОРМАЦИОННАЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ
странства в другую. Структурная схема Р. с. п. и.
(канала связи) показана на Рис. 1.12, в, где ИИ i=—
источник информации; ФЭПИ — физико-элект-
рический преобразователь информации; Кд —
кодер; ДКд — декодер, ЭФПИ —электрофизиче-
ский преобразователь информации; ПИ — поль-
зователь информации; Т/— информацион-
ное поле; и ъ и2'— сообщение; w3, w3'— кодиро-
ванное сообщение; и4, и4 — модулированный
сигнал. ФЭПИ (микрофон, датчик, иконоскоп)
преобразовывает энергию информационного по-
ля (например, звукового) в энергию электричес-
ких колебаний — сообщение. В отдельных слу-
чаях ФЭПИ может отсутствовать, если ИИ про-
изводит колебания в виде электрического напря-
жения или тока. Процесс кодирования не являет-
ся принципиально необходимым, но он позволя-
ет существенно повысить помехоустойчивость, а
также обеспечивает защиту передаваемой ин-
формации. В РПдУ осуществляется модуляция
колебаний НсЧ закодированным сообщением и
излучение сигнала, который является физичес-
ким агентом, несущим сообщение. В радиопри-
емном тракте происходит обратный процесс:
прием и обработка сигнала, демодуляция (детек-
тирование), декодирование и обратное электро-
физическое преобразование (ЭФПИ — громко-
говоритель, индикаторное устройство, кинескоп
соответственно). При отсутствии помех и иска-
жений процессы Tj', и2\и3\ и4 в приемном трак-
те с точностью до постоянного множителя совпа-
дают с соответствующими процессами 'Р1, м2, w3,
и4 в передающем тракте. Если одно несущее ко-
лебание используют для передачи информации
от нескольких источников, то Р. с. п. и. называет-
ся многоканальной и в точки 3,3' вводят устрой-
ство уплотнения и разделения каналов соответ-
ственно. Воздействие помех приводит к искаже-
нию передаваемой информации.
Широкое распространение получили сис-
темы передачи цифровой информации в связи
с тем, что многие источники выдают информа-
цию в цифровом виде, а также с рядом преиму-
ществ: более высокой помехоустойчивостью,
возможностью обработки информации с помо-
щью ЭВМ, меньшей восприимчивостью к воз-
действию аппаратурных нестабильностей и
накоплению ошибок при ретрансляциях.
Для повышения надежности Р. с. п. и. в их
состав вводят дополнительные служебные ка-
налы: канал пилот-сигнал а, обратный канал,
канал синхронизации и др.
Радиотехническая система противодей-
ствия — РТС, предназначенная для создания
организованных радиопомех системам пере-
дачи и извлечения информации противника.
Радиопротиводействие в общем случае вклю-
чает два этапа: радиотехническую разведку и
собственно противодействие. Возможны две
структурные схемы Р. с. п.: с излучением ме-
шающего сигнала и с переизлучением. По-
следняя содержит РПрУ, необходимое для по-
лучения сигналов радиосистемы противника,
устройство для его анализа, формирователь и
передатчик для переизлучения намеренно ис-
каженного сигнала.
Система радиоуправления — система те-
леуправления объектами с помощью радиока-
налов. С. р. подразделяют на автоматические и
автоматизированные, замкнутые и разомкну-
тые. В автоматизированных С. р. в отличие от
автоматических, управление осуществляется
оператором. Разомкнутые С. р. по информаци-
онному признаку не отличаются от систем пе-
редачи и извлечения информации. В замкну-
тых системах команды управления формиру-
ются с учетом сигналов ОС, поступающих от
объектов управления. Важной областью ис-
пользования С. р. является управление лета-
тельными аппаратами.
1.18. СЛУЧАЙНАЯ ВЕЛИЧИНА — это
величина, которая в результате опыта со слу-
чайным исходом может принимать то или иное
заранее неизвестное значение. Различают два
основных типа С. в.: дискретные и непрерыв-
ные. Дискретная С. в. может принимать конеч-
ное или бесконечное счетное множество значе-
ний Xt (их можно пронумеровать). Возможные
значения непрерывной С. в. не могут быть за-
ранее перечислены и непрерывно заполняют
некоторый промежуток или даже всю число-
вую ось. Часто встречаются С. в. смешанного
типа, которые могут и непрерывно заполнять
некоторый промежуток, и принимать отдель-
ные дискретные значения.
Случайной величины закон распределения
— соотношение, устанавливающее связь меж-
ду возможными значениями С. в. и соответст-
вующими вероятностями. Закон распределе-
ния дискретной С. в. можно задать в разных
формах: табличной (ряд распределения), гра-
фической (многоугольник распределения),
аналитической (в виде формулы). Универсаль-
ной характеристикой, одинаково пригодной
как для дискретных, так и для непрерывных
одномерных С. в., является функция распреде-
ления F(x). Функция распределения определяет
вероятность того, что С. в. X принимает значе-
64
РАДИОТЕХНИКА
1.18. СЛУЧАЙНАЯ ВЕЛИЧИНА
ние, меньшее некоторого определенного числах:
F(x) = Р(Х < х). Функцию распределения
F(x) иногда называют также интегральной
функцией распределения, или интегральным
законом распределения. Функция распределе-
ния имеет такие свойства: F(-oo) = lim F(x) = 0;
F(-h») =lim F(x) = 1; F(x) — функция^ которая
не убывает, т.е. F(x2) > F(xi) при х2 >
P(xi < X < х2) = F(x2) - F(%i). Распределение
дискретной С. в. имеет вид ступенчатой функ-
ции со скачками в точках хь х2, х3 и т.д. (Рис.
1.13, а); распределение непрерывной С. в. —
непрерывной функции (Рис. 1.13, б), а распре-
деление смешанной С. в. — частично непре-
рывной функции со счетным числом скачков
(Рис. 1.13, в).
Закон распределения, построенный на
основе опытных данных, является оценкой
неизвестной функции распределения: по кон-
кретным значениям хь х2, ..., полученным
после независимых измерений С. в. X, нужно
оценить неизвестную функцию распределе-
ния F(x) этой величины. Совокупность на-
блюдаемых значений величины составляет
первичный статистический материал, кото-
рый подлежит обработке, осмыслению и ана-
лизу. Такую совокупность называют простой
статистической совокупностью, или простым
статистическим рядом. Как правило, простая
статистическая совокупность оформляется в
виде таблицы с одним входом, в первом
столбце которой стоит номер опыта i, а во вто-
ром — наблюдаемое значение С. в. Простой
статистический ряд представляет собой пер-
вичную форму записи статистического мате-
риала и может быть обработан различными
способами, одним из которых является пост-
роение статистической функции распределе-
ния С. в.
Статистической функцией распределения
случайной величины X называют частоту собы-
тия X < х в данном статистическом материале:
F*(x) = Р*(Х < х). Статистическая функция рас-
пределения любой С. в. — прерывной или не-
прерывной — представляет собой прерывную
ступенчатую функцию, скачки которой соот-
ветствуют наблюдаемым значениям С. в. и по
высоте равны частотам этих значений (Рис.
1.14). При большом числе наблюдений (не-
сколько сотен) простая статистическая сово-
купность становится слишком громоздкой и
малонаглядной. Для большей компактности и
наглядности строят статистический ряд. С
этой целью весь диапазон наблюдаемых значе-
ний разделяют на интервалы (разряды) и под-
считывают число значений mh приходящееся
на каждый /-й разряд. Это число делят на об-
щее число наблюдений п и находят частоту, со-
ответствующую данному разряду: Р*(/) = mjn.
Сумма частот всех разрядов, очевидно, должна
быть равна 1. Таблицу, в которой приведены
разряды в порядке их расположения вдоль оси
абсцисс и соответствующие им частоты, назы-
вают статистическим рядом (Табл. 1.5). Здесь
4 — обозначение /-го разряда; xh x,+i — его
границы; Р* — соответствующая частота; к —
число разрядов.
Таблица 1.5
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
65
1.18. СЛУЧАЙНАЯ ВЕЛИЧИНА
Статистический ряд часто оформляют в ви-
де гистограммы (Рис. 1.15), которую получа-
ют следующим образом. По оси абсцисс откла-
дывают разряды, на каждом из разрядов как на
основании строят прямоугольник, площадь ко-
торого равна частоте данного разряда. Для по-
строения гистограммы нужно частоту каждого
разряда разделить на его длину и полученное
число взять в качестве высоты прямоугольни-
ка. Пользуясь данными статистического ряда,
можно приближенно построить и статистичес-
кую функцию распределения величины X. При
этом в качестве точек на графике этой функции
удобно взять границы хь х2,... разрядов, кото-
рые фигурируют в статистическом ряде. Тогда
очевидно:
F*(x,)=0; F*(x2)=P,*; F*(x3)=/>1’ + Р'г-
F\xk)=^lp’; F’(^+i)=X^*=1-
/=1 /=1
Соединяя полученные точки плавной кривой,
получают приближенный график статистичес-
кой функции распределения.
Критерий согласия — критерий, характе-
ризующий меру расхождения между теорети-
ческими и статистическими распределениями
С. в. Для того, чтобы принять или опроверг-
нуть гипотезу Я, которая состоит в том, что С.
в. подчиняется определенному закону распре-
деления, рассматривают некоторую величину
Я, характеризующую степень расхождения те-
оретических и статистических распределений.
Величина U может быть выбрана различными
способами; например, в качестве U можно
взять максимальное отклонение статистичес-
кой функции распределения F*(X) от теорети-
ческого F(x) или сумму квадратов отклонений
теоретических вероятностей Р, от соответству-
ющих частот Pi и т.д. Одним из критериев, ис-
пользуемых на практике, является критерий
Колмогорова. В этом случае в качестве меры
расхождения рассматривают максимальное
значение модуля разности между F*(x) и F(x):
U = max | F*(x) - F(x) |. Основанием для выбо-
ра в качестве меры расхождения величины U
является простота ее вычисления. Вместе с тем
она имеет достаточно простой закон распреде-
ления. А.Н. Колмогоров доказал, что какова бы
ни была функция распределения F(x) непре-
рывной С. в. % при неограниченном возраста-
нии числа независимых наблюдений п вероят-
ность неравенства U у[п > Л стремится к пределу
Р(Х) = 1-£(-1)%хр(-2рХ2).
А:=-оо
Значения вероятностей Р(к) приведены в
Табл. 1.6. Алгоритм применения этого крите-
рия таков: строят статистическую функцию
распределения F*(x), а также предполагаемую
теоретическую функцию и определяют макси-
мум U модуля разности между ними. Далее оп-
ределяется величина Л = £/л/й и по Табл. 1.6
находят вероятность Р(к). Это является вероят-
ностью того, что (если величина X действитель-
но распределена по закону F(x)) из-за чисто слу-
чайных причин максимальное расхождение
между F*(x) и F(x) будет не меньше, чем факти-
чески наблюдаемое. Если вероятность Р(Х) весь-
ма мала (скажем, Р(Х) < 0.1), гипотезу следует
отвергнуть как неправдоподобную; при сравни-
тельно больших Р(Х) ее можно считать совмес-
тимой с опытными данными. Этим критерием
можно пользоваться только тогда, когда извест-
ны не только вид функции распределения F(x),
но и все ее параметры. Кроме критерия Колмо-
горова используют некоторые другие. Одним из
них является «критерий %2» Пирсона [20].
Многомерное распределение — это рас-
пределение двух или большего числа С. в. Свой-
ства системы нескольких С. в. не исчерпывают-
ся свойствами отдельных величин, которые ее
составляют; они включают также взаимные свя-
Таблица 1.6
X W) X Р(Х) X W
0 1.000 0.7 0.711 1.4 0.040
0.1 1.000 0.8 0.544 1.5 0.022
0.2 1.000 0.9 0.393 1.6 0.012
0.3 1.000 1.0 0.270 1.7 0.006
0.4 0.997 1.1 0.178 1.8 0.003
0.5 0.964 1.2 0.112 1.9 0.002
0.6 0.864 1.3 0.068 2.0 0.001
66
РАДИОТЕХНИКА
1.18. СЛУЧАЙНАЯ ВЕЛИЧИНА
зи (зависимости) между С. в. Систему п С. в.
можно рассматривать как точку в «-мерном про-
странстве со случайными координатами
X2,..., Хп. Поэтому такую систему называют 71-
мерной С. в., или «-мерным случайным векто-
ром. При « = 2 С. в. может рассматриваться как
случайная точка на плоскости, а при « = 3 — как
случайная точка в пространстве. Системы С. в.
могут быть дискретными, непрерывными и сме-
шанными в зависимости от типа С. в., которые
образуют систему. Как и в случае одномерной
С. в., полной характеристикой многомерной С.
в. является закон распределения — соотноше-
ние, устанавливающее связь между областями
возможных значений многомерной С. в. и веро-
ятностями их появления в этих областях.
Закон распределения может быть задан в
разных формах. Например, если X и Y — дис-
кретные С. в., то закон распределения двухмер-
ной С. в. (X, У) задается в табличной форме [14].
Универсальной характеристикой многомерных
С. в., пригодной для описания как дискретных,
так и непрерывных С. в., является функция
распределения. Функция распределения систе-
мы п случайных величин — вероятность совме-
стного выполнения « неравенств вида X, < х,:
х2,.... х„) = Р[(Хх < хх)(Х2 < х2)...(Х„ < х„)].
Зная закон распределения системы, можно
определить законы распределения ее отдель-
ных составляющих. Функцию распределения
последних нетрудно найти, приравняв осталь-
ные аргументы системы бесконечности:
F(X1) = F„(X1,OO, оо).
Если выделить из системы величин
(Xi, Х2,..., Хп) частную систему (ХЪХ2,..., Хк),
то функция распределения этой системы бу-
дет иметь вид:
F*(xb х2,.... xk) = F„(xx, х2,хк, оо,о»).
Условным законом распределения частной
системы Xi, Х2, Хк называют ее закон рас-
пределения, вычисленный при условии, что
остальные величины приобрели зна-
чения хк+\, ..., х„. В геометрической интерпре-
тации (Рис. 1.16) функцию распределения
двухмерной С. в. F2(x,y) можно трактовать как
вероятность попадания случайной точки
внутрь бесконечного левого нижнего квадран-
та с вершиной (х,у/ С. в. (Х{,..., Хп) называют
независимыми, если закон распределения каж-
дой частной системы, выделенной из системы
(Zb Х2,..., Хп), не зависит от того, какие значе-
ния приняли другие С. в.
Плотность распределения вероятнос-
тей — производная функции распределения:
РГ(х) = dF{x)/dx.
Плотность вероятностей имеет такие основ-
ные свойства: она положительна, т.е. FF(x) > 0;
вероятность попадания непрерывной С. в. в ин-
тервал (хь х2) равняется интегралу плотности
вероятностей в этих пределах, т.е. P(xj < Х< х2 =
Jw,(x)<Zr = F(x2)-F(x1 ); интеграл
функции
fY(x) в бесконечных пределах равняется 1 (ус-
ловие нормировки —
jty(x)dx = l).
Элементом вероятности для непрерывной С.
в. X называют величину W(x)dx, которая при-
близительно равна вероятности попадания С.
в. % в элементарный отрезок dx, прилегающий
к точке х:
W\x) dx ~ Р(х < X < х + dx).
Функция распределения непрерывной С. в.
выражается через ее плотность:
F(x)=
Для дискретной С. в. имеем плотность ве-
роятностей
п
W(x) = ^8(х-хД
1=1
где X/ — возможные значения С. в. X; Pj — ве-
роятности возможных значений xz; 8(х - xz) —
дельта-функция.
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
67
1.18. СЛУЧАЙНАЯ ВЕЛИЧИНА
Кривую, которая воспроизводит плотность
распределения С. в., называют кривой распре-
деления. Плотность распределения системы п
непрерывных G. в. является л-й смешанной ча-
стной производной функции Fn(xi, х2, ..., хп),
взятой один раз по каждому аргументу:
Плотность распределения каждой из вели-
чин, входящих в систему, можно получить, ес-
ли плотность распределения системы проинте-
грировать в бесконечных пределах для осталь-
ных аргументов:
Плотность распределения системы незави-
симых С. в. равняется произведению плотнос-
тей распределения отдельных величин, входя-
щих в систему:
Wn(xl9 х2,..., хп) = W(Xl)W(x2) .... W(xn).
Вероятность попадания случайной точки
(%1, Х2, ..., Хп) в границы и-мерной области D
определяется л-мерным интегралом:
.....А„)с£)] =
(О)
Графическое соответствие интегрального и
дифференциального законов распределения
иллюстрируется Рис. 1.17 — 1.26.
Равномерный непрерывный закон рас-
пределения — все значения непрерывной С. в.
в пределах ее существования равновероятны:
№(х) = 1/(Ь - а), (а<х<Ь).
Это распределение (Рис. 1.17) широко ис-
пользуют в радиотехнических расчетах (на-
пример, при расчетах фазы случайного коле-
бания), в теории надежности (например, при
расчете интенсивности отказов), в теории
массового обслуживания и др. Для дискрет-
ной С. в. применяют равномерный дискрет-
ный закон распределения (Рис. 1.18), согласно
которому все значения дискретной С. в. рав-
новероятны:
№(£ = k)= 1/т, (1 < £ < т).
При передаче цифровых данных, как пра-
вило, вероятности той или иной цифры одина-
ковы, т.е. имеют равномерное распределение.
Распределение по закону арксинуса —
закон распределения мгновенных значений си-
нусоиды со случайной фазой. Этот закон
(Рис. 1.19) широко используют при исследова-
нии гармонических колебаний:
W(х)= 1 /(я7л2 -х1 ),(-а<х<а),
где а — амплитуда гармонического колебания.
Распределение Вейбулла — закон распре-
деления, имеющий функцию плотности веро-
ятностей
W(x) = a|ka 1ехр(-~рха), а > О, Р > 0, (0 <*<«>)•
Этот закон (Рис. 1.20) широко используют
для определения средней наработки элементов
электронной аппаратуры.
Распределение Гаусса — закон распреде-
ления, который характеризуется плотностью
вероятностей
68
РАДИОТЕХНИКА
1.18. СЛУЧАЙНАЯ ВЕЛИЧИНА
Логарифмический гауссовский закон (Рис.
1.22) широко используют в теории надежнос-
ти; этим законом аппроксимируют распределе-
ние полей атмосферных и индустриальных по-
мех [15]:
1
---7=ехР
ха<2л
(1пх - тх У
2а2
где а — с.к.о. С. в.; т\ — математическое ожи-
дание. ' ш
Вероятность попадания^, в. в интервал от
а до b определяется так:
ь
Р(а<Х <b) = jw(x)dx=
а
где а — с.к.о.; тх — математическое ожида-
ние.
Усеченный гауссовский закон (Рис. 1.23)
встречается у нормально распределенных
С. в. с ограниченным интервалом измене-
ния [15]:
w(x)= 4— exp
о72л 2g
где А =
2 fx
где Ф(х) = -г- exp(-t2/2)dt—функцияЛапласа,
УТГо
или интеграл вероятностей, значения которого
протабулированы [20].
Главная особенность, выделяющая гаус-
совский (нормальный) закон (Рис. 1.21) сре-
ди других законов, состоит в том, что он яв-
ляется предельным законом, к которому при-
ближаются остальные законы распределения.
Распределение, близкое к гауссовскому, име-
ют много разных по своей природе С. в., на-
пример тепловые шумы, а также шумы актив-
ных элементов, узкополосных систем, косми-
ческие шумы и др.
(х2-т1)/о (Xi-mJ/a
je~“2/2du- fe~“2/2du
о о
а — с.к.о.; тх — математическое ожидание.
0 10 20 30 х 0 10 20 30 х
Рис. 1.22
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
69
1.18. СЛУЧАЙНАЯ ВЕЛИЧИНА
Распределение Пирсона («закон Z2») —
распределение (Рис. 1.24), функция плотности
вероятностей которого имеет вид:
№(х) = 1/[2п/2Г(п/2)хп/2~1е~х/2], 0 < х < оо,
где п — положительное целое число; Г — гам-
ма-функция [14].
Этот закон широко используют в статисти-
ческой радиотехнике, статистике, теории на-
дежности.
Распределение Пуассона — закон распре-
деления (Рис. 1.25), определяющий вероят-
ность появления события к раз за время Z, если
считать, что вероятность наступления события
на протяжении интервала Az пропорциональна
этому интервалу, а события в различные мо-
менты времени независимы:
= к) = Ve~x/fc!, О < £ < оо,
где X = пР; п — число опытов; Р — вероят-
ность появления события в каждом опыте.
Закону Пуассона отвечают, например, рас-
пределение числа электронов, вылетевших из
катода за время Az, распределение числа теле-
фонных вызовов за время Z и т.д.
Распределение Рэлея — закон (Рис. 1.26),
определяющий распределение модуля вектора на
плоскости, составляющие которого по обеим осям
независимы и распределены по закону Гаусса:
FF(x) = (х/о2)ехр[-х2/(2о2)], 0 < х <«>,
где а — с.к.о.
Закон Релея используют при исследовании
распределения замираний во время ионосфер-
ного и тропосферного рассеяния радиоволн,
при исследовании огибающей узкополосных
случайных процессов и др.
Центральная предельная теорема — за-
кон распределения суммы независимых слу-
чайных переменных (Х\, Х2,..., Х„), имеющих
одинаковые законы распределения, приближа-
ется к гауссовскому при неограниченном уве-
личении числа слагаемых независимо от зако-
на их распределения. Эта теорема при ряде ус-
ловий справедлива и для неодинаково распре-
деленных слагаемых. Она широко использует-
ся для описания распределения С. в. на выходе
инерционных (узкополосных) систем.
Числовые (частные) характеристики
случайных величин — характеристики, вы-
ражающие в сжатой форме наиболее сущест-
венные особенности их распределения. Наи-
более полным описанием какой-либо С. в. яв-
ляется закон ее распределения. В то же время
для решения многих прикладных задач доста-
точно использовать не само распределение,
что сложно, а его частные характеристики.
Общими числовыми характеристиками С. в.
являются моменты, отображающие неслучай-
ные величины (числа). Различают начальные и
центральные моменты. Среди числовых ха-
рактеристик С. в. нужно в первую очередь от-
метить те, которые характеризуют расположе-
ние С. в. на числовой оси, т.е. указывают ка-
кое-то среднее, ориентировочное значение, во-
круг которого группируются все возможные
значения С. в.
Математическим ожиданием дискретной
случайной величины называют сумму произве-
дений всех возможных значений С. в. на веро-
ятности их появления
m}=M[X]=YixiPi.
1=1
Для математического ожидания непрерывной
С. в.
70
РАДИОТЕХНИКА
1.19. СЛУЧАЙНОЕ событие
по крайней мере одно (хотя бы одно) из этих
событий. Сумма событий А ь А2, А3, ... обозна-
чается так:
А = Ai + А2+А3 + ... = ^Ак или
к
А = Ai u А2 u А3 и ... =иАк
к
где и — символ объединения событий (логи-
ческая операция ИЛИ).
Произведение (пересечение или совмеще-
ние) событий Ai, А2, А3,... — такое событие А,
которое происходит тогда и только тогда, когда
происходят все события вместе (одновремен-
но). Для произведения событий применяют та-
кие виды записи:
А = AtA2A3... = J~^Ak или
к
А = A i А2 гл А3 гл... =Г'\Ак,
к
где п — символ пересечения событий (логиче-
ская операция И).
Для операций умножения и сложения собы-
тий, применяемых совместно, справедлив
обычный распределительный (дистрибутив-
ный) закон (А + В)С = АС + ВС, а также второй
распределительный закон АВ + С = (А + С)(В +
С) [14]. События А, В, С, ... образуют полную
группу событий, если в результате опыта не-
пременно должно появиться хотя бы одно из
них. Другими словами, сумма С. с., образую-
щих полную группу, есть достоверное событие,
т.е. А + В + С + ... = U. Если полная группа со-
стоит из двух С. с., то их называют противопо-
ложными друг другу. С. с., противоположное
событию А (не А), обозначают Л. С. с. в одном
опыте называют равновозможными, если по
условиям симметрии есть основания считать,
что любое из этих событий не является объек-
тивно более возможным, чем другие. Если С. с.
образуют полную группу несовместных и рав-
новозможных событий (например, появление 1,
2, 3, 4, 5, 6 очков при бросании игральной кос-
ти), то их называют случаями (шансами).
Вероятность случайного события (ВС)
— численная мера возможности его появле-
ния. Если рассматриваемый опыт имеет N рав-
новозможных исходов, которые несовместны и
образуют полную группу событий (сходных
случаев), то ВС равна
P(A) = n/N,-
где п — число исходов, которые приводят к на-
ступлению события А (благоприятствуют со-
бытию А).
Вероятность достоверного события прини-
мают равной единице, а невозможного — нулю:
P(U) = 1, Р(Р) = 0. Вероятность любого события
лежит между нулем и единицей: 0 < Р(А) < 1.
Приведенной формулой определения ВС можно
пользоваться только тогда, когда опыт сводится
к схеме случаев, т.е. имеет симметрию возмож-
ных выходов (например, азартные игры). В
большинстве практических задач, связанных с
реальными явлениями, ВС непосредственно
связывают с эмпирическим понятием частоты.
Частотой события, или статистической веро-
ятностью Р*(А) события А в серии опытов на-
зывают отношение числа опытов п, в которых
появилось событие А, к общему числу произве-
денных опытов: P*^A) ^ n/N (здесь и далее вели-
чины, обозначенные; \ являются оценками ха-
рактеристик). Таким образом, оценка характери-
стики — статистическая характеристика, полу-
ченная экспериментально. При небольшом чис-
ле опытов частота С. с. носит в значительной ме-
ре случайный характер и может заметно изме-
няться от одной группы опытов к другой. Одна-
ко при увеличении числа опытов частота С. с.
все больше теряет свой случайный характер,
становится устойчивой и сходится по вероятно-
сти к вероятности С. с. (теорема Бернулли) [20],
т.е. при любом е > 0 имеем Р[|Р*(Л) - Р(Л)| <
е]—>1. ВС А, вычисленная при условии, что про-
изошло другое событие В, называют условной
ВС А и обозначают Р(А/В). Совокупность С. с.
образуется их сочетанием в соответствии с сою-
зами «или» и «и». Ясно, что союз «или» право-
мерен только относительно независимых С. с., а
союз «и»—только по отношению к совместным
С. с. Следовательно, для ответа на вопрос «или»
нужны две теоремы для независимых (как несо-
вместных, так и совместных) С. с., а для ответа
на вопрос «и» — две теоремы для совместных
(как независимых, так и зависимых) С. с. Пер-
вые две теоремы называют теоремами сложе-
ния, а вторые — теоремами умножения.
Теорема гипотез (формула Байеса) дает
возможность найти изменение ВС гипотез Hh ес-
ли предположить, что событие А уже произошло:
р(н,М)= .
*=1
Р(//,ИА//7,)
Обратим внимание на справедливость ра-
венства
72
РАДИОТЕХНИКА
1.19. СЛУЧАЙНОЕ СОБЫТИЕ
= JxW(x)dx.
Центрированной С. в., соответствующей вели-
чине X, называют отклонение С. в. от ее мате-
матического ожидания:
Х=Х-т}.
Начальным моментом к-го порядка С. в. X на-
зывают математическое ожидание к-й степени
этой С. в. Начальным моментом £-го порядка
непрерывной С. в. является
тк = Л/[х* ]= Jx*lV(x)dr.
Начальный момент £-го порядка дискретной С.
в. X запишется в виде:
тк = ^,xipi-
i=\
Центральным моментом к-го порядка С. в.
X называют математическое ожидание к-й сте-
пени соответствующей центрированной С. в.:
цДх]=Л/[х2] = Л/[(Х-т1 )*].
Для непрерывной С. в.
И* = J (х - тщ У W (x)dx,
а для дискретной
Н* =£(•*>-от1 У
/=1
Для любой С. в. центральный момент пер-
вого порядка равен нулю. Второй центральный
момент называют дисперсией. Его обозначают
D(x), т.е.
Ц2 =£>(х) = Л/[х2] = о2.
Средним квадратическим отклонением С.
в. называют корень квадратный из дисперсии:
а = Л//)(х).
Следует отметить, что в радиотехнике матема-
тическое ожидание имеет значение постоян-
ной составляющей, а с.к.о. — эффективного
значения случайного напряжения. Мода С. в.
— ее наивероятнейшее значение. Медиана С.
в. — такое ее значение х0, при котором Р(Х <
х0)= Р(Х > х0) = 1/2. Для непрерывной С. в. ме-
диану находят из условия
Jw,(x)dx = Jw'(x)dx = l/2.
х0
Для описания С. в. используют и другие
числовые характеристики: коэффициент асим-
метрии, коэффициент эксцесса, кумулянты,
квантили [14]. При статистической обработке
опытов числовые характеристики называют
оценками параметров. Оценка математическо-
го ожидания
1=1
Оценка дисперсии
о’ = [ jb (х,. - mi У ] /(п -1).
1=1
Чтобы иметь представление о точности и на-
дежности оценок параметров, пользуются до-
верительными интервалами и вероятностями
[20]. Доверительный интервал — случайный
интервал, в который величина (например,
оценка параметра) попадает с заданной вероят-
ностью, называемой доверительной.
1.19. СЛУЧАЙНОЕ СОБЫТИЕ — это со-
бытие, которое во время проведения опыта (ис-
пытания, эксперимента) может произойти или
не произойти. Примеры С. с.: выпадение шес-
терки при бросании игральной кости; отказ
технического устройства во время его работы;
искажение сообщения во время передачи его
каналом связи. Каждое С. с. имеет ту или иную
степень возможности его появления. С. с. де-
лятся на достоверные U, невозможные V и слу-
чайные (А, В, С,... илиЛь Л2, Л3, • ••)• Достовер-
ное событие U — С. с., происходящее при каж-
дой реализации эксперимента. Невозможное
событие — С. с., которое не может произойти
при любой его реализации. Независимое собы-
тие — С. с., появление которого не связано с
появлением другого. Несовместное событие
— С. с., появление которого исключает возмож-
ность появления другого события, т.е. АВ = V.
Сумма (объединение) множества событий
Аъ Аъ А3, ... — такое событие Л, которое про-
исходит тогда и только тогда, когда происходит
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
71
1.20. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
£р(я(/л)=1,
1=1
следующего из того, что событие А по условию
могло произойти только вместе с одной из ги-
потез, образующих полную группу; вместе с
тем имеет место неравенство
i=l
так как событие А с гипотезами Н, не образует
полной группы.
Теорема сложения вероятностей для
группы независимых и несовместных собы-
тий (первая теорема сложения) формулиру-
ется так: вероятность наступления любого со-
бытия Aj(i = 1,2, 3,..., т) из группы несовмест-
ных событий Аь А2,...»Ah ..., Ат равна
т
Р(А] или А2, или ..., или = Ур(Д-).
z=l
т
Для полной группы событий У р(а, ) = 1.
1=1
Теорема сложения вероятностей для
группы независимых и совместных собы-
тий (вторая теорема сложения) имеет такую
формулировку: вероятность наступления по
меньшей мере одного события А, из группы не-
зависимых и совместных С. с. определяется
соотношением
P(Ai или А2, или ..., или Ат) =
т т
/=1 /=1
где q, — вероятность противоположного собы-
тия.
Теорема умножения вероятностей
для группы совместных и независимых
событий (первая теорема умножения) фор-
мулируется так: вероятность наступления
всех С.с. группы Д(1 < i < т) при условии,
что события независимы и совместны, равна
Р(А 1 и А2, и и Ат) = fJp(A,).
1=1
Теорема умножения вероятностей для
группы совместных и зависимых событий
(вторая теорема умножения) имеет такую
формулировку: вероятность наступления всех
С.с. группы равна произведению вероятности
одного из этих событий на условные вероятно-
сти других С.с., вычисленные в предположе-
нии, что предшествующие события уже совер-
шились:
Р(АъА2, ...,Ат) =
= Р(А1)Р(А2/А1)Р(А3/А1А2)... Р(Ат/А1А2 ... А^).
Формула полной вероятности определяет
вероятность события А, которое возникает как
случайное следствие одного из несовместных
событий, входящих в некоторую полную груп-
пу С.с. и называемых гипотезами Ht{i = 1,2,...,
п). Безусловная вероятность Р(А) события А
вместе с какой-либо гипотезой при извест-
ных вероятностях гипотез Р(Н^ и условных ве-
роятностях Р(А!Н^ определяется формулой
п
Р(А) = ^/’(//,)/’(а/Я/).
Z=1
1.20. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕ-
ТИЗМ. В этой статье рассматриваются основ-
ные понятия, свойства и величины, которые
касаются электричества и магнетизма. Приве-
дены единицы измерения физических величин,
используются стандартные и рекомендован-
ные термины.
Диполь магнитный — система электриче-
ских токов, которая характеризуется диполь-
ным магнитным моментом
т = ez I/S,
где I — круговой ток; S — площадь, ограни-
ченная этим током; — единичный вектор,
перпендикулярный к плоскости, в которой ле-
жит контур тока, образующий с его направле-
нием правовинтовую систему.
Граница векторной суммы всех дипольных
магнитных моментов в единичном объеме оп-
ределяет вектор намагниченности в точке, к
которой стягивается этот объем.
Диполь электрический — система двух
разноименных точечных одинаковых электри-
ческих зарядов q, расположенных на расстоя-
нии d один от другого. Характеризуется ди-
польным электрическим моментом
Р = qder,
где ё*г — единичный вектор, направленный от
отрицательного заряда к положительному.
Граница векторной суммы всех дипольных
электрических моментов в единичном объеме
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
73
1.20. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
определяет вектор поляризации в точке, к кото-
рой стягивается этот объем.
Добротность электрической цепи — без-
размерная величина, пропорциональная отно-
шению запасенной в контуре (реактивной)
энергии РРзап к потерям энергии РГПОТ за период
колебаний Т:
Q = 2тс W3J FPnoT = 2nW3an/PT = coFF3an/P,
где P — средняя за период мощность потерь;
со — круговая частота, со = 2п!Т.
В соответствии с теоремой Фостера:
1 ЭХ
4 Эсо
4 Эсо
2
где Хи В — реактивные сопротивление и про-
водимость; I и U — амплитуды гармоник тока
и напряжения.
Учитывая, что средняя за период мощность
потерь Р = I2R/2 = U2G/2, получаем
|ЭХ/Эсо| |ЭВ/Эсо|
Q = 0.5со-------- = 0.5со------L
R G
Сопротивления R (проводимости G) можно
разделить на собственные Ro (присущие собст-
венно цепи без учета внешней нагрузки) и
внешние R3 (присущие внешней нагрузке, пе-
ресчитанной в контур), при этом полное сопро-
тивление нагруженного контура
Ян = Яо + Яв.
Исходя из этого, определим добротность
собственную Qo, внешнюю QB и нагруженную
(эквивалентную) QH:
00 = 0-5(0 |ЭЛ7Эсо|//го;
Q в = 0.5со|ЭЛ7Эсо|/Яв;
£?„ = 0.5(01 ЭЛ2Эсо I /(R0+RB).
Отсюда вытекают известные выражения:
1/(?н = 1/(?о + Для LCR резонансного конту-
ра Qo = Qb = с/7?в, где р — волновое сопро-
тивление, р = (ОоЛ = 1/(сОоС.) Внешняя доброт-
ность всегда больше нагруженной и может быть
равной ей только тогда, когда электрическая
цепь не имеет собственных потерь. Нагружен-
ная добротность всегда меньше собственной.
Дифференциальная добротность — это
добротность цепи, определенная на фиксиро-
ванной частоте (не обязательно резонансной)
по изложенной ранее процедуре (содержит
операцию дифференцирования). Очень рас-
пространенным является также определение
добротности как отношение резонансной час-
тоты электрической цепи к полосе пропуска-
ния на уровне половинной мощности:
е=/о/п.
Определенную так добротность будем на-
зывать интегральной, поскольку она рассчиты-
вается с помощью интегральной величины —
полосы частот. Дифференциальная и интег-
ральная добротности равны друг другу только
в простейшем резонансном контуре. Примене-
ние интегральной добротности более инфор-
мативно при расчетах полосы рабочих частот
электронных устройств (усилителей, синхро-
низированных генераторов, однозвенных
фильтров), а дифференциальной добротности
— при анализе тонких эффектов вблизи рабо-
чей частоты (определение уровня шумов, не-
стабильности частоты генераторов, исследова-
ние формы АЧХ фильтров, усилителей).
Конструктивная добротность радиоэле-
мента — отношение модуля реактивной части
сопротивления к активной на заданной частоте
(например, для катушки индуктивности Q =
(tiL/R, для конденсатора Q = 1/(соСЯ)). Конст-
руктивную добротность цепей, составленных
из нескольких радиоэлементов, следует опре-
делять как дифференциальную добротность.
Емкость — способность проводника на-
капливать и удерживать электрические заряды
— параметр, связывающий электрические за-
ряды и потенциалы (или разности потенциа-
лов) проводящих тел (проводников). В Между-
народной системе единиц (СИ) емкость выра-
жается в фарадах (1Ф = 1Кл/1В). Емкость уе-
диненного проводника С = <?/ф, где q — заряд
проводника; ф — его потенциал. Для системы
из п изолированных друг от друга проводников
с зарядами qt и потенциалами фь связанными
между собой системой уравнений
п
4i = Cu^i+ £сл(ф,-ф*); /=1,2,3,-,п,
i*k
различают собственные С» и взаимные Cik ем-
кости, определяемые всеми проводниками сис-
темы. Система из двух проводников (обкла-
док), практически полностью защищенная от
влияния других проводников, называется элек-
трическим конденсатором. Емкость конден-
сатора — его основной параметр — определя-
ется абсолютным значением отношения заряда
конденсатора (заряда любой из его обкладок) к
разности потенциалов между ними: С = |q/<7|.
В теории цепей (см. ст. 23.4) емкостью называ-
ют идеализированный элемент электрической
74
РАДИОТЕХНИКА
1.20. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
цепи, запасающий энергию только в электри-
ческом поле, не рассеивая ее в виде тепла, т.е.
одним термином обозначают как идеальный
конденсатор, так и его параметр. Если емкость
не зависит от приложенного напряжения, то
она называется линейной; в противном случае
— нелинейной. Вольт-кулонная характеристи-
ка нелинейной емкости (зависимость заряда,
который накоплен в емкости, от напряжения
q = q(U)) нелинейна, в связи с чем различают
статическую Со = q/U и динамическую (диф-
ференциальную) С = dq/dU емкости. В общем
случае они не равны между собой и зависят от
выбора рабочей точки на характеристике q(U).
Погонная(уделъная) емкость — отнесенная к
единице длины емкость между проводниками
длинной линии (двухпроводной, коаксиаль-
ной, полосковой). Паразитная емкость —
принципиально ненужная (чаще даже вредная)
для работы устройства, но реально существую-
щая емкость, которую конструктивно нельзя
устранить полностью (например, емкость мон-
тажа, межэлектродные емкости и т.п.).
Заряд — физическая величина, которая ха-
рактеризует свойство тел вступать при опреде-
ленных условиях во взаимодействие с полем.
В природе существуют заряды двух видов, ко-
торые условно считают положительными и от-
рицательными. Первые являются источниками
поля, а вторые — его стоками. Тела, которые
имеют электрический заряд, взаимодействуют
с электрическим полем. Магнитный заряд вве-
ден подобно электрическому как источник маг-
нитного поля. Экспериментально его сущест-
вование пока не доказано. В СИ электрический
заряд выражается в кулонах [Кл]. По распреде-
лению в пространстве заряды бывают четырех
видов: точечные — если размеры заряженных
тел намного меньше, чем расстояния между
ними; линейные — распределяются вдоль бес-
конечно тонкого тела произвольной длины и
характеризуются линейной плотностью заряда
Р/[Кл/м]; поверхностные — распределяются в
бесконечно тонком слое на поверхности тела и
характеризуются поверхностной плотностью
заряда р5[Кл/м2]; объемные — распределяются
в объеме тела и характеризуются объемной
плотностью заряда рг[Кл/м3]. Электрон имеет
наименьший из известных электрический за-
ряд 1.602 10-19 Кл, который называют элемен-
тарным зарядом.
Индуктивность (коэффициент самоиндук-
ции) — количественная характеристика явле-
ния самоиндукции — параметр, связывающий
магнитные потоки с порождающими их элект-
рическими токами в проводниках. В системе
единиц СИ индуктивность выражается в генри
(1Гн = 1В6/1А). Индуктивность контура (вит-
ка) — отношение магнитного потока Ф, прони-
зывающего контур, к породившему его току i в
этом контуре: L = ФИ. Индуктивность катуш-
ки — отношение потокосцепления (суммы маг-
нитных потоков п витков катушки)
п
Ф = ^Гф* к току i в этой катушке: L = ФИ.
k=i
В теории цепей (см. ст. 23.4) индуктивностью
называют идеализированный элемент цепи, за-
пасающий энергию только в магнитном поле и
не рассеивающий ее в виде тепла, т.е. одним
термином обозначают как идеальную катушку
индуктивности, так и ее параметр. Для системы
из п пространственно разнесенных контуров
(катушек) с токами zz и суммарными магнитны-
ми потоками (потокосцеплениями) Фь связан-
ными системой уравнений
п
j*i
(/ = 1,2,3,..., п; j = 1,2,3,..., л),
различают собственные Li = и взаимные
Му = Mji индуктивности. Взаимная индуктив-
ность (коэффициент взаимоиндукции) двух ка-
тушек — отношение магнитного потока, сцеп-
ленного с одной из них, к току в другой катуш-
ке, который является источником этого потока:
Л/12 = Ф12//2 = ^21 = Ф21/Й = М. В отличие от
собственной индуктивности, которая всегда по-
ложительна, взаимная индуктивность может
быть как положительной, так и отрицательной,
что зависит от того, как направлены (в одну или
противоположные стороны) взаимные и собст-
венные магнитные потоки катушек. Индуктив-
ность, значение которой не зависит от тока, про-
ходящего в катушке, называют линейной, а в
случае ее зависимости от тока — нелинейной.
Ампер-веберная характеристика нелинейной ин-
дуктивности (зависимость магнитного потока от
тока Ф = Ф(0) нелинейна, в связи с чем различа-
ют статическую Lo = ФИ и динамическую (диф-
ференциальную) L = dФldi индуктивности. В об-
щем случае они не равны и зависят от выбора
рабочей точки на характеристике Ф(/).
Индукция магнитная — векторная вели-
чина, которая характеризует силовое влияние
магнитного поля на заряд q, движущийся со
скоростью V:
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
75
1.20. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
F = q[y х В]
В СИ магнитная индукция выражается в тес-
лах [Т]. Поток вектора сквозь поверхность 5
называют магнитным потоком'.
Ф = j Bds.
Магнитный поток выражается в веберах [Вб].
Если векторная функция однородна на поверх-
ности 5, то Ф = IВ15.
Индукция электрическая (от лат. inductio
— наведение) — векторная величина, которая
характеризует влияние среды на электрическое
поле. При внесении вещества в электрическое
поле происходит его поляризация. Векторная
сумма дипольных электрических моментов в
единице объема определяет вектор поляриза-
ции . Электрическая индукция 5 + Р, где
Ео = 10-9/(36л) Ф/м — электрическая постоян-
ная, зависит не только от напряженности эле-
ктрического поля, но и от вектора поляриза-
ции. В общем случае анизотропной среды ? =
= ХеЖ где X — тензор диэлектрической вос-
приимчивости, так что D = ЕоеЖ где е — тен-
зор относительной диэлектрической проницае-
мости. Для самых распространенных изотроп-
ных сред Й = еа£\ где £а — абсолютная диэле-
ктрическая проницаемость среды.
Индукция электромагнитная — физиче-
ское явление, состоящее в возникновении ЭДС
е в проводящем контуре при изменении маг-
нитного потока, который пронизывает поверх-
ность, ограниченную этим контуром, причем
е = -vw/Ф/Л (см. ст. 1.9, закон Фарадея), где w
— число витков контура; Ф — магнитный по-
ток. Согласно правилу Ленца ЭДС индукции
способствует появлению в контуре тока такого
направления, при котором его магнитное поле
противодействует изменению магнитного по-
тока сквозь контур. Вообще магнитный поток
пропорционален образующему его току:
Ф = LI. Коэффициент пропорциональности L
называют коэффициентом самоиндукции, или
индуктивностью контура. Если система состо-
ит из п замкнутых контуров (Рис. 1.27), то
сквозь каждый контур, кроме собственного по-
тока, проходят потоки, образованные токами,
которые действуют в остальных контурах. По-
ток Ф„ который проходит сквозь z-й контур, ли-
нейно связан с токами всех контуров:
ф,
k=\
где Lnli = Ф„ — собственный поток z-ro конту-
ра; Ьц и 4 — его индуктивность и ток; LikIk =
Ф,* — поток, который пронизывает z-й контур
и обусловлен током Ik, протекающим в к-м
контуре.
Коэффициент пропорциональности Lik на-
зывают коэффициентом взаимной индукции,
или взаимной индуктивностью. Если Lik =
то систему z- и £-го контуров называют взаим-
ной. Если Lik * L/a, то такая система является
невзаимной.
Индукция электростатическая — фи-
зическое явление перераспределения заря-
дов в системе заряженных взаимодействую-
щих тел (Рис. 1.28). Потенциал каждого тела
определяется суммой потенциалов, создан-
ных его собственным перераспределенным
зарядом и зарядами, индуцированными им в
остальных телах:
п
ф/=2}фл(’ = 1,2,3,..., 4
*=1
где ф/ — потенциал на поверхности z-ro тела;
ф/jt — потенциал z-ro тела, обусловленный за-
рядом £-го тела; ф„ — потенциал z-ro тела,
обусловленный собственным зарядом; п —
число тел.
76
РАДИОТЕХНИКА
1.20. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
Каждая составляющая потенциала пропор-
циональна соответствующему заряду: (pz* =
т.е.
п
4>i = ^alkqk(i = 1,2,3,..., п\
к=\
Коэффициенты aik называют взаимными по-
тенциальными коэффициентами, соответст-
венно а„ — собственными потенциальными
коэффициентами. Решив последнюю систему
относительно зарядов, получим другую систе-
му, которая дает возможность определять заря-
ды по известным потенциалам:
<7, = ±С1к<?к,
к=\
где Сц — коэффициенты емкости, а С,* — ко-
эффициенты электростатической индукции.
Магнитная цепь — модель замкнутой
магнитной системы. Последняя является со-
вокупностью устройств, образующих замк-
нутую цепь и содержит ферромагнитные ма-
териалы, магнитная проницаемость которых
существенно превышает магнитную прони-
цаемость окружающей среды. В таком слу-
чае можно считать, что при наличии магни-
тодвижущей силы в цепи возникает магнит-
ный поток (линии магнитной индукции замк-
нуты вдоль цепи) и преобладающая часть
энергии магнитного поля концентрируется
внутри магнитной цепи. Можно привести
много аналогий между параметрами и мето-
дами расчета электрических и магнитных це-
пей. Магнитодвижущая сила F возникает
вследствие прохождения электрического то-
ка сквозь плоскость, ограниченную конту-
ром магнитной цепи, и описывается законом
полного тока:
jiidi = '£lk =wl =F,
т.е. циркуляция вектора напряженности маг-
нитного поля вдоль замкнутого контура равна
сумме всех токов, охваченных этим контуром,
где — число витков магнитной системы
(Рис. 1.29). В Международной системе единиц
(СИ) МДС выражается в амперах [А]. Магнит-
ная индукция связана с напряженностью маг-
нитного поля через магнитную проницае-
мость:
В = РоР^-
Следовательно, если взять за контур интегри-
рования линию поля/? и считать поля од-
нородными вдоль его участков, то
F=^Hdi = ^Нк1к =^Вк1к!у^к.
Поскольку линии магнитной индукции замк-
нуты, магнитный поток сквозь замкнутую по-
верхность равен нулю:
Ф = $Bds = 0,
т.е. магнитный поток одинаков на всех уча-
стках цепи. Можно сказать, что он подобно
электрическому току отвечает первому зако-
ну Кирхгоффа. Считая поле однородным в
произвольном сечении цепи, можно запи-
сать Ф = BkSk, откуда Вк = Ф/S*, для £-го уча-
стка цепи, и, учитывая выражение для МДС,
получим
ф --____t_=
УЛ/(РоРА) ^[^тк &т
где Rm — магнитное сопротивление цепи [ 1/Г].
Это выражение называют законом Ома для
магнитной цепи. Его можно переписать иначе:
=
где Umk — магнитное напряжение, которое
действует на к-м участке магнитный цепи и
выражается в амперах.
Мощность — физическая величина, име-
ющая смысл скорости изменения (генерирова-
ния, преобразования, потребления) энергии W,
т.е. работы, совершаемой в единицу времени.
В СИ М. выражается в ваттах (1Вт = 1Дж/1с).
Как функцию времени различают: мгновенную
мощность р = p(t) = dW/dt\ среднюю мощ-
ность за время t2 - //
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
77
1.20. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
и пиковую мощность Рт — максимальное зна-
чение М. на интервале времени. Мгновенная
М. в пассивных двухполюсниках при перемен-
ных токе i = i(t) и напряжении и = u(t) равна
р = ui, а в случае идеальных элементов г, £, С
соответственно: pr = ri2 = gu2', pL = L(dildt)i\
pc = C(duldt)u. Энергетику процессов в линей-
ных цепях при условии гармонических i и и ха-
рактеризуют такие параметры: полная мощ-
ность — произведение действующих значений
тока I = VV2 и напряжения U = ит1У/1 на за-
жимах цепи, т.е. амплитуда переменной состав-
ляющей мгновенной М., которая выражается в
вольт-амперах (Ps = UI [В-А]); коэффициент
мощности — косинус разности фаз между то-
ком и напряжением на зажимах цепи (cos ф); ак-
тивная мощность — среднее за период Т = 2л/со
значение мгновенной М., ее постоянная состав-
ляющая (Р = Р5созф = СТсозф [Вт]); реактивная
мощность — максимальная скорость накопле-
ния энергии в цепи, которая выражается в вольт-
амперах реактивных (PQ = P^sincp [В Ар]); ком-
плексная мощность PS = P + jPq = Pse^= P5cos ф
+ уР^тф = UI, где ф = фм - ф„ a U = CV9",
I = — комплексное и комплексно-сопря-
женное действующие значения напряжения и
тока соответственно. Разные единицы измере-
ния (Вт, В А, В Ар) всех этих мощностей ис-
пользуются для того, чтобы избежать путаницы.
Коэффициент полезного действия — числовая
величина, характеризующая степень использо-
вания энергии в машине, устройстве, цепи — от-
ношение средней мощности, потребляемой на-
грузкой, к суммарной средней М., потребляемой
цепью (отдаваемой источником): Т| = Рн/Рист-
Намагниченность материала — см. ст.
8.9, 8.10.
Напряжение (электрическое напряжение,
падение напряжения) — разность потенциалов
Ф1 и ф2 двух точек электрического поля (двух
узлов цепи), равная отношению работы А по
переносу положительного заряда q между эти-
ми точками к значению этого заряда: U = ф7 -
ф2 = Alq. В Международной системе единиц
(СИ) Н. выражается в вольтах (1В = 1Дж/1Кл).
Хотя Н. скалярная величина, ей приписывают
определенное направление — от точки с боль-
шим потенциалом к точке с меньшим потенци-
алом, таким образом, на пассивных участках
цепи (которые не содержат источника энергии)
направления Н. и тока совпадают. Во внутрен-
ней цепи источника энергии, где носители за-
ряда передвигаются от низшего потенциала к
высшему благодаря сторонним силам (химиче-
ским реакциям, тепловым или механическим
процессам и т.п.), направления Н. и тока про-
тивоположны. Н. может быть постоянным или
переменным во времени. Н., изменяющееся во
времени по закону передаваемого сообщения
(или связанное с ним модуляцией или кодиро-
ванием), — самый распространенный вид ра-
диотехнического сигнала.
Напряженность магнитного поля — век-
торная величина, которая характеризует влия-
ние среды на магнитное поле. Под влиянием
магнитного поля среда намагничивается. Век-
торная сумма всех элементарных магнитных
моментов в единице объема определяет вектор
намагниченности вещества. При этом напря-
женность магнитного поля
Н =BlpQ-М,
где 5 — вектор магнитной индукции.
Н. м. п. выражается в амперах на метр
[А/м]. Часто приведенное выше выражение за-
писывают в виде
В = ц0(я+Л/).
Для общего случая анизотропной среды
М -хтн,
где — тензор магнитной восприимчивости
среды;
5 = ЦорД
где ц— тензор относительной магнитной про-
ницаемости среды; Цо = 4яЮ-7 Гн/м — маг-
нитная постоянная. Для наиболее распростра-
ненных изотропных сред 5 где ца — аб-
солютная магнитная проницаемость среды.
Напряженность электрического поля
— векторная величина, которая характеризу-
ет силовое влияние электрического поля на
электрический заряд. Определяется как сила,
которая действует на единичный положи-
тельный электрический заряд в электричес-
ком поле при условии, что значение заряда
стремится к нулю: Ё = lim^/^, выражается в
вольтах на метр [В/м].
78
РАДИОТЕХНИКА
1.20. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
Поле электромагнитное — все простран-
ство или его часть, в каждой точке которого су-
ществуют взаимосвязанные электрические и
магнитные поля, которые описываются фунда-
ментальной системой уравнений Максвелла
(см. ст. 28.34). В природе существует единое
ЭМП, электрические или магнитные свойства
которого проявляются в зависимости от усло-
вий эксперимента. В наиболее общем случае
ЭМП можно охарактеризовать силой, которая
действует на пробный электрический заряд q,
двигающийся со скоростью v:
F = qE + <?[v х В],
где 2 — напряженность электрического поля;
В — магнитная индукция.
Поляризация материала — см. ст. 8.14,
8.15.
Потенциал (потенциал электрического
поля, электрический потенциал) — физичес-
кая величина, равная отношению потенци-
альной энергии, которую имеет положитель-
ный заряд, размещенный в определенной точ-
ке поля, к значению этого заряда: ф = A/q. По-
тенциальная энергия заряда q в этой точке
равна работе Л, которую нужно выполнить
силам электрического поля для перемещения
заряда из данной точки в бесконечность. В
Международной системе единиц (СИ) П. вы-
ражается в вольтах (1В = 1Дж/1Кл). Таким
образом, 1В — потенциал точки электричес-
кого поля, в которой заряд в 1Кл имеет потен-
циальную энергию 1Дж.
Проницаемость — физическая величина,
которая характеризует влияние среды на ЭМП.
В общем случае анизотропной среды векторы
электрической индукции и напряженности
электрического поля связаны между собою
тензором относительной диэлектрической про-
ницаемости: 5 = Ео?/?, где тензор второго ранга
£ = 1 + /е/£0; 1 — единичный тензор, — тен-
зор электрической восприимчивости среды.
Векторы магнитной индукции и напряженнос-
ти магнитного поля связаны между собою тен-
зором относительной магнитной проницаемос-
ти: 2? - цоц/?, где тензор второго ранга Ц = Т +
Xm; X — тензор магнитной восприимчивости
среды. Тензор второго ранга — это оператор,
который устанавливает связь между двумя век-
торами (тензорами первого ранга). Скаляр —
это вектор нулевого ранга. Число компонентов
тензора в трехмерном пространстве равно Зг,
где г — ранг тензора. Таким образом, в трех-
мерном пространстве тензоры е и ц имеют по
девять компонентов:
₽ .ху £х. Ц-ГХ Hxz
£ = гуу £yz ; Ц = Пул Hyz
ezx е zy ezz Hzx Hzz
Для некоторых сред поворотом системы
координат тензоры ё и ц сводятся к диаго-
нальному виду с различными диагональными
компонентами. В случае изотропных сред ди-
агональные компоненты одинаковы, так что
где £ и ц — относительная диэлектрическая и
магнитная проницаемость соответственно. Ис-
ходя из этого,
Ь = £о£1Е = еое£ = £аЕ,
где £а— абсолютная диэлектрическая проница-
емость среды;
В = |10|11Я =ИорЯ =цЛ,
где ца — абсолютная магнитная проницае-
мость среды.
Как видно из приведенных соотношений,
абсолютные проницаемости среды Еа = £оЕ
и ца = ЦоЦ, где диэлектрическая постоянная
£о = 10 9/(36л) Ф/м и магнитная постоянная
Цо = 4я • 107 Г/м, являются диэлектрической и
магнитной проницаемостями свободного про-
странства. Для гиротропных сред (гироэлект-
рических, например плазма в магнитном поле,
или гиромагнитных, например намагниченный
феррит) тензоры ё и ц сводятся к эрмитовым
тензорам:
~Ла 0
£ 0
о ezz
Для комплексных амплитуд:
е = е'-/е" =£'(1-7^8^
U = U'-;U"=U'(l-7tg8"’)>
где tg8e — тангенс угла диэлектрических по-
терь; tg8w — тангенс угла магнитных потерь.
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
79
1.20. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
Сопротивление электрическое (импе-
данс) — способность ограничивать скорость
переноса заряда — величина, количественно
равная отношению бесконечно малого при-
ращения напряжения к соответствующему
приращению тока. Величина, обратная со-
противлению, называется проводимостью.
При постоянном напряжении и токе С. э. рав-
но отношению напряжения к току. В Между-
народной системе единиц С. э. выражается в
омах (1 Ом = 1В/1А), проводимость — в си-
менсах [См].
В общем случае С. э. зависит от амплитуды
и частоты сигнала, т.е. имеет нелинейный и
комплексный характер: Z = R + JX. В линейной
цепи (параметры которой не зависят от уровня
сигнала) С. э. количественно равно отношению
напряжения к току с учетом сдвига фаз между
ними ф = arctg(A7/?). В нелинейных цепях С. э.
определяется для каждого уровня напряжения
и тока отдельно. В параметрических цепях, т.е.
в линейных цепях, параметры которых изменя-
ются под воздействием дополнительного ис-
точника энергии, С. э. определяется для каждо-
го уровня внешнего воздействия отдельно. С.
э. при неизменном уровне напряжения и тока
называется статическим сопротивлением, в
противном случае — динамическим сопротив-
лением.
Активное сопротивление — величина, ко-
торая характеризует способность цепи к пре-
вращению собственной электромагнитной
энергии в другую форму, чаще всего — в теп-
ловую (положительное активное сопротивле-
ние), или к превращению энергии любого вида
(чаще всего — энергии питания) в электромаг-
нитную энергию цепи (отрицательное актив-
ное сопротивление). Сугубо положительное
сопротивление наблюдается при отсутствии
сдвига фаз между напряжением и током, сугу-
бо отрицательное сопротивление соответству-
ет сдвигу фаз 180°. Статическая ВАХ цепи с
положительным сопротивлением не имеет уча-
стков с отрицательной крутизной, на участках
ВАХ с отрицательной крутизной сопротивле-
ние цепи отрицательное.
Реактивное сопротивление — способность
ограничивать ток благодаря накоплению элект-
ромагнитной энергии в реактивных элементах
цепи — емкостных и индуктивных. Соответст-
вует сдвигу фаз между напряжением и током
на 90°. Если сдвиг фаз положительный (изме-
нение тока запаздывает относительно измене-
ния напряжения), то сопротивление имеет ин-
дуктивный характер, а если наоборот — емко-
стной.
Тангенс угла потерь — см. ст. 8.23.
Ток — упорядоченное движение зарядов.
В зависимости от вида подвижных зарядов Т.
бывает электрическим или магнитным. На-
правление Т. определяется направлением
движения положительных зарядов. Значение
Т., который протекает в проводнике, зависит
от числа носителей заряда, пересекающих
произвольно выбраное сечение этого провод-
ника за единицу времени. Электрический Т.
выражается в амперах [А], а магнитный — в
вольтах [В] — см. ст. 28.30. Плотность Т. —
векторная величина; характеризуется Т., ко-
торый проходит через единичную площадь,
сориентированную в определенной точке так,
что протекающий через ее поверхность Т.
максимальный. Направление вектора плотно-
сти Т. совпадает с нормалью к упомянутой
плоскости. Векторные линии поля плотности
Т. называют линиями Т. Плотность электри-
ческого Т. записывают в виде У= + JCM .
Здесь 7Пр — плотность Т. проводимости,
обусловленного движением свободных носи-
телей заряда и определяемого законом Ома в
дифференциальной форме: ХР = 8?, где S —
тензор проводимости среды. Ток утечки —
частный случай Т. проводимости, обуслов-
ленный несовершенством изоляции. Плот-
ность Т. смещения определяется следующим
образом:
; дЬ дР дЕ
'•-iTW
Первая составляющая правой части этого
уравнения является Т. поляризации, обуслов-
ленным смещением зарядов в границах моле-
кул диэлектрика под воздействием электричес-
кого поля. Вторая составляющая не связана с
движением каких-либо зарядов и характеризу-
ет изменение электрического поля, которое
обуславливает появление вихревого магнитно-
го поля. Эта величина имеет размерность плот-
ности Т. и называется плотностью Т. смещения
в вакууме. Объемный Т. проходит в объеме
проводника. Его плотность определяется плот-
ностью линий Т., которые пронизывают еди-
ничную площадь, перпендикулярную к на-
правлению Т., и выражается в [А/м2] (электри-
ческий Т.) или [В/м2] (магнитный Т.). Поверх-
ностный Т. проходит в бесконечно тонком слое
на поверхности проводника. Его плотность оп-
80
РАДИОТЕХНИКА
1.20. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
ределяется плотностью линий Т., которые пе-
ресекают единичный отрезок прямой, перпен-
дикулярный к направлению Т., и выражается в
[А/м] (электрический Т.) или [В/м] (магнитный
Т.). Линейный Т. проходит вдоль бесконечно
тонкого проводника и характеризуется силой
тока. Самая простая электрическая цепь — это
проводник с проводимостью, намного боль-
шей, чем проводимость среды, замкнутый на
источник Т. Размер сечения проводника намно-
го меньше, чем его длина. Для квазистатичес-
кого процесса (Jnp » JCM) Т. в проводнике
i = JjSs одинаковый в любом сечении цепи.
Для изотропного проводника 7 = а(Ё + 2?ст)>
где 1?ст — напряженность стороннего поля.
Интеграл от плотности Т. вдоль контура элект-
рической цепи L:
fol + орстЛ.
L L L
Для квазистатического поля
prf/=o, ^£стЛ=е,
L L
где е — ЭДС в контуре L.
Тогда
е = f J/<5dl = iJs/<3S dl = $%> = iR’
L L L
— электрическое сопротивление
L
всей электрической цепи. Таким образом, за-
писываем закон Ома для всей электрической
цепи: е = iR. Для той ее части, где стороннего
поля нет,
jjdl = ajEdl = oU.
L L
Здесь U — напряжение на участке электричес-
кой цепи длиной £, которое можно определить
как
[-л=/-Ц-л=44-='л’
J g J aS J aS
L L L
где R = —— — электрическое сопротивление
J aS
L
участка электрической цепи длиной L. Таким
образом, получаем закон Ома для участка эле-
ктрической цепи длиной L. U = Ri. Мощность
потерь в проводнике участка электрической
цепи длиной L (см. ст. 28.28)
P=\dLdV=J =/2 [А=,-2я.
J a J J пс2 J
V L S 03 L
Это уравнение является законом Джоуля—
Ленца в интегральной форме.
Электродвижущая сила — скалярная вели-
чина, характеризующая способность электриче-
ского поля вызывать и поддерживать электриче-
ский ток в замкнутой проводящей цепи. ЭДС со-
здается и поддерживается сторонними силами,
благодаря преобразованию в электрическую
энергию механической работы в электрических
машинах, химической энергии в гальванических
элементах, тепловой — в термоэлементах и т.п.
Так, контактная ЭДС—это ЭДС, возникающая
при соприкосновении двух проводников с нео-
динаковыми работами выхода электронов. ЭДС
— основной параметр источника (генератора)
электрической энергии, численно равный работе
сторонних сил по перемещению единичного по-
ложительного заряда вдоль внутренней цепи ис-
точника от зажима с меньшим потенциалом к за-
жиму с большим потенциалом, т.е. Е = A/q или
dE = dA/dq, где А — работа, q — заряд. Независи-
мо от природы сторонних сил, ЭДС численно
равна напряжению между зажимами источника
при отсутствии в нем тока (т.е. в ненагруженном
режиме). Так же, как и напряжение, ЭДС выра-
жают в вольтах. Аналогом ЭДС в магнитных це-
пях является МДС — величина, определяющая
намагничивающее действие электрического то-
ка /, который проходит по w виткам катушки, ох-
ватывающим магнитопровод (см. ст. 1.20, маг-
нитная цепь).
Элемент цепи — составная часть электри-
ческой цепи, которая не может быть разделена
на части без потери ее характерных особенно-
стей. Идеальный элемент цепи — абстрактное
представление, которое характеризуется пре-
имущественно одним параметром. Использу-
ется для упрощения, выявления существенных
связей, получения возможности использования
математического аппарата.
Энергия — общая мера различных форм
движения и взаимодействия материи, спо-
собность совершать работу. В СИ Э., так же,
как и работа, выражается в джоулях (1Дж =
1Н1м). В соответствии с законом сохране-
ния энергии общее ее количество остается
неизменным при любых преобразованиях.
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
81
1.20. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
Энергия электромагнитного поля — см. ст.
28.28. Э., необходимая для поддержания на
протяжении времени t тока i в активном со-
противлении г, определяется следующим об-
разом:
Wr = J pr dt = J ri2dt = J gu2dt = J uidt;
0 0 0 0
g = \/r\u = ri.
Э. магнитного поля в катушке индуктивности
£, по которой проходит ток z,
WL=jPldt = f Lidi = Li212,
о о
а Э. электрического поля в конденсаторе емко-
стью С при напряжении и на нем
= Jpcdt = JCudu =Cu2 /2.
о о
В этих формулах рп рь рс _ мгновенные
мощности (см. ст. 1.20, мощность). При усло-
вии действия переменных токов i = i(t) и напря-
жений и = u(f) величины WL, Wc также яв-
ляются функциями времени — мгновенными
значениями соответствующей энергии. В отли-
чие от активных сопротивлений, где электри-
ческая энергия необратимо теряется, рассеива-
ясь в виде тепла, в индуктивных и емкостных
элементах она запасается в магнитных или эле-
ктрических полях и при определенных услови-
ях (в определенное время) может возвращаться
к источнику. Поэтому индуктивность и ем-
кость называют энергоемкими элементами це-
пей. Энергия сигнала, спектральная плотность
Э. — см. ст. 19.12.
1.21. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕ-
СТИМОСТЬ РЭС — способность нескольких
РЭС одновременно функционировать с задан-
ным качеством в условиях действия непредна-
меренных помех от соседних средств, не со-
здавая недопустимых помех другим РЭС. Про-
блема ЭМС возникает в связи со значительным
увеличением числа РЭС, которые одновремен-
но работают в близких диапазонах радиоволн
и сосредоточены в ограниченном пространстве
(например, на подвижных объектах — кораб-
лях, самолетах, ракетах). Проблема ЭМС обо-
стряется, если РПдУ имеют сторонние излуче-
ния, а РПрУ — побочные каналы приема. ЭМС
обеспечивают на разных уровнях РЭС: элемен-
тов, узлов, устройств, комплексов и систем. На
уровне элементов, узлов и устройств она до-
стигается путем уменьшения помех от отдель-
ных источников и защиты аппаратуры от
внешних полей. На уровне комплексов и сис-
тем могут дополнительно использоваться орга-
низационные способы, которые регламентиру-
ют работу отдельных РЭС. Международными
соглашениями, достигнутыми на конференци-
ях МККР (Международного консультативного
комитета радиосвязи), установлены соответст-
вующие требования к РЭС, в частности требо-
вания по стабильности излучений РПдУ и чув-
ствительности РПрУ на неосновных каналах
приема. Нормы ЭМС устанавливаются также
региональными и национальными службами
электросвязи [18].
1.22. ЭЛЕМЕНТЫ ВЕКТОРНОГО АНА-
ЛИЗА.
Векторные тождества — производные вто-
рого порядка, которые зачастую применяют при
решении прикладных задач. Пусть U = U(r) —
функция скалярного поля, а V = Т?(г) — функ-
ция векторного поля. Тогда
div(grad U) = (V • V • U) = V2t/ = Д{/;
rot(grad t/) = [VxVt7] = 0;
div(rot V) = (V[V x V]) = 0;
rot(rot V) = grad(div V 0) - AV,
где A = V2 — оператор Лапласа.
Градиент скалярного поля — вектор,
направление которого совпадает с направле-
нием самого быстрого возрастания функции
в каждой точке этого поля, а модуль равен
модулю производной функции по этому
направлению (Рис. 1.30). Обозначается как
gradU = еп = V/7, где U =u(r) — функ-
дп
ция скалярного поля; п — направление самого
быстрого возрастания U(f)\ ё*п — единичный
вектор, направленный вдоль л; V — оператор
Гамильтона.
Дивергенция векторного поля — скаляр-
ная функция координат, которая характеризует
распределение источников и стоков векторного
поля. Дивергенцией вектора в точке р на-
зывают предел отношения потока вектора
сквозь замкнутую поверхность 5, окружаю-
щую точку р, к объему V тела, ограниченного
этой поверхностью, при условии, что поверх-
82
РАДИОТЕХНИКА
1.22. ЭЛЕМЕНТЫ ВЕКТОРНОГО АНАЛИЗА
ность любым образом стягивается к точке р
(Рис. 1.31):
div V( р) = lim(| Vds / v). Можно доказать,
V—>0 *
что divK(p) = (V • Т^); при этом опера-
тор Гамильтона вычисляется в точке р.
Например, для декартовых координат
\ dVy dv2
divV(p) = —- + —— +—производные вы-
dx ду dz
вычисляются в точке р. Если divF^p) > 0, то в
точке р есть источник, мощность (энергетичес-
кая емкость) которого равна Idiv Щр) I. Если
divJtp) < 0, то в точке р есть сток, мощность
которого равна Idiv V(p) I. Если div У(р) = 0, то в
точке р нет ни источников, ни стоков. Вектор-
ное поле во всех точках которого divP*= 0,
называют соленоидальным.
Оператор Гамильтона — векторный сим-
волический дифференциальный оператор пер-
вого порядка, обозначается V (читай «набла»).
В декартовой системе координат
- d - d - д -
V = ^~e*+T~ey +
dx dy dz
тде (*х, ^у, — единичные векторы вдоль соот-
ветствующих осей.
В цилиндрической системе координат
- d - 1 Э - d -
V=—ег+-—е +—е2
dr г Эф dz
а в сферической
d - 13. 1 d ~
v~drer+ 7 эе е& + ТТйГв Эф
Произведение оператора Гамильтона и век-
торной (или скалярной) функции дает первую
пространственную производную. Функция,
которая подлежит дифференцированию,
должна записываться по правую сторону опе-
ратора.
Оператор Лапласа — скалярный симво-
лический дифференциальный оператор второ-
го порядка. Определяется как скалярное произ-
ведение двух операторов Гамильтона:
Д = 72 = (^.^)_
В декартовой системе координат
д' д'
дх2 ду2 dz2
Поле векторное — область пространства,
каждая точка которого характеризуется опре-
деленным значением вектора. Поскольку лю-
бая точка пространства однозначно задается
радиусом-вектором ~Й, векторное поле опреде-
ляется вектор-функцией Векторное поле
графически можно характеризовать векторны-
ми линиями. Векторная линия — это кривая,
касательная к которой в каждой точке совпада-
ет с направлением вектора поля в этой точке.
Плотность векторных линий пропорциональна
модулю вектора поля (см. Рис. 1.31).
Поле скалярное — область пространст-
ва, каждая точка которого характеризуется
определенным значением скаляра. Поскольку
любая точка пространства однозначно зада-
ется радиусом-вектором ~Й, для определения
скалярного поля задают скалярную функцию
(7(?). Точки поля, где эта функция имеет оди-
наковые значения, образуют поверхность
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
83
1.22. ЭЛЕМЕНТЫ ВЕКТОРНОГО АНАЛИЗА
одинакового уровня, или изоповерхность:
и(~й) = const = С. Придавая константе С раз-
личные значения, определяем семейство по-
верхностей, которые характеризуют скаляр-
ное поле (см. Рис. 1.30).
Поле физическое — все пространство или
его часть, где происходит определенное физи-
ческое явление. Все физические поля делятся
на скалярные и векторные.
Потенциал векторный — вектор-функция
АС?), ротор которой определяет векторное поле
в каждой точке ( Р*= rot Л) приусловии, что
поле Р(~Й) соленоидальное, т.е. div V- 0.
Потенциал скалярный — скалярная
функция С/(У), градиент которой характеризует
векторное поле к(~Й) в каждой точке 1^= -gradС/
приусловии, что поле потенциальное, т.е.
rot К = 0 на односвязной области. Односвяз-
ность области означает, что произвольный кон-
тур в ней можно стянуть в точку. Видно, что
потенциал определяется неоднозначно, по-
скольку gradt/ = grad((7 + Q, где С — констан-
та, зависящая от координат. Знак «минус» по-
казывает, что векторные линии поля на-
правлены в сторону самого быстрого убывания
потенциала.
Поток вектора сквозь поверхность — по-
верхностный интеграл скалярного произведе-
ния
J Vds = J |v||ds| cos а,
s s
где P* = — векторная функция; s — по-
верхность интегрирования; dt — элемент по-
верхности, направление которого совпадает с
внешней нормалью к поверхности, а модуль
равен численному значению площади ds, т.е.
dt = rtods.
Поток вектора — скалярная величина, ко-
торая характеризуется числом векторных ли-
ний, пронизывающих поверхность.
Ротор векторного поля — вектор, кото-
рый характеризует степень завихренности
векторного поля. Направление вектора rot Р*в
точке р совпадает с направлением положи-
тельной нормали к плоскости элементарного
контура у, сориентированного в точке р так,
что циркуляция векторного поля по нему
самая большая, причем направление положи-
тельной нормали 7t0 и направление обхода
контура у образуют правовинтовую систему.
Модуль вектора rot И в точке р равен отнесен-
ной к единице площади циркуляции вектор-
ного поля по бесконечно малом контуру
у, который охватывает точку р и так сориенти-
рован в ней, что циркуляция по нему самая
большая:
rotK(p)=lim (|га/5)ел0.
5—>0 J
Т
Проекция ротора на произвольное направле-
ние ~й, что проходит через точку р, определяет-
ся аналогично относительно бесконечно мало-
го контура, который охватывает точку р и пер-
пендикулярен направлению И. Вихревая ли-
ния векторного поля — такая линия, каса-
тельная к которой в каждой точке совпадает с
вектором rot И , который проходит через эту
точку. Доказано, что rotF* = (\? X В декар-
товых координатах ротор поля вектора и име-
ет вид
Г dv dV
rotv=#-^
dz dx J У Эх dy f2'
Теорема Остроградского—Гаусса — тео-
рема векторного анализа, которая связывает
между собой интегрирование по замкнутой по-
верхности с интегрированием по объему, огра-
ниченному этой поверхностью. Формулирует-
ся теорема так: поток вектора V через замкну-
тую поверхность 5 равен интегралу div V , взя-
тому по объему V, ограниченному этой поверх-
ностью, т.е.
§Vds = J divV dv.
S V
Теорема Стокса — теорема векторного
анализа, связывающая между собой интегри-
рование вдоль замкнутого контура с интегри-
рованием по поверхности, которая опирается
на этот контур. Формулировка теоремы: цирку-
ляция вектора Г*по замкнутому контуру равна
потоку rot И сквозь поверхность, которая опи-
рается на этот контур, т.е.
$Vdl = jrotVds.
L s
Уравнение Лапласа — линейное одно-
родное дифференциальное уравнение второ-
го порядка в частных производных AH' = 0,
где А = V2 — оператор Лапласа; 4х — ска-
лярная или векторная функция координат.
Уравнение решается с учетом соответствую-
щих граничных условий. Векторные поля,
84
РАДИОТЕХНИКА
1.22. ЭЛЕМЕНТЫ ВЕКТОРНОГО АНАЛИЗА
которые одновременно являются соленои-
дальными и потенциальными, называют ла-
пласовыми. Функции, которые удовлетворя-
ют уравнению Лапласа, называют гармони-
ческими.
Уравнение Пуассона — линейное неодно-
родное дифференциальное уравнение второго
порядка в частных производных вида А'Р = 0,
где А = V2 — оператор Лапласа; ¥,0 — скаляр-
ные или векторные функции координат. Урав-
нение Пуассона с соответствующими гранич-
ными условиями широко применяют для опре-
деления функции поля по распределению его
источников (например, Рис. 132):
v2{/=-£-
е0
или
V2A = -|i0J => А = — [—dv.
Формулы Грина, как и теорема Остро-
градского—Гаусса, связывают между собой
интегрирование по замкнутой поверхности с
интегрированием по объему, ограниченному
этой поверхностью. Если V = <рTty, где ф и Ф
— скалярные функции, то
div V = di v(<pW) = V<pVT + фАТ.
Применив теорему Остроградского—Гаусса,
получим формулу Грина:
= J (УфУЧ* + <pAT)Jv.
S V
Переставив ф и будем иметь
= J (VcpVy+q>AT)Jv.
S V
Вычитая последнее уравнение из предыдуще-
го, получим формулу Грина:
^(ф7Т - TVq>) ds = J (фАЧ* - Ч'Аф) dv.
S V
Циркуляция вектора вдоль контура —
криволинейный интеграл векторной функции
вдоль замкнутого контура, расположенного на
плоскости. Циркуляция векторного поля
по контуру L (Рис. 1.33) записывается как
^Vdl и является скалярной величиной.
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
85
ГЛАВА 1
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. — М.: Радио и связь, 1986. — 512 с.
2. Регламент радиосвязи. Т. 2. — М.: Радио и связь, 1986. — 824 с.
3. Крушевский А.В. Теория игр. — К.: Высш, шк., 1977. — 216 с.
4. Батищев Д.И. Методы оптимального проектирования. — М.: Радио и связь, 1984. — 248 с.
5. Степанюк В.В. Методи автоматичного проектування. — К.: Вища шк., 1977. — 272 с.
6. Химельблау Д. Прикладное линейное программирование. — М.: Мир, 1975. — 428 с.
7. Васильев Ф.П. Численные методы решения экстремальных задач. — М.: Наука, 1980. — 520 с.
8. Моисеев Н.Н., Иванилов Ю.П., Столярова Е.Н. Методы оптимизации. — М.: Наука, 1978. —
352 с.
9. Конторович М.И. Операционное исчисление и процессы в электрических цепях. — М.:
Сов. радио, 1975. — 320 с.
10. Зиновьев А.Л., Филиппов Л.И. Введение в теорию сигналов и цепей. — М.: Высш, шк.,
1975. —261 с.
11. Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции / Под ред. Л.И. Седова — М.: Наука, 1968. —
344 с.
12. Денисенко А.Н., Стеценко О.А. Теоретическая радиотехника. Ч. 1. — М.: Изд-во стандартов,
1993. —214 с.
13. Практическое пособие по учебному конструированию РЭА / Под ред. К.Б. Круковского-
Синевича, Ю.Л. Мазора. — К.: Высш, шк., 1992. — 494 с.
14. Горяйнов В.Т., Журавлев А.Г., Тихонов В.И. Статистическая радиотехника: Примеры и
задачи / Под ред. В.И. Тихонова. — М.: Сов. радио, 1980. — 544 с.
15. Заездный А.М. Основы расчетов по статистической радиотехнике. — М.: Связь, 1969. — 447 с.
16. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники / Под ред. Б.Х. Кривицкого. Т. 2. —
М.: Наука, 1977.—472 с.
17. Воллернер Н.Ф. Радиоприемные устройства. — К.: Высш, шк., 1993. — 391 с.
18. Гуткин Л.С. Проектирование радиосистем и радиоустройств. — М.: Радио и связь, 1986. — 288 с.
19. Гуткин Л.С. Современная радиоэлектроника и ее проблемы. — М.: Сов. радио, 1980. — 192 с.
20. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. — М.: Наука, 1964. — 576 с.
21. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. — М.: Наука, 1964. — 872 с.
86
РАДИОТЕХНИКА
ГЛАВА 2
АНТЕННЫ
• Антенны — это звезды и
черные дыры эфира.
• Антенна — это концентратор энергии
электромагнитного поля
в пространстве и времени.
• Антенна является неотъемлемой частью
любой радиотехнической системы.
• Первая передача электромагнитных
колебаний на расстояние 32 км
между двумя антеннами, поднятыми
при помощи воздушных змеев
на высоту около 200 м,
была осуществлена
М. Лумисом (США, 1866 г.).
Антенны — радиотехнические устройства,
превращающие энергию связанных электро-
магнитных колебаний (замкнутых в электриче-
ских цепях) в энергию свободных электромаг-
нитных колебаний (излученных в пространст-
во) и наоборот. Излучение в свободное прост-
ранство обусловлено неэкранированными ко-
лебаниями напряженности электрического и
связанного с ним магнитного полей, создан-
ных колебаниями электрических зарядов. При
поглощении (приеме) электромагнитных волн
процессы имеют обратный характер.
Любое нарушение регулярности неэкрани-
рованной электрической цепи относительно
внешнего пространства (изгиб, изменение се-
чения, разрыв и др.) приводит к излучению
(поглощению) электромагнитных волн, но
практически ощутимый характер излучение
приобретает только тогда, когда геометричес-
кие размеры нерегулярности становятся сопо-
ставимыми с длиной волны.
Все разнообразие излучающих систем сво-
дится к двум типам нарушения регулярности:
электрически непрозрачный участок на про-
зрачном фоне и электрически прозрачный уча-
сток на непрозрачном фоне. Простейший
представитель излучателей первого типа —
это отрезок провода ( штырь, электрический
вибратор), а излучателей второго типа — раз-
рыв в металлической пленке (щель, магнит-
ный вибратор). Названия вибраторов «элект-
рический» и «магнитный» обусловлены струк-
турами электрического поля штыря и магнит-
ного поля щели. Непрерывная совокупность
электрических вибраторов образует непро-
зрачную для электромагнитных волн площад-
ку, а непрерывная совокупность магнитных
вибраторов — прозрачное для электромагнит-
ных волн отверстие. Прозрачное отверстие на
фоне непрозрачной площадки — это электро-
магнитная рамка. Штырь, щель, площадка, от-
Глава 2. АНТЕННЫ
87
ГЛАВА 2
верстие, рамка составляют ряд простейших из-
лучателей. Более сложные антенные системы
можно рассматривать как пространственные
комбинации простейших излучателей.
Очень информативным в инженерной
практике является понятие эффективной по-
верхности антенны (ЭПА) — плоской поверх-
ности пространства, с которой антенна способ-
на собирать (или направлять) поток электро-
магнитной энергии. Максимум эффективных
поверхностей простейших излучателей, при-
ближенных по одному из размеров к половине
длины волны X (приближенных к первому ре-
зонансу в пространстве), определяется выра-
жением [1]:
S^~0.5(k/2)2.
С ЭПА тесно связан коэффициент направ-
ленного действия антенны £нд — число, кото-
рое показывает, во сколько раз создаваемая в
заданном направлении мощность поля больше
той, которая была бы при сферическом равно-
мерном распределении [2]:
*н.д = 4тс5Эф/Х2.
Зависимость относительной напряженнос-
ти создаваемого поля от направления в прост-
ранстве (величина, пропорциональная )
называется амплитудной диаграммой направ-
ленности. Далее под КНД антенны будем по-
нимать КНД в направлении максимальной на-
правленности, а под ДН — амплитудную ДН.
Из изложенного следует, что КНД полувол-
новых по максимальным размерам простей-
ших излучателей составляет приблизительно
я/2. Введение дополнительного элемента —
рефлектора, который отражает энергию только
в нужном направлении, позволяет удвоить на-
правленность антенны. Примером естествен-
ной простейшей излучающей системы с ре-
флектором является открытый конец волново-
да, где роль рефлектора играет сам волновод, а
роль излучателя — поверхность разрыва. Уве-
личение числа излучателей в антенне приводит
к росту КНД, конечно, при соблюдении необ-
ходимых фазовых и поляризационных соотно-
шений. Все антенны с несколькими излучате-
лями можно рассматривать как антенные ре-
шетки. Естественной становится такая класси-
фикация антенн по их структуре: одноэлемент-
ные, одноэлементные с рефлектором, продоль-
ные решетки, поперечные решетки, продоль-
но-поперечные решетки. Излучатели действу-
ют относительно независимо только тогда, ког-
да они разнесены в пространстве на расстоя-
ние, большее половины длины волны. Исходя
из этого, можно считать, что эффективная зона
и зона независимого действия простейшего из-
лучателя — это кубик с ребром Х/2. Эффектив-
ная зона линейной антенной решетки не
превышает £/(Х/2) таких кубиков, поверхност-
ной — 5/(Х/2)2, а объемной — К/(Х/2)3 кубиков,
где Д S, V — геометрическая длина, площадь и
объем антенной решетки, соответственно, при
максимально возможной плотности упаковки
независимых излучателей.
Максимально достижимое значение КНД
любой антенны определяется объемом эффек-
тивной зоны и составляет около лК/(Х/2)3 для
объемных, nS/QJ2)2 для поверхностных,
nL/(k/2) для линейных антенных решеток, тс для
одноэлементных антенн с рефлектором, тс/2 для
таких же антенн, но без рефлектора. В послед-
нем случае цифра 2 показывает, что при отсут-
ствии рефлектора распространение волн проис-
ходит в две противоположные полусферы.
Практически достигнутые в оптимально
изготовленных антеннах КНД совпадают с оп-
ределенными выше. Превысить установлен-
ные границы можно только благодаря замедле-
нию волн или заполнению активной зоны ан-
тенн материалами с повышенной диэлектриче-
ской или магнитной проницаемостью, при
этом повысится плотность электромагнитного
поля и уменьшится длина волны. К сожале-
нию, такие материалы на радиочастотах имеют
ощутимое сопротивление потерь, что приво-
дит к уменьшению КПД, коэффициента усиле-
ния, максимально возможной мощности излу-
чения, шумовой температуры антенн.
Как уже указывалось, по структуре антен-
ны разделяются на одноэлементные, одноэле-
ментные с рефлектором и антенные решетки
(два и больше простейших излучателей). Уве-
личение числа элементов структуры позволяет
улучшить электрические параметры антенн, но
усложняет их конструкцию. Тип и название ан-
тенны определяются основным элементом
структуры (вибратор, щель, рамка, рупор, лин-
за, зеркало и т.п.). Диапазон волн, в котором
применение антенны целесообразно (Рис. 2.1),
обусловлен, главным образом, конструкторско-
технологическими (габаритные размеры, мас-
са, наличие необходимых материалов и
средств производства) и эксплуатационными
(стационарные, бортовые, портативные изде-
лия) требованиями. Необходимая форма ДН
зависит от класса радиосистемы, в которой ан-
88
РАДИОТЕХНИКА
2.2. АКТИВНЫЕ АНТЕННЫ
КНД = л/2 КНД = л КНД = л1/(Х/2) КНД - nS/(A/2)2 КНД = nV/(X/2)3
Рис. 2.1
тенна используется (системы радиовещания,
радиосвязи, радиолокации, радиопротиводей-
ствия и т.п.). Значение КНД антенн зависит от
объема активной зоны (см. ранее) и практичес-
ки может достигать нескольких десятков, со-
тен и тысяч для продольных, поперечных и
объемных антенных решеток, соответственно.
Большие антенные решетки (особенно зер-
кальные антенны) на частотах сантиметрового
и миллиметрового диапазонов позволяют по-
лучить КНД в десятки и сотни тысяч. Наилуч-
шие (более 0.95) значения КПД имеют антен-
ны с гладкими, сугубо металлическими глав-
ными излучателями (вибраторные, рупорные,
зеркальные). В других антеннах КПД несколь-
ко меньше вследствие существенной нерегу-
лярности и несовершенства формы поверхнос-
ти, а также качества элементов или из-за до-
полнительных потерь в объеме диэлектричес-
ких и магнитных материалов. По полосе рабо-
чих частот, исключая специальные широкопо-
лосные антенны, наилучшими являются ра-
мочные, спиральные, рупорные, линзовые и
зеркальные антенны благодаря отсутствию в
них ярко выраженных резонансных эффектов.
Наихудшие диапазонные свойства имеют ан-
тенные решетки из резонансных излучающих
элементов (вибраторные и щелевые).
Спиральные, а также другие центрально-
симметричные в плоскости, перпендикуляр-
ной к направлению распространения волн, ан-
тенны хорошо адаптированы к приему сигна-
лов как с линейной, так и с круговой поляриза-
цией, что может быть важным в отдельных
специальных применениях (космическая
связь, связь в сложных условиях распростране-
ния волн).
Следует также отметить, что оптимально
спроектированная спиральная антенна — это,
по существу, поперечная решетка из двух про-
дольных решеток, поэтому ее КНД может до-
стигать 2я£/(Х/2). Гофрированная рупорная ан-
тенна — это конструктивное сочетание сугубо
рупорной (поперечной решетки) и нескольких
импедансных (продольных решеток) антенн, по-
этому гофрированные рупоры отнесены к клас-
су объемных (продольно-поперечных) решеток.
Изучение материала главы рекомендуется в
порядке изложения статей.
2.1. АДАПТИВНЫЕ АНТЕННЫ (от лат.
adapto — приспосабливать) — антенны, в кото-
рых предусмотрено согласованное с условия-
ми распространения сигналов и помех измене-
ние параметров и характеристик (главным об-
разом ДН) с целью достижения максимальной
эффективности работы в составе систем про-
странственно-временной обработки сигналов
(см. ст. 17.3). А. а., как правило, создаются на
основе антенных решеток.
2.2. АКТИВНЫЕ АНТЕННЫ (от лат.
actio — действие) — сочетание собственно ан-
тенны и усилителя (преобразователя) сигнала.
А. а. приемная с малошумящим усилителем
применяется тогда, когда реальная чувстви-
Глава 2. АНТЕННЫ
89
2.2. АКТИВНЫЕ АНТЕННЫ
тельность приемника недостаточна для качест-
венного приема или когда между антенной и
приемником включен дополнительный канал
связи с существенными потерями энергии (на-
пример, длинный фидер). А. а. передающая с
мощным, управляемым по амплитуде или фа-
зе, усилителем (генератором) применяется в
сложных радиотехнических системах адаптив-
ного типа.
2.3. АНТЕННЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ —
общее название класса антенн, основным
принципом действия которых является после-
довательная (вдоль направления приема-пере-
дачи) концентрация потока энергии. Физичес-
кие процессы в А. б. в. подобны процессам, ко-
торые наблюдаются в замедляющих системах
(см. ст. 11.5). Примерами А. б. в. являются ан-
тенны типа «волновой канал», диэлектричес-
кие, спиральные и импедансные антенны.
2.4. АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ — долж-
ным образом расположенные в пространстве
совокупности излучателей электромагнитных
волн, предназначенные для улучшения одного
или нескольких параметров приема-передачи
(коэффициента усиления, коэффициента на-
правленного действия, полосы рабочих час-
тот). Фазированные антенные решетки (ФАР)
— антенные решетки, в которых предусмотре-
на возможность независимого сдвига фаз пита-
ния отдельных излучателей с целью управле-
ния формой и параметрами ДН.
Различают пассивные (без дополнитель-
ных источников энергии) и активные фазиро-
ванью антенные решетки. Фидерное питание
отдельных излучателей может осуществляться
по последовательной, параллельной и комби-
нированной схемам. Преимуществом парал-
лельной схемы является идентичность требо-
ваний к параметрам цепей питания отдельных
элементов.
ФАР позволяют: осуществлять перемеще-
ние ДН в широком секторе; изменять форму
ДН регулированием амплитуды и фазы пита-
ния элементов; синфазно суммировать мощ-
ность излучения отдельных частей решетки,
компенсируя неточность их изготовления;
полнее добывать нужную информацию бла-
годаря применению сложных алгоритмов об-
работки сигналов от отдельных элементов;
повысить надежность антенной системы, по-
скольку отказ части элементов решетки толь-
ко частично ухудшает параметры всей систе-
мы (см. ст. 17.3).
Реализация нужных фазовых распределе-
ний возбуждения в плоском раскрыве осуще-
ствляется путем разбиения раскрыва на боль-
шое число отдельных излучателей с независи-
мым управлением фазой возбуждения каждого
из них. Важным вопросом при создании ФАР
является выбор способа расположения элемен-
тов в раскрыве. Наиболее распространено раз-
мещение элементов в узлах прямоугольной,
треугольной и гексагональной сеток.
Для прямоугольной сетки требование от-
сутствия побочного главного максимума при
отклонении луча на угол 0тах от нормали к
раскрыву выполняется при следующих огра-
ничениях на шаги сетки dx, dy при числе излу-
чателей N -э
dx < А/(1 + SinOx max)» dy < А/( 1 + sinOy max)»
где max и Oy max — максимальные углы скани-
рования в плоскостях zOx и zOy.
Общее число элементов ФАР с треуголь-
ной сеткой может быть снижено на 13% по от-
ношению к числу элементов ФАР с квадратной
сеткой. Увеличенные размеры элемента в треу-
гольной сетке облегчают размещение фазовра-
щателей вблизи излучателей ФАР.
Возможен более простой способ умень-
шения числа независимо фазируемых элемен-
тов — объединение нескольких простых излу-
чателей в синфазные группы, управляемые од-
ним фазовращателем. Каждая синфазная груп-
па имеет более узкую ДН по сравнению с ДН
одиночного излучателя, и это позволяет сни-
зить уровень побочных главных максимумов.
Практически полное подавление побочных
главных максимумов плоской ФАР возможно
при нерегулярном размещении в раскрыве от-
носительно небольшого числа слабонаправ-
ленных излучателей, во много раз меньшего
числа элементов в плоских ФАР с регулярной
структурой. Выбор нерегулярного расположе-
ния элементов в плоском раскрыве чаще всего
осуществляется с помощью какой-либо слу-
чайной процедуры. Среди плоских нерегуляр-
ных случайных решеток с одинаковым числом
элементов подавляющее большинство имеют
ДН, близкие к среднему уровню, т.е. антенны с
очень плохими и очень хорошими ДН встреча-
ются крайне редко.
Нерегулярные решетки имеют низкий ко-
эффициент использования поверхности
(КИП) несмотря на то, что форма главного ле-
пестка ДН точно соответствует форме главно-
го лепестка непрерывного раскрыва. Сниже-
90
РАДИОТЕХНИКА
2.6. ВИБРАТОР
ние КИП обусловлено относительным
увеличением мощности бокового излучения.
Из-за малых значений КИП решетки с боль-
шим разрежением редко используются в ра-
диолокации и преимущественно применяются
в радиоастрономии, где важна прежде всего
разрешающая способность, а недостаточное
значение КНД может быть компенсировано
увеличением времени наблюдения источника.
2.5. АПЕРТУРНЫЕ АНТЕННЫ ( от лат.
aperio — отворять, раскрывать ) — общее на-
звание класса антенн, основным принципом
действия которых является параллельная (в
плоскости, перпендикулярной к направлению
приема-передачи) концентрация потока энер-
гии. Примерами таких антенн являются рупор-
ные, зеркальные и линзовые антенны.
2.6. ВИБРАТОР (от лат. vibro — приводить
в движение, трясти, качать) — излучатель (со-
биратель) электромагнитной энергии, выпол-
ненный в виде отрезка провода, длина которо-
го соизмерима с длиной волны. В более широ-
ком смысле — это излучатель электрического
или магнитного типа (штырь, щель).
Распределение тока и заряда вдоль тонкого
В. при различных его длине и положении точ-
ки питания приблизительно синусное. Симме-
тричный относительно точки питания В. имеет
симметричное распределение заряда Q и тока /
(левая часть Рис. 2.2). Остальные В. — прин-
ципиально несимметричные (правая часть
Рис. 2.2). Особенностью полуволнового не-
симметричного В. является независимость
распределения тока и заряда от размещения
точки питания.
ДН полуволнового В. имеет форму, близ-
кую к тороиду, и в плоскости расположения из-
лучателя приблизительно описывается выра-
жением
R = [cos(n//X)cosO - cos(n//X)]/sinO,
ще / — длина В.; X — длина волны; 6 — угол
относительно оси.
В перпендикулярной плоскости ДН В. име-
ет форму окружности. ДН В. различной длины
изображены на Рис. 2.3. Зависимости сопро-
тивления излучения R„ (активной части вход-
ного сопротивления, без учета сопротивления
собственных потерь) и коэффициента направ-
ленного действия от длины В. показаны на
Рис. 2.4, а и б соответственно. Полуволновой
В. в направлении максимального излучения
имеет КНД кнд = 1.64. Наличие экранов суще-
ственно меняет характеристики направленнос-
Лява 2. АНТЕННЫ
91
2.6. ВИБРАТОР
ти В. — от полного подавления потока в задан-
ном направлении до удвоения интенсивности.
2.7. ВИБРАТОРНЫЕ АНТЕННЫ — это
антенны, базовым элементом которых является
вибратор. Распространение получили полувол-
новые симметричные одновибраторные антен-
ны благодаря отсутствию боковых лепестков
ДН и простоте конструкции. Простейшей яв-
ляется полуволновая вибраторная антенна с
питанием еа от симметричной двухпроводной
линии (Рис. 2.5, л), но при этом возникает
проблема согласования входного сопротивле-
ния антенны (активная часть — приблизитель-
но 75 Ом) с волновым сопротивлением стан-
дартных симметричных двухпроводных линий
питания (200...300 Ом). Проблема согласова-
ния решена в В. а. с шунтовым питанием
(Рис. 2.5, б), где путем разноса точек подклю-
чения линии (шунтом является отрезок вибра-
тора /ш между точками подключения) удается
согласовать сопротивления, а благодаря сим-
метрии питания антенну можно закреплять в
средней точке а вибратора без дополнительно-
го изолятора. В. а. Пистолъкорса (петлевой ви-
братор, вибратор Пистолъкорса) показана на
Рис. 2.5, в. Благодаря удвоению создаваемой
двумя вибраторами напряженности поля ан-
тенна имеет вчетверо большее, чем у симмет-
ричного вибратора, входное сопротивление и
поэтому хорошо согласуется со стандартными
двухпроводными симметричными фидерами.
Шунтовые В. а. (Рис. 2.5, г, д) благодаря нали-
чию дополнительных элементов (шунтов /ш)
позволяют осуществить согласование сопро-
тивлений в расширенной полосе частот. Сим-
метричные В. а. с питанием от несимметрич-
ных коаксиальных кабелей нуждаются в при-
менении специальных симметрирующих уст-
ройств, иначе нарушается симметрия распре-
делений заряда и тока вдоль вибратора, что от-
ражается на направленности антенны. При не-
обходимости ненаправленной передачи, на-
пример в радиовещании, применяют верти-
кальные четвертьволновые несимметричные
В. а. Роль второй половины антенны играет
земля (благодаря рефлекторному действию ко-
торой вдвое уменьшается входное сопротивле-
ние антенны) или специально установленные
рефлекторные диск (Рис. 2.5, е), крест (Рис.
2.5, ж), стакан (Рис. 2.5, з). Несимметричные
В. а. хорошо согласуются с несимметричными
фидерами типа коаксиальных кабелей. КПД В.
а. приближается к 1, а полоса рабочих частот
не превышает 10... 15%.
Способом расширения ПП является умень-
шение волнового сопротивления излучателей,
что требует увеличения их погонной емкости и
уменьшения индуктивности. Конструктивно
это достигается применением раздвоенных
(Рис. 2.6, л), конических (Рис. 2.6, б), плоско-
стных (Рис. 2.6, в) и сеточных (Рис. 2.6, г) ви-
браторов. В. а. в виде двух проволочных ци-
92
РАДИОТЕХНИКА
2.7. ВИБРАТОРНЫЕ АНТЕННЫ
линдров (Рис. 2.6, *)) по имени ее автора полу-
чила название диполя Надененко. Коэффици-
ент направленного действия одновибраторных
антенн приближается к тс/2. Способами повы-
шения КНД является применение рефлектора
и увеличение числа вибраторов. Простейшая
двухвибраторная антенна изображена на Рис.
2.7, а. КНД ее сравнительно с одновибратор-
ной больше в два раза, а входное сопротивле-
ние почти вдвое меньше. Антенна требует пе-
рекрестного питания вибраторов, поскольку
вследствие их отдаленности на Х/2 фаза тока
питания меняется на 180°. Интересной разно-
видностью двухвибраторной антенны является
двойной ромб (Рис. 2.7, б) — система, состоя-
щая из двух ромбично-петлевых вибраторов,
включенных параллельно. Такая антенна име-
ет удвоенный КНД (л), а ее входное сопротив-
ление вдвое меньше входного сопротивления
петлевого вибратора, т.е. она лучше согласует-
ся с низкоомными радиокабелями. Разновид-
ностью вибраторных является гармониковая
антенна — вибратор, длина которого составля-
ет две (или больше) целые полуволны колеба-
ний. Ее название происходит от «пространст-
венных гармоник» электромагнитного поля
(см. ст. 28.8). ДН гармониковых антенн изобра-
жены на Рис. 2.3 (две последние ДН).
Ромбическая В. а. (Рис. 2.8) благодаря согла-
сованному действию волн, бегущих вдоль четы-
рех длинных вибраторов, объединенных в виде
ромба над земной поверхностью с активной со-
гласованной нагрузкой RH в дальнем углу, имеет
расширенную до октавы ПП и КНД до
100... 150, т.е. это остронаправленная широко-
полосная антенна. КПД ее небольшой, посколь-
ку нагрузочное сопротивление существенно по-
вышает потери энергии; поэтому антенна при-
меняется главным образом как приемная.
Плоскостная вертикальная решетка из не-
скольких активных вибраторов — синфазная
антенна (Рис. 2.9, а) обеспечивает высокий
КНД (пропорционально числу вибраторов), но
имеет узкую полосу рабочих частот вследствие
параллельного соединения большого числа ре-
зонансных излучателей.
Наиболее распространенной среди много-
вибраторных антенн является директорная ан-
тенна (Рис. 2.9, б) (другие ее названия: волно-
вой канал, антенна Уда-Яги) — продольная ре-
шетка из нескольких симметричных околопо-
луволновых вибраторов. Передние (укорочен-
ные) и один задний (удлиненный) вибраторы
Глава 2. АНТЕННЫ
93
2.7. ВИБРАТОРНЫЕ АНТЕННЫ
называются директорами и рефлектором и вы-
полняют соответствующие функции; актив-
ным излучателем, как правило, является петле-
вой вибратор. Удлинение рефлектора и укора-
чивание директоров необходимы для лучшего
фазового согласования и расширения полосы
рабочих частот. Применение петлевого актив-
ного вибратора (с повышенным входным со-
противлением) предоставляет возможность ча-
стично компенсировать снижение входного со-
противления под влиянием директоров и ре-
флектора. Директорные антенны обеспечива-
ют высокий кн д > 5Z/X (до нескольких десят-
ков), конструкции их просты, они не нуждают-
ся в дополнительных изоляторах в местах за-
крепления элементов благодаря симметрии то-
ков отдельных вибраторов и среди других мно-
гоэлементных антенн имеют, пожалуй, наи-
меньшую материалоемкость.
2.8. ДИРЕКТОР (от лат. dingo — направ-
лять) — вибраторный элемент линейной ан-
тенной решетки — пассивный (не подсоеди-
ненный непосредственно к цепи питания) пе-
реизлучатель электромагнитной энергии, уста-
навливаемый перед активным вибратором.
2.9. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ —
разновидность антенн бегущей волны, в кото-
рых концентрация потока электромагнитной
энергии осуществляется благодаря замедле-
нию волн материалом с повышенной диэлект-
рической проницаемостью. Конструкции Д. а.
показаны на Рис. 2.10. Питание диэлектричес-
кого стержня (отсюда второе название диэлек-
трической антенны — стержневая) осуществ-
ляется непосредственно от волновода (Рис.
2.10, а) или от коаксиального фидера (Рис.
2.10, б) при помощи коаксиально-волноводно-
го перехода. Коэффициент направленного дей-
ствия оптимально изготовленной антенны до-
стигает (7.. .8)£/Х, диапазонные свойства опре-
деляются, главным образом, полосой рабочих
частот волновода (немного меньше октавы), а
КПД существенно зависит от качества диэлек-
трика, потери энергии в котором растут с по-
вышением частоты.
2.10. ЗЕРКАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ — раз-
новидность апертурных антенн (поперечных
антенных решеток), базовым элементом кото-
рых является электромагнитное зеркало — ус-
тройство, которое пересекает поток электро-
магнитной энергии, отражает и концентрирует
его. Первичное излучение (окончательный
сбор) потока осуществляется с помощью ан-
Рис. 2.12
тенных облучателей, расположенных в фокусе
зеркала. Наиболее распространенными явля-
ются зеркала с параболической формой по-
верхности, которая лучше всего преобразует
сферический фронт волн облучателя в плоский
фронт направленных волн и наоборот.
В зависимости от требуемой поляризации
применяют зеркала в виде параболоидов вра-
щения, параболических цилиндров, сегмент-
ных параболоидов (Рис. 2.11, а, б, в соответст-
венно). В качестве облучателей зеркал исполь-
зуют вибраторы (штыревые и щелевые), от-
крытые концы волноводов, рупоры.
Двухзеркальные системы позволяют значи-
тельно уменьшить продольные размеры антенн.
Самыми удачными оказались такие конструк-
ции: двухзеркалъная антенна Кассегрена (Рис.
2.12, а), где облучение большого зеркала осуще-
ствляется при помощи промежуточного отража-
теля (выпуклого гиперболоида); двухзеркальная
антенна Грегори (Рис. 2.12, б) с эллиптическим
вогнутым промежуточным зеркалом и располо-
жением облучателя в отдаленном фокусе эллип-
са; квазипараболическая двухзеркальная антенна
94
РАДИОТЕХНИКА
2.12. ЛИНЗОВЫЕ АНТЕННЫ
(типа антенны Грегори), где форма зеркал не-
сколько отличается от параболы и эллипса, что
способствует дальнейшему выравниванию
фронта волн и повышению КНД антенны.
Для уменьшения затенения волн облучате-
лями и вспомогательными зеркалами применя-
ют несимметричные 3. а., в которых облуча-
тель и другие элементы конструктивно выне-
сены за границы поля лучей главного зеркала
(Рис. 2.13, а).
Параметры сферических 3. а. (Рис. 2.13, б)
при расположении облучателя в точке
RJ2 (R — радиус сферы) ненамного хуже пара-
метров параболических, а технология изготов-
ления зеркал намного проще. Существуют так-
же антенны с зеркалами специальной формы,
которые создают специфические ДН, напри-
мер косекансные для самолетных радиолокато-
ров. Цилиндрический рефлектор специальной
формы создает косекансную ДН в вертикаль-
ной плоскости, а сегментно-параболический
облучатель — узкую ДН в вертикальной плос-
кости. К зеркальным относятся также периско-
пические антенны (Рис. 2.13, в) — системы
зеркал, которые направляют волны от первич-
ного излучателя к последнему зеркалу по ус-
ложненной прямолинейно-ломаной траекто-
рии (например, от земли к верхушке антенной
мачты, а дальше — горизонтально).
3. а. являются самыми совершенными из
всех антенн по совокупности основных элект-
рических параметров. КНД наилучших пара-
болических антенн достигает 60 дБ, а КПД
приближается к 1.
2.11. ИМПЕДАНСНЫЕ АНТЕННЫ (от
термина «импедансная поверхность», т.е. по-
верхность с комплексным сопротивлением),
или антенны поверхностных волн — разновид-
ность антенн бегущей волны, в которых кон-
центрация потока электромагнитной энергии
осуществляется благодаря использованию за-
медляющих систем (ЗС) поверхностного типа.
Наиболее распространенной является рупор-
ная И. а. (Рис. 2.14, а). Рупор можно заменить
линейной решеткой полуволновых излучате-
лей и таким способом уменьшить габаритные
размеры антенны в вертикальной плоскости.
Коэффициент направленного действия опти-
мально спроектированной И. а. достигает
(7...8)£/Я, а диапазонность определяется глав-
ным образом полосой рабочих частот ЗС. Раз-
новидностью И. а. является металлическая
дискостержневая антенна (Рис. 2.14, б).
2.12. ЛИНЗОВЫЕ АНТЕННЫ — разно-
видность апертурных антенн (поперечных ан-
тенных решеток), в которых концентрация по-
тока электромагнитной энергии осуществля-
ется фокусированием перехваченной части
потока при помощи электромагнитной линзы.
Как элементы первичного излучения (сбора)
энергии используются антенные облучатели.
Для превращения сферического фронта волн
облучателя в плоский фронт направленных
волн выпуклая поверхность замедляющей
линзы должна быть гиперболической, а во-
гнутая поверхность ускоряющей — эллипти-
ческой. Разновидности электромагнитных
линз: диэлектрическая (Рис. 2.15, а), искус-
ственно-диэлектрическая (Рис. 2.15, 0), ме-
таллопластинчатая ускоряющая (Рис. 2.15,
в), зонированная — послойно-срезанная с ша-
гом Х/4 (Рис. 2.15, г).
Искусственный диэлектрик изготавливает-
ся внесением мелких (с размерами, во много
раз меньшими X) изолированных металличес-
ких вкраплений во вспененный диэлектричес-
кий материал (чаще всего полистирол). Диэле-
ктрические и искусственно-диэлектрические
линзы уменьшают фазовую скорость волн, и
поэтому их делают выпуклыми с гиперболиче-
ской поверхностью.
Металлопластинчатые линзы — это решет-
ки из металлических пластинчатых волново-
дов, которые повышают фазовую скорость
Глава 2. АНТЕННЫ
95
2.12. ЛИНЗОВЫЕ АНТЕННЫ
волн. Рабочую поверхность таких линз делают
эллиптически вогнутой.
Л. а. из неоднородного диэлектрика со сфери-
ческой симметрией и облучателем, располо-
женным на поверхности сферы, называется
линзой Люнеберга (Рис. 2.15, д). Показатель
преломления вдоль радиуса R сферы меняется
по закону.
П = 72-(Я/Ятах)2
При этом сферический фронт волн облучателя
превращается на противоположной стороне
сферы в плоский. Перемещением облучателя
по поверхности линзы можно изменять на-
правление излучения (приема) без изменения
формы ДН, т.е. осуществлять сканирование
пространства. Цилиндрические линзы Люне-
берга обеспечивают такое сканирование толь-
ко в одной плоскости.
Коэффициент направленного действия Л.
а. определяется площадью сечения линзы,
точнее, ее эффективной поверхностью и мо-
жет достигать достаточно больших значе-
ний, сравнимых с КНД зеркальных антенн
такой же площади. Полоса рабочих частот
ограничена качеством согласования с линией
питания и вообще достаточно широкая —
около октавы. Зонирование линз применяет-
ся для уменьшения их массогабаритных по-
казателей. Недостаток зонированных линз —
уменьшенная полоса рабочих частот
(20...30%) вследствие резонансных явлений
между неоднородностями. КПД Л. а. суще-
ственно зависит от потерь в материале лин-
зы, особенно при применении искусствен-
ных диэлектриков.
2.13. МАГНИТНЫЕ АНТЕННЫ — раз-
новидность рамочных антенн, в которых кон-
центрация потока электромагнитной энергии
осуществляется благодаря повышенной маг-
нитной проницаемости активной зоны (Рис.
2.16, а). Эффективность концентрации поля
пропорциональна площади и числу витков, а
также эффективной относительной магнитной
проницаемости активной зоны. КПД М. а. не-
большой, поскольку сопротивление потерь по-
вышено из-за сложения сопротивлений боль-
шого числа витков и дополнительных потерь в
объеме ферромагнетика. М. а. применяют как
внутренние антенны радиоприемников с AM
(ДВ, СВ, КВ). На более высоких частотах М. а.
не имеют преимуществ, так как геометричес-
кие размеры других, более эффективных ан-
тенн становятся практически приемлемыми.
ДН М. а. типична для рамочных антенн (Рис.
2.16, б).
2.14. МИКРОПОЛОСКОВЫЕ АНТЕН-
НЫ — это антенны, построенные на основе
отрезков микрополосковых линий передачи.
По принципу действия излучателей они явля-
ются разновидностью щелевых антенн. Такое
утверждение вытекает из того, что структура
электромагнитного поля вблизи краев микро-
полосковых линий подобна структуре поля в
щелях.
Прямоугольная (с отклонением от квадра-
та, Рис. 2.17, а), эллиптическая (Рис. 2.17, б),
косощелевая (Рис. 2.17, в), дисковая (Рис. 2.17,
г), кольцевая (Рис. 2.17, д) и спиральная (Рис.
2.17, е) М. а. обеспечивают работу с круговой
поляризацией волн. Спиральная антенна к то-
му же имеет расширенную полосу рабочих ча-
стот. Микрополосковые антенные решетки мо-
гут иметь самую разнообразную конфигура-
цию: симметрично-вибраторную (Рис. 2.17,
ж), П-вибраторную (Рис. 2.17, з), Z-вибра-
торную (Рис. 2.17, и), директорную (Рис. 2.17,
к), логопериодическую (Рис. 2.17, л).
96
РАДИОТЕХНИКА
2.17. РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
Преимущества М. а. — технологическая
простота и хорошие массогабаритные показа-
тели в диапазоне СВЧ.
2.15. ОБЛУЧАТЕЛЬ АНТЕННЫ — лю-
бая излучающая структура, применяемая для
облучения главной активной зоны передающей
антенны или для сбора потока энергии от актив-
ной зоны приемной антенны. В качестве О. а.
чаще всего используют простейший излучатель
с рефлектором (вибратор, щель, открытый вол-
новод) или компактную антенну бегущей волны
(рупорную, диэлектрическую, спиральную).
2.16. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИС-
ТИКИ АНТЕНН.
ДН и КНД — см. начало главы.
Действующая высота, действующая дли-
на, эффективная поверхность — высота, дли-
на, поверхность геометрически подобной ан-
тенны с воображаемым равномерным распре-
делением напряженности электрического по-
ля. Практически всегда действующие размеры
меньше геометрических, исключение состав-
ляет эффективная поверхность простейших
излучателей (штыря, щели) и антенн с объем-
ным уплотнением волн (диэлектрических,
магнитных).
Коэффициент использования поверхно-
сти — параметр апертурных антенн, который
характеризует степень приближения к идеаль-
ному (полному, без потерь) превращению
энергии первичного излучателя в энергию по-
лезного излучения и наоборот (потери возни-
кают из-за затенения части поверхности конст-
руктивными элементами антенн, нежелатель-
ной утечки энергии за границы активной зоны
и др.).
КПД антенны — отношение мощности из-
лучения к мощности питания (для передаю-
щих антенн) или мощности на выходе антенны
к мощности перехваченной антенной части по-
тока электромагнитных волн (для приемных).
Значения КПД в режимах передачи и приема
одинаковы, если не проявляются дополнитель-
ные эффекты (например, вследствие нагрева
энергией питания).
Коэффициент усиления антенны GA
(очень информативный параметр, но несколько
некорректное название, поскольку антенна не
добавляет мощности) — произведение КНД и
КПД, т.е. параметр, который комплексно ха-
рактеризует способность антенны концентри-
ровать поток электромагнитной энергии в оп-
ределенном направлении и с минимальными
потерями преобразовывать форму энергии из
свободной в связанную.
Множитель направленности — число, ко-
торое показывает, во сколько раз КНД антен-
ной решетки больше такого же коэффициента
ее единичного излучателя.
Коэффициент стоячей волны — фактичес-
ки параметр не самой антенны, а ее согласова-
ния с линией питания (определение КСВ дано
в теории длинных линий — см. ст. 32.5). Ос-
тальные параметры антенн имеют обычный
или очень специфический характер и ограни-
ченное использование.
2.17. РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ — это ан-
тенны, основным элементом которых является
рамка произвольной формы (Рис. 2.18, а—в),
одно- или многовитковая. ДН — тороид, как у
электрических и магнитных вибраторов. На-
правление максимальной направленности ле-
жит в плоскости рамок, минимальное излуче-
ние — вдоль перпендикуляра к центру рамок.
Коэффициент направленного действия Р. а. со-
ставляет приблизительно я/2.
Антенну можно считать рамочной только
тогда, когда максимальный размер Z в плоско-
сти рамки значительно меньше Х/2. Если раз-
меры рамки приближаются к А/2, то она пре-
вращается в петлевой вибратор, максимум из-
лучения которого лежит на перпендикуляре к
центру плоскости петли, т.е. сдвинут относи-
тельно плоскости рамок на 90°. Учитывая не-
обходимость ограничения размеров рамок,
приходим к выводу, что эффективная поверх-
ность такой одновитковой антенны незначи-
тельна. Способом повышения эффективности
Р. а. является увеличение числа витков. Рамка с
Глава 2 АНТЕННЫ
97
4-2959
2.17. РАМОЧНЫЕ АНТЕННЫ
вибраторным рефлектором (Рис. 2.18, г) имеет
кардиоидную ДН (Рис. 2.18, д). Такая диаграм-
ма очень удобна для пеленгации благодаря од-
нозначному определению направления на ра-
диопередатчик в минимуме ДН.
Магнитная антенна — это, по существу,
также Р. а., эффективность которой повышена
благодаря увеличению числа витков и приме-
нению сердечника ср.» 1.
Гониометрическая антенна — система из
двух неподвижных рамок, расположенных вза-
имно перпендикулярно, с раздельным питани-
ем каждой рамки от гониометра — устройства,
которое позволяет регулировать относительный
сдвиг фаз токов в рамках. Г. а. является про-
стейшим примером адаптивной фазированной
антенной решетки, которая реализует немеха-
ническое пространственное перемещение ДН.
Вследствие малых размеров Р. а. имеют не-
большое сопротивление излучения, что приво-
дит к снижению КПД, особенно при увеличе-
нии числа витков. Поэтому применяются Р. а.
только как приемные. Диапазонные свойства Р.
а. лучше, чем вибраторных (полоса рабочих
частот достигает октавы), благодаря нерезо-
нансному характеру приема.
2.18. РЕФЛЕКТОР (от лат. reflecto — от-
ражать) — элемент антенной системы, пред-
назначенный для отражения излучаемых волн
в заданном направлении. Это неотъемлемый
элемент направленных антенных решеток, рас-
положенный позади активных (соединенных с
цепями питания) излучателей. Наилучшим Р.
является сплошная металлическая поверх-
ность, несколько худшие параметры имеют Р. в
виде металлической сетки с непрозрачными
для волн (намного меньшими длины волны)
ячейками. Конструктивно простейший Р. —
электрический вибратор, расположенный за
активным излучателем. Зеркальная система в
виде прямого телесного угла называется угол-
ковым отражателем и обладает свойством от-
ражать волны в направлении, обратном к на-
правлению их прихода.
2.19. РУПОРНЫЕ АНТЕННЫ — класси-
ческий пример апертурных антенн, т.е. антенн,
принцип действия которых заключается в па-
раллельной (в плоскости, перпендикулярной
направлению распространения волн) концент-
рации потока энергии и направлении его в ли-
нию передачи. Эффективность концентрации
пропорциональна площади раскрыва рупора. В
зависимости от типа линии передачи (прямо-
угольный или круглый волновод) различают:
секторные (Н-плоскостной — Рис. 2.19, а; Е-
плоскостной — Рис. 2.19, 0), пирамидальный
(ЕН-плоскостной — Рис. 2.19, в) и конический
(Рис. 2.19, г) рупоры с прямолинейными обра-
зующими. Коэффициент направленного дейст-
вия оптимально изготовленных рупоров состав-
ляет около (6...7)5/Х2, где 5 — площадь раскры-
ва рупора. Полоса рабочих частот соответствует
полосе волновода, КПД приближается к 1.
Улучшенные характеристики диапазоннос-
ти и уровня боковых лепестков ДН имеют Р. а.
со ступенчатыми, криволинейными (в частнос-
98
РАДИОТЕХНИКА
2.21. СПИРАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ
ти, экспоненциальными) и гребенчатыми обра-
зующими. Подбором ступенек и формы кривой
образующей диапазон рабочих частот таких Р. а.
может быть расширен почти вдвое, а простран-
ственная ДН приближена к осесимметричной.
Рупоры применяют как самостоятельные
антенны и как облучатели зеркальных, линзо-
вых и импедансных антенн. В целях дополни-
тельной концентрации потока электромагнит-
ной энергии (благодаря замедлению скорости
потока) и улучшения поляризационных пара-
метров применяют гофрированные рупоры
(Рис. 2.19, <)), в которых гофрированная внут-
ренняя поверхность играет роль замедляющих
систем. Гофрированные Р. а. имеют несколько
повышенный КНД; их можно отнести к классу
антенн промежуточных между сугубо попе-
речными и объемными решетками, поскольку
концентрация поля происходит как вдоль, так и
поперек направления распространения волн.
Конструктивное сочетание пирамидально-
го рупора и цилиндрически-параболического
зеркала (Рис. 2.19, е) образует рупорно-парабо-
лическую антенну, у которой мал уровень бо-
ковых и задних лепестков ДН, и поэтому она
широко применяется в радиорелейных линиях
связи. Р. а. с линзовой корректировкой фронта
волны в раскрыве (диэлектрической, металло-
пластинчатой линзами) имеют повышенный
коэффициент усиления.
2.20. СЛАБОНАПРАВЛЕННЫЕ АН-
ТЕННЫ — общее название антенн с равно-
мерной в заданной плоскости или заданном
пространстве ДН. С. а. в горизонтальной плос-
кости являются вертикальные вибратор и
щель, горизонтальная рамка. Другие разновид-
ности С. а. конструируют специально. Таковы:
турникетная антенна (Рис. 2.20, а) — гори-
зонтальный крест из электрических вибрато-
ров со сдвигом фаз питания на 90°; панельная
антенна (Рис. 2.20, б) — кольцевая решетка
вибраторов с расположенным в центре кольца
рефлектором.
По своей природе слабонаправленной в гори-
зонтальной плоскости является дискоконусная
антенна (Рис. 2.20, в), образованная располо-
женным над вершиной металлического конуса
металлическим диском и установленным вдоль
оси симметрии штыревым излучателем. Диско-
конусная антенна — это, по сути, неоднородный
открытый радиальный резонатор с зондовым
возбуждением в центре. Дискоконусная антенна
имеет полосу рабочих частот больше октавы.
С. а. широко применяют как передающие в
радиовещании и телевидении.
2.21. СПИРАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ — раз-
новидность антенн бегущей волны, у которых
концентрация потока электромагнитной энер-
гии осуществляется с помощью спиральной
замедляющей системы. Если диаметр d спира-
ли намного меньше Х/л (Рис. 2.21, а), то ДН
антенны такая же, как у вибратора, а если на-
много больше, то ДН становится раздвоенной
относительно оси спирали (Рис. 2.21, б). Одно-
направленная узкая ДН соответствует отноше-
нию d = Х/л (Рис. 2.21, в), т.е. виток спирали в
этом случае состоит из двух полуколец длиной
Х/2. Поэтому спираль можно рассматривать
как синфазное включение двух директорных
линейных решеток, что и предопределяет уд-
воение КНД. Конструктивно различают: ци-
линдрически-спиральную (Рис. 2.21, г), кониче-
ски-спиралъную с ближним питанием (Рис.
2.21, а) и конически-спиралъную с дальним пи-
танием (Рис. 2.21, е) антенны. Полоса рабочих
частот С. а. — от полутора- до трехкратного
/лава 2. АНТЕННЫ
99
2.21. СПИРАЛЬНЫЕ АНТЕННЫ
перекрытия в приведенной на Рис. 2.21, г—е
последовательности. КНД С. а. составляет
около 15Z/X, КПД приближен к 1.
2.22. ШИРОКОПОЛОСНЫЕ АНТЕН-
НЫ — общее название антенн с рабочей поло-
сой частот намного больше октавы. К Ш. а.
можно отнести ромбическую вибраторную (см.
Рис. 2.8), конически-спиралъные (см. Рис. 2.21,
<), е), спирально-щелевую (см. Рис. 2.23, г) ан-
тенны. Наилучшие диапазонные свойства име-
ют логопериодические антенны, т.е. антенны с
дискретным изменением резонансных частот
активных излучателей по логарифмическому
закону: плоская вибраторная (Рис. 2.22, а), про-
странственная вибраторная (Рис. 2.22, б) и пло-
ская щелевая (Рис. 2.22, в). Условия возбужде-
ния и взаимное влияние вибраторов (щелей) та-
ковы, что в любой тройке более длинный излу-
чатель ведет себя как рефлектор, более корот-
кий — как директор, а средний — как излуча-
тель. Полоса рабочих частот логопериодичес-
ких антенн достигает декады.
2.23. ЩЕЛЕВЫЕ АНТЕННЫ — это ан-
тенны на основе щелей в металлических по-
верхностях. Структура электромагнитного по-
ля, создаваемого щелью, подобна структуре
поля электрического вибратора, но с измене-
нием плоскости поляризации на 90°, а распре-
деление напряженности электрического поля
вдоль щели такое же, как и распределение на-
пряженности магнитного поля электрического
вибратора. Именно поэтому щель называют
магнитным вибратором. Из принципа дуаль-
ности электрического и магнитного вибрато-
ров следуют одинаковые характеристики их
направленности, т.е. максимальный КНД оди-
ночного магнитного полуволнового вибратора
равен 1.64, а при наличии рефлектора — 3.2.
Одноэлементные антенны на основе магнит-
ного вибратора практически не применяют во
избежание лишнего расхода материалов по
сравнению с электрическими вибраторами.
Совсем другое — это построение антенных
решеток на основе систем щелей в волново-
дах, которые как будто специально созданы
природой для этой цели: у них уже есть есте-
ственный рефлектор в виде противоположной
стенки волновода. Разновидности волноводно-
щелевых антенн показаны на Рис. 2.23, где
изображены два типа резонансных волновод-
но-щелевых решеток (Рис. 2.23, а, б) и нерезо-
нансная решетка (Рис. 2.23, в), образованная
косыми щелями в узкой стенке волновода.
Уменьшение неравномерности АЧХ послед-
ней конструктивно обусловлено поочередным
сближением противоположных концов сосед-
них щелей и наличием согласованной актив-
ной нагрузки в конце волновода. Щелевые
спиральные антенны (Рис. 2.23, г) имеют сла-
бую зависимость параметров от частоты и ис-
пользуются как широкополосные слабона-
правленные антенны СВЧ.
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны. Ч. 2. Антенны. — М.: Сов. радио,
1969. —328 с.
2. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. — М.: Высш, шк., 1988. — 432 с.
3. Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. — М.: Радио и связь, 1986. — 144 с.
100
РАДИОТЕХНИКА
=====^^ ГЛАВА 3
ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
• Ветер буйный, буйный ветер,
С морем говоришь ты...
Тарас Шевченко
• Подводный мир — это мир безмолвия,
но лишь для тех, кто не умеет слушать.
Для тех, кто умеет, — это шумы моря, голоса
рыб, сигналы гидролокации, навигации, звуко-
подводной связи. И все это — гидроакустика.
• Идея подводного обнаружения
и пеленгации была впервые предложена
Леонардо да Винчи в 1490 г.: один конец
длинной трубки заглубляли в воду, а другой,
заполненный воздухом, прикладывали к уху.
• Первый активный гидролокатор
создан в 1916 г. К. Шкловским (Россия)
и П. Ланжевеном (Франция).
• Эхо-сигнал от цели на расстоянии 200 м был
получен с помощью конденсаторного
излучателя и капсюльного
угольного микрофона.
• Параметры биолокатора дельфина,
не знающего уравнений гидроакустики,
на несколько порядков выше, чем у гидроло-
катора, созданного человеком.
Гидроакустика — раздел акустики, исследую-
щий излучение, прием, генерирование и рас-
пространение акустических волн в водном про-
странстве. Имеет общие методы с аэроакусти-
кой (см. гл. 27), но отличается от нее физически-
ми свойствами среды: большими значениями
плотности (на три порядка), скорости распрост-
ранения и длин волн (примерно в пять раз), аку-
стических сопротивлений (в тысячи раз), диапа-
зона частот (до трех порядков), а также массога-
баритными показателями электроакустических
антенн и систем. Гидроакустические (ГА) сред-
ства выполняют две основные операции: гидро-
локацию (ГЛ) и шумопеленгация (ШП).
Гидролокация (от лат. loco — размещаю) —
обнаружение плавсредств, определение их ко-
ординат и параметров движения по эхо-сигна-
лам (активная локация). Шумопеленгация (пас-
сивная локация) — обнаружение и определе-
ние координат плавсредств по их шумам; у ме-
тодов ШП точность пеленгации и оценки даль-
ности до объекта значительно меньше, чем у
активной ГЛ. Средствами гидроакустики осу-
ществляют также связь (обмен сообщениями
на ГА сигналах) и ГА разведку — сбор, регист-
рацию, классификацию ГА сигналов для на-
хождения их источника и определения его
свойств.
Перечислим основные понятия гидроакус-
тики. ГА сигналы — это упругие акустические
волны, распространяющиеся от источника воз-
буждения — ГА антенны (см. ст. 3.1).
Гидроакустическими помехами приему сиг-
нала являются: шумы моря (см. ст. 3.18), кораб-
ля; гидродинамические шумы обтекаемой и бук-
сируемой антенн; шумы кавитации винтов дви-
гателя (см. ст. 3.6); реверберация (см. ст. 3.14).
Гидроакустические условия — это физико-
химические свойства среды конкретного вод-
ного пространства (акватории) — см. ст. 3.7,
3.12,3.14.
Глава 3. ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
101
ГЛАВА 3
Подводный объект — это плавсредство, ко-
торое частично или полностью заглублено в во-
ду. Объект может рассеивать акустические вол-
ны во всех направлениях, в том числе отражать
волны (только в обратном направлении), излу-
чать акустические сигналы или быть источни-
ком гидродинамических помех или шумов ме-
ханизмов при движении. Примеры: подводная
лодка (ПЛ), надводный корабль (НК), гидро-
акустическая мина, подводная скала, дно, по-
верхность океана, облученная снизу). Гидро-
акустическая характеристика цели — совокуп-
ность параметров плавсредства как источника
гидроакустического сигнала: шумового, излу-
ченного, рассеянного или отраженного объек-
том с его силой цели (см. ст. 3.15). Количест-
венную оценку взаимодействия гидроакустиче-
ских объектов, помех и среды выполняют с по-
мощью уравнений гидролокации (см. ст. 3.3).
Классификация гидроакустических
средств. По своему назначению различают ги-
дроакустические средства кораблевождения,
подводного наблюдения, контроля и анализа
акустических полей судов и параметров гидро-
акустической аппаратуры, связи между не-
сколькими объектами, средства телеметрии и
телеуправления, средства обеспечения океано-
графических (гидрографических) исследова-
ний, морской геологии, рыболовства и про-
мысла морских животных.
По месту установки гидроакустические
средства могут быть судовыми, с антеннами,
размещенными на корпусе судна; авиационны-
ми; стационарными; позиционными, установ-
ленными на якорях; дрейфующими; носимыми
водолазами или акванавтами.
Принципы получения информации в ги-
дроакустических станциях и комплексах.
По способу определения местоположения под-
водных объектов гидроакустические комплек-
сы выполняют как однопозиционными (для оп-
ределения координат используют единствен-
ную антенну), так и многопозиционными —
несколько антенн разносят на расстояния, пре-
вышающие пространственный интервал кор-
реляции сигнала, при этом происходит совме-
стная обработка сигналов для всей группы ан-
тенн, входящих в систему. Комплексы, распо-
ложенные на судах, в основном однопозицион-
ные. Для них применяют следующие методы
определения координат.
Импульсный метод определения дальнос-
ти основан на измерении времени запаздыва-
ния г3 эхо-сигнала относительно момента
окончания излучения зондирующего импульса
Г3 = 2г/с, где г — дистанция до цели, с — ско-
рость звука в воде. Тогда г = ct3/2 и при изве-
стном значении с измерение дистанции сво-
дится к измерению значения Г3. Ошибка в из-
мерении дальности возникает вследствие ис-
кажения формы импульса при его распростра-
нении в водной среде, а также из-за флуктуа-
ций амплитуды сигнала и разницы между фак-
тической и учитываемой скоростями звука.
Частотный метод определения дальности
основан на непрерывном излучении и приеме
ЧМ колебаний пилообразной формы. Период
модуляции Т должен превышать период обзора
Тобз = 2rmax/c. За это время частота излучения
изменяется от минимального значения f\ до
максимального/2 на величину A/'rnax =fz ~f\- В
каждый момент времени, при неизменной
дальности до цели, частоты излучаемого и
принятого после отражения сигналов отлича-
ются на величину Afr = ^т^г/гтлх. Тогда иско-
мая дистанция до цели Пре-
имущества частотного метода: непрерывное
поступление информации о дистанции до цели
и ее изменениях, осреднение сигналов за зна-
чительный промежуток времени и существен-
ное уменьшение влияния реверберационных
(см. ст. 3.14) помех. Недостатки: ограничение
дальности из-за затухания ВЧ составляющих
широкополосного сигнала, ошибки доплеров-
ского смещения частоты от движущихся целей.
Амплитудный метод определения угловых
координат основан на получении максималь-
ного напряжения на выходе приемного тракта
при совпадении положения оси ДН антенны с
направлением на цель. Максимальная ошибка
пеленгации этим методом довольно велика и
составляет половину ширины ДН на уровне
0.707 по напряжению.
Фазовый метод определения угловых коор-
динат основан на сравнении фаз колебаний,
поступающих на две симметричные части при-
емной антенны. При совпадении оси ДН ан-
тенны с направлением на цель разность фаз
этих колебаний равна нулю, а при отклонении
оси на выходе возникает напряжение рассогла-
сования, амплитуда которого пропорциональна
углу отклонения, а знак соответствует стороне
отклонения. Точность пеленгации выше, чем у
амплитудного метода, однако требуется слож-
ная в реализации высокая идентичность ФЧХ
обоих каналов приемного тракта. Этот метод
применяют для автоматического сопровожде-
ния цели.
102
РАДИОТЕХНИКА
3.1. ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА
Корреляционный метод определения угло-
вых координат основан на выявлении корреля-
ции сигналов, снимаемых с двух или более ча-
стей приемной антенны. Если помехи статис-
тически независимы, а в пространстве имеется
упорядоченный источник регулярного шумо-
вого сигнала, то напряжение на выходе много-
канального приемного тракта будет пропорци-
онально корреляционной функции этого сигна-
ла, а она достигнет максимума при совпадении
акустической оси антенны с направлением на
цель. Метод позволяет выделять очень слабые
сигналы на фоне сильных, но некоррелирован-
ных помех. Ошибки пеленгования обусловле-
ны влиянием возможных статистических свя-
зей помех.
Стационарные комплексы обычно много-
позиционные. В них применяют три метода
определения координат.
Триангуляционный многопозиционный ме-
тод определения местоположения целей осно-
ван на пеленговании объекта из трех и более
точек пространства.
Разностно-дальномерный многопозицион-
ный метод определения местоположения це-
лей заключается в измерении разницы момен-
тов прихода сигнала на разнесенные в прост-
ранстве гидроакустические приемники.
Многопозиционный метод компенсации
волнового фронта основан на измерении кри-
визны фронта волны с использованием прием-
ников, образующих линейную базу с большим
волновым размером — апертурой (см. ст. 3.1),
цепей задержки и др.
Дальнейший порядок изучения статей гла-
вы произвольный.
3.1. ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕН-
НА — погруженная в водную среду часть гидро-
акустической (ГА) станции, которая непосредст-
венно принимает и (или) излучает ГА сигналы и
обеспечивает пространственную избиратель-
ность совместно с электронной частью станции.
Состоит из электроакустических и акустоэлект-
рических преобразователей, объединенных кон-
струкцией для формирования направленности.
Классификацию преобразователей по спо-
собу преобразования энергии — см. ст. 3.1, ни-
же, а также ст. 27.3, 27.4 и [1].
Разновидности гидроакустической антенны:
линейная (элементы-преобразователи вытянуты
в одну линию); объемная (элементы расположе-
ны в середине некоторого объема); поверхност-
ная (элементы на поверхности выбранной фор-
мы); рупорная (элементы в горловине рупора);
фокусирующая (один или несколько элементов в
фокальной плоскости отражателя).
Параметры гидроакустической антенны.
Усиление — свойство Г. а. увеличивать от-
ношение С/Ш; его оценивают коэффициентом
усиления (КУ) и показателем направленности
(ПН). Заметим, что радиотехнические антенны
вместо ПН характеризуются коэффициентом
направленного действия (КНД).
Параметр КУ = 10 ^[(С/Ш^С/Ш)^], где
(С/Ш)ант и (С/Ш)эл — отношения С/Ш на выходе
Г. а. и отдельного ее элемента соответственно.
При когерентности сигнала (или шума) в преде-
лах апертуры антенны (проявляющейся, в част-
ности, в сходстве форм огибающих на соседних
элементах ij) КУ оценивают через коэффициент
корреляции сигнала k с и шума к ш так:
Ky = ioig /ХХ^.7
I ' 7 i J
Показатель направленности ПН = 10 lg£OK,
где кОК — коэффициент осевой концентрации
при плоском фронте волны сигнала длиной X и
при изотропном шуме, для которого мощность
в телесном угле 0 одинакова по всем направле-
ниям. Для осесимметричной Г. а., ненаправ-
ленной в плоскости углов ф, но имеющей в
другой плоскости углов 0 симметричную диа-
грамму направленности, коэффициент
4л
к°х ~ п/2 •
2л J/?(e)cose</e
-л/2
Для непрерывной антенны протяженностью
L » X коэффициент кок = 2ZA. Для круглого
поршневого жесткого элемента либо антенны
диаметром D » X коэффициент ко к = (л/У X)2.
Использование ПН нецелесообразно при
анизотропном шуме и при многолучевом рас-
пространении сигнала.
Чувствительность Г. а. в режиме приема —
напряжение на выходе гидрофонов антенны
при действии плоской волны с нормирован-
ным звуковым давлением.
Чувствительность Г. а. в режиме излуче-
ния — звуковое давление на оси диаграммы
направленности, пересчитанное к расстоя-
нию 1 м от источника при подведении ко вхо-
ду Г. а. нормированной электрической мощ-
ности 1 Вт.
Глава 3. ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
103
3.1. ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА
Характеристика направленности гидроакус-
тической антенны (ХН) — аналитическая зави-
симость квадрата ее чувствительности 7?(0,ф) от
направлений (0,ф) в водном пространстве отно-
сительно оси ДН, выраженная в полярных коор-
динатах. Из этой формулировки следует, что, в
дополнение к аналитической ХН, направленные
свойства Г. а. описывают также и ДН — графи-
ческой зависимостью чувствительности антен-
ны от направления. Форма ДН может быть
игольчатой, секторной, тороидальной и др.
Характеристика направленности антенны,
составленной из идентичных равноразнесен-
ных направленных гидрофонов или излучате-
лей, равна произведению ХН отдельного эле-
мента на ХН антенны, состоящей из ненаправ-
ленных элементов (теорема перемножения) [2].
Акустическая ось — направление, в кото-
ром чувствительность максимальна вследствие
совпадения фаз и корреляции сигналов от всех
элементов Г. а.
Параметры акустического поля — см. ст.
27.2 и [2, 3].
Аддитивная антенна — линейная эквиди-
стантная цепочка или решетка из п элементов,
сигналы от которых пропорциональны звуко-
вому давлению. Для создания направленности
антенны сигналы суммируют линейным сум-
матором (см. ст. 24.1) после их прохождения
через линию задержки. Характеристика на-
правленности (ХН) линейной цепочки
sin[(mid sin (б/ X)]
л sin[(7uZ sin (б/X)]
где 0 — угол между фронтом плоской волны и
линией размещения п элементов, расстояние
между которыми равно d; X — длина волны.
Управление ориентацией ДН (поворот ос-
новного лепестка ДН в заданном направлении)
выполняют фазовыми и временными задержка-
ми выходных сигналов от элементов с помо-
щью компенсаторов.
В антенне с искусственной апертурой
(раскрывом) элементы А. а. заменяют единым
элементом, который буксируют в воде, чем и
имитируют протяженную эквивалентную апер-
туру, но только при условии когерентности сиг-
нала в пространственно-временном интервале.
Акустическое взаимодействие излучате-
лей (элементов) — фактор ограничения мощнос-
ти гидролокатора, возникающий при близком
расположении резонирующих элементов антен-
ны. Взаимодействие заключается в неодинако-
я(е)=
вых колебательных скоростях элементов при их
синфазном возбуждении. При этом отдельные
элементы могут даже поглощать энергию. А. в.
искажает форму ДН, уменьшает направленность.
Способы противодействия А. в.: 1) увеличение
расстояния между элементами; 2) подключение к
элементам реактивных сопротивлений компенса-
ционного характера; 3) выбор большого волново-
го размера элемента 2tcD/X, при котором его соб-
ственное сопротивление излучения значительно
больше взаимного; 4) использование отдельных
усилителей мощности для каждого элемента с
целью достижения одинаковых колебательных
скоростей всех элементов; 5) введение электро-
механической ООС с установкой датчика колеба-
тельной скорости на каждом элементе. Чаще дру-
гих применяют два последних способа.
Акустоэлектрический/электроакустиче-
ский преобразователь — элемент гидроакус-
тической антенны для преобразования видов
энергии: акустической в электрическую (гид-
рофон) или электрической в акустическую (из-
лучатель). Возможно совмещение обеих функ-
ций в единой конструкции гидроакустической
антенны, если в ней применены обратимые эле-
менты-преобразователи. Такую конструкцию
используют на средних и высоких частотах зву-
кового диапазона, а также на ультразвуке.
По принципу обратимого преобразования
энергии различают преобразователи пьезоэле-
ктрические (30... 1000 Гц, десятки киловатт
электрической мощности), пьезокерамические
(единицы — тысячи герц, десятки — сотни ки-
ловатт), магнитострикционные (350... 1500 Гц,
до 100 кВт), электродинамические (от 20 Гц до
единиц килогерц, 100 Вт), электромагнитные
(100... 1000 Гц, сотни ватт). Известны также
электростатические широкополосные по рабо-
чей частоте гидрофоны и многоцелевые излу-
чатели: гидравлические, пневматические —
непрерывного или импульсного действия в ди-
апазоне частот 20... 1000 Гц и мощностью до
сотен киловатт. Все они обладают разными
чувствительностью и КПД.
По структуре колебательной системы раз-
личают преобразователи: стержневые с про-
дольными колебаниями; пластинчатые с коле-
баниями по толщине; цилиндрические с ради-
альными либо с изгибными колебаниями; сфе-
рические с радиальными пульсациями [1].
Антенна линейная с неравномерным
амплитудным распределением (по длине)
имеет характеристику направленности, которая
зависит от чувствительности элементов: мак-
104
РАДИОТЕХНИКА
3.2. ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
симальная чувствительность — в центре, с по-
степенным снижением до минимальной — на
периферии. Приведем примеры таких антенн.
Биномиальная антенна, состоящая, напри-
мер, из шести элементов (их нормированная
чувствительность [0.1; 0.5; 1; 1; 0.5; 0.1]) обес-
печивает наименьшую ширину главного лепе-
стка ДН при отсутствии боковых лепестков;
антенна Дольфа —Чебышева [0.3; 0.69; 1;
0.69; 0.3] — наименьшую ширину главного ле-
пестка ДН при заданном значении боковых. В
условиях шума подбор наилучшего вида амп-
литудного распределения должен быть адап-
тивным, например вдоль корабля.
Мультипликативная (корреляционная)
антенна — линейная цепочка из п элементов,
сигналы от которых перемножают попарно, на-
пример [1x2; 1x3; 1x4; 2x3; 2x4; 3x4], а резуль-
тат усредняют интеграторам. Усложненный
вид М. а., когда сигналы от отдельных пере-
множителей в свою очередь снова перемножа-
ют: [(1x2) (1x3) (1x4)], — называют мульти-
пликативной антенной с перемножением ус-
редненных во времени сигналов. Испытания по-
казали, что М. а. лишь из двух элементов может
иметь такую же характеристику направленнос-
ти (ХН), как и аддитивная Г. а. с бблыпим их
числом; это упрощает конструкцию забортного
устройства М. а., но усложняет обработку сиг-
налов и требует большого отношения С/Ш. В
случае одинаковых с аддитивной антенной раз-
меров баз (длин) и числа элементов М. а. дает б
блыпую остроту ДН и, следовательно, лучшее
угловое различение источников звука, разне-
сенных в пространстве на малую дистанцию.
Для формирования нескольких ДН, одновре-
менно, но по-разному ориентированных в про-
странстве, требуется цифровое управление;
временные задержки реализуют цифровыми
регистрами сдвига, выполняющими выборки
Сигналов от М. а. после ограничения их уровня.
Крест Миллса — это М. а. из двух линейных
цепочек, взаимно перпендикулярных в прост-
ранстве. Согласно теореме перемножения (см.
ранее) ХН креста адекватна ХН плоской прямо-
угольной антенны тех же размеров. При п эле-
ментов в каждой цепочке, т.е. при 2л, его ХН
Совпадает с ХН плоской Г. а., состоящей из л2
элементов. Однако из-за малого числа п крест
имеет и меньшую чувствительность, поэтому
его применение для достижения острой направ-
ленности целесообразно лишь при априорно
большом отношении С/Ш с одновременным
требованием малой массы и низкой стоимости.
Непрерывная антенна — разновидность
аддитивной Г. а. с очень близким (в сравнении
с X) размещением элементов базы, в пределе
— сплошная база. Характеристика направлен-
ности (ХН) линейной непрерывной антенны,
имеющей длину базы L,
R/е\ Гsin[(TCL/X)sine]~l2
1 (jtL/X)sin0
Обозначения компонентов формулы — см. ра-
нее. ХН плоской круглой непрерывной антен-
ны диаметром D
г -12
[(KD/X)Sine]
1 ' |_ (KD/X)sin0 J ’
где Д — функция Бесселя первого рода аргу-
мента (rc£>/X)sinO.
Сверхнаправленная антенна — предель-
ный вариант антенны с неравномерным амп-
литудным распределением (см. ранее). Содер-
жит элементы-преобразователи, разнесенные
на дистанцию d < Х/4, причем знаки (полярно-
сти) сигналов на выходе элементов чередуют.
Например, антенна из пяти элементов при d =
Х/8 с амплитудным распределением [+1; -4;
+6; -4; +1] имеет показатель направленности
ПН = 5.6 дБ относительно ненаправленной ан-
тенны. Недостатки С. а.: критичность ее ха-
рактеристики направленности к случайным
изменениям амплитуд сигналов от элементов;
низкая чувствительность; сравнительно боль-
шие боковые лепестки.
Фазированная антенная решетка — раз-
новидность аддитивной Г. а. (см. ранее) с рас-
положенными в пространстве определенным
образом элементами-преобразователями, сиг-
налы от которых суммируют по специальному
алгоритму. Направленности Ф. а. р. достигают
подключением параллельно или последова-
тельно каждому элементу фазирующих цепей
(для узкополосных антенн) или цепей време-
ннбй задержки (для широкополосных). Этими
электрическими цепями ось максимальной
чувствительности ориентируют (поворачива-
ют) в заданном направлении. Радиотехничес-
кие Ф. а. р. — см. ст. 2.4 и 17.3.
3.2. ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕ-
МА — совокупность приборов, антенн, опера-
торов, взаимодействующих для решения задач
гидроакустики. Среди гидроакустических (ГА)
систем известны гидролокаторы (см. ст. 3.3),
станции звукоподводной связи (см. ст. 3.16),
'Пгвва 3. ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
105
3.2. ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
шумопеленгации (см. ст. 3.17), обнаружения
сигналов гидролокатора, имитаторы гидроаку-
стического сигнала (см. ст. 3.4), эхолоты, эхо-
измерители льдин, разнообразные радиогидро-
акустические станции (РГАС). Стационарные
ГА станции содержат неподвижную антенну и
кабельную линию для передачи данных на бе-
реговой пост. Части РГАС размещают на раз-
ных объектах комплекса или на разных носите-
лях (береговой пост, корабль, самолет), а при-
ем-передачу сообщений ведут по радиоканалу.
В авиационных РГАС носителями радиотехни-
ческих средств служат вертолет, самолет или
спутник. ГА антенну опускают с борта верто-
лета, корабля или размещают на буях. В стаци-
онарных РГАС сообщения от неподвижных бу-
ев, маяков и т.п. передают по радиоканалу.
3.3. ГИДРОЛОКАТОР (ГЛ) — гидроакус-
тическая станция для обнаружения погружен-
ных в воду объектов, определения их коорди-
нат, параметров движения и классификации
методами активной гидролокации (излучение-
прием отраженного сигнала). Содержит распо-
ложенную в водной среде гидроакустическую
(ГА) антенну (см. ст. 3.1) и электронное обору-
дование (см. далее). Гидролокаторы использу-
ют для обнаружения подводных лодок (ПЛ),
надводных кораблей (НК), торпед и мин, рыб-
ных скоплений. Существуют ГЛ корабельные,
ГЛ на ПЛ, ГЛ вертолетные, ГЛ береговые (ста-
ционарные) и др. Бывают ГЛ с антенной под
килем корабля (в его носовом обтекателе), с
антенной, расположенной на корпусе, а также
с буксируемой и опускаемой антеннами. По
способу обзора акватории различают ГЛ круго-
вого обзора и ГЛ шагового поиска.
Тактические параметры гидролокатора:
дальность действия (энергетическая и геометри-
ческая, причем последняя лимитируется рефрак-
цией звука); точность оценки и разрешающая
способность по дальности и угловым координа-
там. Технические параметры: рабочая частота, в
том числе оптимальная (см. ст. 3.10); длитель-
ность и частота повторения импульсов и акусти-
ческая мощность излучения; ширина диаграммы
направленности; коэффициент осевой концент-
рации энергии вдоль акустической оси ДН [3].
Гидролокатор кругового обзора — гид-
роакустическое техническое средство, при-
меняемое для непрерывного обзора аквато-
рии. Обычно содержит: неподвижную круго-
вую или эллиптическую антенну, состоящую
из п элементов, расположенных в горизон-
тальной плоскости; коммутаторы приема-пе-
редачи; п усилителей; линии задержки для
формирования характеристики направленно-
сти (ХН); устройство для последовательного
сбора данных с каждого канала; усилители
эхо-сигнала; электронный индикатор; комму-
татор поворота ХН; мощный усилитель для
возбуждения антенны; задающий импульс-
ный генератор [4]. Подобную структуру РЛС
— см. ст. 18.8.
Гидролокатор шагового поиска — гидро-
акустическое техническое средство для осуще-
ствления дискретного обзора акватории.
Обычно содержит следующие устройства: две
гидроакустические антенны и двухканальный
усилитель для фазовой обработки эхо-сигнала;
коммутатор приема-передачи; импульсный ге-
нератор; слуховой усилитель с наушниками
или с акустической системой из громкоговори-
телей; индикатор; запоминающее устройство.
Неподвижная антенна излучает импульс. Че-
рез время t - 2г/с (г — дальность действия,
с — скорость звука) антенну поворачивают на
заданный угол и подают новую импульсную
посылку. Угловой шаг поиска равен ширине
главного лепестка диаграммы направленности.
Число шагов зависит от требуемого сектора
обзора акватории [4].
Уравнение гидролокации (ГЛ). Для мо-
ностатического гидролокатора (излучатель
и приемник совмещены в единой гидроакус-
тической антенне) уравнение гидролокации
имеет вид:
УИ - 2ПР + СЦ = УШ - ПН + ПО,
где УИ — уровень направленного излучения;
ПР — потери при распространении энергии;
СЦ — сила цели (см. ст. 3.15); УШ — уровень
шумов (см. ст. 3.18); ПН — показатель направ-
ленности в режиме приема (см. ст. 3.1); ПО —
порог обнаружения.
У бистатического гидролокатора (с раз-
несенными передающей и приемной антенна-
ми) потери ПР сигнала до цели и обратно нео-
динаковы и потому не удваиваются, а оценива-
ются сложнее.
Если пороговой помехой является ревербе-
рация (см. ст. 3.14), а не шум, как в первом слу-
чае, то разность УШ - ПН заменяют новым па-
раметром УР — уровнем реверберации эквива-
лентной плоской волны. Тогда уравнение ГЛ
имеет вид:
УИ - 2ПР + СЦ = УР + ПО.
Компоненты уравнения ГЛ, выраженные в
децибелах, вычисляют по формулам, приве-
денным далее.
106
РАДИОТЕХНИКА
3.6. КАВИТАЦИЯ
Потери в одном направлении
ПР1 = 10 lg(7HCT/7u) либо ПР1 = 10 lg(7np/7u ),
где 7ИСТ, 7пр и 7Ц — интенсивность сигналов на
расстоянии 1 м от источника звука, от прием-
ника и от цели соответственно.
Компонент направленности
ПН=10^(Рш/Ршр),
где Рш и Рш р — мощность шума на выходе не-
направленного гидрофона и реальной антенны
соответственно.
Компонент обнаружения
ПО= 101ё(Рс/Рш),
где Рс, Рш — мощность сигнала и шума на вы-
ходе реального приемника соответственно.
Компонент излучения
УИ = 10 lg(7HCT/73),
где 73 — интенсивность звука на расстоянии
1 м от эталонной плоской волны, 73 = 10-12
Вт/м2. Причем У И зависит от акустической
мощности Ра и от показателя направленности
излучения ПН изл и через эти показатели опре-
деляется как
УИ = 171 + 10 lgPa+ПНИЗЛ.
Уровень
УР = 10 lg(Pp/P3),
где Рр, Рэ — мощность реверберации на выхо-
де приемной антенны и сигнала с эталонной
интенсивностью 7Э соответственно.
Уровень
УШ= 101g(7m/73),
где 7Ш — интенсивность шума в акватории
расположения гидроакустической антенны.
Сила цели
СЦ = 10 lg(73XO/73),
где 7ЗХО, 73— интенсивность эхо-сигнала на рас-
стоянии 1 м от цели и волны излучения при до-
стижении ею цели соответственно.
Физический смысл некоторых сочетаний
компонентов следующий: (УР + ПО) — уровень
маскирующей реверберации; (УШ - ПН) —
уровень маскирующих шумов; (УШ - ПН +
ПО) — минимальный уровень обнаружения
сигнала; (УИ - 2ПР + СЦ) — уровень эхо-сиг-
нала, измеренный у приемной антенны; выра-
жение (УИ - 2ПР, + СЦ) - (УШ - ПН + ПО) оз-
начает превышение эхо-сигналом уровня шума
при заданном пороге обнаружения ПО. Обнару-
жение состоялось, если превышение эхо-сигна-
ла над заданным значением ПО больше 0 дБ [2].
3.4. ИМИТАТОР ГИДРОАКУСТИ-
ЧЕСКОГО СИГНАЛА — комплекс уст-
ройств и механизмов, которые создают аппара-
турную модель процесса гидролокации вместо
реальных гидроакустических станций, аквато-
рии и целей, для испытаний новых гидроакус-
тических средств и технологий по обработке
сигналов. С его помощью моделируют эхо-сиг-
налы, реверберационную помеху, источники
шумов, создают заданные тактические обстоя-
тельства для носителя гидроакустической ан-
тенны и маневрирующих целей. Имеет также и
учебное назначение [4].
3.5. ИНДИКАТОР ГИДРОАКУСТИ-
ЧЕСКОЙ СТАНЦИИ — преобразователь
электрических сообщений к виду, удобному
для пользователя: в световой и звуковой сиг-
налы — для оператора, код — для ЭВМ. Из-
вестны индикаторы: дальности; отклонения
пеленга; кругового обзора; одно-, двух- и
трехкоординатные; с яркостными или ампли-
тудными метками на экране; со штриховыми
метками на бумаге; с прямолинейной, коль-
цевой, спиральной и растровой (см. ст. 22.5)
развертками (растровая может быть треу-
гольной или круговой); точные и грубые. Са-
мые точные — цифровые методы индикации,
основанные на заполнении счетными им-
пульсами интервала запаздывания эхо-сигна-
ла относительно импульса посылки и на из-
мерении числа импульсов. Подобные индика-
торы РЛС — см. ст. 11.2.
3.6. КАВИТАЦИЯ (от лат. cavitas — по-
лость, пустота) — создание полости внутри
жидкости, т.е. нарушение ее целостности во
время движения плавсредств, вращения вин-
тов двигателей или при излучении в жидкую
среду акустической мощности. К. является ис-
точником интенсивного шума и фактором ог-
раничения предельной акустической мощнос-
ти излучателей. Различают К.: вихревую, на
поверхностях лопастей винта корабля, и К. на
излучателях и обтекателях ГА антенн. Внеш-
нее проявление К. — появление пузырьков
воздуха, свидетельствующих о разрывах
сплошной структуры воды из-за отрицательно-
го давления кавитационного акустического по-
ля. Коэффициент вихревой кавитации
^K=(Po-Pv)/(0.5 И2р),
где pQ — гидростатическое давление на винте;
pv— давление водяного пара пузырьков [Па];
р — плотность воды [кг/м3]; V— скорость дви-
жения концов лопастей винта [м/с]. При kK > 6
возникновение К. маловероятно; при kK < 2 —
неизбежно.
Порог возникновения кавитации оценива-
ют пиковым давлением рк или интенсивностью
7к=(0.7*10>к)2/(рс) [Вт/м2],
гдерк — в паскалях, р = 103 кг/м3; с = 1.5* 103 м/с.
Глава 3. ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
107
3.6. КАВИТАЦИЯ
Максимальная акустическая мощность
антенны, ограниченная кавитацией,
PaK = IKS,
где S — площадь поверхности антенны [м2].
Порог К. рк (А) можно поднять (увеличить
допустимую мощность) укорочением посыл-
ки, увеличением гидростатического давления
за счет большего заглубления антенны соглас-
но соотношению:
рМ = 105[рк (0) + А/10],
где pK(h) и рк(0) — порог К. на глубине Л и на
водной поверхности (h = 0) соответственно.
Значение рк (0) на НЧ (1 кГц) составляет
приблизительно 105 Па; оно увеличивается с
частотой до 107 Па на ВЧ (0.5 МГц).
Для своего маскирования при движении
плавсредства маневрируют с малой, докавита-
ционной скоростью.
3.7. КАНАЛ ЗВУКОВОЙ — проявление
волноводного эффекта распространения акус-
тической энергии на большие расстояния,
обусловленного вертикальным распределени-
ем температуры и скорости звука в море. Име-
ет четыре участка: приповерхностный, неста-
бильный; сезонный термоклин — область с
отрицательным градиентом температуры и
скорости звука, которые уменьшаются с глу-
биной; основной термоклин — глубоководный
слой воды с постоянной температурой 5°С;
подводный звуковой канал (ПЗК) — область с
малой скоростью звука, без рассеяния поверх-
ностью и дном, с высокой концентрацией
энергии.
Приповерхностный канал — это слой с по-
ложительным градиентом скорости звука, мно-
горазовым полным внутренним рассеянием
звука поверхностью океана.
Ближняя зона акустической освещенности
— область, в которой звуковое поле формиру-
ют лучи, одноразово рассеянные морской по-
верхностью.
Дальняя зона акустической освещенности —
область, возникающая благодаря выходу звуко-
вых лучей на горизонт излучателя после их
полного внутреннего рассеяния в глубинных
слоях, ниже оси ПЗК.
Зона акустической тени — область, в пре-
делах которой звуковое поле формируется
только лучами, рассеянными дном океана, по-
этому обнаружение плавсредства невозможно.
Каустика (от греч. kausticos — жгучий) —
линия, огибающая место схождения соседних
звуковых лучей после их преломления или
полного внутреннего рассеяния (отражения).
Звуковое поле под каустикой, с высокой интен-
сивностью, называют мелко- или глубоковод-
ной зоной конвергенции (сходимости) — гео-
метрического места точек частичного фокуси-
рования интенсивности поля.
3.8. МИНА АКУСТИЧЕСКАЯ — гидро-
акустическое техническое средство, чувстви-
тельное к шумовому или звуковому излучению
плавсредств; взрывается автоматически, когда
звуковое давление или иной параметр ее дат-
чиков достигает порогового уровня.
Мина гидродинамическая — гидроакусти-
ческое техническое средство, которое реагиру-
ет на уменьшение гидростатического давления
при прохождении плавсредством вертикали
расположения мины (эффект Бернулли); при
этом звуковая волна с частотой около 1 Гц воз-
действует на инфразвуковой датчик.
3.9. ОБРАБОТКА ГИДРОАКУСТИ-
ЧЕСКИХ (ГА) СИГНАЛОВ — процесс ана-
лиза ГА сигналов с целью обнаружения, распоз-
навания, классификации плавсредств путем об-
работки ГА данных об их источнике. Обработка
трехступенчатая. Первичная — это обнаруже-
ние цели, определение ее координат за короткое
время наблюдения, фиксация индикатором (см.
ст. 3.5), кодирование для канала связи, грубая,
приближенная классификация. Вторичная обра-
ботка — это анализ сигналов, полученных за
несколько циклов обзора акватории; применяет-
ся для повышения вероятности правильного об-
наружения, уменьшения влияния помех на вы-
числения скорости, курсового утла, траектории
движения цели. Вероятность появления выбро-
сов помех в повторных циклах анализа очень
мала, а объект тем временем оказывается в рас-
четном участке акватории наблюдения (см. ст.
17.4). Последняя, третья ступень — это совме-
стная обработка сигналов от нескольких ГА
средств; она обеспечивает значительно большие
помехоустойчивость, дальность действия, окон-
чательно классифицирует объект.
3.10. ОПТИМАЛЬНАЯ РАБОЧАЯ ЧАС-
ТОТА ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ (ГА)
СТАНЦИИ — частота, необходимая для полу-
чения максимальной (в заданных условиях)
дальности обнаружения цели. На оптимальной
(для заданной дальности г) частоте f опт требу-
ется минимальное значение коэфффициента
качества ГА станции
ККч = УИ - (УШ - ПН + ПО),
определяющего максимально допустимые поте-
ри при распространении энергии ПР (см. ст.
3.3): для шумопеленгатора (ШП, см. ст. 3.11,
108
РАДИОТЕХНИКА
3.12. ПОГЛОЩЕНИЕ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
3.15) — в одном, а для гидролокатора (ГЛ, см.
ст. 3.3) — в обоих направлениях при силе цели
СЦ = 0 (см. ст. 3.15). Оптимальная частота зави-
сит от дальности действия гидроакустического
средства и других его параметров, а также от ак-
ватории, времени года и характеристик облуча-
емой цели. Так, при частоте f >/оггг растет погло-
щение звуковой энергии (см. ст. 3.12); при f < fom
растет мощность шумов океана (см. ст. 3.18), а
направленность антенн и потери при распрост-
ранении уменьшаются. Для моностатического
гидролокатора (ГЛ) оптимальная частота
/опт = V(32.5/r)[rf(KK4)/#],
где foirT выражается в килогерцах, г — в кило-
метрах; (б/ККч/d/) — скорость изменения ККч
с частотой [дБ/кГц].
В типичных условиях для дальности г =
100 км значение /,пт = 1 кГц. Если же обнару-
жение цели ограничено реверберацией, то оп-
тимальной частоты не существует, поскольку
коэффициент поглощения звуковой энергии
Р(/) (см. ст. 3.11, 3.12) входит в выражение для
ПР (см. ст. 3.3) и примерно одинаков для эхо-
сигнала и для реверберации [2].
3.11. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИС-
ТИКИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ (ГА)
СТАНЦИЙ. Вытекают из уравнений гидроло-
кации (см. ст. 3.3). Обычно задана дальность
действия, а уравнения решают относительно
наисложнейшего в технической реализации
параметра — показателя направленности (ПН)
ГА антенны. Задают вероятные значения дру-
гих компонентов уравнения гидролокации, а
после нахождения ПН достигают компромисса
между ними и ПН. Процесс завершается после
нескольких попыток, согласно опыту разработ-
чика. Единого рецепта тут быть не может, по-
скольку в одном случае нужен дешевый гидро-
локатор (ГЛ), в другом — ограничение накла-
дывает объем (например, торпеда) или ресурс
питания (акустический маяк). Основное пра-
вило при создании стационарного гидролока-
тора такое: увеличивать акустическую мощ-
ность следует до тех пор, пока реверберация
(см. ст. 3.14) не достигнет уровня шума (см. ст.
3.18) в узкой полосе пропускания при макси-
мальной дальности ГЛ. Рациональным ограни-
чением мощности сверху являются также и эф-
фект взаимодействия элементов антенны (см.
ст. 3.1), и кавитация на излучателях (см. ст.
3.6). Приведем типичные примеры ГА задач
(физический смысл, обозначения и определе-
ния компонентов — см. ст. 3.3).
Активное обнаружение цели:
ПР(г) = 0.5 (УИ + СЦ + ПН - УШ - ПО).
Для определения ПР(г) нужно располагать
опытными данными об уровнях эхо-сигнала,
УИ, УР и УШ как функции расстояния. Далее
находят, например, площадь обзора за единицу
времени и другие параметры.
Гидроакустическая связь:
ПР(г) = (УИ - УШ + ПН - ПО).
Здесь ПР(г) = 10 Igr + рг, где Р[дБ/км] = 0.1/2( 1
+ /2) или р[дБ/км] = 0.036/3/2 — коэффициент
объемного вязкоупругого поглощения звуковой
энергии (см. ст. 3.12);/[кГц] — несущая часто-
та излучения гидролокатора.
Решая совместно два уравнения, находят
дистанцию, на которой при заданном отноше-
нии С/Ш связь может быть реальной.
Имитация эхо-сигнала. Уровень эха УЭ =
УИ - 2ПР + СЦ, а уровень имитированного эха
ИЭ - УИ - ПР - УИ - (20 Igr + ПЭ),
где г — дистанция; ПЭ = 10 Igp — объемное
вязкоупругое поглощение звуковой энергии.
Из этих же уравнений можно найти уро-
вень излучения УИ и соответствующую ему
акустическую мощность Ра.
Эхолотирование — оценка глубины места
h [м] и параметров движения носителя ГЛ:
УШ = УИ - ПР - 10 Ignn + пн,
где ПП — частотная полоса пропускания при-
емного тракта; ПР = 20 lg2A + 2р/г10-3 + ПГ;
ПГ — потери в грунте. В этой задаче реальный
источник звука заменен виртуальным, распо-
ложенным на удвоенной глубине.
Пассивное обнаружение (шумопелен-
гация): порог обнаружения
ПО = УИ - ПР(г) - УШ + ПН,
откуда находят дистанцию г из компонента
ПР(г) аналогично прежним задачам [2, 3].
3.12. ПОГЛОЩЕНИЕ АКУСТИЧЕСКОЙ
ЭНЕРГИИ (объемное затухание) — та часть
потерь при распространении звука, которая яв-
ляется следствием преобразования в теплоту
акустической энергии до ее регистрации гидро-
акустической антенной. Иными словами, погло-
щение не связано с естественным ослаблением
интенсивности звука при расширении фронта
акустической волны. Физическими причинами
теплового поглощения на частотах f < 100 кГц
являются ионная релаксация молекул сернокис-
лого магния MgSO4, связанная с необратимыми
потерями энергии, а также сдвиговая и объем-
Глава 3. ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
109
3.12. ПОГЛОЩЕНИЕ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
ная вязкости водной среды. Поглощение акусти-
ческой энергии оценивают коэффициентом р
объемного поглощения в плоской волне водно-
го пространства. Повторим, что в этот коэффи-
циент не входит ослабление на расширение
фронта волны. Итак,
р[дБ/км] = (10 - 10 lg/2)/(r2- гЦ,
где /ь /2 — интенсивности звука, измеренные
на расстояниях гь г2.
Коэффициент поглощения возрастает с по-
вышением частоты/[кГц] согласно зависимости
р[дБ/км] - 0.036/3/2(так называемый «закон
трех вторых») и уменьшается с глубиной, т.е. с
увеличением гидростатического давления, в
(1-6.54-Ю-4^) раз, где ро — гидростатическое
давление, выраженное в атмосферах.
3.13. ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ГИД-
РОАКУСТИЧЕСКОЙ (ГА) СТАНЦИИ — со-
вокупность акустоэлектронных приборов для об-
работки ГА сигналов (см. ст. 3.3, 3.9). Содержит
цепи фильтрации с разными полосами пропуска-
ния (1111! = А/(до детектора) и ПП2 = AF (после
него)), амплитудный или частотный детектор, ре-
шающее устройство. Условно различают П.у.
трех классов: 1) типовой тракт обнаружения (см.
ст. 17.28); 2) тракт оптимальной обработки — ли-
бо согласованными фильтрами, либо корреляци-
онного типа (см. ст. 17.14); 3) тракт пространст-
венно-временной обработки (см. ст. 17.16).
Структура приемного устройства гидроло-
кационного автоматического сопровождения
цели по дальности и по скорости содержит
временной распознаватель, интегратор, уст-
ройство плавной задержки, генератор строби-
рующих импульсов. В состав приемного уст-
ройства кругового обзора (см. ст. 3.3) входят
усилители, формирователь направленности,
цепи автоматической регулировки усиления
(АРУ), смеситель, гетеродин, полосовые филь-
тры, детекторы, интеграторы. При обработке
сигналов с линейной частотной модуляцией
(см. ст. 21.2) их базы (AF7) преобразуют узко-
полосными фильтрами, амплитудными детек-
торами, линиями задержки или (второй вари-
ант) — перемножителями, фильтрами, интег-
раторами. При обработке сигналов методом
разнесенного пеленгования информация об уг-
ловых координатах цели содержится в разно-
сти фаз, поэтому по своей структуре П. у. явля-
ется фазометром, который содержит трансфор-
маторы суммы/разности, усилители с времен-
нбй АРУ, модулятор чувствительности, гетеро-
дин, полосовые фильтры, парафазные усилите-
ли (см. ст. 24.2, 24.8, 24.13 и [3,4]).
3.14. РЕВЕРБЕРАЦИЯ — нестационар-
ный случайный процесс рассеяния звуковой
энергии на неоднородностях морской среды (в
том числе и обратного рассеяния в направлении
излучения, если излучателем является антенна
гидролокатора). Реверберация студий, концерт-
ных залов, помещений для озвучания с помо-
щью акустических систем (см. ст. 27.5) и поме-
щений для озвучания фильмов — тот же про-
цесс, но в воздушной среде. Он обусловлен ар-
хитектурными особенностями помещений и ха-
рактером звуковых программ. В обоих проявле-
ниях реверберации речь идет о колебаниях со
случайными амплитудой и фазой, огибающая
которых спадает немонотонно вследствие бие-
ний между собственными частотами гармони-
ческого ряда. На слух узкополосная ревербера-
ция воспринимается как медленно затухающий
тон. Реверберация — серьезная помеха обнару-
жению целей, особенно ненаправленными ан-
теннами (ложная цель, маскирование сигнала).
Различают объемную, поверхностную и дон-
ную реверберацию — для открытой поверхно-
сти океана, а также подледную Р.
Характеристики реверберации. Сила ре-
верберации, или сила обратного рассеяния —
энергетический параметр гидролокации, отно-
шение интенсивности рассеяния звука единич-
ным объемом /рас к интенсивности падающей
плоской волны облучения /пад, приведенных к
расстоянию 1 м от рассеивающего объема:
СР[дБ] = 10 lg(/pac//naJ.
Силу реверберации следует отличать от
уровня реверберации (см. ст. 3.3). Например,
для донной реверберации уровень
УР[дБ] = УИ - 40 Igr + СР + lg5,
где УИ — уровень излучения; г — дистанция;
S = (ст/2)0г — реверберационная площадь дон-
ной Р.; с — скорость звука; т — длительность
импульсной посылки; 0 — угол раскрыва диа-
граммы направленности антенны.
К числу характеристик Р. относят также:
амплитудное распределение; когерентность
(меру фазового постоянства); авто- и взаим-
но-корреляционные свойства; расширение
спектра из-за малой длительности импульса
посылки и от движения носителя гидроакус-
тической антенны и рассеивателей — эффек-
та Доплера.
3.15. СИЛА ЦЕЛИ — энергетический па-
раметр эхо-сигнала, отраженного подводной
частью плавсредства. Аналогично ревербера-
ции (см. ст. 3.14) силу цели (СЦ) оценивают от-
ношением интенсивностей волн — отражен-
110
РАДИОТЕХНИКА
3.17. ШУМОПЕЛЕНГАТОРНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ
ной эквивалентной сферой радиусом а и пря-
мой, падающей на цель от излучателя (у ревер-
берационной помехи вместо сферы учитывают
единичный объем). Для сферы СЦ = 10 lg(a/4);
сфера удобна в качестве эталона потому, что ее
СЦ не зависит от ориентации в пространстве.
При несовпадении направлений от цели на ис-
точник облучения и на приемник (бистатичес-
кий угол) говорят о бистатической СЦ. Она
равна СЦ в направлении биссектрисы бистати-
ческого угла, если цель — большая и гладкая (в
сравнении с длиной волны X), а бистатический
угол мал: (р « л.
Приведем примеры оценок моностатичес-
кой силы цели для тел разных геометрических
форм и разных волновых размеров ка = 2ла/Х,
где к = 2л/Х — волновое число, а — физичес-
кий размер тела.
Большая сфера (ка » 1, дальность г » а):
СЦ = 10 lg(a/4).
Малая сфера объемом V(ка « i, кг « 1):
СЦ = 10 1g (61.7Г2/Х4).
Круглый цилиндр длиной £, радиусом а
(ка » \,r»L): СЦ = 10 lg(a£2/2X)(sinp/p)2cos20,
где р = AZsinO; 0 — угол между нормалью к оси
цилиндра и звуковым лучом.
Эллипсоид: СЦ = 10 lg(bc/2a)2, где а,Ь,с —
полуоси; ка, kb, кс» 1, г » а, Ь, с; направле-
ние волны — вдоль оси а.
Тело вращения любой формы с малыми
волновыми размерами, вытянутое вдоль звуко-
вого луча: СЦ - 10 lg( 16л2 Г2/^4).
Для уменьшения силы цели и повышения
скрытности плавсредств применяют специаль-
ные покрытия: 1) заглушающие, вязкопогло-
щающие, с преобразованием энергии звука в
теплоту; 2) с переменными параметрами по-
глощения; 3) компенсационные (с чередовани-
ем акустически твердых и мягких материалов
для фазовой компенсации волн); 4) со слоем
толщиной Х/4, акустическое сопротивление ко-
торого обеспечивает полное согласование с
водной средой и поглощение энергии звука. С
этой же целью используют активный метод
контроля прямой волны и ее противофазного
переизлучения.
Аналогичные приемы применяют и при
конструировании громкоговорителей акусти-
ческих систем для озвучивания помещений
(см. ст. 27.1) и при акустической обработке ра-
диостудий (см. ст. 27.5).
Ориентировочные значения силы цели:
одиночные рыбы длиной £[м], облученные
сверху, в спину, имеют СЦ = (19 IgA - 24) дБ;
подводные лодки и надводные корабли в тра-
верзовом ракурсе — СЦ = 25 дБ; мины — СЦ
= +10...-25 дБ; пловцы без спецкостюмов —
СЦ = -15 дБ; торпеды — СЦ = -20 дБ; подвод-
ные горы — СЦ = 30.. .60 дБ.
В общем случае значение СЦ зависит от
ракурса, частоты облучения, дистанции, дли-
тельности импульса посылки. Причина много-
образия зависимости силы цели от всех этих
факторов — в дифракционных явлениях на по-
верхностях сложных геометрических форм и в
разнообразной фактуре материалов.
Первые натурные исследования силы цели
описаны в работах Дж. У. Хортона (США) и
Ю.М. Сухаревского (СССР).
3.16. СТАНЦИЯ ЗВУКОПОДВОДНОЙ
СВЯЗИ — гидроакустическое техническое
средство связи, обычно работающее на одной
боковой полосе частот излучения с подавлен-
ной несущей и однополосной модуляцией (см.
ст. 16.11 и [4]). Сигналы сообщений корректи-
руют: сокращают малоинформативные для ар-
тикуляции низкочастотные компоненты речи и
подчеркивают (усиливают) высокочастотные —
для повышения разборчивости речи (см. ст.
27.7, 27.10); используют частотную модуляцию
в телеграфном режиме.
Структура типовой станции содержит в
передающей части: микрофонный усилитель;
двухсторонний ограничитель (см. ст. 24.16);
полосовой фильтр в интервале частот
0.25...3 кГц (см. ст. 24.2); задающий генератор
(см. ст. 16.1); балансный модулятор (см. ст.
16.11); мощный выходной усилитель для воз-
буждения гидроакустической антенны (см. ст.
16.3); коммутатор «прием-передача» и непре-
рывную антенну (см. ст. 3.1). В приемнике
имеются усилители (см. ст. 24.8), смеситель
(см. ст. 24.19) для восстановления сигнала с
амплитудной модуляцией несущей частоты,
усилитель звуковых частот, телефон и громко-
говоритель. Для обеспечения телеграфной
связи используют ключ-манипулятор (знаку
соответствует частота/ь а паузе — частота/2),
генератор (0.25...3 кГц) с частотной модуля-
цией и разнесением между собой частот f} и f2
на 0.8 кГц. Применение ЧМ способствует по-
вышению помехоустойчивости гидроакусти-
ческой связи (см. ст. 17.19).
3.17. ШУМОПЕЛЕНГАТОРНАЯ ГИД-
РОАКУСТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ (шумопе-
ленгатор) — гидроакустическое техническое
средство для обнаружения объекта (с допусти-
мой вероятностью ошибки) и определения пе-
Глава 3. ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
111
3.17. ШУМОПЕЛЕНГАТОРНАЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ
Рис. 3.1
ленга на объект. Принцип обнаружения — ис-
пользование собственного шумового и гармо-
нического полей излучения движущихся под-
водных лодок и надводных кораблей. Основное
преимущество перед гидролокатором (ГЛ) —
скрытность. Основные функции: определение
направления на шумящие цели; оценка коорди-
нат одной цели при наличии других, близко
расположенных в угловых координатах; обна-
ружение и измерение координат активных ГЛ,
связных гидроакустических станций. Шумо-
пеленгаторные станции бывают кругового и
шагового обзоров, корабельные, береговые,
авиационные.
Типовая структура шумопеленгатора
(Рис. 3.1) содержит круговую дискретную ан-
тенну 1; формирователь статической ДН 3;
усилители 2, 4, 8; коммутатор 5; индикатор
кругового обзора 6; двухканальный компенса-
тор 7 для создания ДН по фазовому методу пе-
ленгования; индикатор отклонения пеленга 9;
запоминающее устройство 10 и усилитель 34
11 с телефоном, громкоговорителем или акус-
тической системой.
Основные параметры шумопеленгатора —
см. ст. 3.3 (за исключением показателей излу-
чения), а также [3,4].
3.18. ШУМ ОКЕАНА — часть общего,
полного шумового поля (ее фиксируют гидро-
фоном), не связанная с собственно гидрофо-
ном, способами его установки, транспортиро-
вания, и не порожденная локализованными ис-
точниками излучения шума. На слух широко-
полосный шум океана воспринимается как
низкочастотный шорох, грохот, бурчание и вы-
сокочастотное шипение, потрескивание.
Уровень шума — выраженная в децибелах
интенсивность поля шумового фона, измерен-
ная ненаправленным гидрофоном и отнесен-
ная к эталонной интенсивности плоской волны
(10-12Вт/м1 2 3 4). При пересчете широкополосного
шума к единичной полосе пропускания фильт-
ра 1 Гц получают спектральную плотность
мощности [Вт/Гц] или спектральные уровни
шума [дБ/Гц].
При прогнозировании параметров шумопе-
ленгаторов (см. ст. 3.11, 3.17) основываются на
заранее обработанных статистических данных
или на конкретных измерениях шумов в пла-
нируемой акватории: их уровнях, спектрах,
корреляционных свойствах, пространственной
когерентности (см. ст. 3.1).
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Римский-Корсаков А.В. Акустические подводные низкочастотные излучатели. — Л.: Судо-
строение, 1984. — 184 с.
i 2. Урик Роберт Дж. Основы гидроакустики: Пер. с англ. — Л.: Судостроение, 1978. — 48 с.
3. Справочник по гидроакустике / А.П. Евтютов, А.Е. Колесников, Е.А. Корепин и др. — Л.:
Судостроение, 1988. — 552 с.
4. Колчеданцев А. С. Гидроакустические станции. — Л.: Судостроение, 1982. — 240 с.
112
РАДИОТЕХНИКА
=====^== ГЛАВА 4
ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЗВУКА
• Изобретение звукозаписи — еще одна,
после письменности, победа
над временем.
• Глубинная механическая запись звука
на валик (фонограф)
(Т.Д. Эдисон, США, 1887 г.).
• Поперечная механическая запись звука
на пластинку (граммофон)
(Е. Берлинер, США, 1897 г.).
• Запись звука на стальную проволоку,
протянутую через электромагнит
(В. Паульсен, Дания, 1898 г.).
• Запись звука на магнитную ленту
на немагнитной основе
(Пфлеймер, Германия, 1927 г.).
• Аналоговый катушечный магнитофон
с высокочастотным подмагничиванием
(Браунмюлль, Вебер, Германия, 1941 г.).
• Кассетный магнитофон
(«Panasonic», Япония, 1966 г.).
• Цифровая магнитная запись звука
(«Sony», Япония, 1975 г.).
• Оптический компакт-диск
(«Sony», «Philips», Япония, Голландия, 1977 г.).
• Рост качества трактов записи-
воспроизведения звука: граммофон
и патефон: полоса воспроизведения
200...3 Ю3 Гц, динамический
диапазон 30 дБ; первые магнитофоны:
полоса воспроизведения 100...5 -103 Гц,
динамический диапазон 50 дБ,
коэффициент гармоник 3...5%;
цифровые магнитофоны:
полоса воспроизведения 20...20 Ю3 Гц,
динамический диапазон 90 дБ,
коэффициент гармоник 0.005%.
Звукозапись — процесс превращения коле-
баний звуковой частоты в пространственное
изменение физического состояния или формы
носителя с целью сохранения информации и
последующего многократного ее воспроизве-
дения. Воспроизведение звука — процесс вос-
становления записанных колебаний в форме
акустических сигналов, непосредственно вос-
принимаемых пользователем. В главе рассмат-
риваются устройства записи и воспроизведе-
ния звука с подвижным носителем.
Запись звука возможна в аналоговой или
цифровой формах; в свою очередь, аналоговая
запись может быть прямой (без преобразова-
ний) или модуляционной (метод ЧМ и различ-
ные виды ИМ). Прямая запись обеспечивает
относительно высокие параметры при мини-
мальной скорости носителя и поэтому нашла
широкое применение. Модуляционные методы
позволяют уменьшить шумы и искажения, но
нуждаются в больших полосе частот и скоро-
сти движения носителя. Однако и в этом слу-
чае остается один вид искажений, присущий
всем системам записи звука на подвижный но-
ситель в аналоговой форме. Он связан с неста-
бильностью скорости движения носителя при
записи и воспроизведении, что приводит к ис-
кажению сигнала во времени (см. Детонация —
ст. 4.1). Благодаря наличию цифровых ЗУ, ко-
торые допускают независимые режимы записи
и воспроизведения с различными скоростями,
цифровая запись позволяет полностью ком-
пенсировать такие искажения. При этом вос-
произведенный звук практически не отличает-
ся от оригинала и качество не ухудшается при
многих перезаписях.
Любая система записи звука на подвижный
носитель состоит из трех функциональных час-
тей: носителя записи, механизма перемещения
носителя и устройства записи, воспроизведения
и стирания звука или их комбинаций в зависи-
Глава 4. ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЗВУКА
113
ГЛАВА 4
мости от назначения. Механизм перемещения
носителя — устройство, которое обеспечивает
перемещение носителя относительно элемен-
тов, осуществляющих запись и воспроизведе-
ние звука. Скорость перемещения носителя от-
носительно этих элементов называют скоро-
стью записи или воспроизведения звука. В зави-
симости от наличия механического контакта но-
сителя с элементами записи различают кон-
тактный и бесконтактный способы записи
звука. При контактном способе трение в месте
контакта ограничивает срок службы носителя.
Носитель записи — физическое тело, использу-
ющееся для хранения в нем или на его поверх-
ности сигналов, которые подлежат записи. По-
сле записи звука носитель с записью называют
фонограммой, а след, оставленный в носителе
или на его поверхности, который отображает за-
писанный сигнал, — дорожкой записи.
Рекомендованный порядок изучения ста-
тей: запись магнитная — 4.2, 4.6, 4.1; механи-
ческая — 4.3, 4.8, 4.7, 4.9; фотографическая —
4.4; цифровая — 4.5.
4.1 АППАРАТУРА МАГНИТНОЙ ЗА-
ПИСИ (АМЗ) — аппаратура записи и воспро-
изведения электрических звуковых сигналов
на подвижном магнитном носителе.
По эксплуатационному назначению разли-
чают: диктофон — устройство для записи
и/или воспроизведения речевых программ, ха-
рактеризуется простотой конструкции, часто
имеет устройства для оперативного управле-
ния, например голосом; магнитофон — конст-
рукционно и эксплуатационно автономное уст-
ройство для магнитной записи и воспроизведе-
ния звука; магнитофон-проигрыватель (плей-
ер) — устройство только для воспроизведения
фонограмм с магнитного носителя. Магнито-
фон часто объединяют с другой радиоэлек-
тронной аппаратурой в одном корпусе или кон-
структивно отдельном блоке (например, маг-
нитола — объединение радиовещательного
приемника и магнитофонной панели).
По функциональному назначению различа-
ют: канал записи — часть АМЗ, обеспечиваю-
щая передачу сигнала от источника до магнит-
ного носителя; канал воспроизведения — часть
АМЗ, обеспечивающая передачу сигнала от
носителя до пользователя. Одновременное на-
личие каналов записи и воспроизведения обра-
зует сквозной канал, который позволяет реали-
зовать запись или воспроизведение звука в за-
висимости от потребности пользователя.
Механизм транспортировки носителя
(Рис. 4.1) обеспечивает основные режимы ра-
боты механических систем: стоп, рабочий ход,
ускоренную перемотку ленты вперед и назад.
Переключение режимов не должно приводить
к повреждениям носителя. Традиционный М.
т. н. с магнитной лентой содержит: ведущий
двигатель (Д) с приводом на тонвал, к которо-
му при помощи резинового ролика во время
рабочего хода прижимается лента носителя;
приемный и подающий узлы. Скорость и ста-
бильность движения носителя зависят от ско-
рости и стабильности вращения тонвала, свя-
занного с двигателем механической системой
передачи движения. Стабильное вращение по-
следнего независимо от колебаний механичес-
кой нагрузки обеспечивается или электронным
стабилизатором оборотов (ЭСО), или синхрон-
ным двигателем при питании от сети перемен-
ного тока. Приемный и подающий узлы долж-
ны наматывать и подавать ленту носителя с по-
стоянным натяжением независимо от диаметра
намотки ленты; варианты М. т. н. с двумя или
тремя двигателями дают возможность упрос-
тить механические системы и улучшить их ха-
рактеристики.
Параметрами аппаратуры магнитной
записи являются: отношение С/Ш — отноше-
ние среднеквадратического значения выходно-
го сигнала, который записывают с номиналь-
ным уровнем, к среднеквадратическому значе-
нию шума в паузе (типовые значения С/Ш со-
ставляют 26...56 дБ); детонация — искажение
звука при воспроизведении, вызванное ЧМ в
114
РАДИОТЕХНИКА
4.1. АППАРАТУРА МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ
диапазоне 0.1...300 Гц из-за нестабильности
скорости носителя, причем действие детона-
ции зависит от типа сигнала и частоты ЧМ —
от «плавания» звуков (частота ЧМ 1 ...5 Гц) до
хрипов и шумов (частота ЧМ — десятки герц);
диапазон частот, определяемый назначением и
группой сложности АМЗ, обычно от20... 100 Гц
до 5.. .22 кГц; дрейф скорости движения носи-
теля — медленные изменения его средней ско-
рости от начала намотки носителя на катушку
(кассету) до конца намотки (оценивается отно-
шением половины диапазона скоростей к сред-
нему значению скорости); коэффициент дето-
нации — взвешенное значение коэффициента
колебаний скорости носителя, при котором ча-
стотные составляющие умножают на коэффи-
циент, характеризующий чувствительность уха
к действию частот модуляции [1]; коэффици-
ент колебаний скорости движения носителя —
отношение колебаний скорости к ее среднему
значению (пиковый, квазипиковый, среднеква-
дратичный и др.); колебания скорости движе-
ния носителя — периодические или случайные
отклонения мгновенной скорости движения
носителя от ее среднего значения; частотно-
зависимые нелинейные искажения (см. ст. 4.2) —
коэффициент гармоник для частот f « fj/3,
определяется односигнальным или двухсиг-
нальным методом (методом биений) [2]; сред-
нее значение скорости носителя — скорость,
измеряемая за установленный интервал време-
ни (10... 100 с) в середине рулона носителя; ско-
рость носителя — скорость его перемещения
относительно головок (стандартами установле-
ны такие значения скоростей носителя: 2.38;
4.76; 9.52; 19.05; 38.1; 76.2; 152.4; 304.8 см/с).
Узлы аппарата магнитной записи со
сквозным каналом изображены на Рис. 4.1:
АС — акустическая система, встроенная или
выносная; ВУ — выходной усилитель мощнос-
ти. Измеритель уровня (ИУ) сигналов записи
или воспроизведения во время записи позволя-
ет обеспечить уровень нелинейных искажений
сигналов ниже допустимых, а при воспроизве-
дении служит индикатором наличия сигнала в
канале. Головка воспроизведения (ГВ) чаще
всего является индукционной, она дифферен-
цирует сигнал; АЧХ идеальной (без потерь) ГВ
имеет вид прямой (характеристика 1 на
Рис. 4.2). АЧХ головки с рабочим зазором 1.5
мкм в зависимости от скорости носителя изоб-
ражены на Рис. 4.2 кривыми 2—4. Индукцион-
ная головка записи (ГЗ) питается суммой токов
Рис. 4.2
записи и ВЧ подмагничивания. Если не учиты-
вать незначительных волновых потерь при за-
писи, то ГЗ обеспечивает независимость уров-
ня записи от частоты сигналов. Головка стира-
ния (ГС) формирует около своего рабочего за-
зора ВЧ поле, способное насытить прилегаю-
щий к зазору участок носителя. Знакоперемен-
ное поле со спадающей при отдалении носите-
ля от зазора ГС интенсивностью обеспечивает
стирание записи. Генератор стирания и подмаг-
ничивания (ГСП) питает переменным током ча-
стотой 80... 120 кГц ГС и током подмагничива-
ния ГЗ через смеситель (См), который предот-
вращает взаимное шунтирование источников
сигнала и подмагничивания своими выходны-
ми сопротивлениями. Усилитель воспроизве-
дения (УВ) корректирует и усиливает сигнал
от ГВ до уровня линейного выхода 4 (Рис. 4.1).
АЧХ УВ обратна АЧХ ГВ (Рис. 4.3) с учетом
предыдущих искажений в усилителе записи
(УЗ). Последний усиливает и коммутирует сиг-
налы от входов: 1 — микрофона (0.25 мВ), 2 —
линии (0.25 В) и 3 — трансляционного (10 В),
обеспечивая заданный уровень тока записи в
ГЗ. Для улучшения отношения С/Ш во время
записи в УЗ вводят предыскажения сигналов
— формируют небольшие подъемы АЧХ на НЧ
и ВЧ, зависящие от скорости носителя, кото-
рые потом компенсируют в АЧХ У В [1, 3, 4].
Эксплуатационные удобства: возмож-
ность временной приостановки для ручного ре-
гулирования оптимального уровня записи в ре-
жиме записи, когда прижимной ролик отведен
от тонвала и лента не движется; наличие счет-
чика ленты и связанной с ним системы поиска
Глава 4. ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЗВУКА
115
4.1. АППАРАТУРА МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ
заданного фрагмента записи; автоматов распоз-
навания типа ленты и т.п. В современной АМЗ
применяют различные системы шумоподав-
ления, назначением которых является улучше-
ние качества воспроизведения звука. Эти систе-
мы разделяют на два основных класса. К пер-
вому относят те, которые включаются только
при воспроизведении звука: DNL — динамиче-
ский ограничитель шума; DNR — динамичес-
кий подавитель шума. Системы второго класса
сжимают динамический диапазон при записи
звука (компрессоры) и расширяют его при вос-
произведении (экспандеры), это разновидности
системы Dolby и др. [1, 2, 4].
4.2. ЗАПИСЬ ЗВУКА МАГНИТНАЯ —
запись звука, осуществляемая пространствен-
ным изменением магнитного состояния носите-
ля под действием магнитного поля. Во время за-
писи носитель транспортируется вдоль головки,
в которой ток создает магнитное поле и намаг-
ничивает прилегающий к ней участок носителя.
Остаточная намагниченность создает фоно-
грамму. Во время воспроизведения звука фоно-
грамма перемещается вдоль головки воспроиз-
ведения, создавая в ней электрический сигнал.
Головка магнитная выполняет прямое и
обратное преобразование электрического сиг-
нала в магнитном поле. Индукционная Г. м. со-
стоит из двух полусердечников, на которых
расположены обмотки. Высота набора сер-
дечника определяет ширину дорожки записи.
В местах соединения полусердечников образу-
ются два зазора — передний (рабочий) и зад-
ний, из которых первый обеспечивает магнит-
ную связь Г. м. с носителем, а второй исполь-
зуется только во время записи звука для линеа-
ризации характеристик записи. Материал сер-
дечника имеет малые потери на ВЧ, большую
магнитную проницаемость, значительную из-
носостойкость к истиранию носителем, допус-
кает механическую обработку (шлифование).
Применяют пермаллои (ц ~ 20 000), железоа-
люминиевые сплавы (альфенол, р ~ 10 000),
железоалюминийкремниевые сплавы (сендаст,
р ~ 35 000), аморфные сплавы (р. ~ 5000) и фер-
риты (ц ~ 5000). Для обеспечения стабильнос-
ти и точности зазора, от которого зависят свой-
ства Г. м., его ширину фиксируют при помощи
металлической фольги, слюды, пластмассы, на-
пыленной пленки, слоя стекла.
Рассмотренную головку называют индук-
ционной, поскольку в ней при воспроизведе-
нии звука используется явление электромаг-
ЧкГц]
Рис. 4.3
нитной индукции е = -wdty/dt (см. ст. 1.9). Для
повышения отдачи Г. м. увеличивают число ее
витков w при минимальном по условиям проч-
ности диаметре провода. Зависимость остаточ-
ной намагниченности носителя J от мгновен-
ной напряженности магнитного поля Но изоб-
ражена на Рис. 4.4 для пяти значений ВЧ тока
подмагничивания /вч. Подмагничивание лине-
аризует процесс записи звука и увеличивает
отдачу Г. м. Зависимость остаточной намагни-
ченности J и нелинейных искажений kr от тока
подмагничивания /вч для трех значений токов
записи /3 показана на Рис. 4.5 [3].
Кроме рассмотренной обратимой (универ-
сальной) магнитной головки используют также
специализированные головки записи ГЗ и вос-
произведения ГВ (Рис. 4.1)
Искажения в аппаратуре магнитной за-
писи (АМЗ) [4] разделяют на линейные, нели-
нейные и искажения масштаба времени. По-
116
РАДИОТЕХНИКА
4.2. ЗАПИСЬ ЗВУКА МАГНИТНАЯ
следние присущи системе записи звука на по-
движный носитель. Линейные искажения в
АМЗ, в свою очередь, разделяют на волновые
(зависят от длины волны X на носителе) и час-
тотные (зависят от частоты сигнала).
К волновым искажениям относят: кон-
тактные искажения (потери) — спад АЧХ на
ВЧ из-за влияния немагнитного зазора между
поверхностями головок и носителя (вследст-
вие шероховатости поверхности носителя, да-
же при его прижимании к головке, эквивалент-
ный немагнитный зазор amin = 0.3... 1 мкм), ус-
редненные контактные искажения при записи
изображены на Рис. 4.6 кривой 1, при воспро-
изведении — кривой 2; угловые искажения
(потери) — спад АЧХ на ВЧ при воспроизве-
дении звука вследствие непараллельное™ ра-
бочих зазоров головки записи (ГЗ) и головки
воспроизведения (ГВ). Погрешность на угол ф
приводит к спаду АЧХ по закону sin х/х, где х
- b — ширина дорожки записи. Так,
при b = 2.2 мм и X = 10 мкм перекос на угол ф
= 10' уменьшает отдачу втрое. Для обеспече-
ния взаимозаменяемости фонограмм погреш-
ность угла установки головок не должна пре-
вышать нескольких минут. Юстировка голо-
вок осуществляют при помощи измеритель-
ной ленты (см. ст. 4.6). Волновыми искажени-
ями также являются: слоевые искажения (по-
тери) — спад АЧХ на ВЧ при воспроизведении
звука носителем со значительной толщиной
рабочего слоя d, связанные с различными ус-
ловиями работы поверхностных и глубинных
слоев носителя, отдача которых вследствие
контактных потерь уменьшается на ВЧ (кри-
вая 3 Рис. 4.6); щелевые искажения (потери)
— спад АЧХ на ВЧ, связанный с эффективной
шириной рабочего зазора 8 ГВ, описывают
щелевой функцией ДО) ~ sin(0.5Q8)/(0.5Q8)
(для 8^5 мкм имеет вид кривой 4 на Рис. 4.6);
искажения типа «змейки» — колебательный
характер АЧХ на НЧ при воспроизведении зву-
ка с длиной волны X, близкой к длине контакта
носителя с ГВ (сплошная кривая на Рис. 4.7).
Для уменьшения волнистости АЧХ (штриховая
линия на Рис. 4.7) ГВ закругляют, чтобы носи-
тель плавно удалялся от поверхности головки.
Линейные частотные искажения — спад
АЧХ на ВЧ/, вследствие энергетических по-
терь. Уровень этих искажений на порядок
меньше, чем от других источников.
Главным источником нелинейных искаже-
ний в АМЗ является процесс записи звука на
Рис. 4.6
магнитный носитель. Способ записи с ВЧ под-
магничиванием обеспечивает минимальные
нелинейные искажения по сравнению с други-
ми способами. Если во время записи звука па-
разитные постоянные магнитного поля отсут-
ствуют, а форма тока подмагничивания симме-
трична, то вследствие симметричности намаг-
ничивания носителя проявляются только не-
четные гармоники сигнала, из которых самой
сильной является третья. Из Рис. 4.4 видно,
Глава 4. ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЗВУКА
117
4.2. ЗАПИСЬ ЗВУКА МАГНИТНАЯ
что при фиксированном уровне сигнала фазы
третьей гармоники при малом и большом под-
магничиваниях противоположны, и этим объ-
ясняется наличие провалов на кривых £г(^вч)
Рис. 4.5, где третья гармоника скомпенсирова-
на. Уровень нелинейных искажений зависит от
типа носителя, толщины рабочего слоя, шири-
ны переднего и заднего зазоров и увеличивает-
ся с ростом частоты и уровня сигнала. При
этом уровень подмагничивания, оптимальный
для ку, всегда несколько меньше уровня, опти-
мального для отдачи звука.
Искажения масштаба времени вызывают-
ся разницей скоростей записи и воспроизведе-
ния сигнала. Периодические колебания скоро-
сти носителя связаны с отклонением формы
вращающихся деталей от окружности. В АМЗ
с прецизионной обработкой деталей преобла-
дают случайные колебания скорости носителя,
а их относительный уровень составляет около
0.1%. При воспроизведении сигнал приобрета-
ет ЧМ вследствие несовпадения скоростей за-
писи и воспроизведения, что на слух воспри-
нимается как специфические искажения — де-
тонация (см. ст. 4.1).
Подмагничивание — действие на носи-
тель вспомогательного магнитного поля для
улучшения характеристик записи. Существуют
несколько способов записи: на предварительно
размагниченный или предварительно намагни-
ченный носитель, с подмагничиванием носи-
теля постоянным или ВЧ переменным током, с
динамическим подмагничиванием носителя, с
его автоподмагничиванием. Подмагничивание
постоянным током применяют в диктофонах
невысокого класса и при цифровой записи.
При высокочастотном подмагничивании коле-
бания с частотой подмагничивания приводят к
повышению чувствительности и улучшению
линейности процесса намагничивания. При
динамическом подмагничивании его уровень
автоматически подстраивается под оптималь-
ное значение, которое зависит от спектрально-
го состава записываемого сигнала. Автопод-
магничивание происходит во время записи сиг-
налов с широким спектром (например, ЧМ ви-
деозапись), при которой ВЧ составляющие иг-
рают роль подмагничивающих для других со-
ставляющих спектра.
Помехи в аппаратуре магнитной записи
(АМЗ) разделяют на мультипликативные
(пассивные) и аддитивные (активные, см. ст.
1.10). Мультипликативную составляющую
шума, пропорциональную абсолютному зна-
чению сигнала, называют модуляционным шу-
мом. В зависимости от физических причин
различают структурный шум, порожденный
дискретной структурой и неоднородностью
магнитных частиц носителя, и контактный,
вызываемый флуктуацией конструктивных па-
раметров тракта (в первую очередь неконтак-
том носителя как с головкой записи, так и с го-
ловкой воспроизведения). Модуляционные
шумы приводят к паразитной AM сигнала.
Появление пыли, грязи или немагнитных час-
тиц диаметром 5...20 мкм на поверхности но-
сителя приводит к выпадению сигнала —
уменьшению уровня отдачи на 40...60 дБ.
Спектр модуляционного шума выражен от ну-
ля до нескольких килогерц.
Относительный уровень шума носителя,
намагниченного до насыщения, составляет
26...30 дБ. Минимальный шум имеет новая
лента без записи. Если на ленту действовало
только подмагничивание, то шум при воспро-
изведении звука называют шумом паузы.
Этот шум возникает во время записи звука
вследствие воздействия паразитных магнит-
ных полей (Земли, намагниченных деталей).
Шум паузы превышает шум новой ленты на
2...5 дБ.
К аддитивным помехам в АМЗ принадле-
жат: шум усилителя — шум воспроизведения
звука, который при многодорожечной записи и
минимальных скоростях носителя только на
2.. .3 дБ меньше шума новой ленты (для умень-
шения этого шума во входных каскадах АМЗ
используют малошумящие транзисторы в мик-
ротоковых режимах и исключают из схем эле-
ктролитические конденсаторы), усилитель за-
писи значительного шума не вносит, поскольку
работает с сигналами достаточно высокого
уровня; переходные помехи от параллельных
дорожек записи, которые зависят от расстоя-
ния между дорожками и частоты звука; внеш-
ние помехи и наводки от двигателей и транс-
форматоров (магнитные), от высоковольтных
цепей (электрические); копирэффект — пара-
зитная перезапись от соседних витков ленты,
намотанной в рулон. Уровень копирэффекта
зависит от длины волны, толщины рабочего
слоя и основы носителя, времени контакта вит-
ков в рулоне, типа носителя, температуры и
др.; относительный уровень копирэффекта со-
ставляет 50...58 дБ, его действие проявляется
на слух как эхо.
118
РАДИОТЕХНИКА
4.5. ЗАПИСЬ ЗВУКА ЦИФРОВАЯ
4.3. ЗАПИСЬ ЗВУКА МЕХАНИ-
ЧЕСКАЯ — запись, при которой информация
определяется отклонением траектории непре-
рывной канавки относительно ее среднего по-
ложения на поверхности твердого носителя.
Для удобства пользования носитель имеет
форму диска (грампластинка) со спиральной
канавкой. Форма сечения канавки — треуголь-
ная с углом раскрыва 90 ± 2°. В стереопластин-
ках ширина канавки меняется от 35 до 100
мкм. Для воспроизведения звука используют
корундовые или алмазные иглы с радиусом за-
кругления 13... 18 мкм. Во время звукозаписи
учитывают три фактора: на НЧ наибольшая
амплитуда смещения не должна превышать
шаг канавки; на ВЧ крутизна канавки должна
быть ограниченной, чтобы не было поврежде-
ний канавки боковой поверхностью резца;
кривизна траектории канавки ограничивается
условием огибания гребня иглой при воспро-
изведении звука. АЧХ тракта записи (зависи-
мость колебаний скорости резца V от частоты
У) изображена ломаной линией 1 на Рис. 4.8.
Реально такую характеристику формируют це-
пью с тремя постоянными времени: = 180
мкс, т2 = 318 мкс и т3 = 75 мкс (кривая 2); АЧХ
тракта при воспроизведении звука должна
быть обратной (кривая 3).
Перекос или тупая игла при воспроизведе-
нии звука, нелинейность характеристик меха-
нических узлов во время записи и воспроизве-
дения приводят к нелинейным искажениям
сигналов. Помехи и шумы механической зву-
козаписи зависят от царапин и дефектов канав-
ки, механических вибраций движка (рокот), а
также ударов, которые воспринимают игла и
головка. Допустимая неравномерность скоро-
сти движения носителя зависит от группы
сложности электропроигрывателя.
4.4. ЗАПИСЬ ЗВУКА ФОТОГРАФИЧЕ-
СКАЯ — запись, при которой носителем ин-
формации является фотопленка. Во время за-
писи сообщение модулирует ширину (реже —
оптическую плотность) узкого светового лу-
ча, который проецируется на пленку. После
фотообработки последней получают фоно-
грамму. При воспроизведении пленку просве-
чивают узким лучом света, который затем на-
правляют на фотоэлемент. Во время движения
пленки световой луч модулируется по закону
записанного сообщения. Оптическую запись
применяют для моно- и стереозвукового со-
провождения в кинематографии, где фотооб-
работка фонограмм и кинокадров является
единым процессом.
4.5. ЗАПИСЬ ЗВУКА ЦИФРОВАЯ — за-
пись и воспроизведение информации в виде
двоичных символов, в которые преобразуется
сообщение. Благодаря разработанным средст-
вам надежной и помехоустойчивой записи и
воспроизведения двоичных последовательнос-
тей искажения и помехи всего тракта зависят в
основном от АЦП и ЦАП, качество которых
может быть доведено до достаточно высокого
уровня подбором параметров преобразования
(см. ст. 25.1, 25.27). Помехоустойчивость обес-
печивается применением помехоустойчивых
кодов, способных обнаружить и исправить
две-три ошибки на кодовое слово (см. ст. 6.8).
Присущие подвижным носителям дефекты ра-
бочего слоя, вызванные воздействием пыли
или грязи, приводят к пакетным ошибкам, наи-
большие из которых достигают нескольких ты-
сяч символов (см. выпадания — ст. 4.2). Если
интервал перестановки при помехоустойчивом
кодировании превышает длину ошибки, то по-
сле операции, обратной перестановке, пакет-
ная ошибка будет составлять одну-две ошибки
на кодовое слово и может быть исправлена.
Разработаны оптические и магнитные системы
цифровой записи звука.
Оптическая цифровая звукозапись осу-
ществляется с применением компакт-дисков
— пластинок из прозрачного материала тол-
щиной 1 мм, диаметром 120 мм, с централь-
ным отверстием 30 мм. Цифровая последова-
тельность отображается в виде микроуглубле-
ний на 0.12 мкм овальной формы, шириной
0.4 мкм и длиной 0.8 мкм, которые образуют
Глава 4. ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЗВУКА
119
4.5. ЗАПИСЬ ЗВУКА ЦИФРОВАЯ
спиральную дорожку, начиная с минимального
диаметра 46 мм и заканчивая максимальным
диаметром 116 мм с шагом 1.6 мкм, т.е. всего
625 дорожек на 1 мм радиуса. Для воспроизве-
дения звука луч лазера, который проходит
сквозь прозрачную основу пластинки, фокуси-
руется на дорожке до диаметра 1 мкм и поэто-
му от ровной поверхности отражается полно-
стью, а от углубления рассеивается и после
считывания отраженного луча светодиодами
воспроизводится как логические единица или
нуль. На нижней поверхности пластинки диа-
метр расфокусированного луча равен 1 мм, по-
этому пыль и царапины на воспроизведение не
влияют. Поверхность пластинки покрывают
лаком для защиты от механических поврежде-
ний. Воспроизведение звука происходит с ли-
нейной скоростью 1.25 м/с, что соответствует
частоте вращения пластинки от 500 мин-1 в на-
чале воспроизведения по внутренней дорожке
до 200 мин-1 в конце.
Кроме звукового стереосигналала, на пла-
стинку записывают название произведения,
данные его авторов и исполнителя, порядко-
вую и временную разметки фрагментов, син-
хросигналы и импульсы помехоустойчивой
обработки (их число составляет приблизи-
тельно 30% от информационных), что обу-
славливает суммарный поток в 1.3 Мбит/с.
Из-за высокой плотности записи даже преци-
зионной точности современной механики не-
достаточно, поэтому вводят такие следящие
системы: фокусирование луча, обеспечиваю-
щее постоянное расстояние между дорожкой
и объективом с точностью 0.5 мкм при бие-
нии по вертикали 0.5 мм; перемещение луча
вдоль радиуса и слежения за дорожкой с точ-
ностью 0.1 мкм при биении по радиусу 50
мкм; стабилизацию линейной скорости вос-
произведения звука.
Параметры цифровой системы: диапазон
частот — 20 Гц...20 кГц с неравномерностью
до 0.5 дБ; динамический диапазон — не менее
90 дБ; отношение С/Ш — не менее 90 дБ; кг <
0.005%; длительность звучания — 60 мин.
В цифровой магнитной звукозаписи для
обеспечения указанных параметров следует
расширить ПП приблизительно на два порядка
по сравнению с аналоговой записью. Чтобы
обеспечить это требование без увеличения ско-
рости носителя, даже при зазорах головок в до-
ли микрометра и носителях с тонким рабочим
слоем, приходится применять или многодоро-
жечные неподвижные головки, или вращаю-
щиеся головки, как при записи ТВ сигналов
(см. ст. 5.12). Каждый из этих вариантов нахо-
дит применение, для чего разработано несколь-
ко форматов — совокупностей технических
средств, которые обеспечивают взаимозаменяе-
мость фонограмм: формат DASH — для про-
фессиональной аппаратуры на магнитных ка-
тушках с неподвижными многодорожечными
головками и шагом записи 0.5 мм при ширине
дорожки 0.24 мм на лентах шириной 6.25, 12.7
и 25.4 мм; формат S-dat — для бытовых магни-
тофонов на компакт-кассетах с лентой шириной
3.8 мм и неподвижными головками на 20 дорож-
ках (ширина дорожки — 65 мкм, промежутка —
15 мкм, скорость носителя — 4.76 см/с, длитель-
ность звучания одной кассеты — 90 мин); фор-
мат R-dat — на кассетах уменьшенного размера
с подвижными головками, размещенными на
барабане диаметром 30 мм, четверть которого
огибает лента (построчная запись позволяет
увеличить плотность до 90 дорожек на 1 мм;
чтобы избавиться от взаимовлияния сигналов
дорожек, запись на соседние дорожки осуществ-
ляют подвижными головками с наклоном ±20°
к вертикали, попеременно).
Основное преимущество Ц.м.з. относи-
тельно аналоговой магнитной записи (АМЗ)
заключается в более высоких качественных
показателях.
Отношение С/Ш паузы при АМЗ определя-
ется шумами лент, головок, УВ и с учетом мо-
дуляционного шума составляет 30.. .40 дБ. При
Ц.м.з. это отношение определяется только па-
раметрами АЦП и при принятом 16-разрядном
кодировании составляет 90 дБ.
Искажения АЧХ при АМЗ определяются
частотной характеристикой всего тракта запи-
си—воспроизведения и возможностями ее кор-
рекции, а при Ц.м.з. только частотной характе-
ристикой аналоговых усилителей. Это позво-
ляет обеспечить неравномерность АЧХ не бо-
лее ±0.5 дБ в полосе частот до 20 КГц, в то вре-
мя как при АМЗ она составляет ±3 дБ. Анало-
гичная ситуация складывается при сравнении
нелинейных искажений аналоговой и цифро-
вой записи: процесс намагничивания при
Ц.м.з. не вносит нелинейных искажений в зву-
ковой сигнал, так как последний является циф-
ровым и искажения его формы не сказываются
на декодировании. Коэффициент гармоник оп-
ределяется только входным и выходным анало-
говыми усилителями и может быть снижен до
120
РАДИОТЕХНИКА
4.8. ЭЛЕКТРОПРОИГРЫВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
сотых долей процента, тогда как в лучших ана-
логовых магнитофонах kr= 1.. .3%.
Важными достоинствами Ц.м.з. являют-
ся: стабильность характеристик; отсутствие
детонации, которое достигается за счет ком-
пенсации при асинхронной записи и син-
хронном считывании цифровых сигналов; от-
сутствие накопления помех и искажений вы-
ходного сигнала при перезаписи; возмож-
ность использования помехоустойчивого ко-
дирования для уменьшения межсимвольной
интерференции, характерной при высокой
плотности записи.
Кроме специальных цифровых магнитофо-
нов, для записи звука используют видеомагни-
тофоны, оборудованные специальными при-
ставками, в которых непрерывный цифровой
поток приобретает ТВ структуру с промежут-
ками для синхроимпульсов. Такая приставка
относительно дешева, но видеомагнитофон
обеспечивает ПП 5...6 МГц при том, что до-
статочно полосы 1...2 МГц, поэтому расходу-
ется больше ленты.
4.6. НОСИТЕЛЬ ЗВУКОЗАПИСИ МАГ-
НИТНЫЙ — носитель, в котором информа-
ция фиксируется соответствующим уровнем
остаточной намагниченности. Подвижные но-
сители бывают твердыми — барабаны и дис-
ки, на которых записывают цифровой сигнал в
ЭВМ, и гибкими — ленты и проволока. По-
следнюю применяют в случае жестких усло-
вий эксплуатации аппаратуры магнитной запи-
си. Для бытовой записи звука используют
только ленту, которая состоит из основы для
придания носителю прочности и рабочего слоя
магнитного вещества. Ленты отличаются меж-
ду собой: по назначению (А — звуковая, Т —
видео, И — для точной записи, В — для циф-
ровой записи); по материалу основы (2 — диа-
цетилцеллюлоза, 3 — триацетилцеллюлоза, 4
— лавсан и т.п.), по материалу рабочего слоя
(гамма-окись железа, феррит кобальта, диок-
сид хрома, чистое железо); по толщине рабоче-
го слоя; ширине пленки; наличию перфорации.
Для катушечной аппаратуры магнитной за-
писи (АМЗ) ленты всех типов и назначений
выпускают на сердечниках и катушках рабо-
чим слоем внутрь, для кассетной аппаратуры
звуко- и видеозаписи — на кассетах рабочим
слоем наружу. В кассете пленка механически
защищена, меньше опасность механических
повреждений магнитного слоя. Настройка
АМЗ обеспечивается специальными измери-
тельными лентами: типа В — для установле-
ния головок относительно ленты; типа У —
для регулирования уровня воспроизведения;
типа Ч — для регулировки АЧХ при воспроиз-
ведении и установке угла наклона головок; ти-
па Д — для измерения детонации.
4.7. ЭЛЕКТРОПРОИГРЫВАТЕЛЬ БЫ-
ТОВОЙ — конструктивно и эксплуатационно
автономное устройство, предназначенное для
воспроизведения механической записи сигна-
лов. В его состав входят электропроигрываю-
щее устройство (см. ст. 4.8) и усилитель-кор-
ректор, который корректирует сигнал в соот-
ветствии с кривой 3 на Рис. 4.8, усиливая его
до стандартного уровня 0.25...0.4 В.
4.8. ЭЛЕКТРОПРОИГРЫВАЮЩЕЕ УС-
ТРОЙСТВО — конструктивно автономный,
эксплуатационно неавтономный функциональ-
ный узел для воспроизведения механической
записи, предназначенный для работы в составе
бытовой звуковоспроизводящей аппаратуры
(электрофона, электропроигрывателя, радио-
лы). Основные составные части — механизм
вращения диска, тонарм с закрепленным звуко-
снимателем, шасси с мягкой амортизацией для
уменьшения механических воздействий и мик-
рофонного эффекта звукоснимателя.
Звукосниматель — устройство, которое
преобразует механическое колебание иглы в
электрический сигнал. По типу преобразова-
ния сигнала 3. делятся на магнитные, пьезоэле-
ктрические, оптические, полупроводниковые и
т.д. Наиболее распространенными является
магнитный 3. с подвижными катушками или
магнитом. При этом мгновенное значение эле-
ктрического сигнала пропорционально скоро-
сти колебания иглы.
Механизм вращения диска — механизм,
который обеспечивает постоянную частоту вра-
щения 33 1/3 и 45 мин-1 и состоит из массивно-
го диска-маховика с резиновой накладкой для
установки пластинки, электродвигателя посто-
янного или переменного тока и промежуточ-
ных элементов передачи движения от двигате-
ля к диску (фрикционных роликов, резиновых
пассиков). В аппаратах высокой группы слож-
ности используют малооборотные электродви-
гатели с диском непосредственно на вале.
Тонарм — несущая конструкция для за-
крепления звукоснимателя. Т. обеспечивает
плавный ход звукоснимателя по горизонтали
(вдоль радиуса пластинки и по канавке) и по
вертикали при возможном биении пластинки.
Глава 4. ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЗВУКА
121
4.8. ЭЛЕКТРОПРОИГРЫВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
По конструкции Т. делятся на поворотные и
тангенциальные. Поворотный Т. для легкости
и жесткости делают трубчатой конструкции,
закрепляют возле одного конца при помощи
двойного шарнира. Во время работы поворот-
ный Т. движет иглу не по радиусу пластинки, а
по дуге, близкой к радиусу, что вызывает не-
значительное искажение сигнала. Поэтому в
аппаратах высокой группы сложности приме-
няют тангенциальный Т., который движется
плоскопараллельно и обеспечивает движение
иглы точно вдоль радиуса пластинки. Танген-
циальный Т. сложнее поворотного и требует
автоматического управления.
К вспомогательным устройствам электро-
проигрывателя относят: устройство подстрой-
ки частоты вращения с индикатором; автостоп
с отведением иглы; микролифт для плавного
опускания и поднятия звукоснимателя; устрой-
ство фиксации тонарма в нерабочем состоянии.
4.9. ЭЛЕКТРОФОН БЫТОВОЙ — кон-
структивно и эксплуатационно автономное ус-
тройство, предназначенное для воспроизведе-
ния механической записи, а также фонограмм
от внешнего магнитофона, РПрУ или трансля-
ционной сети. Кроме электропроигрывающего
устройства и усилителя-корректора Э. б. со-
держит усилитель мощности с регулированием
уровня и тембра, а также встроенные или вы-
несенные акустические системы.
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Гитлиц М.В. Магнитная запись сигнала. — М.: Радио и связь, 1990. — 225 с.
2. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. — М.: Мир, 1991. — 431 с.
3. Бугров В.А. Теория фонограмм. — М.: Искусство, 1984. — 302 с.
4. Справочник по технике магнитной записи / Под ред. О.В. Порицкого, Е.Н. Травникова. — К.:
Техшка, 1981. — 316 с.
122
РАДИОТЕХНИКА
ГЛАВА 5
ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ
ИЗОБРАЖЕНИЙ
• Остановись, мгновенье, ты — прекрасно!
И. В. Гете
• Любая запись — это в конечном счете
результат преобразования временных
изменений сигналав пространственные
изменения носителей памяти:
механических, магнитных,
электрических, оптических.
• Основные технические решения
построения видеомагнитофонов:
частотная модуляция
сигналов и поперечно-строчечная
магнитная запись
(КЛ Юсупов, СССР, 1932 г.).
• Аналоговый видеомагнитофон
(Ч.П. Гинзбург, Ч.Б. Андерсон,
Р. М. Долби «Атрех», США, 1956 г.).
• Цифровой цветной видеомагнитофон
(«Атрех», США, 1978 г.)
• Сравнение параметров
видеомагнитофонов: —
первая модель AVR-1 (США) — масса 1 т,
габаритные размеры 2x1.5x0.8 м,
потребление 3.5 кВт, продолжительность
воспроизведения 30 мин;
— современный средний камкодер
(магнитофон, совмещенный с камерой) —
масса 0.8 кг, габаритные размеры
20x10x15см,
потребление 10 Вт, продолжительность
воспроизведения 4 ч.
Запись и воспроизведение ТВ сообщений —
процесс запоминания телевизионных сиг-
налов с целью восстановления их в заданном
масштабе времени. Большинство способов ре-
ализации пригодны также для записи других
широкополосных сигналов — телеметричес-
ких, радио- и гидролокационных, специфика
которых изложена в гл. 3, 14, 18, 22, 24, 27. В
соответствии со способом представления сиг-
нала различают аналоговую и цифровую ви-
деоаудиозапись, обработку и соответствующие
устройства.
В системах видеозаписи, как и в системах
звукозаписи, в качестве носителей информа-
ции применяются магнитная лента и компакт-
диск (CD). С обоими носителями связаны об-
щие технические проблемы: широкополос-
но сть и обработка ВЧ компонентов спектра те-
левизионного сигнала, визуальная заметность
искажений временного масштаба и шумов [1].
Полный цветовой телевизионный сигнал
(ПЦТС) занимает интервал частот 20...6.5106
Гц. Он в 300 раз шире спектра звуковых сооб-
щений, и непосредственная запись ПЦТС по-
ка что невозможна. Поэтому спектр ТВ сигна-
ла подвергают предварительной компрессии и
переносят по частоте вверх, где относитель-
ное сжатие больше. Для устранения помех па-
разитной амплитудной модуляции используют
глубокое (до 60 дБ) ограничение сигнала
(см. ст. 24.16). В видеотехнике применяют ча-
стотную модуляцию сигнала на несущей час-
тоте fQ полным цветовым телевизионным сиг-
налом с малым (0.1) значением индекса ЧМ и
соизмеримыми значениями/) и частоты моду-
ляции F3, а именно: fdF3 = 1.1. В результате
ЧМ становится узкополосной, значит, на уз-
ком интервале АЧХ тракта — плоской, ФЧХ
— линейной, а в спектре ЧМ сигнала отсутст-
вуют трудные для записи высокочастотные
компоненты.
Глава 5 ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ
123
ГЛАВА 5
Для устранения зубчатых искажений верти-
кальных линий изображения (см. ст. 5.4) допус-
тимая относительная нестабильность скорости
движения носителя не должна превышать 10"4,
что на порядок меньше, чем в лучших аудио-
магнитофонах. Шумы НЧ обусловливают мер-
цание изображений, шумы ВЧ — размывание
линий, ухудшенное различение мелких деталей.
Для записи/воспроизведения сигналов нужен
широкополосный усилительный тракт в полосе
частот телевизионного сигнала 6.5 МГц с при-
веденным ко входу уровнем шума в единичной
полосе 1 Гц, равным 0.01 мкВ. Следовательно,
техника видеозаписи намного сложнее, чем тех-
ника аудиозаписи.
Ознакомление с содержанием главы целе-
сообразно в порядке изложения статей.
5.1. АВТОТРЕКИНГ (от англ, track — до-
рожка ) — совмещение видеоголовки (ВГ) ви-
деомагнитофона (ВМ) со строчками записи
при воспроизведении с целью уменьшения
или ликвидации промежутков между строчка-
ми р (например, формат Beta, см. ст. 5.2, 5.9 и
5.12, «Формат ЦМВ»), т.е. максимального уп-
лотнения информации на носителе, и для по-
вышения отношения сигнал/шум. При этом
удается уменьшить ширину строчки записи Т
и, следовательно, объем расхода магнитной
ленты за единицу времени Vt= VrnTd, где Игл —
линейная скорость ВГ относительно ленты;
d — толщина магнитного слоя носителя. В ре-
зультате значительно сокращаются массогаба-
ритные показатели ВМ. Автотрекинг поддер-
живает максимальный уровень ЧМ сигнала
благодаря размещению ВГ на подвижном пье-
зопреобразователе напряжения (тока) в меха-
ническое смещение. В процессе слежения
видеоголовка смещается пропорционально
уровню управляющего сигнала, мгновенное
значение которого связано с отклонением ВГ
от строчки записи. Анализ направления сме-
щения (сдвига) видеоголовки реализуют од-
ним — четырьмя поисковыми сигналами, ко-
торые записывают в каждой строчке вместе с
видеосигналом на существенно разнесенных
частотах.
Принципы автотрекинга для аналоговой и
цифровой видеозаписи подобны.
5.2. АНАЛОГОВАЯ МАГНИТНАЯ ВИ-
ДЕОЗАПИСЬ (АМВ) — распространенный
способ записи видео- и, в частности, телеви-
зионных сообщений. Для воспроизведения
сигнала в полосе ТВ частот П = FB - FH ~ 6
МГц при ширине d = 2 мкм рабочего зазора
видеоголовки (ВГ) необходима относительная
скорость ВГ — лента Игл = IIJ ~ FBd = 12 м/с,
что нереально по затратам ленты. С другой
стороны, во время считывания сообщений ви-
деоголовкой ее ЭДС уменьшается с пониже-
нием частоты, поэтому на НЧ уровни сигнала
и шума становятся соизмеримыми. Сжатие
диапазона частот и смещение спектра ТВ сиг-
нала вверх, о которых упоминалось в начале
настоящей главы, повышают отношение С/Ш,
оптимизируют ток подмагничивания для все-
го спектра частот сообщений и снижают мо-
дуляционные помехи тракта. Необходимую
для воспроизведения высокочастотных ком-
понентов спектра скорость Игл (по крайней
мере, один период ВЧ сигнала на ширину d
зазора ВГ) реализуют быстрым вращением
барабана с ВГ вокруг наклонной (к направле-
нию движения ленты) оси, с медленным про-
тягиванием ленты вдоль поверхности бараба-
на (см. Рис. 5.3). Вращающийся барабан с ВГ
формирует на поверхности ленты намагни-
ченные наклонные строчки под углом 0 =
2.5...6° к ее краю (Рис. 5.1), а неподвижные
головки записи звука, стирания и управления
создают дорожки — магнитный след вдоль
ленты (см. ст. 5.9). Так получают наклонно-
строчечную и продольно-дорожечную сигна-
лограммы. Длина видеострочки ограничена
шириной А ленты и конструкцией устройства
ее протяжки. Длина дорожки определяется
продолжительностью программы записи, раз-
мерами видеокассеты с лентой и т.п.
Структура типового канала изображения
видеомагнитофона описана в ст. 5.6.
Запись программ телевидения высокой
четкости (ТВЧ, см. ст. 22.9) осуществляют
принятием ряда дополнительных, существен-
но усложняющих технических мер.
Рис. 5.1
124
РАДИОТЕХНИКА
5.3. ВИДЕОМАГНИТОФОН
1. Повышают частоту ЧМ несущей, при
этом ослабляют перекрестные помехи между
соседними строчками и помехи видеосигналу
со стороны сигнала цветности и ЧМ сигнала
звука. Подмагничиванием достигают увеличе-
ния уровня этих сигналов.
2. Увеличивают девиацию ЧМ несущей,
чем повышают отношение сигнал/шум сигнала
яркости. Например, в формате Beta для видео-
записи программ ТВЧ на 12.7-миллиметровой
металлопорошковой ленте с разрешающей
способностью по горизонтали не менее 500
строк принята более широкая полоса частот
ЧМ сигналов записи: от 6.8 МГц на участке
уровня черного до 8.6 МГц на участке уровня
белого.
3. Выделяют корреляцию по вертикали
сигналов цветности и яркости и соответствен-
но переключают гребенчатый фильтр. Резуль-
тат — уменьшение перекрестных искажений
яркость — цветность (см. ст. 22.7), точечных
помех, искажений цвета и яркости по вертика-
ли. Для устранения расплываний цвета по вер-
тикали, вызванных перекрестными помехами
от соседних строчек при воспроизведении,
корректируют характеристику гребенчатого
фильтра на участках изображения, не имею-
щих корреляции по вертикали.
4. Достигают высокой равномерности ха-
рактеристики группового времени задержки
сигнала и линейности амплитудной характери-
стики, чем сокращают геометрические искаже-
ния и размазывание цветов, уменьшают шумы
и нелинейные искажения, увеличивают разре-
шающую способность в цвете.
5. В лентопротяжном механизме устанав-
ливают стабилизаторы положения ленты —
большие направляющие ролики, благодаря ко-
торым подавляют дрожание изображения,
уменьшают нестабильность фазы сигнала
цветности и ослабляют ударные искажения от
соприкосновения полюсных наконечников го-
ловки с лентой.
Формат АМВ (Рис. 5.1) — способ распо-
ложения строчек и дорожек на ленте (см. ст.
5.9), структура видеофонограммы аудиовизу-
альных процессов, специфика конструкции
видеомагнитофона (ВМ). Наиболее известны-
ми форматами АМВ на полудюймовой ленте
являются: VHS (Video Home System), Beta и
V-2000. Первый при переключении кодирую-
щих блоков ВМ является универсальным для
трех систем цветного телевидения (см. ст.
22.7); размеры кассеты — 188 х 104 х 25 мм;
продолжительность программ — до 240 мин.
Формат Beta не имеет междустрочечных про-
межутков (р = 0) даже при самой малой ско-
рости протяжки ленты, а кассета размерами
156 х 96 х 25 мм вмещает программу продол-
жительностью до 195 мин. Формат V-2000 от-
личается минимальной шириной строчки Т
благодаря высококачественному автотрекингу
(см. ст. 5.1) и протяжкой ленты с использова-
нием половины ширины (дважды вперед/на-
зад). При размерах кассеты 183 х ПО х 26 мм
запись в одну сторону занимает ширину АН по-
лудюймовой ленты, а максимальная продолжи-
тельность программы составляет 2 х 240 мин.
В современных восьмимиллиметровых форма-
тах (А = 8 мм) сокращение затрат ленты дости-
гается уменьшением скорости ее протяжки Кл,
сокращением ширины рабочей зоны И7, пре-
дельной длины волны Xmin и ширины строчек Г
записи при отсутствии междустрочечных про-
межутков. Целью введения этих мер является
миниатюризация камкодеров — устройств, со-
четающих в единой конструкции передающую
камеру (см. ст. 22.11) и видеомагнитофон.
5.3. ВИДЕОМАГНИТОФОН (ВМ) — ус-
тройство запоминания и считывания видео- и,
в частности, телевизионных сигналов изобра-
жения и звука с помощью видеофонограммы
на магнитной ленте. Видеомагнитофон экс-
плуатируется совместно с телевизором или
монитором. Родственные устройства: видео-
камера (камкодер) — ВМ с передающей каме-
рой (см. ст. 22.11); видеодвойка — ВМ с теле-
визором (см. ст. 22.10). Известны ВМ: с несег-
ментной записью (одно поле ТВ сигнала
(см. ст. 22.5) на одну строчку записи); с сег-
ментной записью (часть поля ТВ сигнала на
одну строчку), а также одно-, двух-, четырех-
головочные — по числу видеоголовок (ВТ) на
барабане. Современный ВМ осуществляет
наклонно-строчечную запись, при которой
строчки расположены под углом к направле-
нию движения ленты. Запись производится
последовательно двумя и более видеоголовка-
ми. При увеличении их числа изображение ос-
вобождается от горизонтальных полос — по-
лосатости (см. ст. 5.4), так как каждая следую-
щая ВТ плавно (с перекрытием во времени)
продолжает запись строчки сообщения. Ос-
новные функциональные части ВМ: лентопро-
тяжный механизм (ЛПМ, см. ст. 5.7) с блоком
вращающихся ВТ и с цепями автотрекинга
(см. ст. 5.1); канал звука (см. ст. 5.5); канал изо-
бражения (см. ст. 5.6).
Глава 5. ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ
125
5.4. ИСКАЖЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ
5.4. ИСКАЖЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ.
Геометрические искажения — это изменение
пропорций изображения, иначе — отклонение
координат точек синтезированного изображе-
ния от координат соответствующих точек ана-
лизируемого. Они вызваны несовершенством
временных характеристик тракта. К ним отно-
сят: искривления прямых вертикальных линий
изображения — гребенчатые искажения, на-
званные так по их очертаниям (причина - экс-
центриситет барабана видеоголовок, ВГ), зуб-
чатые искажения (причина — разный эксцен-
триситет во время записи и при воспроизведе-
нии сигналов). Квадратурные искажения пре-
вращают вертикальную прямую оригинала в
гребенчатую синусоиду изображения (причина
— разброс геометрических размеров блоков
вращающихся головок при воспроизведении
относительно записи). Муар — рябь на вос-
производимом изображении возникает из-за
интерференционных помех в сигнальных це-
пях видеоголовок, полосатостъ — видимый
раздел изображения на горизонтальные поло-
сы, появляется во время сегментной записи
сигналов (см. ст. 5.3).
5.5. КАНАЛ ЗВУКА ВИДЕОМАГНИ-
ТОФОНА (ВМ) аналогичен каналу звукового
сопровождения телевизионного приемника
после видеодетектора (см. ст. 22.10). Его
структура подобна описанной в ст. 4.1. При
узких по сравнению с аудиомагнитофонами
звуковых дорожках (0.3 мм) и малой скоро-
сти движения ленты (2 см/с) с тонким рабочим
слоем (единицы микрометров), связанных с
миниатюризацией ВМ, параметры каналов
звука прежних бытовых ВМ были невысоки-
ми. Поэтому в новых моделях ВМ используют
способы цифровой звукозаписи с импульсно-
кодовой модуляцией и звукозаписи с ЧМ в ви-
деоканале. При этом канал записи/воспроизве-
дения является общим для сигналов звука и
изображения (см., например, ст. 5.12): полный
цифровой поток сообщений записывают в каж-
дую строчку формата цифровой магнитной за-
писи общими вращающимися видеоголовками
[1,2]. Наибольшее распространение эти спосо-
бы получили в видеокамерах (камкодерах).
5.6. КАНАЛ ИЗОБРАЖЕНИЯ ВИДЕО-
МАГНИТОФОНА (ВМ) показан на Рис. 5.2.
В режиме записи (3) (Рис. 5.2, а) часть полно-
го цветового телевизионного сигнала ПЦТСВХ
после цепи АРУ 1 и ФНЧ 2 с частотой среза 3
МГц (выделение сигнала яркости) поступает в
ЧМ генератор 3 и модулирует сигнал его несу-
щей частоты от 3.8 МГц (уровень синхроим-
пульсов) до 4.8 МГц (уровень белого, см. ст.
22.4). Из спектра ЧМ сигнала яркости исполь-
зуют нижнюю боковую полосу частот 1.2.. .2.8
МГц, а НЧ компоненты подавляют фильтры
ВЧ 4 (частота среза 1.2 МГц), оставляя место
для записи сигналов цветности. Последние
выделяют из ПЦТСВХ полосовым фильтром 5 с
полосой 0.8 МГц (3.9...4.7 МГц), далее смеси-
телем 6 переносят в диапазон частот 0.3... 1.16
МГц и после ФНЧ 7 с частотой среза 1.16 МГц
подают на сумматор 8, где их складывают с сиг-
налом яркости при одновременном внесении
ВЧ предыскажений. Сигналы яркости и цветно-
сти, которые вместе занимают диапазон частот
0.3.. .4.7 МГц, подводят к видеоголовкам (ВГ) 9
для записи (режим 3).
В режиме воспроизведения (В) считанные с
видеоголовок 9 сигналы с ЧМ разделяют
фильтрами НЧ 13 и ФВЧ 10 (Рис. 5.2, б) соот-
ветственно на цветовую и яркостную части.
Первую смесителем 14 возвращают в диапазон
3.9.. .4.7 МГц и после полосового фильтра 15
подают на корректор-сумматор 16. Канал ярко-
сти содержит компенсатор выпадений сигнала
11 и ЧМ детектор 12. После корректора-сумма-
тора 16 ПЦТСВЫХ сформирован для подачи на
видеомонитор.
Приведенные частотные параметры могут
иметь и иные значения.
5.7. ЛЕНТОПРОТЯЖНЫЙ МЕХА-
НИЗМ (ЛПМ) — сложный электромеханичес-
кий узел, основная часть видеомагнитофона.
126
РАДИОТЕХНИКА
5.8. ПРОИГРЫВАТЕЛЬ ВИДЕОДИСКОВ
Обеспечивает равномерное движение магнит-
ной ленты по заданной траектории (см. ст.
5.10) вдоль неподвижных головок стирания,
звука, управления и подвижных видеоголовок
(ВГ). Блок ВГ — сменная часть ЛПМ, содер-
жит барабан с ВГ, двигатель его вращения или
шкив привода, токосниматель, тахометр.
5.8. ПРОИГРЫВАТЕЛЬ ВИДЕОДИС-
КОВ (ВД) — устройство воспроизведения ви-
деофонограммы, носитель которой имеет фор-
му диска; является приставкой к телевизору
(см. ст. 22.10). По способу извлечения инфор-
мации различают емкостный, оптический (ла-
зерный) и магнитный проигрыватели с син-
хронным видеодиском (один оборот ВД на
один телевизионный кадр), с субсинхронным
видеодиском (один оборот ВД на одно телеви-
зионное поле) и П. в. с видеодиском кратной
синхронности (один оборот ВД на целое число
телевизионных кадров). Основная часть П. в. —
видеосниматель; он содержит видеоголовку
(ВГ) и ее держатель, обеспечивающий переме-
щение ВГ относительно поверхности видеоди-
ска по заданной траектории.
Первыми появились проигрыватели на емко-
стном принципе действия — изменении емкос-
ти между элементами поверхности видеодиска с
записью и металлическим электродом, закреп-
ленным на игле для считывания сообщений. Во
время записи на поверхности ВД формируются
микроуглубления — питы, последовательность
которых образует дорожку записи. Длина пита
(части микрометра) и расстояние между питами
несут информацию о записанном сигнале.
Проигрыватель видеодисков лазерного ти-
па работает на принципе совмещения точки
фокуса лазерного луча с питом и его отраже-
ния через оптическую систему к фотоприем-
нику для дальнейшей обработки. На этом же
принципе работают и устройства перезаписи
изображений на видеодиске — современная
разновидность проигрывателя ВД.
Авторегулирование частоты вращения
видеодисков — способ обеспечения стабиль-
ной линейной скорости считывания информа-
ции. При вращении видеоголовки видеоснима-
теля на периферии, т.е. при самом большом ра-
диусе видеодиска, угловая частота его враще-
ния устанавливается минимальной, а при сме-
щении видеоголовки к центру видеодиска (ВД)
угловая частота автоматически возрастает бла-
годаря специальному, записанному на ВД, сиг-
налу, который управляет угловой скоростью и
не создает помех сообщению.
Автослежение — обеспечение качест-
венного воспроизведения сигналограммы на
видеодиске системами вертикального, ради-
ального и тангенциального слежения проиг-
рывателя. Вертикальное слежение удержи-
вает фокус оптической системы в плоскости
видеодиска (ВД), радиальное — обеспечива-
ет заданный сдвиг, смещение видеоголовки
вдоль радиуса ВД, а тангенциальное — ком-
пенсирует временные искажения, обуслов-
ленные эксцентриситетом ВД и возможной
нестабильностью скорости вращения двига-
теля проигрывателя.
Лазерный проигрыватель известен в
двух вариантах: отражательный, LOR (Laser
Optical Reflective) и пропускной, LOT (Laser
Optical Transparence). Структура первого опи-
сана ранее, во втором световой поток лазера
проходит к фотоприемнику сквозь отверстия в
видеодиске. Размеры отверстия, как и размеры
пита, зависят от параметров записанного сиг-
нала. В обоих вариантах структура Л. п. со-
держит: видеоголовку, устанавливаемую поль-
зователем в нужную зону видеодиска с помо-
щью устройства радиального слежения; син-
хронный двигатель для вращения видеодиска;
устройство фокусирования и тангенциального
слежения; электронные блоки формирования
сигналов изображения и звука с частотным де-
тектированием и компенсацией выпадений
(см. ст. 4.3).
Проигрыватель видеодисков с пере-
записью — устройство будущего, пути созда-
ния которого основываются на эффекте Керра
(изменение фазового состояния рабочего слоя
видеодиска (ВД) в зависимости от уровня ла-
зерного излучения) и на эффекте Фарадея
(вращение плоскости колебаний световой вол-
ны и отражение плоскополяризованного луча
лазера от намагниченных частичек рабочего
слоя ВД). Разработан, например, магнитоопти-
ческий цифровой двухслойный видеодиск из
смеси тербия, кобальта, железа (нижний,
опорный слой) и смеси двух элементов без ко-
бальта (верхний слой, с памятью). Сообщение
записывается и считывается лазерным лучом с
тремя уровнями излучения: 9 мВт для записи,
5 мВт для стирания и 1.5 мВт для считывания
(воспроизведения). Двухуровневая память
(логические 0, 1) соответствует направлению
вектора намагничения во время записи сооб-
щения. Плотность информации составляет
1 бит/мкм, отношение сигнал/шум 44 дБ в по-
лосе частот 8 МГц.
Глава 5 ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ
127
5.9. СТРОЧКА ЗАПИСИ ВИДЕОМАГНИТОФОНА
5.9. СТРОЧКА ЗАПИСИ ВИДЕОМАГ-
НИТОФОНА — намагниченная часть поверх-
ности магнитной ленты, ширина строчки кото-
рой Т равна ширине рабочего зазора d видеого-
ловки (ВГ), а длина I зависит от угла 0 между
продольной осью ленты и плоскостью враще-
ния ВГ (см. Рис. 5.1). Переход видеоголовки на
новую часть ленты осуществляют там, где на-
рушение непрерывности сигнала приводит к
минимальным потерям и помехам. Для пере-
ключения видеоголовок без помех применяют
частичное перекрытие — участки в начале и в
конце строчек содержат информацию конца
предыдущей и начала следующей строчки.
Ширина ленты, занятая строчками, W =
0.8/1 (А — полная ширина ленты). Минималь-
ная длина строчки /min = (Vs^Xmin, где тп —
продолжительность поля ТВ изображения
(см. ст. 22.5); s — число сегментов (частей по-
ля); F3 = 6.5 МГц — верхняя рабочая частота;
Xmin — минимальная длина волны колебания,
записанного на ленте (1 мкм).
Шаг строчек записи р — расстояние между
их осевыми линиями. Линейная относительная
скорость ВГ — лента Кгл = 7tZ)n6, где D — диа-
метр барабана с видеоголовками; пб — частота
вращения барабана (обычно Кгл= 4.8.. .5.8 м/с).
Скорость движения ленты Кл = n^/sinO, где
N — число видеоголовок на барабане. Для за-
данного отношения сигнал/шум должно вы-
полняться условие: Кгл/Кл = W/p, т.е. отноше-
ние линейной скорости головок к скорости
протяжки ленты равно отношению ширины
ленты, занимаемой строчками записи, к шагу
строчек. Выбор скорости Кл влияет также на
качество звуковой программы (обычно Кл =
1.9...2.4 см/с). Угол наклона рабочих зазоров
двух видеоголовок относительно нормали к
строчке а = ±6° дает возможность каждой ВГ
записывать и считывать сигнал только своей
строчки и этим повысить плотность записи. На
сигналограмме это отмечено разнонаправлен-
ной штриховкой двух соседних строчек; меж-
дустрочечные промежутки отсутствуют, поэто-
му шаг р равен ширине строчки Т. Для форма-
та VHS размеры: А = 12.6 мм; W= 10.6 мм; Т=
49 мкм; 0 = 5.96°; I = 96 мм.
5.10. ТРАЕКТОРИЯ ДВИЖЕНИЯ ЛЕН-
ТЫ В ЛЕНТОПРОТЯЖНОМ МЕХАНИЗ-
МЕ (см. ст. 5.7). Во время записи или воспро-
изведения сигналов подвижные стойки 1
(Рис. 5.3) вытягивают ленту 6 из кассеты 7,
прижимают ее к барабану 3 и к неподвижным
магнитным головкам стирания 2, звукового со-
общения 4 и управления 5. В режимах пере-
мотки и приостановки подвижные стойки воз-
вращают ленту в кассету (по стрелкам). В ра-
бочем цикле видеоголовки (ВГ), расположен-
ные на барабане, вращаются относительно
ленты с большой скоростью Кгл, необходимой
для воспроизведения ВЧ сигнала сообщения в
строчке. Лента с малой скоростью (ведущий
вал 8) проходит мимо стойки и наклоненного
барабана с вращающимися ВГ, создавая сме-
щения соседних строчек и одновременно фор-
мируя дорожки сигналов звука и управления.
Как правило, траектория движения ленты на-
поминает форму одной из литер греко-латин-
ской азбуки и имеет ее название. Например,
сложная траектория в виде альфа-петли а дает
возможность поместить катушки с лентой од-
ну над другой на общей оси, уменьшить раз-
меры видеомагнитофона (ВМ). Петля в виде
литеры омега Q охватывает барабан с ВГ на
угол, больший 180°; это дает возможность
вместить в одной строчке видеозаписи все по-
ле телевизионного изображения — 313 ТВ
строк (см. ст. 22.5, 22.7) и обеспечить несег-
ментную запись в бытовых видеомагнитофо-
нах (см. ст. 5.3). В одноосной кассетной конст-
рукции применяют Т. д. л. в виде буквы С; в
кассетах со смежными компланарными катуш-
ками Т. д. л. может иметь вид литер U или М.
В кассетах с Т. д. л. в виде букв С и М ведущий
128
РАДИОТЕХНИКА
5.11. ЦИФРОВАЯ МАГНИТНАЯ ВИДЕОЗАПИСЬ
вал находится внутри, а в {/-кассете — за ее
пределами.
5.11. ЦИФРОВАЯ МАГНИТНАЯ ВИ-
ДЕОЗАПИСЬ (ЦМВ) — перспективный спо-
соб запоминания и считывания видео- и, в ча-
стности, телевизионных сообщений без накоп-
ления искажений и помех (см. ст. 5.4). Эти пре-
имущества ЦМВ реализуют повышением ско-
рости передачи больших цифровых потоков и
увеличением плотности записи. Скорость
обусловлена 256 уровнями квантования (вось-
миразрядный двоичный код, 28 = 256) и часто-
той дискретизации, равной четвертой гармо-
нике поднесущей частоты цветности (см. ст.
22.6): 8 х 4 х 4.43 МГц « 142 Мбит/с. Высокой
плотности достигают применением малой
длины волны записи (продольная плотность) и
малой ширины строчек (поперечная плот-
ность); во втором случае потери отношения
С/Ш вдвое меньшие. Ошибки (сбои) при ЦМВ
бывают: единичные, от помех тракта, и груп-
повые, от выпадения сигнала (см. ст. 4.1, 4.5).
Последние — самые опасные, поскольку они
связаны с высокой плотностью записи. Техни-
ческие проблемы ЦМВ: 1) выбор оптимальной
плотности информации [бит/мм2] и формата
записи; 2) выбор способа канального кодиро-
вания и его схемотехнических решений для со-
гласования характеристик сигнала и тракта;
3) выбор способов и электронных средств кор-
рекции или маскирования ошибок.
Формат ЦМВ — способ реализации ви-
деофонограммы аудиовизуальных процессов в
виде цифрового потока, а также соответствую-
щая специфика конструкций цифровых видео-
магнитофонов. В настоящее время в мире изве-
стно восемь форматов ЦМВ. В основе постро-
ения всех, начиная с первого D-1, стандартизи-
рованного МККР в 1986 г., лежит наклонно-
строчечная магнитная запись.
В формате D-1 запись осуществляется
сдвоенным блоком видеоголовок (ВГ). Шири-
на магнитной ленты равна 19 мм, скорость ее
протяжки — 28.7 см/с (т.е. на порядок больше,
чем при аналоговой записи сигналов), мини-
мальная длина волны ^т1П = 0.9 мкм; продоль-
ная плотность составляет 2.2 Кбит/мм при ско-
рости передачи 2 Кбит/с. Сравнительно боль-
шое значение уменьшает влияние выпаде-
ний сигнала на качество изображения. Ленту
размещают в кассетах трех типов (самая боль-
шая из них имеет размеры 366 х 206 х 33 мм);
при толщине ленты 16 мкм продолжитель-
ность программы составляет 80 мин. Ширина
строчки Т= 40 мкм, а ее длина Z = 170 мм, угол
наклона строчки к базовому краю ленты 0 =
50°, промежутка между строчками нет. Формат
ЦМВ содержит также три продольные дорож-
ки: временного кода (ширина 0.5 мм), канала
управления (0.5 мм) и поиска фрагмента про-
граммы (0.7 мм). Запись одного сегмента (одно
поле изображения и его звуковая программа)
размещаются на 12 строчках. Каждая строчка
содержит два видеосектора по краям, четыре
аудиосектора внутри (последние предназначе-
ны для ликвидации влияния на качество звука
растяжения ленты и повреждения ее края).
Ширина программной зоны, занятой всеми
строчками, — 16 мм.
В 1994 г. по рекомендациям Европейского
вещательного объединения (EBU) был предло-
жен новый формат аудиовидеозаписи D-6, при-
годный для всех телевизионных стандартов и
удобный для дальнейшего усовершенствова-
ния. Этот формат обеспечивает воспроизведе-
ние изображений высокой плотности в любом
из предыдущих форматов переходного перио-
да (1985—1995 гг.) и запись со скоростями до
Глава 5. ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ
129
5.11. ЦИФРОВАЯ МАГНИТНАЯ ВИДЕОЗАПИСЬ
1.2 Гбит/с. Благодаря новой системе коррекции
ошибок цифровые видеосигналы обрабатыва-
ются как поток данных, независимо от их про-
исхождения, не ограничиваясь записью/вос-
произведением лишь телевизионных изобра-
жений.
Цифровые видео- и аудиоданные сообще-
ний записываются со скоростью примерно
1 Гбит/с на магнитную ленту шириной
19.05 мм. В частности, ТВ изображения всех
стандартов, например 1250 (625) строк и 60
(50) полей за секунду (см. ст. 22.5), в форма-
те D-6 приобретают свойства мультистандар-
та: имеют одинаковые характеристики строч-
ки, внутреннюю структуру информационных
блоков и модуляционный код.
Запись телевизионных сигналов с высокой
плотностью (1250/50, 1125/60) осуществляется
на средней скорости передачи данных
900...950 Мбит/с. Если также учесть одновре-
менно оцифрованные звуковые, служебные и
управляющие сигналы, коды синхронизации и
коррекции ошибок, то полная скорость достига-
ет 1.2 Гбит/с и сигналы записываются в реаль-
ном масштабе времени. Максимальная продол-
жительность записи/воспроизведения этих дан-
ных в «прозрачном» виде (без ухудшения каче-
ства от входа к выходу) на одну кассету состав-
ляет 64 мин. Кассета с информационной емкос-
тью 500 Гбайт имеет стандартные размеры
366x206x33 мм, как у форматов D-l, D-2, и со-
держит металлопорошковую ленту толщиной
11 мкм повышенного качества. Для получения
требуемой плотности информации шаг строчки
записи равен 21 мкм, с углом наклона строчки к
базовому краю ленты 0 = 15° (а не 50°, как в
предыдущих Ф. ЦМВ). Минимальная длина
волны записи = 0.6 мкм. Частота вращения
150 Гц блока видеоголовок (БВГ) обеспечивает
видеомонтаж изображений с частотами полей
как 50, так и 60 Гц. Этот БВГ диаметром 96 мм
имеет 32 видеоголовки (ВГ) для записи/считы-
вания данных на ленте и две головки для стира-
ния информации. Одно полуполе записывается
восемью головками. Скорость относительно
ленты ВГ Кгл = 46 м/с, абсолютная скорость
протяжки ленты Кл = 0.497 м/с.
На сигналограмме (Рис. 5.4) показано раз-
мещение магнитных строчек и дорожек форма-
та D-6 при частоте полей 50 Гц (а) и вид одно-
го кластера — участка магнитной ленты, со-
держащего восемь наклонных строчек, отме-
ченных буквами a...h и записанных на одном
поле с разверткой восемью ВГ за пол-оборота
БВГ (б). На этих рисунках: 1 — режиссерская
дорожка; 2 — управляющая дорожка; 3 — до-
рожка адресно-временного кода; 4 — звуковые
строчки; 5 — видеострочки; 6 — контрольная
пометка программы; 7 — видеоголовка; 8 —
стирающая головка.
Каждая строчка содержит запись данных
изображения и звука, причем звуковая инфор-
мация размещается на обоих концах строчки;
они отделяются от видеоданных монтажными
зазорами. Такое размещение дает возмож-
ность стирать и записывать цифровые данные
о звуке или об изображении независимо от
монтажных операций. Все поля одного клас-
тера располагаются в виде правильного пря-
моугольника, вытянутого в направлении
строчки записи. Каждый аудиосегмент содер-
жит на обоих концах кластера данные стерео-
канала, записанные звуковыми головками, ко-
торые разнесены в пространстве для облегче-
ния коррекции ошибок.
При вращении блока вращающихся голо-
вок с частотой 150 Гц строчки записи телеви-
зионных сигналов с частотами полей /п = 50 и
60 Гц имеют одинаковый вид. Из Рис. 5.4, а,
следует, что для/п = 50 Гц одно поле содержит
шесть кластеров, его формируют 8 х 6 = 48
строчек; для /п = 60 Гц будет пять кластеров и
8 х 5 = 40 строчек. Линейная и относительная
скорости ленты, прочие базовые параметры
движения и коррекции ошибок остаются неиз-
менными с переходом стандарта от 50 к 60 Гц
и наоборот. Однако при этом изменяется число
цифровых аудиоканалов: на 50-герцовом поле
их можно записать 12 (шесть стереопар), а на
60-герцовом — лишь 10 (пять стереопар).
За десять (1985—1995 гг.) лет усовершен-
ствования формата ЦМВ вероятность появле-
ния ошибок уменьшена с 10-7 (формат D-1) до
130
РАДИОТЕХНИКА
5.12. ЦИФРОВОЙ ВИДЕОМАГНИТОФОН
10-11 (D-6). Последнее соответствует появле-
нию не более чем 46 неисправленных ошибок
на 64-минутную кассету, что вполне удовле-
творяет современным технико-эксплуатацион-
ным требованиям.
5.12. ЦИФРОВОЙ ВИДЕОМАГНИТО-
ФОН (ЦВМ) — устройство для записи на маг-
нитную ленту и считывания с нее цифрового
потока, соответствующего закодированному
аудиовизуальному сообщению. В случае рабо-
ты с сигналами цифрового телевидения (см. ст.
22.13) цифровой видеомагнитофон содержит
те же функциональные части, что и аналого-
вый видеомагнитофон (см. ст. 5.3), плюс ана-
лого-цифровой преобразователь на входе и ци-
фроаналоговый преобразователь — на выходе.
Защита от ошибок — комплекс способов
реализации преимуществ цифровой магнитной
видеозаписи (см. ст. 5.11). Достигается маски-
ровкой и коррекцией ошибок.
Маскировка — это выявление дефектного
кодирующего слова и замена его ближними
неповрежденными словами интерполяцией.
Маскировка непродуктивна при многоразо-
вой записи цифрового потока телевизионных
сигналов яркости. Коррекция — точное вос-
становление утраченного сообщения помехо-
устойчивым кодированием, введением избы-
точности (см. ст. 6.4). Если коррекция техни-
чески нереализуема, то применяют каскадное
кодирование — устранение многоразовых
ошибок при сравнительно небольшой избы-
точности информации и приемлемой сложно-
сти аппаратуры декодирования.
Канал записи/воспроизведения (Рис. 5.5)
является общим для сигналов звука и изобра-
жения: полный цифровой поток сообщений
записывают в каждую строчку формата циф-
ровой магнитной записи общими видеого-
ловками (ВГ).
В режиме записи (3) аналоговый полный
цветовой телевизионный сигнал ПЦТСВХ (см.
ст. 22.6) после АЦП 1 подают в кодер 2 для
помехоустойчивого кодирования. Скремблер
3 (от англ, scrambler — шифратор) путем пе-
рестановки и инвертирования символов пе-
ред записью перемешивает и разносит во
времени соседние кодовые слова, чтобы на
магнитной ленте они не оказались рядом.
Тогда при воспроизведении в случае выпаде-
ния сигнала дескремблер 12 обнаружит от-
сутствующие кодовые слова на неповреж-
денной части ленты, где содержится сообще-
ние, подобное утраченному на участке выпа-
дения. Для согласования характеристик ка-
нала с сигналом служит канальный кодер 4,
роль которого подобна модулятору 3 анало-
говой записи (см. Рис. 5.2). Сформирован-
ный код с предыскажениями (см. ст. 4.1, 4.5)
через усилитель записи 5 (см. Рис. 5.5) пода-
ют на видеоголовки 6. В случае многока-
нальной записи распределение по каналам
осуществляют до скремблера.
В режиме воспроизведения (В) после уси-
лителей-корректоров 7 (подобно аналоговому
видеомагнитофону) цифровой поток поступает
в селектор-очиститель 8, с выхода которого на
декодер канала 10 поступают импульсы, сво-
бодные от помех. Декодер превращает каналь-
ный код в начальный при поддержке тактовых
синхроимпульсов генератора 9. Далее в канале
есть корректор временных искажений 11 — за-
поминающее устройство, считывание с кото-
рого происходит по команде синхроимпульса.
Цифровой поток поступает одновременно к де-
скремблеру 12 и к декодеру корректирующего
кода 13. Дескремблер и декодер выявляют и
корректируют ошибки канала. Остаточные
ошибки маскирует блок 14 сигналом предыду-
щей строчки формата цифровой магнитной ви-
деозаписи или усреднением кодовых слов, взя-
тых до дефектного слова и после него. После
ЦАП 15 выходной полный телевизионный сиг-
нал ПЦТСВЫХ, теперь уже в аналоговом виде,
поступает на видеомонитор.
При записи сигналов цифрового телевиде-
ния приборы АЦП и ЦАП в состав видеомаг-
нитофона не входят [3].
Искажения при цифровой записи обус-
ловлены спадом АЧХ тракта на крайних час-
тотах диапазона: на низких частотах — из-за
дифференцирующего действия индукцион-
ной видеоголовки и вращающегося транс-
форматора, а на высоких частотах — из-за
волновых потерь (щелевых, контактных, в
слое — см. ст. 4.1). Согласно международно-
му стандарту начальный код сигналов цифро-
вого телевидения формируется способом
БВН (без возвращения к нулю), с помощью
которого получают длинные ряды 0 и 1, изме-
няющие уровень постоянной составляющей
цифрового потока в режиме записи. Ограни-
чением АЧХ на НЧ обусловлено «плавание»
уровня цифрового потока и ошибки детекти-
рования 0 и 1 пороговым способом. Спад
АЧХ на ВЧ создает увеличение длительности
воспроизводимых импульсов, их затягива-
ние, перекрытие частей импульсов во време-
Глава 5 ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ
131
5.12. ЦИФРОВОЙ ВИДЕОМАГНИТОФОН
ни — так называемые «межсимвольные» по-
мехи и погрешности детектирования. Поэто-
му оказалось необходимым преобразование
начального кода в код, удобный для цифро-
вой магнитной записи.
Цифровой канальный кодер/декодер —
устройство, выполняющее самую важную опе-
рацию цифровой магнитной видеозаписи —
согласование цифрового потока с пропускной
способностью носителя информации и всего
тракта. Операция канального кодирования в
цифровом видеомагнитофоне соответствует
сжатию частотного динамического диапазона
и применению узкополосной частотной моду-
ляции перед аналоговой магнитной видеозапи-
сью (см. ст. 5.2).
Требования к кодированию следующие:
1) отсутствие постоянной составляющей и
минимальный уровень низкочастотных ком-
понентов в спектре кода; 2) высокая эффек-
тивность — большое значение отношения ча-
стоты передачи кода без возвращения к нулю
(БВН) к частоте перепадов намагничивания
на ленте, символам 1 и 0 должны соответст-
вовать противоположные направления намаг-
ничивания; 3) минимальная продолжитель-
ность непрерывных рядов 0 и 1; 4) нечувст-
вительность канального кода к межсимволь-
ным искажениям и помехам тактовой синхро-
низации; 5) простота технической реализа-
ции. Всем этим требованиям не удовлетворя-
ет ни один из известных кодов, что затрудня-
ет введение международного стандарта. При-
меняют блочное кодирование — разделение
начального цифрового потока на блоки дли-
ной к бит и их преобразование в блоки
большей длины п бит, но с лучшими свойст-
вами (например, коды 8/10, 8/16 — см. ст.
6.8). Используют также парциальное кодиро-
вание — вычитание из кодированного сигна-
ла его копии, задержанной на два такта, в со-
четании со скремблером, выполняющим
здесь функцию объединения кода БВН с
псевдослучайным цифровым потоком. Перед
канальным декодером 10 (см. Рис. 5.5), как
правило, устанавливают не показанный на
рисунке детектор для придания цифровому
потоку вида, удобного для его восстановле-
ния после считывания. Различают детекторы
со стробированием, дифференцированием, с
отсечением нулевой линии, с интегрировани-
ем, парциальные, сложные. Последние — са-
мые лучшие по критериям отношения сиг-
нал/шум и по уровню взаимных помех от со-
седних строчек формата, а также по влиянию
слабого контакта между видеоголовкой и
лентой. Они дают возможность значительно
повысить плотность записи [3, 4] и дополни-
тельно снизить массу и габариты цифрового
видеомагнитофона.
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Афанасьев А.П., Самохин В.П. Бытовые видеомагнитофоны. — М.: Радио и связь, 1989. —
160 с.
2. Техника кино и телевидения: Науч.-техн. журн. — М., 1997. — №№ 1 — 12.
3. Гончаров А.В., Харитонов М.И. Канал изображения видеомагнитофона. — М.: Радио и
связь, 1987. — 264 с.
4. Седов С.А. Индивидуальные видеосредства: Справ, пособие. — К.: Наук, думка, 1990. —
752 с.
132
РАДИОТЕХНИКА
ГЛАВА li
ИНФОРМАЦИЯ И СООБЩЕНИЯ
• В начале было Слово.
Евангелие от Иоанна
• В известном польза не видна,
Лишь в неизвестности она.
И. В. Гете
Принятое нами статистическое тракто-
вание информации является наиболее
общим, но мы платим за это тем, что
оно не учитывает ее семантики,
целесообразности,
ценности, полезности.
• Если у Вас есть яблоко и у меня есть
яблоко и мы обменяемся ими, то у Вас
и у меня останется только одно яблоко.
Но если у Вас и у меня есть идея
и мы обменяемся ими, то у каждого
из нас будет по две идеи.
Парадокс Б. Шоу
• Основы статистической физики,
гипотеза эргодичности
(Дж. В. Гиббс, США, 1880—1900 гг.).
• Статистическая теория информации
(К. Шеннон, США, 1948 г.).
• Теория вероятностей, теория
случайных процессов
(Н. Винер, США),
(А.М. Колмогоров, СССР),
(О.Я. Хинчин, СССР, 1940—1960 гг.).
• Несчастные люди, которым все ясно.
Л. Пастер
Термин информация широко используется в
разных областях знаний, но единого опреде-
ления этого понятия не сформулировано. Инфор-
мацию определяют как совокупность сведений о
каком-либо предмете, событии или процессе, ис-
точником которых является все разнообразие ма-
териального мира. Передача и восприятие ин-
формации базируется на объективном свойстве
материи — отображении, сводящемся к тому, что
одна система, взаимодействуя с другой, отобра-
жает воздействие этой системы изменением сво-
их свойств. При таком определении количество
информации в сообщении должно зависеть не
только от количества сведений, но и от степени
их влияния на получателя. В теории связи этот
эффект не учитывается, а термин информация
трактуется как приращение знаний у получателя
при приеме сообщения (разница априорной и
апостериорной энтропии).
Радиотехнические информационные сис-
темы можно разделить на три основных клас-
са: системы передачи информации, извлечения
информации и системы противодействия. Для
них характерна случайность входных воздей-
ствий, которая определяется двумя причинами.
Во-первых, информация и процессы, которые
ее несут, являются случайными процессами в
том смысле, что они заранее неизвестны полу-
чателю. Во-вторых, воздействия случайных
помех принципиально не могут быть устране-
ны вследствие статистического характера ряда
физических процессов. Поэтому работу ин-
формационных систем количественно оцени-
вают статистическими характеристиками.
В системах передачи информации первич-
ным носителем информации (материальной
формой) могут быть язык, музыка, оптическое
изображение, текст, чертежи, числовой массив
и т.п., которые после их преобразования (на-
пример, микрофоном) принимают форму сооб-
щения (электрического напряжения). Посколь-
Глава 6. ИНФОРМАЦИЯ И СООБЩЕНИЯ
133
ГЛАВА 6
ку при радиосвязи сообщение непосредствен-
но не может быть передано на значительное
расстояние, его используют для модуляции ВЧ
колебаний — сигнала, который играет роль фи-
зического агента, несущего сообщение и в ко-
нечном счете — информацию.
В системах извлечения информации, на-
пример в локации, информация содержится в
самом факте присутствия сигнала (в активной
локации — отраженного, в пассивной — сиг-
нала, который излучается объектом наблюде-
ния), а также в его параметрах: частоте, фазе,
временнбм положении и т.п., которые дают воз-
можность не только обнаружить объект, но и
определить его характеристики — скорость,
координаты и т.п. В системах противодейст-
вия, предназначенных не для передачи или из-
влечения информации, а для ее подавления,
термины информация, сообщение, сигнал име-
ют определенный ранее смысл.
Ознакомление с материалами главы реко-
мендуется начать со вступления, затем рассмот-
реть ст. 6.5, 6.12, 6.10, 6.14 и далее произвольно.
6.1. БАЙТ — единица количества ин-
формации, которая равна 8 битам. 1 Кбайт =
210 байт, 1 Мбайт = 220 байт.
6.2. БИТ (bit — Binary digit) — двоичная
единица меры информации; равна количеству
информации, которое содержится в сообщении
о том, что некоторая система находится в од-
ном из двух равновероятных состояний.
1 Кбит = 210 бит, 1Мбит = 220 бит.
6.3. ДАННЫЕ — конкретные сведения о
состоянии определенного предмета, события
или процесса. В технике связи — это сообще-
ние в виде, пригодном для формальной обра-
ботки (например, на ЭВМ или оператором).
6.4. ИЗБЫТОЧНОСТЬ СООБЩЕНИЯ —
параметр R, определяющий насколько удлиня-
ется сообщение, выраженное определенным
языком, сравнительно с минимальной длитель-
ностью, необходимой для передачи заданного
количества информации:
R = 1 - H(X)/\ogL,
где Н(Х) — энтропия на символ сообщения
(см. ст. 6.14); L — число символов в азбуке.
6.5. ИНФОРМАЦИЯ — совокупность
сведений о каком-либо процессе, событии или
предмете, уменьшающих неопределенность,
которая была у получателя до приема сообще-
ния (см. ст. 6.12).
Информация взаимная — среднее количе-
ство информации о некоторой системе X, кото-
рую можно получить при изучении не этой, а
другой системы Y, вероятностно связанной с си-
стемой X. При получении сообщения о том, что
система Y находится в к-м состоянии, апостери-
орная вероятность z-ro состояния системы X со-
ставляет Pancfc) = Р^Ук)- При этом прираще-
ние информации о системе X определяется как
1(Ук^ = log \P(Xi/yk)/P(xJ] =
= log P(xi/yi!) - \ogP(xJ
(см ct. 6.14). В среднем количество взаимной
информации (о системе X), которое содержит-
ся в системе Y,
1(х у) = МX Y[I(yk ^х,)] =
= ’>’* )[1о8р(х. 'Ук )-^Р{х, )] =
/=1 к=\
=Н(Х) + H(Y) - Н(Х, Y)=H(X) -H(X/Y)=
=H(Y)-H(Y/X),
где H(X/Y) и H(Y/X) — условные энтропии.
Если источник информации непрерывный,
то
1{х^у) =
J (х,y)\og[W(х,у)IW(x)W(y)\dx dy =
= Н(Х) - H(X/Y) =H(Y) - H(Y/X).
6.6. ИСТОЧНИК СООБЩЕНИЙ — часть
системы связи, которая вырабатывает сообще-
ния (см. ст. 6.12). По возможности изменения
скорости выработки сообщений источники де-
лят на две группы: с регулируемой и нерегули-
руемой скоростью. К первой группе принадле-
жат источники с памятью, которые выдают со-
общения по запросу (например, в зависимости
от работы кодопреобразователя), ко второй —
источники без памяти.
Источник сообщений дискретный — вы-
рабатывает сообщения в виде последовательно-
сти дискретных элементов. Порядок прохожде-
ния этих элементов в сообщении для получателя
заранее неизвестен, случаен и характеризуется
определенной совокупностью вероятностей. В
общем случае вероятность появления того или
иного элемента в последовательности зависит от
того, какими были предыдущие элементы.
Источник сообщений непрерывный —
вырабатывает сообщение, которое в каждый
момент времени приобретает с определенной
вероятностью любые мгновенные значения в
134
РАДИОТЕХНИКА
6.8. КОД
пределах некоторого интервала. Множество
возможных значений сообщения создает кон-
тиниум. Таким образом, сообщения, которые
вырабатываются как дискретным, так и непре-
рывным источником сообщений, являются
случайными (стохастическими) процессами.
Источник сообщений эргодический —
вырабатывает эргодические последовательнос-
ти, которые имеют такое свойство: любая до-
статочно длинная последовательность являет-
ся типовой, т.е. вероятность использования
каждого символа в этой последовательности
(реализации) отличается от вероятности появ-
ления этого символа во всем множестве реали-
заций на сколь угодно малую величину. При-
мером эргодических последовательностей мо-
жет быть достаточно длинный текст: почти в
любом неузкоспециализированном тексте час-
тота повторения букв не зависит от его содер-
жания, а зависит от свойств данного языка.
6.7. КАНАЛ СВЯЗИ — совокупность
средств, которые входят в систему связи и
обеспечивают передачу сообщений (сигналов)
из одной точки пространства в другую [1].
6.8. КОД — правило (алгоритм) представ-
ления сообщения в форме, которая обеспечива-
ет согласованность по некоторым параметрам
сообщения с каналом связи (например, обеспе-
чение заданной помехоустойчивости при задан-
ных характеристиках помех в канале или макси-
мальной скорости передачи при заданных ха-
рактеристиках сообщений и т.п.). В ряде литера-
турных источников под кодом подразумевают
совокупность символов, определяющих дис-
кретное сообщение (например, азбука Морзе).
Код блочный — систематический помехо-
устойчивый код, обеспечивающий формирова-
ние сообщений в виде последовательностей
(кодовых слов), т.е. блоков с конечным числом
символов, одинаковых для всех блоков этого
кода. Среди блочных кодов чаще всего исполь-
зуются групповые коды, теория которых бази-
руется на алгебраической теории групп. Рас-
смотрим построение простейшего группового
кода 7-4. Этот код дает возможность формиро-
вать 16 различных 4-разрядных информацион-
ных комбинаций, т.е. его можно использовать
тогда, когда алфавит кодируемого сообщения
имеет основание не выше 16. Если число про-
верочных символов по условию равно 3, систе-
ма должна состоять из трех уравнений.
Обозначим символом 0 факт выполнения
уравнения при кодировании, а символом 1 —
факт невыполнения. Последовательность сим-
волов, характеризующих выполнение или не-
выполнение уравнений, называется синдромом
ошибок. В данном случае всего синдромов 7,
т.е. код может исправлять 7 различных оши-
бок, например, все одиночные ошибки. Рас-
смотрим подробнее этот случай. Запишем все
варианты синдромов в виде матрицы М, распо-
ложив их столбиками так, чтобы синдромы с
одной 1 шли подряд справа налево:
1110100
М7_4= 1101010.
1011001
В записанной матрице есть полная инфор-
мация об этом коде. Каждой ее строке одно-
значно соответствует одно из проверочных ра-
венств. Так, уравнение, соответствующее верх-
ней строчке, не выполняется тогда, когда
ошибка находится в одном из следующих раз-
рядов: третьем, пятом, шестом или седьмом
(считая слева). Ноль в строке означает, что
ошибка в этом разряде не нарушает выполне-
ния уравнения; следовательно, данный символ
в это уравнение входить не может. Таким обра-
зом, уравнения записываются так:
а3® а5® а6® а7 = 0, а2® а4® а6® а7 =
=0, аа7 = 0,
где ® — знак суммирования по модулю 2, т.е.
1®0 = 0®1 = 1;1Ф1=0.
Для того чтобы при кодировании провероч-
ные символы определялись однозначно, каждый
из них должен входить только в одно уравнение.
Проверка выполнения уравнений производится
в декодере. Если все уравнения выполняются
(синдром 000), то принятая комбинация переда-
ется пользователю без изменений. Если синдром
не нулевой (например, 111, что соответствует
ошибке в седьмом разряде), то символ в соответ-
ствующем разряде меняют на противоположный
(0 на 1 или 1 на 0), после чего исправленная ком-
бинация передается получателю.
Код помехоустойчивый (корректирую-
щий) — дает возможность обнаруживать или ис-
правлять ошибки (искажения) некоторых симво-
лов, которые возникают вследствие воздействия
помех в канале связи, а также во время записи
или воспроизведения в устройствах памяти. По-
мехоустойчивость обеспечивается за счет повто-
рения (иногда многократного) некоторой части
информации, которая находится в сообщении. С
этой целью в последовательность вводится до-
полнительно некоторое число добавочных сим-
волов. К корректирующим кодам относят коды
Глава 6 ИНФОРМАЦИЯ И СООБЩЕНИЯ
135
6.8. КОД
блочные (в том числе групповые, циклические), а
также сверточные и цифровые. Помехоустойчи-
вые коды делят на систематические и несистема-
тические. Процедура формирования системати-
ческой последовательности сводится к следую-
щему: при помощи линейных операций над ин-
формационными символами формируются про-
верочные символы, которые затем размещаются
между информационными. В несистематических
кодах деление символов на информационные и
неинформационные не производят.
Код сверточный (рекуррентный, цеп-
ной, непрерывный) — корректирующий код,
структура которого создается формированием
непрерывной (без деления на блоки) последо-
вательности. Кодовые символы определяются
по мере поступления сообщения от источника
при помощи некоторых рекуррентных соотно-
шений, характеризующих конкретный вид ко-
да. Сверточные коды делятся на систематичес-
кие и несистематические. В бинарных кодах
применяется линейная операция суммирова-
ния по модулю 2 (символ Ф).
Код циклический — частный случай
блочного группового кода. Использование К.ц.
значительно упрощает схемы кодеров и деко-
деров, увеличивая вероятность их безотказной
работы. Для определения проверочных симво-
лов информации блок дополняется справа 0 до
полного числа разрядов и делится на порожда-
ющую комбинацию с использованием сумми-
рования по модулю 2. Полученный остаток
суммируется с блоком, который делился, что и
означает введение проверочных символов.
Процесс декодирования начинается с деления
принятой комбинации на порождающую. От-
сутствие остатка означает отсутствие ошибок.
Остаток играет роль опознавателя ошибок. По
нему определяют разряды, в которых есть
ошибки, и производят их исправление.
Код цифровой (арифметический) — по-
мехоустойчивый код, который применяется
для обнаружения и исправления ошибок, воз-
никающих во время передачи числовых после-
довательностей, а также при суммировании
или записи чисел в ЭВМ. Чаще всего применя-
ют AN-коды. В этом случае кодирование сво-
дится к умножению числа, которое передается,
на некоторое простое число А — генератор, ко-
торый делится только на 1 и А. Декодирование
информации заключается в делении принятого
числа на генератор А. Наличие остатка свиде-
тельствует о наличии ошибок. При разных
ошибках остатки должны быть разными, что
дает возможность исправлять некоторые
ошибки (в простейшем случае одиночные).
Код экономный (эффективный) — дает
возможность получить в среднем минималь-
ную длину кодовой комбинации при задан-
ном количестве информации в кодируемом
сообщении. Кодирование производится так,
чтобы каждый символ мог нести как можно
большее количество информации, т.е. имел
максимальную энтропию. Для этого элемен-
ты сообщения (буквы) должны кодироваться
неравномерным кодом. Комбинация, опреде-
ляющая букву, должна быть тем короче, чем
больше частота (вероятность) использования
этой буквы. Простейшими К. э., у которых не
учитываются корреляционные связи между
буквами последовательности, являются коды
Шеннона—Фано и Хаффмена. При этом ча-
ще всего используется двоичный алфавит.
Кодирование кодом Шеннона—Фано сводит-
ся к следующим процедурам. Кодируемые
буквы сообщения выписывают в столбик
сверху вниз по мере убывания их вероятнос-
тей. Потом столбик делят на две секции, име-
ющие по возможности равные вероятности,
после чего обозначают верхнюю секцию сим-
волом 1, а нижнюю — символом 0. Дальше
каждую из этих секций также делят на две
секции, которые обозначают символами 1 и 0.
Такое деление производится до тех пор, пока
в каждой секции не останется по одной бук-
ве. Далее символы 1 и 0, которыми обозначе-
ны секции, в которые входит кодирующаяся
буква, выписывают в виде последовательнос-
ти справа налево? Чём больше вероятность
кодируемой буквы, тем короче будет ее ком-
бинация. Средняя длина для кодированного
таким образом сообщения будет меньше, чем
при кодировании равномерным кодом, когда
все сформированные комбинации имеют оди-
наковую длину. Рассмотренный код — пре-
фиксный: никакая более короткая комбина-
ция не является началом более длинной; их
можно передавать последовательно без при-
менения разделительных знаков.
6.9. ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ
КАНАЛА СВЯЗИ — максимальная скорость
передачи информации по каналу связи
Стах = SUp[lim/(%, У)/7] При Т->«э,
где sup — supremum, верхняя граница величины
(см. ст. 6.11); 1(Х, У) — взаимная информация
между символами X(f) на входе и Y(t) на выходе
(см. ст. 6.5); Т — длительность сигналов.
136
РАДИОТЕХНИКА
6.14. ЭНТРОПИЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ
Пропускная способность дискретного ка-
нала без шумов
с -
д т
где L — число символов в азбуке; т — средняя
длительность символов в сигнале Y(t), а с шу-
мами
Сд.ш = (1/T)[log£ - H(X/Y)] < Сд,
где 1/т — среднее число символов в сигнале
Y(t), который передается за единицу времени;
H(X/Y) — условная энтропия.
Пропускная способность непрерывного ка-
нала без шумов, для которого ЦХ, У) = 1(Х),
Снп = sup|4im/(X)/7],
а с шумами
Снп.ш = sup|4imZ(X;y)/7],
которая сходится с Стах (см. ранее).
В случае наиболее информативного сигна-
ла в виде гауссовского центрированного про-
цесса и помехи типа белый шум пропускная
способность непрерывного канала связи
CHnui = niog[l+ ас/(ПС0)]>
где П — полоса пропускания канала; ° с —
дисперсия сигнала; Go — спектральная плот-
ность белого шума [2].
6.10. СИГНАЛ — физический процесс в
форме, пригодной для передачи по каналу свя-
зи, отображает сообщение (несет информа-
цию, заложенную в сообщении).
6.11. СКОРОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ИНФОР-
МАЦИИ — среднее количество информации,
которое передается каналом связи за единицу
времени:
V(X,Y) = Нш[/(ХГ,УГ)/Т] = Нш[Я(Хг,Уг)]/г,
т —>°° т —>°°
где Хг, YT— сообщение на входе и выходе кана-
ла связи; Я(ХГ) — энтропия сообщения Хт\
H(YT) — энтропия сообщения Уг; H(X^Yj} — ус-
ловная энтропия; Т — длительность сообщения.
6.12. СООБЩЕНИЕ — материальная
форма представления информации. В системах
связи под сообщением понимают представле-
ние информации в виде электрического напря-
жения, возникающего после физико-электри-
ческого преобразователя, например микрофо-
на или гидрофона, преобразующего энергию
первичного носителя информации (звукового
поля, гидроакустического поля и т.п.) в энер-
гию электрических колебаний (см. ст. 1.17).
6.13. ТЕОРИЯ ИНФОРМАЦИИ — наука,
изучающая количественные закономерности,
связанные с получением, передачей, обработ-
кой и хранением информации.
6.14. ЭНТРОПИЯ ИНФОРМАЦИОН-
НАЯ — мера неопределенности, которая оце-
нивается количеством информации на символ
сообщения. Энтропия используется в теории
информации как количественная мера. Допус-
тим, предметом изучения является объект X, ко-
торый может находиться в одном из N состоя-
ний. При этом заранее известно распределение
вероятностей этих состояний — априорное
распределение. Количество информации в со-
общении о том, что X находится в z-м состоя-
нии, логично связать с априорной вероятнос-
тью пребывания объекта в этом состоянии
ЛшР(*Д полагая, что чем меньше значение
ЛшР(*Д тем больше информации содержится в
сообщении о пребывании объекта в этом состо-
янии. После получения сообщения о том, что X
пребывает в z-м состоянии, апостериорная ве-
роятность этого положения приобретает значе-
ние PancOQ- Отношение апостериорной и апри-
орной вероятностей связывают с количеством
полученной при этом информации Для того
чтобы эта мера была аддитивной, используется
логарифм отношения вероятностей:
/(xf) = log[Panc(xI)/Panp(xI)]. Если есть такое зна-
чение Х„ При котором Panc(xz) = 1, ТО /(xf) =
-logPanpfc)- Таким образом, количество инфор-
мации, обусловленное состоянием х„ является
логарифмической функцией вероятности этого
состояния по всему множеству возможных со-
стояний объекта X. Если за количественную
единицу информации выбирается бит (см. ст.
6.2), то логарифм берется по основанию 2.
Среднее по всем возможным состояниям
объекта X количество информации в одном
сообщении :
N
Н(Х) = - SP^xJlogPanpCx,).
Именно эта величина называется информа-
ционной энтропией, поскольку она является
мерой неопределенности случайного состояния
объекта X. Э. и. достигает максимума при пол-
ном отсутствии априорной информации. В
этом случае Panpfc) = 1/У, а Н(Х) = logy, где N
— число возможных состояний (значений) объ-
екта X. При заранее известном состоянии сис-
Глава 6. ИНФОРМАЦИЯ И СООБЩЕНИЯ
137
6.14. ЭНТРОПИЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ
темы Н(Х) = 0. Таким образом, Э. и. является
достаточно рациональной мерой неопределен-
ности системы: чем меньше априорных сведе-
ний о системе, т.е. чем ближе распределение
вероятностей к равномерному, тем больше (в
среднем по множеству сообщений) информа-
ции содержится в сообщении о фактическом
состоянии системы [3].
Энтропия непрерывной случайной ве-
личины х определяется следующим образом:
Я(х) = lim
Дх—>0
- (x)Axlog(W (х)Лх
= - [ W (х) log IV {x)dx - lim log Ах,
Дх->0
где W(x) — плотность вероятности случайной
величины х.
Величина
Я = -jw (x)logW (x)dx
называется относительной (сведенной, диффе-
ренциальной) энтропией случайной величины х.
Поскольку - lim logAx—><~, энтропия непре-
рывнои случайной величины бесконечно вели-
ка при практически всех возможных значениях
плотности вероятности W(x). Однако это не оз-
начает, что энтропия как мера информации не
может быть использована, когда сообщением
или сигналом является непрерывная случайная
величина. Так, в качестве информационной ха-
рактеристики систем связи применяют взаим-
ную информацию (см. ст. 6.5), которая остает-
ся конечной при практически любых законах
распределения входных и выходных сигналов.
При фиксированной дисперсии максимум Э. и.
имеет случайная величина с гауссовским зако-
ном распределения вероятностей. В этом слу-
чае относительная энтропия
Н(х) = log^27teoj ,
где е = 2.71828; а*— дисперсия величины х.
Из приведенного примера следует, что энт-
ропия гауссовской случайной величины х не
зависит от ее математического ожидания и при
увеличении дисперсии возрастает монотонно.
Энтропия объединения — среднее коли-
чество информации по системе, являющейся
совокупностью систем X и Y:
H(X,Y) = M(X,Y)[-\q%P(X,Y)] = Н(Х) +
+ H(Y/X) = H(Y) + H(X/Y),
где H(XIY) и H(YIX) — условные энтропии.
Энтропия условная — степень неопреде-
ленности состояния одной системы X при ус-
ловии, что определено состояние другой систе-
мы У, вероятностно связанной с системой X.
Пусть система X имеет т, а система У — п воз-
можных состояний. Обозначим через P(yiJxi)
условную вероятность того, что система У на-
ходится в состоянии ук при условии, что систе-
ма Xпребывает в состоянии х,. Среднее по все-
му множеству состояний систем Хи Y значение
величины PtyiJx^ т.е. условная энтропия
//(y/X) = -A/AV[logP(№/x,)] =
т п
= - £ У Р(Л ’ Ун> log Р(Уи1 х>)
Z=1 к = \
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В. Теория передачи сигналов. — М.: Радио и связь,
1986.— 304 с.
2. Обнаружение радиосигналов / Под ред. А.А. Колосова. — М.: Радио и связь, 1989. — 288 с.
3. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. — М: Наука, 1969. — 570 с.
4. Блох Э.Л., Зяблов В.В. Обобщенные каскадные коды. — М.: Связь, 1976. — 240 с.
138
РАДИОТЕХНИКА
....;__________ ГЛАВА 7
КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
• Любые идеи, электрические схемы,
технические решения могут быть
реализованы только при условии
их воплощения в конструкции.
• Упрощайте как можете — настолько,
насколько это возможно,
но не более того.
А. Эйнштейн
• Конструирование, схемотехника и
технология переплетаются
настолько тесно, что иногда
нельзя сказать, с чего
начинается проектирование.
• Свобода — осознанная необходимость,
поэтому конструировать можно только
в пределах, разрешенных
нормативной документацией.
• Новое оправдано только тогда,
когда достигается новое качество
или то же самое качество
с меньшими затратами.
• Не существует серебряных пуль.
Р. Киплинг
• РЭА первого поколения —
до 50-х годов.
• РЭА второго поколения —
начиная с 50-х годов.
• РЭА третьего поколения —
начиная с 60-х годов.
• РЭА четвертого поколения —
начиная с 70-х годов.
• РЭА пятого поколения —
начиная с 80-х годов.
Конструирование РЭС — процесс создания
новой РЭА (или ее модернизации), по результа-
там которого должна быть разработана тексто-
вая и графическая конструкторская документа-
ция, которая определяет состав и структуру из-
делия, содержит всю необходимую информа-
цию для его изготовления, контроля, техобслу-
живания и ремонта. Под конструкцией понима-
ют совокупность элементов, деталей и сбороч-
ных единиц, которые находятся в определенных
электрических (соответственно принципиаль-
ной схеме), пространственно-механических
(соответственно сборочному чертежу), электро-
магнитных и тепловых связях, обеспечиваю-
щих выполнение заданных функций с необхо-
димой эффективностью и надежностью на про-
тяжении определенного интервала времени при
заданных условиях эксплуатации и техническо-
го обслуживания, а также возможность изготов-
ления РЭС в заданных условиях производства.
Следует отметить постоянное усложнение РЭС,
связанное с расширением их функциональных
возможностей, улучшением показателей каче-
ства, усовершенствованием элементной базы и
технологии изготовления, а также тесную взаи-
мосвязь и взаимовлияние конструирования и
технологии изготовления РЭС при том, что в
последнее время темп развития конструирова-
ния выше, чем схемотехники.
По зонам использования РЭА разделяют на
три класса: наземную, морскую и бортовую.
Класс наземной РЭА охватывает три основные
группы (стационарную, возимую и носимую);
класс морской РЭА — две группы (корабель-
ную и буйковую); класс бортовой РЭА — три
группы (самолетную, ракетную и космичес-
кую). По функциональной сложности ралича-
ют такие уровни разукрупнения РЭА: радио-
электронное устройство (законченная сбо-
рочная единица, выполненная на базе несущей
конструкции, которая реализует функции при-
Глава 7 КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
139
ГЛАВА 7
ема, передачи и преобразования информации);
радиоэлектронный комплекс (совокупность
функционально связанных радиоэлектронных
устройств, предназначенных для решения
сложных технических задач); радиоэлектрон-
ная система (совокупность функционально
связанных автономных радиоэлектронных
комплексов и устройств). По функционально-
му назначению выделяют два основных вида
РЭА, которые имеют различные конструктор-
ские особенности: бытовая РЭА (радиовеща-
тельные приемники, тюнеры, телевизоры, ви-
део- и звуковоспроизводящая аппаратура, ком-
бинированные устройства и т.д.); профессио-
нальная РЭА (аппаратура связи, радиолокации,
радионавигации, гидроакустических станций,
измерительная, медицинская, специальная ап-
паратура для обработки, хранения и отображе-
ния информации). В зависимости от конструк-
торской сложности существуют четыре уровня
разукрупнения: РЭА-0, РЭА-1, РЭА-2, РЭА-3
(элементная база, радиоячейки, радиоблоки,
радиошкафы соответственно). По продолжи-
тельности работы различают четыре категории
РЭА: одноразового, многоразового, непрерыв-
ного и общего (смешанного) пользования. По
принципу действия РЭА разделяют на анало-
говую, цифровую, цифроаналоговую. По на-
дежности выделяют РЭА восстанавливаемую
и невосстанавливаемую, с резервированием и
без резервирования; по способу эксплуатации
— автоматическую, автоматизированную и с
ручным управлением; по виду техобслужива-
ния — РЭА с техобслуживанием после перио-
дического контроля, с техобслуживанием при
непрырывном контроле и с регламентным те-
хобслуживанием, которое проводят независи-
мо от состояния аппаратуры в начале ее обслу-
живания. По элементной базе и структуре кон-
струкции различают пять поколений, из кото-
рых РЭА-I уже не производится, а РЭА-V осва-
ивается; по типу производства — единичное,
серийное (мало-, средне-, многосерийное) и
массовое.
Во время изучения материалов главы реко-
мендуется такой порядок рассмотрения статей:
7.3, 7.11, 7.19, 7.10, 7.18, 7.1, 7.21, 7.13, 7.2,
7.22, 7.8, 7.9, 7.12, 7.20, 7.4—7.7, 7.14—7.17.
7.1. БЕЗОПАСНОСТЬ РЭА — свойство
аппаратуры гарантировать отсутствие опаснос-
ти для пользователя при выполнении заданных
функций в заданных условиях эксплуатации на
протяжении определенного промежутка време-
ни. Бытовые приборы должны быть сконструи-
рованы и изготовлены так, чтобы при эксплуа-
тации, а также в случае неисправности не воз-
никала опасность для пользователя даже при
неосторожном обращении с прибором. При
этом должна быть обеспечена защита от пора-
жения электрическим током, влияния высоких
температур и пламени, ионизированного излу-
чения, последствий взрыва кинескопа, механи-
ческой неустойчивости прибора, связанной с
наличием подвижных частей и т.п.
Предотвращение опасности поражения
электрическим током включает ряд мер. До-
ступные части устройств не должны находить-
ся под опасным напряжением (напряжение
считают опасным, если между контролируемой
частью прибора и'йюбой его точкой или полю-
сом питания через резистор с сопротивлением
50 кОм (эквивалент электрического сопротив-
ления тела человека) проходит переменный ток
/т > 0.7 мА или постоянный ток L > 2 мА).
Конструкция устройства должна исключать
опасность поражения электрическим током со
стороны деталей, которые становятся доступ-
ными при снятии крышки, а также во время ре-
гулировки устройства. Защита должна быть
обеспечена также в условиях неисправности. В
этом случае допустимые значения тока увели-
чиваются в четыре раза.
Требования безопасности и производствен-
ной санитарии профессиональной РЭА обес-
печиваются системой мероприятий, которые
дают возможность предотвратить воздействие
опасных и вредных факторов (опасные приво-
дят к травмам, вредные к заболеваниям). К
первым факторам относят опасный уровень
электрического напряжения, электромагнитно-
го излучения; ко вторым — повышенные тем-
пература воздуха, уровни шумов и вибраций,
ионизированные излучения, а также освеще-
ние рабочей зоны, которое не отвечает нормам,
и т.п. При этом защита человека должна обес-
печиваться как в условиях нормальной эксплу-
атации, монтажа, техобслуживания, хранения
и транспортировки РЭА, так и в условиях ава-
рийной ситуации. Требования и нормы безо-
пасности обеспечиваются системой ГОСТ по
безопасности труда, правилами и нормами тех-
ники безопасности, пожарной безопасности,
производственной санитарии [1].
7.2. БИОНИКА — наука, которая исследу-
ет принципы построения и функционирования
биологических систем с целью использования
140
РАДИОТЕХНИКА
7.3. ЕДИНАЯ СИСТЕМА КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ
этих принципов при конструировании техни-
ческих устройств. Считают, что жизнь на Зем-
ле существует 2...3 млрд лет, на протяжении
которых происходит беспощадный естествен-
ный отбор, в результате чего выживают силь-
нейшие, самые приспособленные и организо-
ванные виды. Таким образом, природа создала
огромную сокровищницу «живых инженерных
систем», работающих необычайно надежно,
эффективно реагируя на воздействия окружа-
ющей среды. Цель Б. — использовать их, по-
нять, в чем природа умнее, точнее, надежнее,
экономичнее современной техники, и приме-
нить эти знания при решении разнообразных
научных и технических задач. Главные направ-
ления Б. охватывают такие основные пробле-
мы: изучение нервной системы человека и жи-
вотных, моделирование нервных клеток —
нейронов, что используется для дальнейшего
совершенствования вычислительной техники
и разработки новых элементов радиоэлектро-
ники; изучение рецепторных органов (органов
восприятия) с целью разработки новых датчи-
ков и систем обнаружения; исследование
принципов ориентации, локации, навигации в
живой природе для создания технических ана-
логов; анализ организации биологических сис-
тем, обеспечивающих сверхвысокие надеж-
ность, экономичность, адаптацию к быстроме-
няющейся сигнально-помеховой обстановке,
которые пока еще недостижимы для современ-
ной техники; исследование морфологических,
физиологических и биохимических особенно-
стей живых организмов для генерации новых
научных и технических идей.
Для иллюстрации обратимся к сравнению
локационного аппарата летучей мыши и само-
летного локатора с использованием критерия
Грифина
Q = R4 /(PMd2^),
где Q — качество локатора; R — дистанция рав-
нонадежного обнаружения; Р — минимально
необходимая для этого мощность локатора; М—
его масса; — эффективный диаметр цели.
Расчеты, выполненные на адекватных объ-
ектах, показывают, что локационная система
летучей мыши в 104 раз эффективнее техниче-
ского локатора.
7.3. ЕДИНАЯ СИСТЕМА КОНСТ-
РУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ — ком-
плекс ГОСТ, который определяет единый со-
став, правила разработки, оформления и обра-
щения КД. Термин конструкторская докумен-
тация понимают как графические и текстовые
документы, которые в совокупности или в от-
дельности определяют состав и устройство из-
делия и содержат всю информацию, необходи-
мую для его разработки, изготовления, контро-
ля, приемки, эксплуатации и ремонта.
Изделие — предмет или набор предметов
производства. По назначению И. делят на И.
основного производства (для сбыта) и И. вспо-
могательного производства (для собственных
потребностей предприятия). По сложности
различают четыре вида изделий. Деталь — И.,
изготовленное из однородного материала без
использования сборочных операций. Сбороч-
ная единица — И., составные части которого
подлежат соединению с помощью сборочных
операций. Комплекс — два или более И., не со-
единенных на предприятии-производителе
сборочными операциями, но предназначенные
для выполнения взаимосвязанных эксплуата-
ционных функций. Комплект — то же, но для
И., которое имеет эксплуатационное назначе-
ние вспомогательного характера.
Конструкторская документация чертеж-
ная — графическая документация, которая со-
стоит из чертежей пяти видов. Чертеж дета-
ли содержит ее изображение и информацию,
необходимую для изготовления и контроля из-
готовления детали. Сборочный чертеж содер-
жит изображение сборочной единицы и ин-
формацию, необходимую для ее сборки и кон-
троля. Чертеж общего вида определяет конст-
рукцию изделия, взаимодействие его основных
частей и поясняет принцип действия. Элект-
ромонтажный чертеж содержит информа-
цию, необходимую для электрического монта-
жа изделия. Монтажный чертеж содержит
контурное (упрощенное) изображение изде-
лия, а также информацию, необходимую для
его установки на месте использования.
Конструкторская документация схем-
ная — графическая документация, которая со-
стоит из электрических схем шести видов.
Структурная схема определяет основные
функциональные части изделия, их назначение
и взаимосвязь. Элементы изображаются в виде
прямоугольников с текстовыми или условны-
ми графическими обозначениями. Принципи-
альная схема определяет полный состав эле-
ментов и связи между ними, дает подробное
представление о принципе действия изделия.
Глава 7 КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
141
7.3. ЕДИНАЯ СИСТЕМА КОНСТРУКТОРСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ
Элементы изображаются в виде условных гра-
фических обозначений. Функциональная схема
объясняет процессы, которые происходят в
функциональных узлах и цепях изделия, и при-
меняется тогда, когда уровень подробности
структурной схемы недостаточен, а принципи-
альной схемы еще избыточен. Схема соедине-
ний (монтажная) показывает соединения со-
ставных частей изделия и определяет необхо-
димые провода, жгуты, кабели, а также места
их соединений (зажимы, соединители и т.п.).
Схема подключения показывает внешние со-
единения изделий. Схема общая устанавливает
составные части комплекса и способы их со-
единения на месте эксплуатации.
Конструкторская документация тексто-
вая — документация, которую выполняют ру-
кописным или печатным способом на листах
бумаги формата А4 согласно установленным
формам. Спецификация определяет составные
части сборочной единицы, комплекса или ком-
плекта. Перечень элементов принципиальной
схемы устанавливает ее состав. Технические
условия (ТУ) содержат требования к изделию.
ТУ состоят из вступительной части, техничес-
ких требований, правил приемки изделия, ме-
тодов контроля, условий транспортировки и
хранения, указаний по эксплуатации, гарантий
производителя. Пояснительная записка содер-
жит описание изделия, а также обоснование
принятых во время его разработки техничес-
ких решений. Ведомости включают перечни
составных элементов изделия: ведомость спе-
цификаций, ведомость покупных изделий, ве-
домость ссылочных документов, а также ведо-
мости технического предложения, эскизного и
технического проектов. Эксплуатационная КД
предназначена для изучения изделия и правил
его эксплуатации; содержит техническое опи-
сание, инструкции по эксплуатации и техниче-
скому обслуживанию, паспорт, ведомость за-
пасных изделий и т.п.
Стадии разработки КД включают шесть
этапов выполнения работ. Техническое задание
(ТЗ) — совокупность требований к РЭА, кото-
рые определяются ее назначением, областью
применения, условиями эксплуатации, типом
производства. ТЗ составляют на основе норма-
тивно-технической документации, требований
заказчика, а также по результатам изучения
рынка и анализа лучших образцов современ-
ной техники (аналогов), научного прогнозиро-
вания. В соответствии со стандартом ТЗ имеет
такие разделы: название и область примене-
ния; источники разработки; цель и назначение;
технические требования; экономические пока-
затели; этапы разработки; порядок контроля и
приемки; дополнения. Техническое предложе-
ние разрабатывают с целью уточнения ТЗ на
базе предварительной конструкторской прора-
ботки и анализа различных вариантов возмож-
ных решений. Эскизный проект (ЭП) — сово-
купность КД, которую разрабатывают с целью
определения принципиальных схемотехничес-
ких и конструкторских решений. Выход ЭП:
структурная схема, чертежи общего вида и по-
яснительная записка. Технический проект (ТП)
— совокупность КД, которую разрабатывают с
целью получения окончательных технических
решений, дающих полное представление о схе-
ме и конструкции изделия. Выход ТП: принци-
пиальная электрическая схема, сборочные чер-
тежи изделия и его основных узлов, техничес-
кие условия, макеты, пояснительная записка.
Рабочая КД опытного образца — совокуп-
ность КД, предназначенная для изготовления и
испытания образца (опытной партии). Рабочая
КД серийного (массового) производства — со-
вокупность КД, предназначенная для изготов-
ления и контроля изделий установочной серии
и серийного производства.
7.4. ЗАЩИТА РЭА ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ
ВЛАГИ — комплекс конструкторско-техноло-
гических решений, которые обеспечивают вла-
гостойкость изделия — свойство РЭА сохра-
нять работоспособность во время эксплуата-
ции, а также после транспортировки или хра-
нения в среде с заданной влажностью. Влия-
ние влаги может проявляться как сравнительно
быстро (секунды, минуты, часы), так и через
значительный промежуток времени (месяцы,
годы). Увлажнение органических материалов
сопровождается возрастанием диэлектричес-
кой проницаемости (е) и потерь (tg5), умень-
шением объемного сопротивления, электриче-
ской и механической прочности. При увлажне-
нии металлов возникает коррозия, которая
приводит к нарушению герметичности, обры-
вам электромонтажных связей, увеличению
сопротивления контактных пар (обгоранию
контактов), износу поверхностей трения и пр.
Постепенные отказы проявляются в снижении
чувствительности, избирательности, устойчи-
вости устройств, ухудшении других парамет-
ров; внезапные — в возникновении электриче-
ских пробоев и обрывов. С целью обеспечения
142
РАДИОТЕХНИКА
7.4. ЗАЩИТА РЭА ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЛАГИ
влагостойкости применяют ряд перечислен-
ных далее мер.
Гальваническое покрытие — наиболее
распространенное антикоррозийное покрытие
поверхности металла, обеспечивающее обра-
зование тонких и сравнительно равномерных
по толщине пленок. Г. п. получают выделени-
ем металла покрытия из соли под действием
электрического тока. Различают катодные и
анодные покрытия. Первые (деталь, которую
покрывают, — катод) получают, если электрод-
ный потенциал материала покрытия более по-
ложителен, чем основного металла; вторые —
в обратном случае. Как материал покрытия ис-
пользуют цинк, кадмий, никель, хром. Чаще
применяют цинковые покрытия, которые име-
ют среднюю твердость и допускают механиче-
скую обработку; хромирование обеспечивает
наибольшую твердость, изделие хорошо поли-
руется, имеет гидрофобные свойства. Много-
слойные покрытия применяют, если необходи-
мы большая износостойкость и устойчивость
против воздействия агрессивной среды. Кроме
металлических используют неметаллические
Г. п. (например, анодное оксидирование).
Герметизация — обеспечение практичес-
кой непроницаемости корпуса РЭА для жидкос-
тей и газов. Г. применяют при использовании
бескорпусной элементной базы, а также для за-
щиты элементов от влаги, биологических фак-
торов, пыли, песка, грязи и механических по-
вреждений. Используют частичную и общую Г.
Первую обеспечивают просачиванием, обвола-
киванием и заливкой лаками или компаундами,
а также опрессовкой пластмассами. Практичес-
ки полную защиту РЭА дает общая Г., при кото-
рой аппаратуру размещают в цельных металли-
ческих корпусах с воздушным или газовым за-
полнением, а ввод и вывод электрических кон-
тактов осуществляют с помощью стеклянных
или керамических изоляторов и гермопроход-
ников. Органы управления, которые выступают
за границы гермокорпуса, герметизируют рези-
новыми чехлами, передачу вращательного и по-
ступательного движений обеспечивают сальни-
ками или мембранами. Корпуса закрывают до-
полнительным кожухом или крышкой.
В зависимости от конструкции уплотни-
тельных стыков Г. делят на разъемную, неразъ-
емную и демонтажную. При неразъемной Г.
кожух и корпус соединяют сваркой или пайкой.
Для сварки применяют нержавеющие стали,
алюминиевые, магниевые, титановые сплавы,
а для пайки (кроме названных материалов) —
медь и ее сплавы. При демонтажной Г. свари-
вание корпуса с крышкой производят плазмен-
ным или лазерным способом, что позволяет
демонтировать изделие фрезерованием не-
сколько раз. Разъемную Г. осуществляют с ис-
пользованием уплотняющих прокладок из эла-
стичной термостойкой резины или мягких ме-
таллов (свинца, алюминия, отожженной меди).
Заливка элементов РЭА — сплошная упа-
ковка компонента или узла в изоляционную
массу путем заполнения ею свободного прост-
ранства между элементами изделия и стенками
корпуса или между изделием и заливочной
формой. Заливочные массы (наиболее часто —
эпоксидные смолы в чистом виде или с напол-
нителем) при затвердении обеспечивают хоро-
шую адгезию, эластичность и механическую
прочность. Для снижения массы залитого узла
применяют пенные заливочные материалы —
пенопласты (например, пенополиуретан).
Материалы коррозионно-стойкие — ма-
териалы, устойчивые к воздействию атмосфер-
ной и контактной коррозии. Атмосферная кор-
розия происходит под тонкой пленкой влаги на
поверхности детали в присутствии кислорода.
Вследствие малого количества воды концент-
рация ионов в растворе оказывается значитель-
ной, из-за чего продукты коррозии не смыва-
ются. Поэтому устойчивость металлических
деталей в большинстве случаев зависит от
свойств продуктов коррозии. Так, на деталях
из алюминиевых и магниевых сплавов образу-
ется оксидная пленка, которая замедляет хими-
ческую коррозию, а на малоуглеродистых ста-
лях — рыхлая и гигроскопическая оксидная
пленка, которая усиливает ее. Хорошим М. к. с.
является нержавеющая сталь. Контактная (эле-
ктрохимическая) коррозия возникает в месте
контакта двух различных металлов под плен-
кой влаги, которая содержит примеси соли
(электролит). Интенсивность процесса зависит
от того, насколько далеко в ряду электрохими-
ческих потенциалов располагаются контакти-
рующие металлы (каждый следующий металл
из ряда электрохимических потенциалов менее
активно отдает ионы электролиту, чем преды-
дущий). Совместимыми парами в нормальной
атмосфере являются алюминий — нержавею-
щая сталь, алюминий — титановые сплавы, а
несовместимыми: алюминиевые сплавы —‘ ла-
тунь и бронза, алюминий — медь, магниевые
сплавы с другими металлами.
Глава 7 КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
143
7.4. ЗАЩИТА РЭА ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЛАГИ
Материалы слабогигроскопичные дают
возможность уменьшить концентрацию влаги
во внутреннем объеме РЭА, в частности внут-
ри гермоблока. Концентрацию влаги в значи-
тельной мере повышают полимерные материа-
лы, которые входят в состав печатных плат,
изоляции проводов, конструкции деталей, сбо-
рочных связок, несущих конструкций, клее-
вых соединений, слоев демпфирования и виб-
роизоляции и т.п. Все полимерные материалы
гигроскопичны: во время производства, хране-
ния, эксплуатации они поглощают влагу из ок-
ружающей среды, а при нагревании выделяют
ее во внутреннее пространство прибора. При
этом губчатые (волокнистые) материалы более
гигроскопичны, чем плотные. Указанные далее
полимерные и композиционные материалы
размещены в порядке возрастания влагопогло-
щения: полиэтилен, эпоксидные компаунды,
лавсан, полистирол, полихлорвинил, много-
слойные пластики (стеклотекстолит, гетинакс),
хлопок, шелк.
Металлические покрытия включают рас-
смотренные ранее гальванические покрытия, а
также покрытия, выполненные диффузным и
горячим способами. Последний осуществляют
погружением детали в расплавленный металл.
Обволакивание — способ полимерно-
пленочной защиты от влаги печатных плат,
дискретных ЭРЭ, бескорпусных полупровод-
никовых приборов, МС с помощью покровных
лаков, компаундов и эмалей. Основное пре-
имущество О. — высокая экономичность, не-
достаток — толщину слоя покрытия трудно
контролировать. Использование О. целесооб-
разно только для нежестких условий эксплуа-
тации.
Опрессовка — защита от влаги малогаба-
ритных элементов (ИС, ЭРЭ, МС) толстым сло-
ем полимерного материала способом литья или
трансферным прессованием в специальных
формах. О. дает возможность закрепить внеш-
ние выводы и создает несущую конструкцию,
стойкую к механическим нагрузкам. О. исполь-
зуют для нежестких условий эксплуатации.
Осушка — защита внутренних пустот при-
бора с помощью влагопоглотителей. Наиболее
часто применяется силикагель — высушенный
и раздробленный гель ангидрида кремниевой
кислоты. Осушительный патрон заменяют, ес-
ли он полностью насыщен влагой. Для О. мо-
гут использоваться другие вещества, наиболее
перспективным из которых является цеолит.
Покраска грунтами с последующим по-
крытием лакокрасочными материалами — наи-
более распространенный способ защиты ме-
таллических поверхностей от коррозии. П. ис-
пользуют для защиты поверхностей неразъем-
ных сложных узлов и изделий больших разме-
ров. Процесс предусматривает три операции:
грунтовку, увеличивающую прочность сцепле-
ния покрытия и поверхности; шпаклевку; соб-
ствено П., которую выполняют в несколько
слоев.
Пропитывание слабогигроскопичными
веществами (пропитка) — защита от влаги
моточных изделий и деталей, которые содер-
жат гигроскопичные пористые или волокнис-
тые материалы. Во время П. с. в. из пустот и
пор вытесняется воздух и они заполняются ла-
ком или компаундом. Это приводит к увеличе-
нию электрической и механической прочнос-
ти, улучшению теплопроводности, но одновре-
менно возрастают масса и паразитная емкость.
П. с. в. осуществляют эпоксидными смолами
без наполнителей или кремнийорганическими
жидкостями, моточные изделия просаливают
фторорганическими и полиэфирными жидкос-
тями.
Химическое покрытие — защита металла
от влаги с помощью пленок, которые образу-
ются на нем вследствие воздействия химичес-
ких реагентов (оксидные и фосфатные плен-
ки). X. п. применяют как самостоятельно, так и
для усиления защитных свойств гальваничес-
ких покрытий.
7.5. ЗАЩИТА РЭА ОТ МЕХАНИ-
ЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ — защита от ди-
намических воздействий, которые имеют слу-
чайный характер, но для упрощения анализа
могут быть сведены к трем детерминирован-
ным моделям: вибрации, ударам, линейным ус-
корениям. При этом различают устойчивость
относительно механических воздействий (виб-
ро- и удароустойчивость) и прочность (вибро-
и ударопрочность) — свойство сохранять ра-
ботоспособность в условиях механических
воздействий и после их прекращения соответ-
ственно.
Амортизатор — упругая опора, которая поз-
воляет реализовать вибрационную и уцарную
развязку устройства от объекта установки (осно-
вания). А. делят на низко-, средне- и высокочас-
тотные, которые обеспечивают виброизоляцию
в частотных диапазонах 5...600, 15...600 и
35.. .2000 Гц соответственно. По способу дейст-
144
РАДИОТЕХНИКА
7.5. ЗАЩИТА РЭА ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
вия выделяют четыре группы А. В металлорези-
новых А. между металлическими деталями, ко-
торые используют для крепления к прибору и
основанию, запрессован упругий элемент из
специальной резины. К их преимуществам от-
носятся компактность, простота, низкая стои-
мость, достаточно большая демпфирующая спо-
собность; к недостаткам — малый диапазон ме-
ханических нагрузок, изменение собственной
частоты с изменением нагрузки, быстрое старе-
ние. Металлоупругие А. содержат пружину в со-
единении с демпферными элементами и ограни-
чителями. Такие А. более универсальны и долго-
вечны, допускают значительные изменения ра-
бочих температур. Тросовые А. обеспечивают
широкий диапазон нагрузок, значительное дем-
пфирование, защиту от механических воздейст-
вий по всем направлениям. Резиновые А. выпол-
няют из масло- и морозостойкой эластичной ре-
зины или губчатой листовой резины в виде вту-
лок, прокладок и шайб; используют для защиты
отдельных узлов РЭА.
Воздействие вибрационное — колебания
конструкции, обусловленные периодическим
механическим воздействием, в частности не-
уровновешенностью механических масс. Виб-
рации испытывает аппаратура, размещенная на
транспортных средствах, в производственных
j = 4itAf2/g; (1)
A =jg/(4itf2); (2)
F = та = Gj, (3)
где А и f — амплитуда и частота колебаний;
F — механическое динамическое воздействие;
т и G — масса и вес аппаратуры.
Как следует из (1)—(3), перегрузка и соот-
ветственно динамические силы пропорцио-
нальны амплитуде вибрации и квадрату часто-
ты воздействия.
На Рис. 7.1, а показана амортизированная
механическая колебательная система с одной
степенью свободы, на которую воздействуют
вертикальные гармонические колебания с час-
тотой со, где 3 — основание (объект установки
РЭА) с массой Мосн; 2 — упругие амортизато-
ры, имеющие гибкость Г и механическое со-
противление гм (вязкое трение); 1 — РЭА с
массой М. Скорость перемещения основания
Косн задает носитель аппаратуры, она практи-
чески не зависит от параметров РЭА; поэтому
электрическим эквивалентом источника явля-
ется генератор тока. При жестком закреплении
на основании скорость перемещения РЭА рав-
на скорости перемещения основания: V = Иосн.
При амортизации РЭА вследствие инерции
массы М пружина сжимается и растягивается,
а скорость перемещения массы М становится
помещениях, а также та, которая транспорти-
руется к месту установки. Вследствие вибра-
ции возникает перегрузка J = a/g, где а — уско-
рение, вызванное вибрацией; g — ускорение
меньше, чем скорость перемещения основания
Косн = V + Ипр, где под скоростью пружины Ипр
понимают скорость взаимного перемещения ее
концов.
Глава 7. КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
145
7.5. ЗАЩИТА РЭА ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Таблица 7.1
Электрический параметр Механический параметр
Наименование Обозначение Наименование Обозначение
Индуктивность L Масса М
Емкость С Гибкость Г
Сопротивление электрическое г Сопротивление механическое г„
Сопротивление комплексное электрическое Z = г + j((dL - 1/(оС) Сопротивление комплексное механическое ZM = гм + 7(соМ -1 /соГ)
Напряжение и Сила F
Ток / Скорость V
Заряд Q Путь X
Энергия индуктивного элемента l/П Энергия кинетическая МГ2/2
Энергия конденсатора CU*f2 Энергия потенциальная Г/^/2
Для определения отношения Г| используют эле-
ктрическую эквивалентную схему Рис. 7.1, б,
построенную на основе электромеханических
аналогий (Табл. 7.1), откуда
Tl = |///t|, (4)
где общий ток
/ = lc +iL =U /[г + 1/ jaC] + U / jnL. (5)
Решение уравнений (4), (5) иллюстрирует
Рис. 7.1, в, где у = со/сол^собственная резонанс-
ная частота со0 = 1/VZC; эквивалентная доб-
ротность амортизатора 0ЭКВ = 1/(сОоСг). Как
видно из рисунка, значение Т| становится боль-
ше единицы (амплитуда колебания РЭА мень-
ше, чем амплитуда основания) при у > V2. Та-
ким образом, для эффективной амортизации
необходимо уменьшать собственную резонанс-
ную частоту соо и увеличивать добротность
бэкв. Снижение соо при фиксированной массе
аппаратуры М возможно благодаря увеличе-
нию гибкости системы Г, что определяет техни-
ческую границу увеличения у. Наиболее опас-
но возникновение разрушительного механичес-
кого резонанса, при котором частота внешнего
воздейстия со совпадает с собственной частотой
механической системы соо = = 1/Л/МГ =
= l/VM/Ж, где Ж = 1 /Г — жесткость конструк-
ции (отношение силы к деформации конструк-
ции, обусловленной этой силой). Из (2) выте-
кает, что самые большие амплитуды колебания
приходятся на НЧ область.
Воздействие ударное — воздействие, кото-
рое сопровождается скачкообразным измене-
нием скорости тела. По происхождению разли-
чают удары, обусловленные транспортирова-
нием, падением, столкновением, приземлени-
ем носителя, взрывной волной; по характеру
воздействия — периодические и апериодичес-
кие. Удары отличаются от вибраций тем, что
период их повторения значительно больше
времени установления механической системы;
это позволяет рассматривать ударное действие
как одиночное. Во время действия ударного
импульса ти возникают вынужденные колеба-
ния РЭА с большой амплитудой, которые затем
переходят в свободные колебания.
Линейные ускорения — частный случай
ударного воздействия, при котором удар один, а
его продолжительность ти достаточно велика.
При этом полагают, что ускорение основания, на
котором установлена РЭА, изменяется по закону
[япгн приО<Г<ти;
✓ J wri * И '
^ochv/- Л _
(0 npHt<0, Г>ти.
Защита РЭА от JI. у. с помощью амортиза-
торов неэффективна.
Рассмотрим механизм ослабления ударно-
го воздействия за счет амортизации. Удар —
это кратковременное отклонение основания от
положения равновесия. Ширина спектра тако-
го воздействия тем больше, чем оно короче
AFH а 1/ти. Амортизированная механическая
система при малых добротностях представля-
ет собой ФНЧ (Д/^фнч = V2/o). Если ПП меха-
нической системы значительно меньше, чем
ширина спектра ударного воздействия, то со-
ответственно уменьшается энергия возмуще-
ния, которая непосредственно воздействует на
РЭА. Анализ показывает, что амортизация при
ударах эффективна при условии соо < 1/ти> т.е.
когда ударный импульс не успевает «раска-
чать» инерционную систему ти < То = 2л/(о0.
146
РАДИОТЕХНИКА
7.6. ЗАЩИТА РЭА ОТ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Защита от механических воздействий.
Повышение устойчивости конструкций РЭА за
счет повышения жесткости (введения допол-
нительных перегородок, ребер жесткости, до-
полнительных точек крепления, усложнения
профиля несущей конструкции и т.п.), как пра-
вило, связано с наращиванием массы, а это, в
свою очередь, ведет к возрастанию динамичес-
ких нагрузок (3), что неприемлемо. Поэтому
для повышения прочности и, в частности, уда-
ростойкости РЭА используют другие меры:
— хрупкие материалы заменяют материа-
лами с большей пластичностью (чугунное ли-
тье — тонколистовым стальным прокатом,
алюминиевое литье — прокатом из алюминие-
вых и титановых сплавов, изоляционный фар-
фор — пластическими смолами, силикатное
стекло — органическим и т.п.);
— чтобы избежать резонанса, изменяют
собственную частоту f0 механической системы
за счет жесткости или массы РЭА без ее меха-
нической изоляции от носителя (без амортиза-
ции). Такой подход характерен для конструк-
ций РЭА-1;
— систему, которая амортизируется, уста-
навливают на упругие опоры с одновременной
отстройкой собственной частоты от диапазона
частот вибрации (РЭА-2, РЭА-3);
— если отстроить собственную частоту ме-
ханической системы от частоты внешних воз-
действий не представляется возможным, то
для уменьшения амплитуды резонансных коле-
баний используют демпфирование — умень-
шение добротности механической системы
введением дисипативного элемента (это сред-
ство иногда объединяют с предыдущими).
Для неамортизированной РЭА эффектив-
ность защиты конструкции оценивают с помо-
щью коэффициента динамичности £ = ятах/ядоп
— отношения фактического ускорения к допус-
тимому.
Электромеханические аналогии — уста-
новление эквивалентного соответствия между
механическими и электрическими величинами,
что позволяет заменить механическое модели-
рование более простым и экономичным моде-
лированием при помощи эквивалентных элект-
рических схем (например, как на Рис. 7.1, б).
Сравним дифференциальное уравнение, кото-
рое описывает процессы в одиночном линей-
ном электрическом колебательном контуре
LI'+rI'+I/C=U'(t), (6)
где L, С, г — параметры контура; I — ток; U(t)
— внешнее напряжение, с уравнением, описы-
вающим процессы в механической колебатель-
ной системе второго порядка, совпадающим по
виду с (6):
MX'+rMX'+X/F=F(r), (7)
где X— перемещение тела; гм — механическое
сопротивление, которое учитывает потери в
механической системе; Г — гибкость; F —
внешняя сила.
Если от перемещения X перейти к скорости
И, то получим
MV*+rMV '+V /Г = F '(t). (8)
Сопоставление уравнений (6) — (8) позво-
ляет составить таблицу 7.1 электромеханичес-
ких аналогий.
7.6. ЗАЩИТА РЭА ОТ ТЕПЛОВЫХ
ВОЗДЕЙСТВИЙ — обеспечение необходи-
мого теплового режима, при котором темпера-
тура каждого элемента РЭА не выходит за ус-
тановленные (допустимые) пределы. Подавля-
ющее большинство маломощных РЭС лишь
небольшую часть энергии, которую они по-
требляют от ИП, преобразуют в энергию по-
лезного сигнала; остальная часть ее превраща-
ется в тепло и рассеивается в окружающей
среде. Одним из проявлений теплового воз-
действия является изменение линейных разме-
ров элементов конструкций, что может приве-
сти к деформации связей, заклиниванию по-
движных частей. Наиболее опасны резкие пе-
репады температуры, от которых прежде всего
разрушаются хрупкие материалы и пластмас-
сы с металлической арматурой. Вследствие
продолжительного теплового воздействия
происходит старение материалов с потерей их
электрических и механических качеств; изме-
няются электрические параметры элементов,
что приводит к нарушению настройки РЭА;
ухудшаются ее шумовые свойства (см. ст.
17.32). Размягчение и вытекание заливочных
составов обуславливает потерю герметичнос-
ти, ухудшение сопротивления изоляции. Сле-
дует отметить, что использование ИС и МС
позволяет значительно увеличить плотность
компановки, а это приводит к повышению
мощности рассеивания и температуры внутри
РЭА по сравнению с аппаратурой, построен-
ной на дискретных ЭРЭ.
Глава 7. КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
147
7.6. ЗАЩИТА РЭА ОТ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Различают теплопередачу конвекцией, кон-
дукцией (теплопроводностью), излучением
(радиацией), а также теплопередачу, связан-
ную с фазовым преобразованием теплоносите-
ля (кипением, плавлением и т.п.). В зависимо-
сти от конструкции, которая охлаждается, а
также рассеиваемой мощности относительный
вклад каждого вида теплопередачи может быть
различным. По видам теплоносителя системы
охлаждения классифицируют на газовые (воз-
душные), жидкостные, испарительные; по ха-
рактеру движения носителя — на системы ес-
тественного и принудительного охлаждения;
по способу действия на объект охлаждения —
на системы прямого и косвенного действия
(негерметичные и герметичные системы); по
охвату объектов охлаждения — на системы об-
щего и локального охлаждения; по связи теп-
лоносителя с окружающей средой — на систе-
мы разомкнутые, в которых теплоноситель по-
сле отбора тепла выбрасывается в окружаю-
щую среду, и замкнутые, где теплоноситель
циркулирует в замкнутом контуре (экологичес-
ки чистые системы). По тепловым режимам
блоки и узлы РЭА делят на нетеплонагружен-
ные (тепловой поток, который проходит сквозь
единицу площади внешней поверхности уст-
ройства, q 500 Вт/м2) и теплонагруженные.
(q > 500 Вт/м2).
Система охлаждения РЭА локальная —
система защиты отдельных узлов устройства от
тепловых воздействий. Объектами охлаждения
являются наиболее теплонапряженные или теп-
лочувствительные элементы. Переход от общей
к локальной системе охлаждения позволяет зна-
чительно выиграть в затратах теплоносителя.
Охлаждение кондуктивное — локальное
охлаждение, при котором теплопроводность
является основным механизмом передачи теп-
ловой энергии от источника к устройству,
обеспечивающему теплообмен. Чаще всего О.
к. реализуют с помощью пассивных конструк-
ционных элементов с высокой теплопроводно-
стью. О. к. является самым распространенным
в МЭА для ИС и МС, которые устанавливают
на теплостоках, выполненных в виде металли-
ческих шин или оснований. Толщина тепло-
стоков составляет доли миллиметра, матери-
ал — алюминий, медь или их сплавы. При этом
должно обеспечиваться интенсивное действие
всей тепловой цепи: ИС (МС) — кондуктив-
ный теплосток — корпус радиоячейки — кор-
пус блока — окружающая среда. В неразъем-
ных соединениях тепловой контакт обеспечи-
вают пайкой, сваркой, склеиванием, винтовым
соединением, теплопроводными пастами; в
разъемных — тепловым соединителем.
Радиатор — локальное охладительное ус-
тройство, предназначенное для интенсифика-
ции теплоотдачи нагруженного элемента.
Количество отданной в воздушную или жидко-
стную среду теплоты возрастает благодаря
увеличению площади поверхности конвектив-
ного теплообмена. При воздушном охлажде-
нии РЭА широко применяют ребристые Р.,
имеющие развитую поверхность, образован-
ную набором пластин, которые устанавливают
на основании с зазором не менее 4...6 мм для
того, чтобы не ухудшить условия конвекцион-
ного теплообмена и излучения. Коэффициент
оребрения £ор = Sp/Sm = 6...8, где 5Р, 5^ — пло-
щадь поверхности ребристого и гладкого Р. со-
ответственно; при этом рассеиваемая мощ-
ность увеличивается в 2...4 раза. Штыревые и
игольчатые Р. имеют более высокий коэффици-
ент теплообмена, но они сложны в производст-
ве; петлепроволочные Р. состоят из основания
и проволочных спиралей, распаянных на их
поверхности (эти Р. применяют при жестких
требованиях к массе РЭА).
Охлаждение струйное — локальное при-
нудительное охлаждение теплонагруженных
элементов, при котором воздух подают перпен-
дикулярно к охлаждаемой поверхности. Если
соотношение между диаметром сопла и рас-
стоянием до корпуса ИС выбрано правильно,
то такой способ охлаждения сравнительно с
традиционным продольным обдувом печатных
плат значительно увеличивает эффективность
теплообмена.
Тепловая трубка — локальное устройство
герметичного охлаждения, работающее в замк-
нутом испарительно-конденсационном цикле;
имеет вид герметичного вакуумированного
объема, внутренняя поверхность которого по-
крыта слоем капиллярно-пористого материала,
заполненного насыщенным паром рабочей
жидкости (фреона, ацетона, спирта и пр.). Теп-
лоотдача происходит благодаря поглощению
теплоты вследствие парообразования в нагре-
той части трубки, соединенной с несущей кон-
струкцией охлаждаемого элемента. Нагретый
пар вдоль парового канала движется к охлаж-
даемой части трубки, где конденсируется и от-
дает свое тепло стенкам, которые могут быть
оребрены. Пополнение жидкости, работающей
148
РАДИОТЕХНИКА
7.6. ЗАЩИТА РЭА ОТ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
в испарительной части трубки, проходит бла-
годаря переносу конденсата капиллярно-пори-
стым материалом от охлаждаемой к нагретой
части трубки. Отбор тепла может проводиться
естественным или принудительным способом.
Т. т. имеют широкую перспективу использова-
ния, они рассеивают мощности до сотни ватт.
Охлаждение термоэлектрическое — ло-
кальное охлаждение теплонагруженных эле-
ментов, основанное на применении эффекта
Пельтье (см. ст. 1.9). Во время прохождения
постоянного тока через термоэлемент на одних
(холодных) спаях тепло поглощается, а на дру-
гих (горячих) — выделяется. Если направле-
ние прохождения тока изменяется, выделение
и поглощение тепла меняются местами. Кон-
структивно устройство термоохлаждения вы-
полняют так, чтобы холодные спаи, на которых
расположен охлаждаемый элемент, были выне-
сены на одну из его поверхностей, а горячие —
на другую. Съем тепла с горячего спая произ-
водят естественным или принудительным спо-
собом. Термоэлектрические устройства имеют
небольшие габаритные размеры и высокую на-
дежность, они бесшумны в работе, дают воз-
можность плавно регулировать температуру.
Эти устройства используют как для охлажде-
ния, так и для термостатирования малогаба-
ритных источников тепла с небольшой мощно-
стью рассеивания.
Термостат — устройство, предназначен-
ное для поддержания постоянства температу-
ры РЭА или ее узлов (кварцевых генерато-
ров, гетеродинов в приемниках и т.п.) в узком
диапазоне (градусы, доли градуса). Поддер-
жание необходимой температуры достигают
благодаря как оттоку, так и притоку тепловой
энергии в терморегулируемый объем. Для
этого последний отделяют от окружающей
среды теплоизоляционными стенками, а вну-
три объема устанавливают нагреватель, охла-
дитель и терморегулятор. В простейших Т.
поддерживают температуру, которая превы-
шает температуру окружающей среды, а ох-
ладитель не применяют.
Система охлаждения РЭА общая — сис-
тема общей защиты устройства от тепловых
воздействий. С. о. РЭА делят на воздушные,
жидкостные и испарительные, каждая из кото-
рых, в свою очередь, может быть с естествен-
ным или принудительным движением охлажда-
ющего агента. Для выбора С. о. РЭА использу-
ют графики, изображенные на Рис. 7.2, где теп-
ловой поток q = Pkp!Sn\ Р — суммарная мощ-
ность, которую рассеивает РЭА; кр — коэффи-
циент давления хладоагента (при атмосферном
давлении кр = 1); Sn — площадь поверхности
теплообмена; АТС — допустимая температура
перегрева наименее теплостойкого элемента
относительно температуры окружающей сре-
ды. Как видно из рисунка, есть два вида облас-
тей: такие, в которых желательно применять
указанные С. о. (воздушное естественное 1,
воздушное принудительное 3, жидкостное при-
нудительное 5, испарительное принудительное
9), и такие, в которых можно использовать две
или три С. о. (воздушное естественное и прину-
дительное 2, принудительное воздушное и
жидкостное 4, жидкостное принудительное и
испарительное естественное 6, жидкостное
принудительное, а также испарительное есте-
ственное и принудительное 7 и испарительное
естественное и принудительное 8). Верхние ли-
нии касаются охлаждения больших элементов,
а нижние — блоков и стоек РЭА.
Охлаждение воздушное естественное — ох-
лаждение, которое происходит в результате сво-
бодной конвекции воздуха. Это наиболее про-
стой, экономичный и надежный способ охлаж-
дения РЭА, применяемый для теплоненагружен-
ной аппаратуры (тепловой поток q 500 Вт/м2).
Такое охлаждение может быть реализовано в
герметичном и перфорированном корпусе, что
позволяет уменьшить перегрев на 20.. .30 %. Ин-
тенсификацию теплообмена обеспечивает вер-
тикальное расположение плат с зазором 5... 15
мм. При уменьшении последнего подъемная си-
Глава 7. КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
149
7.6. ЗАЩИТА РЭА ОТ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
ла воздуха, обусловленная разностью темпера-
тур в верхней и нижней частях блока, становит-
ся меньше силы трения воздуха о ячейки. Тепло-
нагруженные элементы размещают в верхней
части блока, ближе к стенкам, они должны
иметь хорошие тепловые контакты с несущей
конструкцией. Теплочувствительные элементы
защищают от обтекания их нагретым воздухом и
облучения, в отдельных случаях устанавливают
тепловые металлические экраны из материала с
большой теплопроводностью. Поскольку эф-
фективность конвекции зависит от давления га-
за, внутри герметичной РЭА целесообразно со-
здавать избыточное давление, а также заменять
воздух газом с улучшенными теплофизически-
ми свойствами (азотом, гелием, воздушно-гели-
евой смесью). При необходимости внешние по-
верхности устройств делают ребристыми, вво-
дят дефлекторные экраны, дополнительные ра-
диаторы, теплопроводные шины.
Охлаждение воздушное принудительное
широко используют для теплонагруженной ап-
паратуры (тепловой поток q > 500 Вт/м2), что
объясняется доступностью теплоносителя и
относительной простотой вентиляторов и воз-
духоводов. Принудительное перемещение воз-
духа может осуществляться как автономным
вентилятором, так и от общей вентиляционной
сети. По способу теплопередачи различают
внутреннее перемешивание, наружный обдув
и продувку воздухом. В первых двух случаях
обеспечивается герметичность охлаждаемой
РЭА, в третьем благодаря потере герметичнос-
ти можно получить более эффективное охлаж-
дение, которое осуществляют по приточной
схеме (нагнетанием в прибор очищенного воз-
духа), по вытяжной схеме (вытяжкой нагретого
воздуха из прибора с последующим заполне-
нием его объема более холодным воздухом) и
по комбинированной приточно-вытяжной схе-
ме. Преимущество приточной вентиляции за-
ключается в том, что вентилятор работает в
среде более холодного (густого) воздуха и по-
этому имеет более высокий КПД. По конструк-
торскому исполнению системы охлаждения
могут быть разомкнутыми и замкнутыми, по
соображениям экологии последним следует от-
дать предпочтение. В аппаратуре, которая ра-
ботает с принудительным охлаждением, обес-
печивают минимум аэродинамического сопро-
тивления воздушному потоку. При этом зазор
между секциями (ячейками) делают достаточ-
но малым, благодаря чему достигается необхо-
димая скорость движения воздуха при его са-
мых малых потерях. Узлы с малым тепловыде-
лением располагают в потоке первыми, а с
большим — последними. При отказе системы
вентиляции предусматривают автоматическое
выключение питания РЭА.
Охлаждение жидкостное — охлаждение,
при котором теплоносителем является вода,
водно-спиртовые смеси (антифриз), крем-
ний- и фторорганические жидкости. Сравни-
тельно с воздушным это охлаждение позво-
ляет отвести от РЭА значительно большую
тепловую мощность, снизить объем и массу
устройства. Жидкостные системы охлажде-
ния могут выполняться в виде термосифона,
с заполнением жидкостью внутреннего объе-
ма герметичной РЭА, а также в виде системы
принудительного охлаждения. Последняя
обеспечивает отвод тепловых потоков до
5105 Вт/м2 и используется чаще других. При
этом в типовой конструкции тепловыдели-
тельную часть устройства располагают в обо-
лочке, в которую насосом нагнетают охлаж-
дающую жидкость. Последняя после нагре-
вания подается в жидкостно-воздушный теп-
лообменник, охлаждаемый вентилятором, а
потом возвращается в насос. Температура
жидкости не превышает температуры насы-
щения, а перенос тепла от нагретой поверх-
ности к жидкости осуществляется благодаря
конвекции и теплопроводности.
Охлаждение испарительное — наиболее
эффективная система охлаждения, в которой
под действием мощности, выделяемой РЭА,
вещество-теплоноситель испаряется с отбо-
ром тепла от нагретого тела благодаря про-
цессу парообразования с последующей кон-
денсацией пара. Как охладительные приме-
няют жидкости с низкой температурой кипе-
ния (спирт, фреон, кремнийорганические со-
единения), которые работают при температу-
рах насыщения пара. О. и. может быть есте-
ственным и принудительным, разомкнутым и
замкнутым. Циркуляцию теплоносителя ор-
ганизовывают сквозь специальные каналы в
шасси блоков, радиаторах и оболочках корпу-
сов приборов. В замкнутых системах пар по-
ступает в теплообменник, где конденсирует-
ся, отдавая тепло в окружающую среду, а кон-
денсат стекает обратно, и цикл повторяется.
Недостатками испарительных систем охлаж-
дения являются относительно низкая надеж-
ность и большие затраты энергии.
150
РАДИОТЕХНИКА
7.6. ЗАЩИТА РЭА ОТ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
Теплопередача излучением (радиацией)
— передача тепловой энергии в виде электро-
магнитных колебаний с длиной волны порядка
нескольких микрометров от излучающего тела
(температура Т\) к телу, которое поглощает
(температура Т2< Tj) тепло. Поток излучения
определяется законом Стефана—Больцмана
/’н=аи(Г1-Г2)5и> (1)
где 5И — площадь поверхности излучающего
тела; — коэффициент Т. и., который в про-
стейшем случае можно вычислить по формуле
аи = Coe[(7-i /1 ОО)4 - (Т2 /100)4 ] /(^ - Г2),
где Сд = 5.673 Вт/(м-К4) — коэффициент излу-
чения абсолютно черного тела; £ — степень
черноты поверхности излучения.
Теплопередача конвекцией — связана с
относительным перемещением макромасс теп-
лоносителя (жидкости или газа), который кон-
тактирует с нагретыми поверхностями твердо-
го тела. В конструкциях РЭА первого — треть-
его поколений конвекция (К) является основ-
ным видом теплообмена. Ее поток определяет-
ся законом Ньютона—Рихмана
PK=aK(T-Tc)SK, (2)
где (Хк — коэффициент теплопередачи К.; Т —
температура теплопроводящей поверхности;
Тс — температура окружающей среды; 5К —
площадь теплопроводящей поверхности.
Различают естественную и принудитель-
ную К. Первая происходит при нагревании ча-
стичек среды, которые находятся в контакте с
нагретым твердым телом, их естественном пе-
ремещении вверх вследствие изменения плот-
ности среды и замене более холодными час-
тичками, благодаря чему они непрерывно пе-
ремешиваются. Принудительная К. происхо-
дит вследствие принудительного движения за-
полнителя среды. Коэффициент теплопереда-
чи естественной К. зависит от перепада темпе-
ратур, теплофизических параметров среды и
твердого тела:
аа=(Г,Гс,₽,Х,Ср,у,а,«,Ф), (3)
где р — коэффициент объемного расширения
среды [1/°С]; X — коэффициент ее теплопро-
водности [Вт/м-°C]; Ср — коэффициент тепло-
емкости среды [Дж/(кг-°С)]; V — коэффициент
ее кинематической вязкости [м2/с]; а — коэф-
фициент температуропроводности [м2/с]; g —
ускорение свободного падения [м/с2]; Ф —
комплексный коэффициент, который зависит
от конфигурации, размеров и состояния по-
верхности охлаждаемого тела.
Теорема подобия утверждает, что процессы
теплообмена К. определяются не отдельными
параметрами (3), а их сочетаниями — критери-
ями, среди которых основными являются кри-
терии Нуссельта Nu = оск£/Х, Грассгофа Gr =
PgZ3/[v2(7 - Гс)] и Прандтля Рг = v/a, где L —
определяющий геометрический размер твердо-
го тела. Критерии связаны между собой крите-
риальным уравнением Nu = /(Gr, Рг), из кото-
рого находят коэффициент ак, необходимый
для расчета теплового потока (2). Вид критери-
ального уравнения определяется видом тепло-
обмена К. Так, применительно к теплообмену
между твердым телом и неограниченной сре-
дой имеем
Nu = C(GrPr)n, (4)
где коэффициенты Сип определяются: режи-
мами теплообмена (для пленочного ламинар-
ного п = 1/8; локонообразного п = 1/4; турбу-
лентного п = 1/3; названия режимов отобра-
жают характер обтекания твердого тела и
приведены в порядке возрастания интенсив-
ности теплообмена); температурным напором
Т- Тс; размерами и конфигурацией охлаждае-
мого тела.
Теплопередача кондукцией (теплопро-
водностью) — теплопередача, которая проис-
ходит в твердых телах и определяется обменом
кинетической энергией на атомно-молекуляр-
ном уровне, если температура в различных
точках тела разная и (или) контактируют тела с
различной степенью нагрева. Т. к. — основной
вид теплообмена в МЭА. Поток кондукции для
одномерного температурного поля описывает-
ся законом Фурье
Pt = (Tj-T2)F; F = (1/X)J[1/£(/)]<//, (5)
6
где T\, T2 — температура изотермических по-
верхностей (областей тела), ориентированных
перпендикулярно к направлению теплового
потока; F — тепловое сопротивление; X — ко-
эффициент теплопроводности материала; £(/)
Глава 7. КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
151
7.6. ЗАЩИТА РЭА ОТ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
— площадь теплообмена; /ь /2 — координаты
изотермических поверхностей на пути I тепло-
вого потока. Очевидна аналогия между тепло-
вым и электрическим сопротивлениями, пото-
ком Pt и электрическим током I = (77; - U^/R .
Электротепловые аналогии — установ-
ление эквивалентного соответствия между
тепловыми и электрическими величинами, ко-
торое позволяет заменить тепловое моделиро-
вание более простым моделированием с помо-
щью эквивалентных электрических схем. За-
пишем уравнение теплопроводности для сис-
темы без внутреннего источника энергии с од-
номерным температурным полем Т:
где а = )J(CpT) — коэффициент температуро-
проводности; А, — коэффициент теплопровод-
ности; Ср — удельная теплопроводность; т —
время.
Сравним (6) с уравнением электропроводи-
мости элементарного объема проводника, ко-
торый находится между эквипотенциальными
поверхностями ср! и ф2-
1 Э1 2ф = Эф
Р,сэ Эт2 ’
где рэ — удельное электрическое сопротивле-
ние; Сэ — удельная емкость элементарного
объема.
Сопоставление уравнений (6) и (7) пока-
зывает, что тепловые и электрические про-
цессы описываются подобными уравнения-
ми, т.е. они аналогичны по природе. Такая же
аналогия наблюдается при наличии источни-
ка энергии. Электротепловые аналогии при-
ведены в Табл. 7.2
7.7. ЗАЩИТА РЭА ОТ ЭЛЕКТРИЧЕС-
КИХ, МАГНИТНЫХ И ЭЛЕКТРОМАГ-
НИТНЫХ ПОЛЕЙ — совокупность способов
защиты заданной части пространства от про-
никновения электрических, магнитных или
электромагнитных полей, главным образом,
экранированием. При этом различают внешнее
и внутреннее экранирование. В первом случае,
чтобы обеспечить помехоустойчивость, необ-
ходимо защитить электрические цепи с отно-
сительно низкими энергетическими уровнями
от влияния внешних помеховых полей. Во вто-
ром случаев чтобы обеспечить электромагнит-
ную совместимость или получить необходи-
мую устойчивость, нужно ограничить распро-
странение энергии собственного внутреннего
поля объекта, например поля гетеродина при-
емника или поля выходного каскада УПЧ.
В свободном пространстве (на расстоянии
не менее 5... 10 длин волн от источника поме-
хи) отношение электрической Е и магнитной
Н составляющих электромагнитного поля
равно волновому сопротивлению свободного
пространства:
Е!Н= рпр = 120л. (1)
Вблизи источника равенство (1) наруша-
ется: если Е » рпрН, то поле помехи условно
называют электрическим, если Н » Е/рпр —
магнитным. В реальных условиях значитель-
ные отклонения от равенства (1) происходят
на НЧ (например, вблизи силового трансфор-
матора или цепей питания постоянного на-
пряжения), поэтому такие поля называют
магнито- или электростатическими. Соответ-
ственно различают электромагнитное, элект-
ро- и магнитостатическое экранирование. От-
метим, что напряженность ближних электри-
ческих и магнитных полей в свободном про-
Таблица 7.2
Электрический параметр Тепловой параметр
Наименование Единица измерения Наименование Единица измерения
Заряд Кл Количество теплоты Дж
Разность потенциалов, электрическое напряжение В Разность температур °C
Напряженность электрического поля В/м Температурный градиент °С/м
Удельная электрическая проводимость См/м Коэффициент теплопроводности Вт/(м°С)
Электрическое сопротивление Ом Тепловое сопротивление °С/Вт
Ток А Тепловой поток Вт
Емкость Ф Теплоемкость Дж/°С
152
РАДИОТЕХНИКА
7.7. ЗАЩИТА РЭА ОТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ, МАГНИТНЫХ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
странстве обратно пропорциональна квадра-
ту расстояния от источника, а напряженность
электромагнитного поля излучения — рас-
стоянию. Действие экрана в зависимости от
его взаимодействия с полем помехи может
основываться на одном из трех принципов:
отражение от экрана, шунтирование и погло-
щение экраном. Соответствующие экраны
называют отражательными (электромагнит-
ные), шунтирующими (магнитостатические)
и поглощающими (электростатические и эле-
ктромагнитные).
Экранирование магнитостатического
поля — способ его локализации, который по-
казан на Рис. 73. Типичный объект экраниро-
вания — входной трансформатор, источники
наводки — мощные выходные трансформато-
ры, трансформаторы и дроссели питания, эле-
ктродвигатели и т.п. Магнитостатический эк-
ран выполняют из ферромагнитного материала
(электротехнической стали или пермаллоя) с
большой магнитной проницаемостью. При
этом внешний поток помехи Фп разделяется на
два потока: шунтирующий Фп ш, который про-
ходит через экран, и остаточный Фп о, прони-
зывающий сердечник трансформатора, кото-
рый экранируется. Шунтирующий поток, про-
ходящий сквозь магнитный материал экрана,
встречает меньшее магнитное сопротивление,
чем остаточный поток, которому нужна пре-
одолеть два немагнитных зазора 6Н, вследствие
чего Фпо « Фп.ш, что и определяет эффект
магнитостатического экранирования. Коэффи-
циент экранирования
Р = ФП/Ф1Ю ЧФаш+Ф^/Ф™, =
(2)
=1+[26нцэ5э/(/0у/э)],
где и 5Э — магнитная проницаемость мате-
риала экрана и его толщина; 1О и у — длина яр-
ма и толщина сердечника трансформатора;
/э — наименьший полупериметр экрана в пло-
скости, параллельной оси катушки трансфор-
матора.
Как следует из (2), для увеличения коэффи-
циента экранирования р нужно уменьшать
магнитное сопротивление экрана и увеличи-
вать сопротивление остаточному потоку поля
помехи. Если необходимо обеспечить очень
высокую эффективность экранирования, то ис-
пользуют кратное экранирование, располагая
один экран внутри другого.
Рис. 73
Экранирование электромагнитного по-
ля — способ его локализации. При отсутствии
экрана (Рис. 7.4) ток в цепи А генерирует по-
ток ФВА, который пронизывает приемный кон-
тур В и индуцирует в нем ЭДС помехи
еВА
^ФВА
dt 9
где первая буква индекса означает принадлеж-
ность величины объекту, а вторая — адрес пер-
воисточника возбуждения; WB — число витков
контура В.
При наличии экрана замкнутой формы, ко-
торый охватывает контур В, в экране возбуж-
даются вихревые токи 1Э, которые индуцируют
поток Ф5Э. Направление последнего по закону
Ленца противоположно направлению потока
ФВА, который возбудил вихревые токи. Поэто-
му поток, пронизывающий контур В при нали-
чии экрана,
Ф£4Э - ®ВА ~ ФЯЭ « ФВА;
ЭДС еВАЭ - -Wв —« еВА ,
в чем и проявляется эффект экранирования.
Эффективность последнего может быть кос-
венно оценена интенсивностью вихревых то-
Глава 7 КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
153
7.7. ЗАЩИТА РЭА ОТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ, МАГНИТНЫХ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
ков в экране, описываемой уравнением по-
верхностного эффекта (см. ст. 8.26): чем боль-
ше интенсивность вихревых токов, тем мень-
ше их углубление в экран
Хо=О.57рэ/(/цэ),
где Хо — эквивалентная глубина проникнове-
ния вихревых токов, при которой их плотность
падает в е (2.73) раз относительно плотности на
поверхности [м]; рэ — удельное электрическое
сопротивление материала экрана [Ом-мм^м]; f
— частота воздействия [Гц]; цэ — относитель-
ная магнитная проницаемость экрана.
Типичными объектами экранирования яв-
ляются катушки индуктивности, колебатель-
ные контуры, фильтры. Материал экрана выби-
рают в зависимости от необходимого эффекта
экранирования и частоты воздействия из тех
или иных немагнитных материалов (цэ = 1,
алюминий и его сплавы, латунь, медь), так как
ферромагнитные материалы вносят большое
активное сопротивление. Увеличивать толщину
экрана целесообразно до значения (2...3)АГО;
поскольку на ВЧ оно составляет малые доли
миллиметра, толщину экрана выбирают из кон-
структивных соображений в пределах 0.5... 1.5
мм. Для создания наилучших условий прохож-
дения вихревых токов, которые определяют эф-
фект экранирования, электромагнитный экран
должен быть ориентирован соосно с катушкой
индуктивности. Заземление электромагнитного
экрана необязательно, однако для обеспечения
дополнительного электростатического экрани-
рования его, как правило, заземляют.
Экранирование электростатического по-
ля — способ его локализации. На Рис. 7.5, а по-
казана электростатическая наводка и способы
ее уменьшения. Источник помехи А имеет отно-
сительно земли постоянное или медленно изме-
няющееся напряжение UA; в приемнике В
вследствие электростатической индукции наво-
дятся заряды, и он приобретает потенциал UB.
Экран Э является телом с высокой электропро-
водностью, расположенным между объектами
экранирования. Для нахождения потенциала
Uвэ, наведенного в теле В при наличии экрана,
используют эквивалентную схему (Рис. 7.5, б),
элементы которой С3, С4 и С5, С2 образуют
двойной емкостный делитель напряжения:
ивэ=иэ\С51{С1+С^} =
= (7ДС3/(С3+С4)][С5/(С2+С5)].
При этом пренебрегают влиянием малой
остаточной емкости С{ между телами А и В,
которая сохраняется при введении между ними
экрана. Из (3) следует, что необходимо умень-
шать С3 (не располагать экран вблизи тела А,
чтобы он не работал как вторичный излуча-
тель) и увеличивать С4 (предельным случаем
является заземление экрана, при этом С4 —> ©о).
При конструировании экранов руководст-
вуются такими соображениями: материал эк-
рана при работе на ВЧ и СВЧ выбирают с вы-
сокой электропроводностью; заземление вы-
полняют короткими широкими шинами с ма-
лой индуктивностью; поскольку эффектив-
ность экрана не зависит от его толщины, по-
следнюю выбирают из конструктивных сооб-
ражений; в экране могут быть отверстия и ще-
ли, которые существенно не изменяют отноше-
ние емкостей в равенстве (3).
7.8. КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА КАЧЕ-
СТВА КОНСТРУКЦИИ РЭА — уровень ка-
чества конструкции (УКК) относительно базо-
вых показателей качества (ПК). Базовый обра-
зец выбирают из числа аналогов, где аналог —
изделие, которое имеет сходные с оценивае-
мым образцом функциональное назначение и
условия эксплуатации. Как базовые могут
быть приняты ПК, которые определяют про-
шлые достижения, ПК перспективных образ-
цов, а также регламентированные ПК.
Оценку УКК проводят в четыре этапа:
1) выбирают номенклатуру групп ПК и но-
менклатуру ПК в пределах каждой группы.
Первые должны содержать показатели назна-
чения изделия (основные радиотехнические и
конструкторские характеристики, которые оп-
ределяют его целевую направленность), пока-
затели надежности, технологичности, унифи-
кации, безопасности, эргономики, технической
эстетики, охраноспособности, патентной чис-
тоты. При выборе вторых определяют число
154
РАДИОТЕХНИКА
7.9. КОМПОНОВКА РЭА
ПК, которое должно быть небольшим, чтобы
уменьшить трудоемкость расчетов, но доста-
точным для всесторонней оценки УКК;
2) выбирают базовый образец и базовые
ПК;
3) определяют ПК исследуемого образца;
4) делают расчет УКК по формуле
т
Q=^q,, (1)
/=1
где а, — весовой коэффициент i-й группы ПК;
Qi — ПК этой группы; т — число групп.
В свою очередь,
я,
>1
где р,у — весовой коэффициент j-го ПК z-й
группы; ру — j-й ПК z-й группы исследуемого
изделия; qtJ — j-й ПК z-й группы базового об-
разца; п; — число ПК z-й группы.
Показатели plf и q^ находят эксперимен-
тально или расчетным путем, а также в соот-
ветствии с нормами, установленными ТЗ и ТУ.
ПК, определяемые физическими величинами
или относительными коэффициентами, для ко-
торых повышение качества конструкции со-
провождается увеличением их значения (на-
пример, наработка на отказ), подставляют в
расчетные формулы непосредственно в едини-
цах измерения или в относительных значениях
(p/q). Если повышение качества конструкции
сопровождается уменьшением ПК (например,
масса), то р и q подставляют в обратных значе-
ниях. ПК, которые невозможно оценить физи-
ческими величинами (например, качество зву-
чания, эстетическая выразительность), выра-
жают в баллах по трех-, пяти- или десяти-
балльной шкале методом экспертных оценок.
Последний основывается на сравнительной ко-
личественной оценке ПК, установленной груп-
пой независимых специалистов. С целью по-
вышения объективности процедура такой
оценки строго регламентируется [2].
Весовые коэффициенты групп а, и ПК
группы ру, которые характеризуют важность
групп и ПК, выбираются методом экспертных
оценок в соответствии с таким правилом: ПК
одинаковой степени важности имеют одинако-
вые коэффициенты весомости, а более важные
ПК — большие значения этих коэффициентов,
причем должны выполняться условия
т ni
£а,=1;£Ру=1. (3)
/=1 ;=1
В качестве примера рассмотрим ранжиро-
ванную последовательность конструкторских
показателей РЭА второго структурного уровня
Р/ 1) коэффициент плотности; 2) средняя нара-
ботка на отказ; 3) коэффициент использования;
4) коэффициент унификации; 5) коэффициент
сборности; 6) коэффициент сложности; 7) по-
казатель патентной чистоты [1, 2]. В упрощен-
ном варианте весовой коэффициент определя-
ют по формуле р7 =у72/-1, где j — порядковый
номер соответствующего показателя в приве-
денной ранжированной последовательности.
7.9. КОМПОНОВКА РЭА — итератив-
ный процесс композиции изделия из его со-
ставных частей с размещением их в заданном
объеме. Результатом компоновки является ком-
поновочная схема (КС), которая определяет
взаимную ориентацию элементов конструкции
РЭА исходя из их геометрических форм и раз-
меров. В зависимости от структурного уровня
различают КС блоков в устройстве (РЭА-3),
ячеек в блоке (РЭА-2) и ЭРЭ в ячейке (РЭА-1).
КС может быть выполнена детально в виде
сборочного чертежа или чертежа общего вида
или упрощенно в виде эскизного рисунка. Во
время разработки КС учитывают функцио-
нальные связи, требования к устойчивости,
прочности, помехоустойчивости, тепловому
режиму, технологичности, эргономике, ремон-
топригодности конструкции РЭА. Кроме того,
должна быть предусмотрена возможность
дальнейшей модернизации КС. В зависимости
от способа разработки различают такие виды
К.: графическую (чертеж КС с упрощенным
изображением элементов); натурную (при по-
мощи реальных элементов); модельную (при
помощи моделей элементов); аппликативную
(при помощью плоских моделей элементов);
машинную (с помощью ЭВМ). Полученная КС
служит основой для дальнейшей разработки
КД [1-4].
Компоновка РЭА первого поколения (РЭА-
I) — пространственная (объемная) К., которая
исключала возможность автоматизации конст-
руирования и производства аппаратуры. Ком-
поновка РЭА второго поколения (РЭА-И) —
поверхностная (планарная) К., при которой
элементы конструкции с соразмерной высотой
располагаются на плоскости. При этом проще
обеспечить унификацию модулей и автомати-
Глава 7 КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
155
7.9. КОМПОНОВКА РЭА
зировать процесс проектирования и производ-
ства аппаратуры. Однако характерные для
РЭА-П разнообразие и криволинейность форм
большинства элементов плохо согласуются с
прямоугольной формой поверхности монтаж-
ной плоскости, кроме того, отсутствует регла-
ментация ориентации выводов и крепления
элементов. Компоновка РЭА третьего поколе-
ния (РЭА-Ш) характеризуется планарным раз-
мещением, прямоугольностью форм корпусов
элементов и введением координатной сетки,
привязанной к одной стороне печатной платы.
Применение навесных ЭРЭ совместно с ИС не
позволяет реализовать преимущества послед-
них; это особенно проявляется в связи с возра-
станием степени интеграции ИС. Для устране-
ния этих недостатков навесные ЭРЭ упаковы-
вают в МС, корпуса которых конструктивно и
технологически согласовывают с корпусами
ИС. Характерной особенностью К. РЭА на ИС
и МС является четкая ориентация расположе-
ния всех элементов с привязкой их выводов к
точкам пересечения координатной сетки и де-
ление монтажной области на зоны К. однотип-
ных элементов, что позволяет автоматизиро-
вать процессы проектирования и производства
аппаратуры. Деление монтажного пространст-
ва на зоны характерно не только для ячеек, но
и для более высоких уровней РЭА — таких,
как блок, прибор или шкаф. Центральной час-
тью их конструкции является пакет ячеек, кото-
рый выдвигается для контроля и профилакти-
ки. Как правило, с левой стороны блока разме-
щают зону коммутации ячеек, где сгруппирова-
ны розетки соединителей, которые или впаива-
ются в объединительную печатную плату (кро-
сплату), или устанавливаются на специальную
раму. В задней части блока предусматривают
зону коммутации всех соединителей. При К.
РЭА четвертого поколения (РЭА-IV) процесс
деления конструкции на зоны однотипных эле-
ментов выражен еще более однозначно. Даль-
нейшее развитие РЭА-IV привело к появлению
конструкций ячеек и блоков с общей гермети-
зацией, в которых используются МС в сочета-
нии с бескорпусными ИС и компонентами.
Модульная компоновка — К. РЭА с деле-
нием объема взаимно параллельными и пер-
пендикулярными плоскостями. Расстояние
между смежными плоскостями в каждом из
трех измерений для устройства в целом или
его отдельных частей выбирают равным или
кратным размеру основного модуля. Общей
чертой модульной К. является прямоуголь-
ность конструкции РЭА и ее составных частей.
Структурная проработка конструкции
(компоновки), которая характеризует техноло-
гические и эксплуатационные свойства изде-
лия, определяется коэффициентом сборности
kc.=NmINC4,
где Ncn — число специфицированных единиц из-
делия; Ncч — общее число его составных частей.
Чем хуже С. п. к. (конструкция раздробле-
на, ее элементы не объединены в узлы, а узлы
— в блоки, что усложняет производство, кон-
троль и техническое обслуживание изделия),
тем больше ксб приближается к 1.
7.10. МИНИАТЮРИЗАЦИЯ — направле-
ние конструирования РЭА значительно мень-
ших размеров и массы по сравнению с извест-
ными образцами. Необходимость в М. объяс-
няется, с одной стороны, объективным услож-
нением РЭА, которое сопровождается увели-
чением ее массы и габаритных размеров, а с
другой — тем, что увеличение последних вхо-
дит в противоречие с требованиями эргономи-
ки, материалоемкости, стоимости и физичес-
кой ограниченности объемов, выделенных для
РЭА. Особенно актуальна проблема М. в бор-
товой и морской РЭА, а также в подвижной и
носимой наземной аппаратуре. Следует отме-
тить, что проблемы М. и надежности тесно
связаны между собой и решаются общими спо-
собами. Так, уменьшение габаритных разме-
ров и массы дает возможность снизить дина-
мические перегрузки РЭА, обеспечить луч-
шую общую защиту от влияния внешней сре-
ды и таким образом повысить ее надежность.
Основным показателем, который отображает
степень М., является коэффициент плотности
размещения элементов kn = (N3 + N^/V, где N3
— число элементов эквивалентной схемы ИС;
Ад — число дискретных ЭРЭ; V— габаритный
объем изделия [см3]. Процесс М. РЭА включа-
ет: упрощение схем и конструкций; перерас-
пределение функций между наземными и бор-
товыми частями комплекса в пользу наземных;
использование миниатюрных ЭРЭ; проработку
конструкций на компактность. Среди основ-
ных способов следует также отметить приме-
нение модулей, что дает возможность достичь
лучшего использования объема благодаря
сходству форм, согласованию габаритных раз-
меров, выводов, креплений [1—3, 5].
156
РАДИОТЕХНИКА
7.11. НАДЕЖНОСТЬ РЭА
Качественный скачок — переход к микро-
миниатюризации — дает интеграция конст-
рукций, при которой элементы как самостоя-
тельные дискретные изделия до сборки (изго-
товления) не существуют (см. гл. 10). Микро-
миниатюризация характерна для РЭА третье-
го и четвертого поколений. При переходе от
схем на транзисторах и дискретных элемен-
тах к ИС и МС плотность размещения увели-
чивается на несколько порядков (для гибрид-
ных ИС kn = 103 см-3, для полупроводниковых
кп = 104 см 3). Пропорционально степени ин-
теграции, как правило, возрастает надеж-
ность РЭА. Так, современные ИС характери-
зуются интенсивностью отказов примерно на
два порядка ниже по сравнению с устройства-
ми такой же сложности на дискретных эле-
ментах (X = 10-8... 107 ч-1). Использованные
способы защиты ИС от внешних воздействий
позволяют создать МЭА, которая может функ-
ционировать в тяжелейших климатических,
механических, тепловых условиях и при дру-
гих перегрузках. МЭА становится компакт-
ной, затраты материалов уменьшаются в сот-
ни раз, появляется возможность размещать в
ограниченных объемах сложные комплексы
сравнительно небольшой массы и энергопо-
требления [1—5].
Микроминиатюризация комплексная
(ММК) — М., при которой все элементы ком-
плекса имеют соразмерные значения массога-
баритных характеристик. В противном случае
показатели аппаратуры в целом существенно
снижаются вследствие влияния элементов с на-
ихудшими данными. Для иллюстрации возмож-
ностей ММК укажем, что разрыв между значе-
ниями кп для ИС и РЭА-Ш, РЭА-IV, спроекти-
рованной на их основе, но без необходимой ми-
ниатюризации всей элементной базы (напри-
мер, межплатных и межблочных электрических
соединителей), составляет два порядка. ММК
проще реализуется для цифровой РЭА.
7.11. НАДЕЖНОСТЬ РЭА — свойство ус-
тройства (элемента или системы) выполнять за-
данные функции в заданных режимах и услови-
ях эксплуатации, технического обслуживания,
хранения и транспортирования на протяжении
определенного промежутка времени. Надеж-
ность имеет комплексный характер, определя-
ется безотказностью, долговечностью, ремон-
топригодностью и сохраняемостью [1,6].
Безотказность — свойство изделия непре-
рывно сохранять работоспособность, а имен-
но: отвечать основным требованиям норма-
тивно-технической и конструкторской доку-
ментации в заданных условиях эксплуатации
на протяжении заданного интервала времени
(наработки). Вероятность безотказной рабо-
ты (ВБР) p(t) устройства — вероятность того,
что в пределах заданной наработки t при опре-
деленных условиях эксплуатации не произой-
дет ни одного отказа — нарушения работоспо-
собности: p{t) = Р(Т > t), где Т — время от на-
чала работы до первого отказа устройства.
Оценку ВБР можно найти по результатам ис-
пытаний:
(1)
где No — достаточно большое число уст-
ройств, поставленных на испытания; n(t) —
число устройств, которые отказали на протя-
жении времени t.
Для функции (1) характерны такие соот-
ношения: р(0) = 1; 0 < p(t) < l ',p(t + At) < p(t)\
p(°°) = о.
Вероятность отказа q(t) устройства — ве-
роятность того, что отказ при определенных
условиях эксплуатации произойдет через ин-
тервал времени, который не превышает задан-
ной наработки: q(t) = Q(T < t). Поскольку бе-
зотказность и отказ устройства образуют пол-
ную группу событий,
4<t) = 1 - p(t); (2)
при этом из (1) следует
q*(t) = n(t)INQ.
Если функция q(t) дифференцируема, то
безотказность устройства можно охарактери-
зовать также плотностью распределения нара-
ботки (ПРИ):
(3)
dt dt
откуда получим
4(/)=]са(0<Й; p(0=j«VH- (4)
0 t
Оценка ПРН со*(Г) = [и(г + A/z) - n(t)]/AtiN0,
где n(t + Atj) - n(t) — число устройств, которые
отказали на интервале времени А/,-.
Глава 7. КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
157
7.11. НАДЕЖНОСТЬ РЭА
Интенсивность отказов (ИО) X(Z) — ус-
ловная плотность вероятности возникновения
отказов невосстанавливаемого устройства, ко-
торую находят для определенного момента
времени при условии, что к этому моменту его
отказы не возникали:
X(r) =[n(t +Аг,-) — п (г )]/(2V,W), (5)
где N— число устройств, работоспособных в мо-
мент времени t (начало интервала времени Azz).
Типичная зависимость X(Z), построенная
согласно (5), имеет характерные участки (Рис.
7.6). Участок I соответствует приработке и
имеет повышенную ИО вследствие проявле-
ния скрытого брака в изделии. По мере того
как проводится его тренировка, ИО снижается;
период приработки устройства обычно состав-
ляет 0.001...0.1 участка —t2. Участок II —
участок эксплуатационных отказов устройст-
ва, где систематические факторы (износ и при-
работка) отсутствуют, а остаются чисто слу-
чайные причины внезапных отказов, которые
принципиально не могут быть устранены. Их
появление равновероятно во времени, поэтому
=Х0 = const. (6)
Участок III соответствует отказам, обус-
ловленным процессами износа и старения из-
делия; точка t3 определяется максимально до-
пустимым значением А,доп.
Анализ изображенной на Рис. 7.6 характе-
ристики позволяет установить два «золотых»
правила надежности: периоду нормальной экс-
плуатации tx—12 должна предшествовать тре-
нировка устройства; в конце периода нормаль-
ной эксплуатации (t2), независимо от состоя-
ния устройства, необходимо проводить его
профилактическую замену.
Средняя наработка на отказ (СНО) — ма-
тематическое ожидание наработки устройства
до первого отказа:
тср=р<о(ОЛ; (7)
о
л
T\=2Ji,N^ W
/=1
где Ti — наработка /-го устройства до первого
отказа.
С помощью этого показателя оценивают
надежность невосстанавливаемых изделий.
Средняя наработка на отказ восстанавли-
ваемых изделий
То=^/п, (9)
/=1
где Ti — время работы устройства между
(7 - 1)-м и Z-м отказами; п — число отказов за
время его испытания.
Полученный результат следует усреднить
по т устройствам:
т nJ т
T^=Y^TiJ/'Lnj' (Ю)
у=11=1 7=1
где rij — число отказов j-го устройства.
Соотношения между параметрами безот-
казности устройства таковы:
Х(0=оХ0/р(0;
p(O=exp[-jx(O^]; (11)
о
ТСр =°jp(t)dt.
0
Готовность — вероятность сохранения ра-
ботоспособности устройства в произвольный
момент времени, которая определяется как бе-
зотказностью, так и восстанавливаемостью.
Зависимость этой вероятности от текущего
времени (Рис. 7.7) называют функцией готов-
ности устройства
G(t) = [Го /(То + Гв)] {(1 + (Гв /Го) х
хехр[-А,0(Г0+ ГВ)/ГВ]}, ( }
где То — средняя наработка устройства на от-
каз; Гв — среднее время его восстановления;
Ао — интенсивность отказов устройства.
158
РАДИОТЕХНИКА
7.11. НАДЕЖНОСТЬ РЭА
Анализ выражения (12) показывает, что
при t—> ©о функция готовности стремится к сво-
ему стационарному значению — коэффициен-
ту готовности
G(t)CT=kr=TQ/(TQ+TB). (13)
Из Рис. 7.7 следует, что при Т3/Т < 0.1 (такое
соотношение характерно для сложной РЭА)
функция (12) стремится к (13) достаточно быст-
ро. Это позволяет утверждать, что работоспо-
собность аппаратуры долговременного исполь-
зования определяется ее коэффициентом готов-
ности. Отсюда следует вывод о том, что готов-
ность РЭА в одинаковой мере зависит как от бе-
зотказности То, так и от восстанавливаемости Гв.
Рассмотрим два предельных случая (12). При
TJTq = °° (невосстанавливаемая аппаратура)
G(z) = p^t) = ехр(-АоО, что соответствует вероят-
ности безотказной работы при внезапных экс-
плуатационных отказах (15). При TJTQ= 0 (мгно-
венно восстанавливаемая аппаратура) G(t) = 1.
Долговечность — свойство устройства со-
хранять работоспособность до наступления пре-
дельного состояния при установленной системе
его технического обслуживания и ремонта. Тер-
мин «предельное состояние» для невосстанав-
ливаемых устройств понимают как неработо-
способность или состояние, при котором даль-
нейшая эксплуатация недопустима или нецеле-
сообразна. Для восстанавливаемых устройств
выделяют еще два предельных состояния, при
которых возникает необходимость в профилак-
тическом или капитальном их ремонте.
Надежность по внезапным эксплуатаци-
онным отказам (ВЭО) — надежность по отка-
зам полноценной РЭА, которые имеют случай-
ный характер и возникают в период нормальной
эксплуатации на участке tj—12 (см. Рис. 7.6),
когда приработка аппаратуры уже закончилась,
а износ и старение еще не наступили. ВЭО свя-
заны с чисто случайными факторами (скрыты-
ми внутренними дефектами, которые не могут
быть выявлены установленной системой техни-
ческого контроля; маловероятными и потому не
предусмотренными схемой и конструкцией кон-
центрациями внешних и внутренних нагрузок;
ошибками операторов и т.п.). Вследствие пере-
численных факторов появление ВЭО аппарату-
ры принципиально не может быть предотвра-
щено и равновероятно во времени:
Х=Х0= const. (14)
Исходя из этого, общие выражения (11),
(2), (3), (7) должны быть уточнены относи-
тельно ВЭО:
р(О = ехр(-Хог) = ехр(-г/Тср); (15)
<?(/) = 1-ехр(Х0/); (16)
<о(г) = Х0ехр(Х0г); (17)
7’ср=1/^о- (18)
Зависимость основных характеристик на-
дежности РЭА от времени показана на Рис. 7.8.
При определении надежности системы pc(t)
через параметры надежности ее элементов pt{t)
вводят два допущения: отказы элементов стати-
стически независимы; отказ любого элемента
приводит к отказу всей системы. Эти допуще-
ния позволяют применить теорему умножения
вероятностей и, с учетом (15), записать
N N
рс =П p'(i)=ехр<~'ZXi)=
/=1 /=1
(19)
m
= exp(-r£A.0,JV,),
7=1
Глава 7. КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
159
7.11. НАДЕЖНОСТЬ РЭА
где Ло/ — интенсивность отказов (ИО) z-ro
элемента; Xq, — ИО элементов у-й равнона-
дежной группы; N — число комплектующих
элементов; Nj— число элементову-й равнона-
дежной группы; т — число групп равнона-
дежных элементов.
Для повышения надежности системы pc(t)
необходимо ее упрощать (уменьшать т и Nj) и
понижать ИО (повышать качество элементов и
облегчать режимы их работы). С целью созда-
ния высоконадежной аппаратуры необходимо
решить комплексную задачу: заложить высо-
кий уровень надежности во время проектиро-
вания аппаратуры, реализовать его при произ-
водстве и поддерживать в период ее эксплуата-
ции. Перспективным направлением повыше-
ния надежности аппаратуры является ее мик-
роминиатюризация с применением ИС и БИС.
Высокие результаты здесь достигаются за счет
сокращения числа элементов и соединений
между ними, улучшения герметизации, умень-
шения массы и объема, а также сведения тех-
нологического процесса к немногочисленным
типовым, хорошо контролируемым операциям.
Надежность по износовым отказам и
отказам старения — надежность устройства
по отказам, которые являются частным слу-
чаем постепенных отказов, обусловленных
процессами электрического и механического
износа и старения. Во время износа возника-
ет частичное разрушение материалов, во вре-
мя старения — изменение их внутренних фи-
зико-химических свойств. Износовые отказы
и отказы старения [далее — износовые отка-
зы (ИзО)] так же, как и внезапные, имеют
случайный характер; наиболее сильно они
выражены на участке III зависимости X(z) —
см. Рис. 7.6.
Поскольку процессы износа и старения
имеют характер массовых явлений и опреде-
ляются большим числом равнозначных фак-
торов, на основе центральной предельной те-
оремы принимают гауссовское распределе-
ние случайной величины t — времени безот-
казной работы (наработки) устройств. При
этом плотность распределения наработки
(Рис. 7.9, а)
(0 = (1 / ) ехр[-(/ - тср „ )2 /(2а2)], (20)
где t — наработка; gh — с.к.о. наработки от
своего среднего значения; Т сри — средняя на-
работка по ИзО, при этом
Т’с’р.и =Х''И/Л?О’
1=1
Л
/=1
где tiK — наработка z-ro устройства с учетом толь-
ко ИзО; No — число испытываемых устройств.
Среднеквадратическое отклонение характе-
ризует степень однородности устройств относи-
тельно наработки: чем меньше с.к.о. G„i < gH2,
тем плотнее группировка отказов во времени
относительно среднего значения Гср и. Функция
распределения или вероятность отказов уст-
ройств на заданном интервале времени
<?и(0=|<ц,ЮЛ=Ф(2); (21)
О
вероятность безотказной работы
Ри(0=1-<7и(0=1-Ф(2), (22)
где табулированный интеграл вероятностей [1]
z
®(Z)=(1/V2n) Je-?/2dr,
нормированная и центрированная случайная
величина Z = (t — Гср h)/gh.
Графики зависимостей (21), (22) изображе-
ны на Рис. 7.9, в. Их сравнение с соответст-
вующими зависимостями для экспоненциаль-
ного закона надежности, описывающего вне-
запные эксплуатационные отказы устройства
(см. Рис. 7.8), показывает существенные отли-
чия. Так, в случае гауссовского распределения
ИзО группируются во времени вокруг средне-
го значения Тср и, поэтому безотказная работа
возможна на достаточно большом интервале
времени, на протяжении которого вероятность
160
РАДИОТЕХНИКА
7.11. НАДЕЖНОСТЬ РЭА
отказов qK(t) повышается медленно. Крутизна
зависимостей qK(t), pK(t) и соответственно ра-
бочий ресурс устройства определяются значе-
нием аи, которое характеризуется чистотой ис-
ходных материалов, разбросом параметров из-
делия и оборудования, эффективностью техни-
ческого контроля, общей технологической
культурой производства.
Время профилактической замены гпроф уст-
ройства определяют в соответствии с Рис. 7.9, в
или формулой (22), полагая ри(гпроф) =Рдоп, где
Рдоп — минимально допустимое значение ве-
роятности безотказной работы.
Поскольку для ИзО допущения о независи-
мости отказов элементов системы и последова-
тельности соединения элементов по надежности
менее справедливы, чем для внезапных эксплуа-
тационных отказов (19), непосредственный рас-
чет системы по ИзО чаще заменяют непрямой
оценкой — определением допусков на парамет-
ры элементов, при которых определяющие ха-
рактеристики системы с вероятностью не ниже
допустимой ри. с(0 > Ри. с. доп(У остаются в задан-
ных пределах (допусках) — см. ст. 7.19.
Надежность по приработочным отказам
— надежность по внезапным, случайным отка-
зам дефектных элементов, появление которых
равновероятно во времени (Хд = const). Эти от-
казы возникают в период приработки элемен-
тов, который предшествует периоду их нор-
мальной эксплуатации (участок 0—t\ на Рис.
7.6, где наблюдается устойчивая тенденция к
уменьшению интенсивности отказов Х(г) бла-
годаря «выгоранию» дефектов). Приработоч-
ные отказы связаны со скрытыми дефектами
материалов и комплектующих изделий, а так-
же с браком, допущенным во время производ-
ства, приемки, транспортировки, хранения
элементов и не выявленным системой техниче-
ского контроля. Процесс приработки элемен-
тов, который выполняется на предприятии-из-
готовителе, называют технологическим прого-
ном. Последний дает возможность выявить и
устранить скрытые дефекты, провести взаим-
ную приработку элементов изделия, стабили-
зировать его технические характеристики. Га-
рантированное время приработки элементов
Гг.пР = 5Тср пр, где среднее время приработки
^Ср.пр = (1 + у + • • • + дг ) / ,
Z, д
а Мд — число дефектных элементов.
Глава 7. КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
Оптимальная надежность — надеж-
ность, при которой достигается минимальная
стоимость при заданном качестве РЭА. Так,
для повышения надежности нужны дополни-
тельные затраты на проектирование, комплек-
тацию и производство РЭА. Вместе с тем бо-
лее надежная аппаратура требует меньших за-
трат на ее эксплуатацию и техническое обслу-
живание. Задача оптимизации сводится к опре-
делению такой надежности РЭА, при которой
общие затраты минимальны.
Отказ — нарушение работоспособности
устройства. О. делят на внезапные и постепен-
ные. Первые возникают вследствие скачкооб-
разного изменения параметров устройств, на-
пример обрывов, коротких замыканий, пробо-
ев, нарушений контактов, механических по-
вреждений и т.п. Постепенные О. характеризу-
ются медленным изменением одного или не-
скольких параметров, вследствие чего послед-
ние выходят из установленных границ (допус-
ков). Постепенные О. определяются процесса-
ми электрического и механического старения и
износа изделий, а также внешними и внутрен-
ними факторами: режимом работы (электриче-
ским и тепловым), температурой среды, влаж-
ностью, давлением, механическими воздейст-
виями, облучением и т.п.
В зависимости от времени возникновения
О. подразделяют на приработочные, эксплуата-
ционные и износовые (участки /, II, III на Рис.
7.6 соответственно). О. устройств, возникнове-
ние которых не связано с предыдущими О., на-
зывают независимыми, остальные — зависи-
мыми. Соответственно своим характеристикам
О. бывают явные и неявные, стойкие и самоус-
траняющиеся (сбои). В зависимости от причин
возникновения различают конструкторские,
производственные и эксплуатационные отказы.
О. и восстановление являются случайными
событиями (время и место их возникновения
случайны), поэтому надежность устройств ко-
личественно оценивают вероятностными ха-
рактеристиками .
Резервирование — способ повышения на-
дежности за счет введения дополнительного чис-
ла компонентов и связей (избыточности) сравни-
тельно с минимально необходимыми для нор-
мального функционирования изделия. При об-
щем резервировании в случае отказа заменяется
все изделие целиком. При раздельном резервиро-
вании заменяются отдельные части изделия (по-
элементно, поблочно). Очевидно, что первая сис-
161
6-2959
7.11. НАДЕЖНОСТЬ РЭА
тема проще, вторая — более гибка и надежна, но
требует предварительной проработки. По спосо-
бу введения различают постоянное включение
резерва, включение его с замещением и со смен-
ным замещением. В первом случае резервные
элементы включаются одновременно с основны-
ми и в рабочем состоянии находятся на протяже-
нии всего времени их эксплуатации; во втором —
отказавшие элементы или устройства замещают-
ся предварительно подготовленным резервом.
Сменное замещение может быть использовано,
если изделие состоит из однотипных элементов.
При этом любой резервный элемент может заме-
нить любой отказавший основной. В зависимос-
ти от режимов работы резервных элементов раз-
личают нагруженный (горячий), облегченный и
ненагруженный (холодный) резервы.
Ремонтопригодность — свойство устрой-
ства, позволяющее предупреждать его отказы и
повреждения, выявлять причины их возникно-
вения и устранять последствия проведением
технического обслуживания (ТО) и ремонта. ТО
предусматривает профилактическое обслужи-
вание устройства, которое проводят до выявле-
ния его неисправности. Более узким является
термин восстанавливаемость — свойство уст-
ройства восстанавливать свою работоспособ-
ность после возникновения отказа. Показатели
Р.: вероятность восстановления работоспособ-
ности устройства — вероятность того, что вре-
мя восстановления его работоспособного состо-
яния в заданных условиях не превышает задан-
ного времени, т.е. рв(т) = Р(Т < т); вероятность
невосстановления ^в(т) = Q(T > т); плотность
распределения времени восстановления
7 dX
интенсивность восстановления
ц(т) = сов(т)/[1 - рв(т)];
среднее время восстановления
т3 =рв(т)<*т;
о
оценка среднего времени восстановления
т яв j т
j=\ /=1 у=4
где Ту — время z-ro восстановления у-го уст-
ройства, nBj — число восстановлений этого ус-
тройства, т — число устройств.
Как следует из выражения для основного
комплексного показателя надежности кГ =
Tq/(T0 + Гв), готовность РЭА в равной мере оп-
ределяется как ее безотказностью, так и вос-
станавливаемостью. Так, при любом значении
средней наработки Го, но при высокой ремон-
топригодности Тв « То, коэффициент готовно-
сти кг —> 1.
Для Р. РЭА необходимо обеспечить: доступ-
ность всех трех ее структурных уровней; агре-
гатный способ ее ремонта (позволяет сократить
время ремонта, потому что выявить и заменить
неисправный блок намного проще, чем обнару-
жить и заменить неисправный элемент); систе-
му контроля (ручного, полуавтоматического, ав-
томатического; встроенного или автономного);
защиту от ошибочных действий во время ре-
монта аппаратуры, которая предусматривает од-
нозначность ее сборки и разборки; защиту от
перегрузок и коротких замыканий при помощи
плавких предохранителей или выключающих
автоматов; ЗИП (запасные части, инструменты,
приспособления), состав которых определяется
сложностью и необходимой надежностью аппа-
ратуры; достаточность и комплектность эксплу-
атационной ремонтной КД; целенаправленную
тренировку обслуживающего персонала (выяв-
ление неисправностей занимает основное время
при ремонте аппаратуры).
7.12. НЕСУЩИЕ КОНСТРУКЦИИ РЭА
— элемент или совокупность элементов конст-
рукции, предназначенных для размещения со-
ставных частей РЭА и обеспечения их устой-
чивости к внешним воздействиям в заданных
условиях эксплуатации. В большинстве своем
Н. к. является достаточно сложной механичес-
кой системой, содержащей большое число де-
талей и узлов, соединенных разъемными и не-
разъемными соединениями. Н. к. определяет
необходимое расположение ЭРЭ в пространст-
ве, обеспечивает заданные электрические и ме-
ханические связи между ними, защиту от дес-
табилизирующих факторов, придает изделию
товарный вид. К Н. к. относятся: печатные и
монтажные платы, рамки (РЭА-1); каркасы,
шасси, кожухи блоков (РЭА-2); каркасы, рамы,
шкафы, стояки, стеллажы, пульты (РЭА-3) и
прочие изделия аналогичного назначения. Ма-
териалы Н. к.: сталь; алюминиевые, магние-
вые, титановые сплавы; ряд многокомпонент-
162
РАДИОТЕХНИКА
7.14. РЭА СТРУКТУРНОГО УРОВНЯ НУЛЕВОГО
ных сплавов (см. гл. 8.6). Как конструкцион-
ные материалы применяются также пластмас-
сы, которые имеют широкий спектр свойств:
высокие прочность и пластичность, коррози-
онную и химическую стойкость, электричес-
кую прочность, малые потери на ВЧ, а также
хороший внешний вид, допускают нанесение
декоративных покрытий. От металлов пласт-
массы отличаются меньшей массой, простотой
формообразования, более низкой стоимостью
(в среднем — втрое).
При построении системы Н. к. РЭА важное
значение имеют типизация и унификация как
основные способы повышения технологичнос-
ти и эффективности производства. Типизация
состоит в рациональном уменьшении числа
видов Н. к. установления базовых несущих
конструкций (БНК) первого—третьего струк-
турного уровней, которые выполняют боль-
шинство функций Н. к. типовой аппаратуры.
Первым принципом построения системы БНК
является принцип вхождения элементов низ-
ких уровней в высшие; вторым — принцип ва-
риантности, обусловленный разнообразием
компоновочных схем РЭА; третьим — прин-
цип размерно-модульной координации, кото-
рый позволяет избежать разнообразия конст-
рукций на основе параметрических и типораз-
мерных рядов.
Следует отметить, что ранее масса Н. к. со-
ставляла 30...40% общей массы РЭА. В связи с
широким внедрением микроэлектроники с мас-
сой элементов в десятые и даже сотые доли
грамма относительная масса Н. к. возрастает и в
наше время достигает 70% и более от общей
массы аппаратуры. С этой точки зрения очевид-
на важность минимизации массы Н. к. [2—5].
7.13. ПАТЕНТНО-ПРАВОВЫЕ ХА-
РАКТЕРИСТИКИ изделия включают его ох-
раноспособность, патентную чистоту и явля-
ются важными факторами при определении
конкурентоспособности изделия [1, 2].
Охраноспособность изделия определяют:
новизна технического решения (ТР), сущест-
венные отличия изделия, его полезность и
юридическое оформление. ТР имеет новизну,
если до даты приоритета его суть не стала из-
вестна неограниченно широкому кругу лиц. ТР
имеет существенные отличия, если по сравне-
нию с решениями, известными к дате приори-
тета, оно характеризуется новой совокупнос-
тью признаков, дающих положительный эф-
фект. При этом ТР сравнивают с аналогами
(см. ст. 7.8), в том числе с самым близким ана-
логом — прототипом. Отличия, которые явля-
ются эквивалентными заменами, не учитыва-
ются. Полезностью называют стабильный по-
ложительный эффект ТР.
Юридическое оформление ТР может быть
в форме патента, который на основе эксперти-
зы удостоверяет признание ТР изобретением и
закрепляет за патентообладателем авторство и
приоритет, а также наделяет его правом моно-
польного использования изобретения. Заявка
на выдачу патента включает формулу изобре-
тения, характеризующую его суть и правовые
границы. Формула состоит из двух частей, раз-
деленных словом «отличающийся». Первая
часть формулы называется ограничительной и
содержит общие важные признаки, присущие
как прототипу, так и изобретению. Вторая
часть называется отличительной и содержит
постановку решенной задачи, характеристики
новых технических средств и новых сущест-
венных признаков. Собственник патента мо-
жет выдать разрешение на его использование
(лицензию). Исходя из морального старения
изобретения, целесообразно патентовать идеи
(способы), а не конкретные ТР.
Патентная чистота изделия гарантирует
отсутствие претензий со стороны собственни-
ков патентов в стране их использования. Ина-
че, изделия как совокупность ТР не должны
попадать под действия патентных формулиро-
вок, действующих в странах возможного экс-
порта на протяжении ограниченного периода.
Коэффициент патентной чистоты
кпч =l-^m,(N,/NC4,),
/=1
где пц — коэффициент значимости z-й группы
составных частей; Nt — число ее составных
частей, защищенных патентами; Nc ч t — общее
число составных частей z-й группы; лзн — чис-
ло групп значимости (как правило, их три: осо-
бенно важная, основная и вспомогательная).
7.14. РЭА СТРУКТУРНОГО УРОВНЯ
НУЛЕВОГО (РЭА-0) — элементная база, не-
делимые схемные и конструкторские элемен-
ты, имеющие свойство конструктивной и функ-
циональной взаимозаменяемости (см. ст. 1.15).
Под схемотехнической элементной базой по-
нимают электрорадиоизделия, которые входят
в перечень элементов принципиальной элект-
Глава 7. КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
163
7.14. РЭА СТРУКТУРНОГО УРОВНЯ НУЛЕВОГО
164
РАДИОТЕХНИКА
7.15. РЭА СТРУКТУРНОГО УРОВНЯ ПЕРВОГО
Таблица 7.3
Классификационный признак Варианты конструкций РЭА-1
Тип несущей конструкции В безрамочном исполнении; в рамочном исполнении; панельная конструкция для высокочувствительной аналоговой аппаратуры
Тип РЭА Аналоговая и цифровая
Тип компоновки Планарная с одно- и двухсторонним расположением ЭРЭ; объемная
Элементная база Второго—пятого поколений
Применяемость Блоки с однотипными РЯ Разъемной (кассетной) конструкции; книжной, складной (типа детской книжки), этажерочной, барабанной, веерной, специальных конструкций
Блоки и приборы с разнотипными РЯ Разъемной и неразъемной конструкций
Конфигурация печатной платы Прямоугольная; непрямоугольная простой и сложной форм
Число и расположение печатных плат в РЯ Одноплатные; одноуровневые двух- и многоплатные; двухуровневые одно-, двух- и многоплатные
Тип внутриблочного электрического соединения между РЯ Монтажным проводом, жгутом, кабелем (коаксиальным, плоским, печатным), соединителем (навесным, печатным, проволочного типа), соединительной платой, комбинированным соединителем
Способ крепления Печатной платы в РЯ Винтами, отгибками, на защелках, комбинированный
РЯ в блоке Винтами, направляющими, соединителями; на поворотной оси, на защелках, торцевыми зажимами; комбинированный
Наличие лицевой панели Без лицевой панели; с лицевой панелью; лицевая панель с элементами регулирования, переключения, индикации, контроля
Материалы и технология изготовления несущих конструкций Литая цельная металлическая; прессованная пластмассовая; сборная из штампованных листовых материалов; сборная из профильных деталей; комбинированная
Способы защиты от механических воздействий Без специальной защиты; РЯ малых размеров; РЯ с дополнительными точками крепления; индивидуальное крепление элементов; РЯ с усиленной несущей конструкцией; РЯ с заливкой компаундами
Способы защиты от тепловых воздействий Без специальных способов защиты; РЯ с индивидуальным способом защиты элементов; РЯ с теплоотводом через металлическое основание, тепловые шины, экраны; РЯ с принудительным охлаждением
Способы защиты от воздействия влаги РЯ с защитным лаком, пропиткой элементов, заливкой компаундами, частичной и общей герметизацией
Способы обеспечения ЭМС Рациональное размещение элементов; магнито- и электростатическое, электромагнитное, комбинированное экранирование; использование гальванических развязок; специальные способы заземления
рической схемы устройства: ЭРЭ — дискрет-
ные резисторы, конденсаторы, моточные изде-
лия (катушки индуктивности, трансформаторы
и т.п.), изделия функциональной электроники
(акустоэлектронные фильтры, варикапные мат-
рицы и т.п.); ЭВП — ЭЛТ, радиолампы, сиг-
нальные лампы; дискретные полупроводнико-
вые приборы — транзисторы, диоды, тиристо-
ры и т.п.; ИС — конструктивно законченные
изделия микроэлектронной техники общего
применения, которые состоят из совокупности
ЭРЭ, имеют высокую плотность упаковки и
изготавливаются в общем технологическом
процессе (пленочные, полупроводниковые и
гибридные ИС); МС — конструктивно закон-
ченные изделия микроэлектронной техники
частного примененния, которые разрабатыва-
ют и изготавливают производители конкрет-
ной РЭА; коммутационные изделия и соедини-
тели. Под конструкторской элементной базой
понимают совокупность элементов конструк-
ции РЭА, обеспечивающих ее механическую
прочность и защиту от дестабилизирующих
факторов, а также механическое управление.
Для каждого поколения РЭА существует
своя элементная база; при переходе от первого
к пятому поколению характерно снижение
мощности рассеяния, рабочих напряжений,
массогабаритных характеристик. Типичные
образцы элементов нулевого структурного
уровня приведены на Рис. 7.10, где 0.1, 0.2 —
корпусные ИС и транзисторы; 0.3 — R, С-эле-
менты; 0.4, 0.5 — бескорпусные транзисторы и
ИС (см. гл. 31 и [1,4]).
7.15. РЭА СТРУКТУРНОГО УРОВНЯ
ПЕРВОГО (РЭА-1) — радиоэлектронная ячей-
ка (РЯ), конструктивно автономная, но эксплу-
атационно неавтономная сборочная единица,
содержащая минимально оправданное число
элементов нулевого структурного уровня (СУ),
Глава 7 КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
165
7.15. РЭА СТРУКТУРНОГО УРОВНЯ ПЕРВОГО
необходимых для функциональной завершен-
ности; выполняется на основе несущей конст-
рукции (НК) первого СУ (см. ст. 1.15). Конст-
рукции РЭА-1 наиболее универсальны, поэто-
му их, как правило, используют как ТЭЗы —
типовые элементы замены. РЯ предназначены
для установки в радиоблоки (РБ), поэтому кон-
струкции РЯ зависят от конструкции РБ. Ти-
пичная конструкция РЭА-1 содержит: печат-
ную плату (ПП) с расположенными на ней эле-
ментами; НК — рамку (каркас), предназначен-
ную для крепления ПП; электрический соеди-
нитель. Безрамочные РЯ используют в механи-
чески малонагруженной РЭА, например в бы-
товой и профессиональной стационарной аппа-
ратуре. Классификация РЯ приведена в Табл.
7.3, примеры исполнения — на Рис. 7.10, где
1.1, 1.2 — РЯ книжной и разъемной конструк-
ции соответственно [1—5].
Печатный узел — печатная плата (ПП) с
установленными на ней электрическими и и
механическими элементами. ПП имеет вид
изоляционного основания с нанесенным на не-
го рисунком из проводящего материала. В ка-
честве материала ПП применяют фольгирован-
ные медью гетинакс, стеклотекстолит, фторо-
пласт. Характерной особенностью печатного
проводника является то, что его ширина
(0.15... 1 мм) значительно превышает толщину
(20.. .50 мкм). Иногда на изоляционное основа-
ние наносят не только печатные проводники,
но и печатные ЭРЭ: катушки индуктивности,
контакты соединителей и т.п. По конструкции
ПП делят на одно- и многослойные, по плотно-
сти рисунка — на три класса. В зависимости от
сложности монтажа однослойные ПП могут
быть выполнены как одно-, так и двухсторон-
ними. Многослойные ПП состоят из 4... 12 пе-
чатных слоев, изолированных прокладками,
между которыми выполнены необходимые со-
единения. Изготовление ПП включает две ос-
новные операции: нанесение рисунка ПП и об-
разование токопроводящего слоя на изоляци-
онном основании. Первую операцию осуще-
ствляют копированием изображения с негатива
на светочувствительный слой, печатанием че-
рез трафарет или с помощью офсетных форм.
Вторую операцию выполняют чаще всего хи-
мическим способом (травлением незащищен-
ных участков фольги), электрохимическим
способом (предварительным химическим
осаждением металлического слоя толщиной
1...2 мкм на изоляционное основание с после-
дующим гальваническим наращиванием) или
комбинированным способом.
7.16. РЭА СТРУКТУРНОГО УРОВНЯ
ВТОРОГО (РЭА-2) — радиоблок (РБ), конст-
руктивно автономная, но эксплуатационно не-
автономная сборочная единица, выполненная
на основе несущей конструкции (НК) второго
структурного уровня, как правило, с лицевой па-
нелью (см. ст. 1.15). РБ комплектуются РЭА-0 и
РЭА-1, предназначены для установки в РЭА-3.
По эксплуатационному назначению выделяют
три основных класса аппаратуры: наземную,
морскую и бортовую; при этом существует тен-
денция к межклассовой унификации на уровне
блоков, обеспечивающая повышение техноло-
гичности, сокращение сроков проектирования
и производства. Особенно это касается РЭА,
работающей в закрытых помещениях, которые
отапливаются и вентилируются. Типовая кон-
струкция РБ содержит НК (в том числе лице-
вую и заднюю панели), набор радиоячеек (РЯ)
с элементами их коммутации. НК служат для
размещения и механической защиты РЯ, от-
дельных ЭРЭ и электрических соединителей, а
также для закрепления РБ в РЭА. Элементы
электрических соединений подразделяют на
внутри- и межблочные. Первые обеспечивают
электрическую коммутацию между РЯ (через
объединительную плату или посредством объ-
емного монтажа), вторые — подключение к си-
стеме третьего структурного уровня. Компоно-
вочную схему по соображениям производст-
венной и эксплуатационной технологичности,
как правило, строят на основе однотипных РЯ
планарной, кассетной конструкции, что наибо-
лее характерно для цифровой РЭА.
Конструкция РЭА-2 и выбор ее элемент-
ной базы в значительной мере определяются
необходимостью применения корпуса и вари-
антом его исполнения — негерметичным или
герметичным. Последний обеспечивает воз-
можность использования бескорпусных ИС и
МС четвертого поколения, что позволяет значи-
тельно выиграть в массогабаритных характери-
стиках благодаря повышению плотности разме-
щения (упаковки). По сравнению с РЭА-1 кон-
струкции второго структурного уровня более
специализированы. Классификация РБ приве-
дена в Табл. 7.4, примеры их исполнения — на
Рис. 7.10, где 2.1 — блок книжной конструк-
ции; 2.2, 2.3 — блоки разъемной конструкции с
вертикальным и горизонтальным расположе-
ниями объединительной платы [1—4].
166
РАДИОТЕХНИКА
7.17. РЭА СТРУКТУРНОГО УРОВНЯ ТРЕТЬЕГО
Таблица 7.4
Классификационный признак Варианты конструкций РЭА-2
Элементная база Второго—четвертого поколений
Функциональное назначение Механические, электромеханические, радиоэлектронные блоки; блоки отображения информации; вторичные источники питания; блоки совмещенного типа
Тип компоновки Планарное размещение РЯ; объемное размещение с вертикальным и горизонтальным расположением РЯ
Тип конструкции Блоки с однотипными планарными РЯ и замкнутой НК Разъемные (кассетные), книжные, книжные складные, этажерочные (стеллажные), веерные
Блоки с однотипными и разнотипными объемными РЯ и замкнутой НК Разъемные, этажерочные, каркасные, барабанные
Блоки с однотипными и разнотипными объемными РЯ и развернутой НК С шасси коробчатого, каркасного, рамочного, ячеечного типов
Конфигурация блока Прямоугольная; непрямоугольная; специальной формы (например, цилиндрической для ракетной РЭА)
Наличие лицевой панели Без лицевой панели; с глухой лицевой панелью; с лицевой панелью, совмещенной с НК
Материалы и способ изготовления НК Литая", цельная металлическая; прессованная, цельная пластмассовая; сборная из штампованных листовых материалов; сборная из профильных деталей; комбинированная
Способ крепления См. Табл. 7.3
Тип внутри- и межблочных электрических соединителей Разъем навесной, печатный, проволочный; платы соединительные; контакты переходные, контактные площадки
Тип внутриблочного монтажа Объемный монтаж (провода, жгуты, кабели коаксиальные); плоский монтаж (соединительная плата, плоские и печатные кабели)
Способы защиты от механических воздействий Индивидуальное крепление элементов; РБ с усиленной НК; РБ с амортизацией
Способы защиты от тепловых воздействий РБ с воздушным охлаждением естественным и принудительным; РБ с жидкостным охлаждением принудительным; РБ с испарительным охлаждением естественным и принудительным; РБ с локальным охлаждением теплонагруженных элементов; комбинированные способы защиты РБ
Способы защиты от влаги Использование малогигроскопичных и коррозионно-стойких материалов, антикоррозионных и пленочных покрытий; пропитка малогигроскопичными смесями; заливка влагостойкими компаундами; сушение и вентиляция внутренней полости блока; герметизация
Способы обеспечения ЭМС Рациональное размещение элементов; электростатическое, электромагнитное, магнитостатическое экранирование; специальные способы заземления
7.17. РЭА СТРУКТУРНОГО УРОВНЯ
ТРЕТЬЕГО (РЭА-3) — радиошкаф (РШ), кон-
структивно и эксплуатационно автономная
сборочная единица, выполненная на основе не-
сущей конструкции (НК) третьего структурно-
го уровня (см. ст. 1.15). РШ комплектуется из
радиоблоков и радиоячеек [1—3, 5].
По конструкторскому исполнению разли-
чают такие виды РЭА-3 (см. Рис. 7.10):
— шкаф 3.1 — консольное устройство, ис-
пользующееся для установки и коммутации
блоков (как и многоблочный прибор, шкаф
имеет защитный корпус, направляющие эле-
менты для размещения блоков, электрические
соединители, а также дверь, которая является
его лицевой стороной);
— стойка 3.4 (в отличие от шкафа не имеет
двери или общей лицевой панели — послед-
нюю образуют блоки, которые входят в состав
стойки);
— пульт 3.2 (предназначен для обеспече-
ния связи между оператором и комплексом
РЭА, форма пульта и его размеры обеспечива-
ют оператору прямой обзор всех панелей и
удобный контакт с установленными на них ор-
ганами управления);
— одноблочные и малые многоблочные
приборы 3.3 — настольная измерительная и
вычислительная аппаратура, удобная для пере-
носки одним-двумя операторами. Корпуса
приборов преимущественно плоские, вытяну-
тые, широко используются базовые НК и пла-
нарные конструкции, а в ВЧ блоках — литые
корпуса с глухим экранированием. Переднюю
Глава 7. КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
167
7.17. РЭА СТРУКТУРНОГО УРОВНЯ ТРЕТЬЕГО
панель часто компонуют как конструктивно ав-
тономный узел, который содержит элементы
регулирования и индикации, а также обслужи-
ваемые электронные платы;
— информационная панель — предназна-
чена для отображения информации, необходи-
мой для контроля и управления системой, при
этом зоны расположения приборов выделяют
по функциональному признаку;
— стенной щит — преимущественно ис-
пользуется как распределительный щит пита-
ния.
Для бортовой РЭА [1] характерна миними-
зация массы и габаритных размеров, посколь-
ку их увеличение приводит к недопустимому
возрастанию стартовой массы носителя, осо-
бенно это касается ракетной и космической
РЭА. Вторая особенность — работа в услови-
ях разреженной атмосферы; при этом герме-
тичная РЭА, расположенная вне гермоотсеков,
испытывает внутренние разрывные усилия.
Широкий диапазон вибрации и значительные
перегрузки обуславливают необходимость ме-
ханической прочности, вибро- и ударостойкос-
ти бортовой аппаратуры. Кроме того, она ис-
пытывает тепловые удары, вызванные измене-
нием температуры корпуса самолета (ракеты) в
широких пределах.
Самолетная и вертолетная РЭА характе-
ризуется относительной кратковременностью
непрерывной работы (часы), в течение которой
аппаратура не обслуживается. Перед каждым
вылетом происходит предполетная проверка,
техническое обслуживание и в случае необхо-
димости ремонт РЭА агрегатным способом.
Отсюда следует необходимость высокой кон-
троле- и ремонтопригодности РЭА, что дости-
гается ее рациональным размещением на само-
лете, доступностью блоков, закрепленных на
амортизационной раме с помощью направляю-
щих, легкосъемных замков, защелок, откидных
болтов. Расположение блоков РЭА определяет-
ся не только удобством доступа, но и необходи-
мостью уменьшения длины коммуникаций, а
также принятым размещением антенн. Комп-
лекс РЭА устанавливают централизованно в
специальных отсеках (чаще — за обтекателем
в носовой части фюзеляжа или за кабиной пи-
лота), а также децентрализованно в плоско-
стях. Конструируя пульты, учитывают две осо-
бенности: ограниченность объема кабины и за-
груженность пилота выполнением основной
работы — управлением самолета. Отсюда воз-
никает необходимость высокой степени авто-
матизации аппаратуры и удобства представле-
ния результатов обработки, например, по от-
клонению стрелки индикатора влево или впра-
во от нуля, совпадению визиров, световыми и
звуковыми сигналами.
Отличительные черты ракетной РЭА —
одноразовость использования, особая миними-
зация массогабаритных характеристик, кратко-
временность предстартовой проверки и необ-
ходимость высокой ремонтопригодности в
этот промежуток времени, работа в условиях
быстрого возрастания температуры корпуса до
нескольких сотен градусов, устойчивость к
большим ударным нагрузкам и возможность
длительного хранения. Особенностью компо-
новочной схемы является цилиндрическая и
коническая формыгкоцтейнеров, в особеннос-
ти на малых ракетах; при необходимости часть
аппаратуры размещают на гиростабилизиро-
ванных платформах. Демонтаж блоков может
быть выполнен после вскрытия обшивки раке-
ты или соответствующего люка.
К космической РЭА, кроме общих требова-
ний к аппаратуре бортового класса, предъявля-
ют дополнительные требования по особой ог-
раниченности объемов и массы с целью умень-
шения стартовой массы ракеты-носителя, осо-
бо высокой безотказности и ремонтопригодно-
сти в предстартовый период, устойчивости к
совместному воздействию вибрационных и ли-
нейных нагрузок. Для повышения надежности
используют двойное и тройное резервирова-
ние аппаратуры, которое вводится в действие
экипажем или автоматически. Компоновочная
схема космической РЭА приближена к авиаци-
онной; в ней дополнительно учитывают фак-
тор невесомости. РЭА ИСЗ относится к группе
космической аппаратуры, характеризующейся
большой продолжительностью эксплуатации
без обслуживания (годами), работой в услови-
ях атмосферы с постоянным газовым составом
и низкой влажностью или в вакууме, цикличе-
скими изменениями температуры, отсутствием
механических нагрузок во время работы, воз-
можностью работы при воздействии радиации.
Морская РЭА [1] должна выдерживать
ударные перегрузки, возникающие при ударах
волн, а также линейные ускорения при качке.
Нахождение в морской среде (насыщенность
воздуха солями, перепады температуры) обу-
славливает необходимость тропического ис-
полнения аппаратуры, коррозионной и плесне-
168
РАДИОТЕХНИКА
7.17. РЭА СТРУКТУРНОГО УРОВНЯ ТРЕТЬЕГО
вой устойчивости. Кроме того, на случай пря-
мого проникновения воды при штормах, ава-
рийных ситуациях и противопожарном ороше-
нии нужно обеспечить водо- и брызгозащи-
щенность РЭА. Продолжительность автоном-
ного плавания и необходимость ремонта без
возвращения на базу задают высокий уровень
типизации и унификации аппаратуры. Высокая
энерговооруженность судна и его насыщен-
ность радио- и гидроакустическими средства-
ми определяют повышенные требования к их
ЭМС. Стандартная схема размещения морской
РЭА такова: связные, радиолокационные и на-
вигационные антенны — на мачтах и надст-
ройках; в носовой части (обтекателе) — гидро-
акустические антенны, в штурманской (ходо-
вой) рубке — пульты управления и навигаци-
онные системы, в радиорубке — приемо-пере-
дающая связная аппаратура; в специальных ра-
диоотсеках — блоки, не требующие оператив-
ного контроля.
Чем больше тоннаж надводных судов, тем
ближе компоновочная схема морской РЭА к
аналогичной наземной; главные отличия — во-
до- и брызгозащитные устройства (уплотни-
тельные резиновые прокладки) и амортизато-
ры. Вместе с тем требования к РЭА, устанав-
ливаемой на малых суднах, превышают уро-
вень требований к авиационной аппаратуре.
РЭА подводных лодок имеет жесткие ограни-
чения по размерам и форме стоек и блоков, что
связанно с размерами проходных люков. Буй-
ковая РЭА характеризуется такими особеннос-
тями: водонепроницаемостью, продолжитель-
ной эксплуатацией без обслуживания, устой-
чивостью к мощным ударам, наличием хоро-
ших условий для охлаждения.
Наземная подвижная РЭА [1] работает в
тяжелых условиях; поэтому нужно обеспечи-
вать необходимую прочность блоков, жест-
кость несущих конструкций, электрического
монтажа, виброустойчивость элементов, усло-
вия эффективного теплообмена, а также конст-
руктивные меры защиты от влаги и пыли.
Подвижная бытовая РЭА имеет широкую
номенклатуру типов (см. ст. 13.1). Автомо-
бильную РЭА по требованиям травмобезопас-
ности располагают либо заподлицо с прибор-
ным щитом, либо в специальном отсеке под
ним, но в любом случае в зоне доступа рук во-
дителя. Необходимо обеспечить надежную ра-
боту аппаратуры в условиях движения, широ-
кого диапазона климатических воздействий,
помехозащищенность от работы системы за-
жигания двигателя, использование малых
штыревых или активных антенн. К этому сле-
дует добавить надежное индивидуальное за-
крепление ЭРЭ, виброзащитные устройства
ответственных узлов, глухое экранирование,
помехоподавляющие фильтры, отсутствие ма-
ховиков и т.п.
Особенно тщательно минимизированы мас-
согабаритные характеристики в носимой и пере-
носной бытовой РЭА, масса которой колеблется
от десятков граммов до 10 кг. По конструктив-
ным особенностям в ней можно выделить три
характерных типа: аппаратуру с малыми габа-
ритными размерами карманного формата, более
многочисленный тип аппаратуры средних раз-
меров (вторая-третья группа сложности) и аппа-
ратуру высшего класса (нулевая-первая группа
сложности). Потребительские свойства послед-
ней расширены до возможностей стационарной
аппаратуры. Следует отметить, что из всех ви-
дов РЭА переносная и носимая аппаратура наи-
более наглядно демонстрирует достижения со-
временной радиоэлектроники.
Подвижная профессиональная РЭА отли-
чается от рассмотренной бытовой своей ком-
поновочной схемой и схемой размещения на
носителе [1]. По степени мобильности ее де-
лят на мобильную (работает во время движе-
ния), возимую (не работает во время движе-
ния) и перевозимую (подлежит перевозке в
разобранном виде на сменное место установ-
ки). Возимую РЭА, как правило, размещают в
герметичном вентилируемом и отапливаемом
кузове грузовой автомашины. Аппаратура ли-
бо устанавливается на амортизируемых стел-
лажах (рамах), либо закрепляется на аморти-
заторах к полу кузова. Масса каждого блока
не должна превышать 60 кг для возможности
монтажа и демонтажа при необходимости.
Перевозимая аппаратура должна допускать
быструю разборку, укладку в специальные
ящики, погрузку и сборку в стойку на месте
базирования. Условия эксплуатации подвиж-
ной профессиональной РЭА требуют от ее
конструкции компактности, надежности при
многоразовых сборках и разборках, защищен-
ности от жесткой динамической нагрузки,
влаги и абразивной дорожной пыли.
Носимая профессиональная РЭА включает
связные радиостанции, портативные телекаме-
ры, измерительную и медицинскую аппарату-
ру, диктофоны, магнитофоны и т.п., которые
Глава 7. КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
169
7.17. РЭА СТРУКТУРНОГО УРОВНЯ ТРЕТЬЕГО
используют на производстве и строительстве,
во время выполнения исследовательских, спа-
сательных, аварийных работ, в военном деле,
системах персонального вызова, спорте и пр.
Эта аппаратура, как правило, рассчитана на об-
служивание одним человеком; масса аппарату-
ры, которую продолжительное время можно
носить за плечами, не должна превышать 10 кг,
на ремне — 3 кг, в кармане — 1 кг. Отсюда сле-
дует важность микроминиатюризации и учет
эргономических показателей.
Наземная стационарная РЭА наиболее
распространена и разнообразна [1]. Чаще все-
го она работает в нормальных климатических
условиях и характеризуется отсутствием меха-
нических перегрузок во время эксплуатации.
Эта аппаратура отличается наибольшими габа-
ритными размерами и массой, которые ограни-
чиваются экономическими требованиями, ма-
териалоемкостью, удобством эксплуатации и
транспортировки. Стационарная бытовая
РЭА (см. ст. 13.1) является самой распростра-
ненной, имеет повышенные эргономические и
эстетические характеристики, приспособлена
к эксплуатации неподготовленным пользовате-
лем. Важным ее параметром является стои-
мость. Стационарная профессиональная РЭА
наиболее разнообразна по конструкторскому
исполнению. Различают два способа ее разме-
щения: централизованный и децентрализован-
ный. При первом все органы управления и ин-
формации располагают на центральном пуль-
те, а исполнительную аппаратуру компонуют
отдельно в виде шкафов, стоек, контейнеров и
т.п. Децентрализованный способ предусматри-
вает деление РЭА малой и средней сложности
на одно- и многоблочные приборы, которые ус-
танавливают на столах, стойках, агрегатируют,
закрепляют на стенках. Электрические связи
между приборами выполняют кабелями. Пре-
имущество этого способа — его универсаль-
ность, недостатки — увеличение массогаба-
ритных характеристик комплекса, неудобство
размещения и обслуживания.
Классификация РЭА-3 приведена в Табл.
7.5.
7.18. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ РЭА — со-
вокупность свойств конструкции, определяю-
щих ее приспособленность к рациональному
использованию трудовых и материальных ре-
сурсов при подготовке производства и промы-
шленном выпуске в заданном объеме, а также
при техническом обслуживании и ремонте во
время эксплуатации. Соответственно различа-
ют производственную и эксплуатационную
технологичность. Учет Т. при разработке РЭА
сегодня в значительной мере определяет ее
конструкцию [1, 2, 7].
Показатели технологичности устанавли-
вают в зависимости от вида изделия, типа про-
изводства, объема выпуска и стадии разработ-
ки; они регламентируются отраслевыми стан-
дартами и стандартами предприятия.
Показатели технологичности абсолют-
ные'. общая трудоемкость изделия — количест-
во времени (в нормо-часах), затраченного на
его изготовление. Кроме того, различают
удельную (на единицу определяющего параме-
тра изделия), сравнительную (нормированную
по трудоемкости базового изделия) и относи-
тельную (по отдельным видам работ) трудоем-
кости; общая материалоемкость изделия опре-
деляется его массой (аналогично трудоемкости
выделяют удельную, сравнительную и относи-
тельную материалоемкости); общая себестои-
мость изделия включает стоимость материа-
лов, покупных комплектующих элементов,
зарплату (основную зарплату производствен-
ников, дополнительную зарплату, начисления),
накладные затраты (цеховые, заводские, вне-
производственные), а также косвенные затра-
ты, отнесенные к одному экземпляру изделия
(затраты на освоение новых видов техники,
разработку изделия, технологическую подго-
товку производства, износ инструмента и уст-
ройств, амортизацию оборудования). Анало-
гично трудоемкости и материалоемкости раз-
личают удельную, сравнительную и относи-
тельную себестоимости.
Показатели технологичности частные,
характеризующие конструктивные особенно-
сти изделия и его составных частей (СЧ)'. ко-
эффициент сложности сборки конструкции
(удельное количество легкосъемных соедине-
ний типа байонетных, защелок и т.п.); коэффи-
циент сложности печатных плат (удельное ко-
личество многослойных печатных плат); коэф-
фициент точности обработки (удельное коли-
чество деталей с допуском ниже 10-го квалите-
та); коэффициент использования ИС и МС
(удельное количество ИС и МС относительно
общего числа ЭРЭ) и т.п.
Показатели технологичности частные,
характеризующие собственно технологию'.
коэффициент применения типовых технологи-
ческих процессов (удельное их количество);
170
РАДИОТЕХНИКА
7.18. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ РЭА
Таблица 7.5
Классификационный признак Варианты конструкций РЭА-3
Тип РЭА Цифровая и аналоговая
Эксплуатационное назначение Класс наземной РЭА (профессиональная и бытовая) Стационарная Неподвижная (настольная, консольная, навесная), переносная
Подвижная Мобильная, возимая, перевозимая, носимая
Класс морской РЭА Судовая, корабельная, буйковая
Класс бортовой РЭА Самолетная (вертолетная), ракетная, космическая
Тип конструкции комплектующих блоков См. Табл. 7.4
Тип НК по способу объединения блоков Приборы мнотЪблочные Шкаф, наборный шкаф, стойка, наборная стойка, пульт, стеллаж, информационная панель, щит, комплекс на амортизационной раме
Приборы одноблочные, малые приборы
Тип НК по способу формирования оболочковой конструкции, технологии изготовления, материалу Каркасная конструкция Каркас из тонколистового стального проката, тонколистового проката алюминиевых сплавов; каркас профильный из алюминиевых сплавов (прокат, прессование, литье); обшивка из тонколистового стального проката или проката алюминиевых сплавов
Бескаркасная оболочковая конструкция Тонколистовой прокат стальной или из алюминиевых сплавов; литье из алюминиевых и магниевых сплавов; литье из пластмасс
Способ размещения приборов в комплексе Децентрализованный
Централизованный | С конструкторским объединением, с агрегатированием
Способ защиты от механических воздействий Использование систем амортизаторов или амортизированной рамы, повышение прочности конструкции (см. Табл. 7.4)
Способ защиты от тепловых воздействий По характеру движения теплоносителя См. Табл. 7.4
По способу действия на охлаждаемый объект Прямого и косвенного воздействия
По способу охвата охлаждаемых объектов Общего или локального охлаждения
По экологическому признаку Разомкнутая или замкнутая РЭА
коэффициент автоматизации и механизации
технологических процессов (удельное количе-
ство операций, выполненных средствами авто-
матизации и механизации); коэффициент при-
менения печатного монтажа (удельное количе-
ство печатных контактных площадок в общем
числе паек); коэффициент использования мате-
риала при изготовлении детали (отношение
массы детали к массе заготовки); коэффициент
прогрессивности формообразования (удельное
количество деталей, изготовленных способами
штамповки, прессования, порошковой метал-
лургии, литья под давлением и в кокиль, пай-
кой, сваркой, склеиванием); коэффициент
сложности обработки (удельное количество
деталей, требующих снятия стружки); относи-
тельная трудоемкость отдельных видов работ.
Показатели унификации — частные пока-
затели технологичности, которые вследствие
их особой важности вынесены в отдельный
подраздел. Поиск новых конструкторских ре-
шений изделия оправдан только тогда, когда
достигается его новое качество либо старое, но
с меньшими затратами. В общем случае оправ-
дана наибольшая преемственность — в новых
изделиях нужно применять СЧ (детали и сбо-
рочные единицы) из числа ранее разработан-
ных и освоенных производством, что повыша-
ет объем применяемости со всеми вытекающи-
ми отсюда преимуществами. При этом разли-
чают стандартные СЧ, выпускаемые по отрас-
левым и государственным стандартам, и уни-
фицированные СЧ, к которым относятся: СЧ
изделия, изготовленные по стандартам пред-
приятия; заимствованные СЧ (которые приме-
няют не менее, чем в двух других изделиях
предприятия); СЧ, поступившие по коопера-
ции с других предприятий. Внедрение стан-
дартизации и унификации СЧ дает следующие
преимущества: сокращаются сроки и стои-
мость проектирования и подготовки производ-
ства; уменьшается номенклатура СЧ.; увеличи-
Глава 7 КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
171
7.18. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ РЭА
вается объем применяемости; создается воз-
можность организации специального произ-
водства стандартных и унифицированных из-
делий для централизованного обеспечения вы-
пускающих предприятий отрасли; упрощают-
ся техническое обслуживание и ремонт РЭА.
Показателями унификации и стандартизации
СЧ являются: коэффициент унификации
(удельное количество унифицированных СЧ);
коэффициент стандартизации (удельное коли-
чество стандартных СЧ).
Показатель технологичности комплекс-
ный — основной показатель, который исполь-
зуют для оценки технологичности конструк-
ции в целом:
т
7=1
где kj — коэффициент у-го частного показателя
технологичности; Р7 — вес (значимость) этого
показателя [1].
Производственная технологичность
включает комплекс требований: повышение
применяемости (серийности) изделия и его со-
ставных частей (СЧ) посредством стандартиза-
ции и унификации — см. ст. 1.8 (под объемом
применяемости понимают число изделий одно-
го номера чертежа во всей продукции предпри-
ятия; чем выше объем применяемости, тем бо-
лее оправдано использование дорогого обору-
дования, позволяющего обеспечить повышен-
ную производительность при высоком качест-
ве); ограничение номенклатуры СЧ конструк-
ции и материалов; применение высокопроизво-
дительных и малоотходных технологий, типи-
зация технологических процессов, повышение
уровня механизации и автоматизации; исполь-
зование конструкторских решений, обеспечи-
вающих взаимозаменяемость, доступность,
легкосъемность частей конструкции; примене-
ние сортаментов и марок материалов, уменьша-
ющих материалоемкость изделия.
Эксплуатационная технологичность
включает комплекс требований: обеспечение
унификации и стандартизации, ограничение
номенклатуры сменных составных частей (СЧ)
изделия; их доступность, легкосъемность, кон-
тролепригодность и взаимозаменяемость; ис-
пользование конструкторских решений, позво-
ляющих снизить затраты на подготовку к экс-
плуатации, техническое обслуживание и ре-
монт при ограниченных требованиях к квали-
фикации персонала. При этом под доступнос-
тью СЧ изделия понимают возможность их ос-
мотра и замены без предварительной замены
других частей изделия. Контролепригодность
— свойство конструкции, позволяющее осу-
ществить контроль работы изделия с мини-
мально допустимой затратой времени и
средств. Ремонтопригодность предполагает
обеспеченность изделия комплектом ЗИП —
набором запчастей, инструмента и приспособ-
лений, необходимых для проведения текущего
ремонта агрегатным способом (заменой от-
дельных частей изделия).
7.19. ТОЧНОСТЬ РЭА — мера соответст-
вия объекта установленному образцу; вводится
для удержания в заданном диапазоне значений
определенных параметров (геометрических,
электрических, механических, химических,
тепловых, оптических и т.п.). Выходной пара-
метр системы А — основной параметр, харак-
теризующий работоспособность изделия:
А = 9(0!,...,^,...,^), (1)
где at — параметр z-ro элемента; п — число
элементов системы.
Уравнение (1) называют уравнением обоб-
щенной размерной цепи, оно может содержать
как электрические, так и механические пара-
метры (размеры) составных частей (СЧ) изде-
лия. Так, относительно конструкции уравнение
(1) сводится к уравнению размерной цепи
(Рис. 7.11):
/=1
где А — размер замыкающего звена, определя-
ющий основное свойство изделия (например,
зазор между обкладками конденсатора, опре-
деляющий его емкость).
Номинальное значение параметра (разме-
ра) системы А о или элемента а0 — значение па-
172
РАДИОТЕХНИКА
7.19. ТОЧНОСТЬ РЭА
раметра, указанное в КД, которое определяют
исходя из функционального назначения изде-
лия; служит базой отсчета отклонений. Дейст-
вительное значение параметра системы А или
элемента а — значение параметра, найденное
измерением с допустимой погрешностью. От-
клонение (погрешность) — разность между
действительным и номинальным значениями
параметра; содержит регулярную (системати-
ческую) компоненту М(А4), которая теорети-
чески может быть устранена, и случайную
компоненту £(ДЛ), которая принципиально не-
устранима:
(ДА)+£(ДА). (2)
Различают абсолютные АЛ, Дяь а также от-
носительные М./А и (Д#/я)< отклонения пара-
метров системы (элемента).
Допуск Г(ДЛ), ДДа,), Т((ДЛ/Л), T(Aa/a)f —
предельно допустимое отклонение параметра,
указанное в КД. В случае превышения допуска
определяющим параметром устройство теряет
работоспособность. В зависимости от того, ка-
кие параметры ограничиваются, Д. делят на
механические и электрические; кроме того,
различают производственные, эксплуатацион-
ные и ремонтные Д. Аналогично погрешнос-
тям допуски содержат регулярную (середина
поля допусков) и случайную (половина поля
допусков) компоненты:
Т(ДА/А)=М (ДА/А)+5(ДА/А). (3)
Исходя из изложенного может быть уточ-
нено определение надежности изделия по по-
степенным отказам как вероятность того, что
на заданном интервале времени t и в заданных
условиях эксплуатации действительное значе-
ние выходного параметра остается в пределах
поля допусков:
рп(0=/’[|Д4/Л|<Т|Д4/А|]. (4)
Вероятность pn(Z) называют гарантирован-
ной надежностью изделия. При этом расчет на-
дежности по постепенным отказам сводят к рас-
чету допусков на параметры элементов системы,
при которых ее работоспособность обеспечива-
ется с вероятностью не менее чем рп(0 =
где Робщ(0 — общая норма надежно-
сти; p(t) — вероятность безотказной работы сис-
темы по внезапным эксплуатационным отказам.
Допуск механический — разность между
наибольшим и наименьшим предельными раз-
мерами изделия. Введем ряд определений ос-
новных норм взаимозаменяемости (ОНВ) —
комплекса нормативно-технической докумен-
тации, обеспечивающей взаимозаменяемость
типовых соединений в машиностроении с ми-
нимальными затратами. При этом взаимозаме-
няемость означает, что любой экземпляр из
производственной партии деталей без подгон-
ки (с минимальным числом подгоночных и ре-
гулировочных операций) обеспечивает возмож-
ность сборки и дальнейшей нормальной рабо-
ты собранного изделия. В ОНВ входят стандар-
ты на линейные размеры, углы, профили, на-
резки, допуски и посадки, включая допуски
формы, расположения, шероховатости поверх-
ности. В соединении двух сопряженных дета-
лей различают охватывающую и охватываемую
поверхности (Рис. 7.12). Для внешних охваты-
ваемых элементов детали (в том числе и неци-
линдрических) используют термин вал, для
внутренних охватывающих элементов — тер-
мин отверстие. Как видно из рисунка, обозна-
чения, которые относятся к валу, пишут строч-
ными буквами, а к отверстию — прописными.
Номинальный размер — размер D, общий
для деталей, составляющих соединение; отно-
сительно этого размера отсчитывают отклоне-
ния и устанавливают предельные размеры из-
делия. Номинальный размер выбирают из
стандартного ряда нормальных линейных раз-
меров, углов, конусностей, что позволяет
уменьшить номенклатуру необходимого инст-
румента. Для сохранения работоспособности
изделия его действительные размеры должны
находиться между предельными размерами:
наибольшими (Z)max, ^max) и наименьшими
(Z)min, ^min)- Предельные размеры изделия вы-
ражают с помощью номинального размера и
предельных отклонений: верхнего отклонения
отверстия ES = Dmax - D; верхнего отклонения
вала es = D - t/max; нижнего отклонения отвер-
стия El = Z>min - Z); нижнего отклонения вала
ei = D- t/min. Поле допуска, показанное на Рис.
7.12 штриховкой, определяется значением до-
пуска (интервалом размеров, ограниченных
предельными значениями) и расположением
относительно номинального размера (нулевой
линии).
Квалитет — совокупность допусков, име-
ющих примерно одинаковую степень точности
для всех номинальных размеров. Для размеров
Глава 7. КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
173
7.19. ТОЧНОСТЬ РЭА
до 500 мм установлено 20 квалитетов (01,0, 1,
2, ..., 18) в порядке понижения точности. Ква-
литет выбирают в зависимости от эксплуата-
ционных требований, характера сопряжения,
технологических возможностей и экономичес-
ких требований. Наиболее распространены в
приборостроении квалитеты 5... 12 для сопря-
женных и 12... 18 для несопряженных (свобод-
ных) размеров. Во всех случаях, когда это не
понижает работоспособности изделия, нужно
назначать более грубые квалитеты. По выбран-
ному квалитету устанавливают допуск, кото-
рый обозначают IT (например, IT7 — допуск
по седьмому квалитету). Для IT7 — IT17 до-
пуск каждого следующего квалитета увеличи-
вается в А/То = 1.6 раза.
Посадкой называют характер соединения
деталей, определяемый разностью сопрягае-
мых размеров до их сборки. Посадка определя-
ет свободу относительного перемещения дета-
лей при посадке с зазором (Z>min > <Zmax) или
степень сопротивления их взаимному переме-
щению при посадке с натяжением (б/тт>^тах)«
Кроме того, существуют переходные посадки,
в которых возможны как зазор, так и натяже-
ние. Обеспечить определенный тип посадки
можно вариацией диаметра вала d или отвер-
стия D. Системы, в которых тип посадки обес-
печивается только вариацией диаметра вала, а
допуск отверстия остается неизменным, назы-
ваются системами отверстия', соответственно
в системе вала различные типы посадки до-
стигаются изменением предельных размеров
отверстия. В промышленности в основном ис-
пользуют систему отверстия как более техно-
логичную. Ниже в порядке понижения свобо-
ды перемещения перечислены типы посадок,
рекомендованных в приборостроении: посадка
движения, ходовая, скольжения, напряженная,
плотная, глухая, тугая, прессовая. Тип посадки
выбирают в зависимости от необходимого ха-
рактера соединения, области применения, тех-
нологических возможностей. Далее по уста-
новленным полям допуска назначают такое его
расположение (отклонение вала в системе от-
верстия), которое обеспечивает выбранный
тип посадки. Очевидно, задача назначения по-
ля допуска и его расположения неоднозначна.
Таблицы для выбора допусков в зависимости
от типа посадки и квалитета помещены в [1].
Кроме рассмотренных допусков на линей-
ные размеры, ОНВ содержат допуски на угло-
вые размеры, допуски на расположение осей
отверстий для крепежных деталей и их диаме-
тров, допуски формы и расположения поверх-
ностей и пр. Исходя из специфических физико-
химических свойств изделий из пластмасс (ко-
эффициент линейного расширения в 5... 10 раз
больше, а модуль упругости в 10... 100 раз
меньше, чем у стали; существенно отлична от
металлов способность пластмасс к водо- и мас-
лопоглощению) для них предусмотрены более
широкие допуски.
Шероховатость поверхности — количест-
венная оценка микронеровностей поверхности
с относительно малыми шагами. Шерохова-
тость и соответственно чистота обработки вли-
яют на точность сопряжения деталей, их устой-
174
РАДИОТЕХНИКА
7.19. ТОЧНОСТЬ РЭА
чивость к износу. Так, высокие малочисленные
«гребешки» быстро срабатываются, создают
недопустимые зазоры, ослабляют натяжение.
Чистота обработки влияет на коррозионную ус-
тойчивость деталей: во впадинах легко собира-
ется влага, пыль и соли, что благоприятствует
коррозии. Шероховатость связана также с плот-
ностью и герметичностью соединений, отража-
тельной способностью поверхности, электри-
ческими потерями, прочностью сцепления при
притирании и склеивании деталей, качеством
покрытий, внешним видом изделия.
Допуск электрический производствен-
ный — электрический допуск, ограничиваю-
щий поле рассеивания параметров, вызван-
ное производственными погрешностями при
нормальных условиях эксплуатации изделия.
При массовом производстве допускают, что
производственные погрешности определяют-
ся большим числом приблизительно равно-
значных независимых факторов — таких, как
отклонения от номинальных характеристик
инструмента, оборудования, приспособле-
ний, аппаратуры, комплектующих материа-
лов, условий труда. На основании централь-
ной граничной теоремы (см. ст. 1.18.) можно
принять гауссовский закон распределения
случайных величин — параметров (их откло-
нений) элементов и систем. На Рис. 7.13 изо-
бражена кривая плотности вероятности от-
клонений (погрешностей)
Ж(ДА) = [1/Л/2ло(ДА)]х
х ехр{-[ДА - М (ДА)]2 /[2<Г (ДА)]}.
Среднее значение отклонения параметра
АЛ и его оценка, рассчитанная по N изделиям,
определяются выражениями
М(ДА)= |дА№(ДА)й((ДА);
JV
М*(ДА) = £дА,/Д\
/=1
с.к.о. и его оценка — выражениями
О2(ДА)= |[ДЯ-М(ДА)]2^(ДЯ)б/(ДА);
I N
а*2(ДА)= Щ.ДА, -М ‘(ДА)]2 /(N -1).
V '=1
На Рис. 7.13 5(АЛ) — допуск; 5Э = За(АЛ)
— эталонный допуск. Распределение случай-
ной величины W(A) построено относительно
нижней оси абсцисс А, где Ао — номинальное
значение случайной величины (параметра);
М(А) = Ао + М(ДА) — математическое ожида-
ние этой величины.
Допуск выходного параметра системы по
заданным допускам параметров п ее элементов
находят на основании уравнения погрешностей
Г (ДА / А) = /И (ДА / А) + 5( ДА / А) =
п
= ayf ±
/=1 (б)
±(1/*р£) £Лв>282(Да/а),.,
V z=i
где первое слагаемое — регулярная, а второе
— случайная компонента допуска; M(&ala)h
5(Aa/a)i — середина и половина поля допуска
z-ro элемента; k3i — коэффициент влияния z-ro
элемента (14); kpi— коэффициент рассеивания
z-ro элемента; kpZ — коэффициент рассеивания
выходного параметра.
При этом крХ = vz/v3, kpi = vz/v3, где vz =
а(ДЯ/А)/5(ДЯ/А), vz = a(Aa/a)z/5(Aa/a)z — от-
носительные рассеивания выходного параме-
тра системы и параметра z-ro элемента, связы-
вающие с.к.о. с половиной поля допуска. От-
носительное эталонное рассеивание гауссов-
ского распределения v3 = а(ДЯ/А)/53(ДЯ/А) =
5(Дя/я),/5э(Дя/я)/= 1/3, при этом вероятность
Глава 7 КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
175
7.19. ТОЧНОСТЬ РЭА
того, что случайное отклонение находится в
пределах поля допуска, составляет
р[М (ДА) - 5(ДА) < ДА < М (ДА) + 5( ДА)] =
= 0.9973.
Коэффициент кр1> определяют в зависимос-
ти от гарантированной надежности системы по
постепенным отказам pn(t) — см. (4), а коэф-
фициент kpi — в зависимости от принятого
класса точности элементов [1]. Для изделий
массового производства обычно принимают
эталонные рассеивания выходного параметра
и параметров элементов, а также допускают
отсутствие регулярной погрешности; тогда до-
пуск выходного параметра системы
Т(ДА/А) = 8(ДА/А) = г£к2а2(Да/а),-. (7)
V »=i
Расчет электрических допусков системы
по допускам ее элементов на ЭВМ основывает-
ся на прямой подстановке массивов случайных
значений параметров элементов системы
{ап,..., ау,..., aim} в выражение выходного па-
раметра (1) с последующим расчетом допуска
5(ДЯ) по массиву выходного параметра
{А/, ... , Ак, ... , А„}, который при этом получа-
ют. Такой метод более универсален, чем рас-
смотренный (7); он не требует сложных расче-
тов коэффициента влияния £в/ (14) и априор-
ной информации о коэффициенте рассеивания
кр1[1].
Рассмотрим предлагаемую методику на
примере расчета допуска коэффициента усиле-
ния резонансного каскада с двойным авто-
трансформаторным включением АЭ (см. гл.
17.29, формула (3), эквивалентная схема Рис.
17.75)
К<> = «,«2^211^0 41 + «12(Л0 /Л22) + п2(Ro /Я„)],
где пь п2 — коэффициенты включения АЭ в
контур; У21 — крутизна вольт-амперной харак-
теристики транзистора; Ro — эквивалентное
резонансное сопротивление ненагруженного
контура; R22 — выходное сопротивление тран-
зистора; RH — сопротивление нагрузки.
После подстановки выражения Ro =
(2(1/сооСк), где Q — добротность ненагружен-
ного контура, соо — его собственная частота,
Ск — контурная емкость, получим
- «1^2^2160/ %Ск)/[1 +
2 e(i/co0Q)
П‘~R
2е(1/ю0ск).
+ «2----Б-----.
(8)
Расчет допуска выходного параметра про-
водят в такой последовательности: формируют
массивы параметров элементов
{tin, , ау, ... , а1т} (9)
для Y21, Q, Ск, R22, Rh- При этом считают, что
параметры изделий массового производства по
рассмотренным ранее причинам имеют гаус-
совское распределение. Параметры этих рас-
пределений определяют исходя из номиналь-
ных значений и допусков параметров элемен-
тов при допущении их эталонных рассеиваний:
M(az) = az0, о(Да/) = а(а,) = 5(Да/)/3. (10)
Для формирования массивов (9) с парамет-
рами распределения (10) может быть применен
распространенный мультипликативный метод
с последующим преобразованием (программа
«Гаусс» — см. [1]):
распределения параметров п\, п2 принима-
ют равномерными, а частоту соо — постоянной,
предполагая относительную стабильность ПЧ
достаточно высокой;
массивы (9) подставляют в формулу (8) и
для всех комбинаций (сочетаний) параметров
элементов ау рассчитывают массив выходного
параметра
{KQX,...,KQk,...,KQn} . (11)
В соответствии с центральной предельной
теоремой при достаточно большом числе эле-
ментов системы (1) распределение выходного
параметра (11) можно считать гауссовским;
по массиву (11) определяют средние значе-
ние M(Kq), М(Ко2) и с.к.о.
g(AK'o) = о(ЛГ0) = У1М(К2)-[М(КО)]2 ;
в зависимости от гарантированной надеж-
ности системы рП (Z) (4) вычисляют коэффици-
ент относительного рассеивания выходного
параметра кр^ = ф(рп)[1 ] и допуск определяю-
щего параметра
5(AK0) = 5(K0) = o(tf0)/vz =
= O(K0)/*pIV,=3c(K0)/*pZ.
176
РАДИОТЕХНИКА
7.19. ТОЧНОСТЬ РЭА
Для стандартной гарантированной надеж-
ности рп = 0.9973 кр^ ~ 1, откуда
8(ДЛГ0) = Зо(АК0).
Допуск электрический эксплуатацион-
ный — электрический допуск, характеризую-
щий точность работы изделия в период его экс-
плуатации. Д. э. э. ограничивает отклонение
параметров, обусловленных влиянием деста-
билизирующих факторов при эксплуатации,
процессами старения, износа и производствен-
ным разбросом этих параметров. В зависимос-
ти от факторов, вызывающих отклонения пара-
метров, из числа Д. э. э. выделяют температур-
ные допуски ГТ(ДЛ/Л), допуски на влажность
Т^ДА/А), старение Тст(ДА/А) и производствен-
ные допуски Тпр(ЛА/А). Суммарный Д. э. э. из-
делия получают раздельным суммированием
регулярных и случайных компонентов; в пред-
положении взаимонезависимости перечислен-
ных отклонений
Т(ДА/А) = Е[Мпр(ЛА/А) + МТ(ЛА/А) +
+ Мвл (ДА/А) + М^(ДА/А) +
+^82р(ДЛ/Л)+52(ДЛ//1)+52л(ДЛ/Л)+82т(ДЛ/Л)]
(12)
где Е = 1.1... 1.25 — коэффициент запаса, учи-
тывающий влияние неучтенных дестабилизи-
рующих факторов (пыли, радиации, атмосфер-
ного давления, грибковых образований и т.п.).
Часто Д. э. э. сводят к производственным, до-
пуская, что климатические воздействия отве-
чают номинальным, а процессы старения изде-
лия еще не наступили.
Некритичность схем и конструкций —
способ повышения надежности по постепен-
ным отказам, при котором обеспечивается ра-
ботоспособность изделия в случае широкого
разброса параметров его элементов, т.е. при
большей его экономичности. Как следует из
приведенного далее уравнения погрешностей
(13), уменьшение отклонения выходного пара-
метра ДА/А может быть достигнуто двумя спо-
собами. Первый (не отличающийся от способа
повышения надежности изделия по внезапным
эксплуатационным отказам) состоит в улучше-
нии качества его элементов — уменьшении по-
грешностей (Аа/а/. Второй (обеспечивающий
экономичность изделия) предусматривает
Рис. 7.14
уменьшение коэффициента влияния £в/, т.е. от-
работку системы на некритичность.
Граничные испытания — эксплуатацион-
ная отработка схем изделия на некритичность.
Для этого выбирают выходной параметр, кото-
рый определяет работоспособность изделия
(например, для генератора — это стабильность
его частоты). Далее снимают диаграмму гра-
ничных испытаний, определяя для каждого
значения у-го дестабилизирующего фактора
(напряжения питания, температуры и т.п.) пре-
дельные значения aimin и я1тах z-ro параметра,
при которых выходной параметр изделия еще
остается в установленных допусках. По полу-
ченой диаграмме выбирают оптимальное зна-
чение aijQpXe (a/min,..., a/max) как значение, рав-
ноотстоящее от границ срыва, т.е. такое, кото-
рое обеспечивает наибольший разброс z-ro па-
раметра в широком диапазоне изменений у-го
дестабилизирующего фактора. Окончательно
i-й параметр выбирают компромиссно с учетом
диаграмм предельных испытаний по всем дес-
табилизирующим факторам. Эксперимент мо-
жет быть заменен моделированием на ЭВМ [1].
Ниже приведен ряд характерных примеров
некритичных конструкций. Так, на Рис. 7.14
показан электрический соединитель с «плава-
ющими» контактами, где каждая контактная
пара штырь 1 — гнездо 2 автоматически цент-
рируется, свободно перемещаясь в местах сво-
ей установки. Такая конструкция позволяет
компенсировать относительно большие допус-
ки, свойственные массовому производству, и
обеспечить надежный контакт соединения.
Точность изготовления сопряженных деталей
электрических соединителей может быть сни-
жена при использовании упругих разрезных
контактов. Способ компенсации неточности
Глава 7. КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
177
7.19. ТОЧНОСТЬ РЭА
изготовления элементов зубчатых пар в шесте-
ренных передачах [1] заключается в использо-
вании двух соосных подпружиненных шесте-
рен, обжимающих зубья сопряженной с ними
шестерни (безлюфтовая конструкция).
Некритичность схем обеспечивают преж-
де всего авторегулированием (АРУ, АПЧ — см.
ст. 17.2, 17.1) и ООС (см. ст. 24.15). Во многих
из них выигрыш в стабильности достигается
тем, что последняя определяется пассивными
эталонными линейными цепями, более устой-
чивыми к воздействию дестабилизирующих
факторов по сравнению с АЭ (транзисторами,
диодами, ИС). В качестве примера рассмотрим
стабилизацию коэффициента усиления каскада
с ООС
/СОос = ^/(1 + 0*)>
где К — коэффициент усиления каскада без
ООС; р — глубина ООС.
После преобразования последнего выраже-
ния получим
/Соос=1/(1/*+Р),
откуда следует, что при условии 1/К « р ко-
эффициент усиления определяется глубиной
ООС р, которая, в свою очередь, задается отно-
шением значений параметров пассивных эле-
ментов (резисторов), что и обеспечивает ста-
бильность Коос.
Некритичность может обеспечиваться вве-
дением ограничения параметров (например,
амплитуды с помощью ограничительных дио-
дов, базового детектирования). Некритичность
достигается также использованием специаль-
ных устойчивых методов обработки информа-
ции (например, модуляционной схемы вместо
обычного УПТ, склонного к дрейфу нуля). Зна-
чительный выигрыш в некритичности дости-
гается при использовании цифровых методов
обработки информации.
Уравнение погрешностей определяет от-
клонение выходного параметра системы через
заданные отклонения параметров ее элемен-
тов. Определим действительные значения па-
раметров системы (1) через номинальные зна-
чения выходного параметра и параметров ком-
плектующих элементов и их приращения
Л0+ДЛ = (а1О+Да1,...,а/о+Да/,...,а„о+Дал).
В предположении непрырывности функ-
ции (1) и достаточно малых отклонений ДЛ/Л
« 1, (Да/а^ « 1 можно определить прираще-
ние выходного параметра
ДА/А = £л„,.(Да/а),., (13)
1=1
где (Да/а){ — погрешность параметра z-ro ком-
плектующего элемента, а коэффициент влияния
Э<р(Я1,-,я„-,ав) а, (14)
“ да, <р(а1,...,а„...,а„)
определяет степень влияния погрешности па-
раметра z-ro элемента на погрешность выход-
ного параметра изделия.
Коэффициент влияния z-ro элемента изде-
лия может быть определен экспериментально
по формуле kni = | (ДЛ/Л)/(Да/а), | при До, = О,
где Дя, — заданное приращение интересующе-
го нас параметра; ДЛ — соответствующее при-
ращение выходного параметра изделия. Из
уравнения погрешностей (13) следует, что при
уменьшении коэффициента влияния (отработ-
ки изделия на некритичность) может быть по-
лучен, на первый взгляд, несовместимый ре-
зультат: точная работа изделия при низкоточ-
ном, т.е. экономичном, изготовлении его узлов
и деталей. Вопросы точности рассматриваются
в [1,2, 6].
7.20. ФУНКЦИОНАЛЬНО-УЗЛОВОЙ
МЕТОД — метод конструирования, при кото-
ром разрабатываемое изделие расчленяют на
функционально законченные узлы (ФУ), кото-
рые могут быть в отдельности спроектирова-
ны, изготовлены, отлажены и испытаны до их
объединения в общую конструкцию. Примене-
ние Ф.-у. м. дает возможность: свести к мини-
муму число внешних (межузловых) соедине-
ний; ввести параллельное проектирование ФУ
и благодаря этому выиграть во времени разра-
ботки изделия; организовать параллельное
производство, обеспечивающее меньшую кри-
тичность к отказам оборудования и снабжения;
реализовать большее разнообразие конструк-
торских решений, что в особенности важно
при размещении РЭА на подвижных носите-
лях в условиях ограниченного объема кабин,
отсеков, контейнеров; повысить возможности
механизации и автоматизации производства;
повысить ремонтопригодность изделия благо-
даря применению агрегатного метода его ре-
монта (заменой отказавших ФУ).
178
РАДИОТЕХНИКА
7.21. ЭРГОНОМИКА
Главное преимущество Ф.-у. м. заключает-
ся в возможности сборки РЭА не из большого
числа ЭРЭ и деталей, а из относительно не-
большого количества сборочных единиц пер-
вого структурного уровня. Эта возможность
обусловлена тем, что РЭА (особенно цифро-
вая), неограниченная по сложности и разнооб-
разию функций, может быть синтезирована из
относительно небольшого числа ФУ: усилите-
лей, преобразователей, фильтров, регистров,
сумматоров и т.п. При этом возможны широкая
унификация ФУ и их централизованное произ-
водство со всеми вытекающими отсюда пре-
имуществами: увеличением серийности, выиг-
рышем в качестве и себестоимости.
Ф.-у. м. используют как на первом, так и на
втором структурном уровнях; в последнем ва-
рианте метод называется функционально-блоч-
ным. Модульное конструирование является ло-
гическим продолжением Ф.-у. м. Как и при Ф.-
у. м., электрическую схему расчленяют на
функционально и конструктивно законченные
узлы, но при этом накладывают ряд дополни-
тельных ограничений: конструктивные разме-
ры ФУ должны либо повторяться, либо быть
кратными установленным базовым размерам, а
присоединительные размеры, выводы и техно-
логия изготовления и контроля ФУ должны
быть унифицированы. Применение модулей
позволяет выиграть в плотности монтажа, вре-
мени подготовки производства, эксплуатации
и обслуживании. При модульном конструиро-
вании, которое основывается на централизо-
ванном производстве модулей, проектирова-
ние систем происходит на уровне структурных
и компоновочных схем.
7.21. ЭРГОНОМИКА — прикладная на-
ука, изучающая совокупность свойств конст-
рукции, которые обеспечивают эффективность
взаимодействия человека с изделием, снижают
утомляемость оператора, позволяют избежать
ошибочных действий как в условиях нормаль-
ной работы, так и в аварийной ситуации. Эрго-
номические требования к системе «человек —
изделие — среда использования» содержат: ан-
тропологические требования, характеризую-
щие соответствие изделия силовым, скорост-
ным, рецепторным (зрение, слух, осязание)
возможностям человека; психофизиологичес-
кие требования, характеризующие соответст-
вие изделия возможностям человека восприни-
мать, сохранять и перерабатывать информа-
цию; гигиенические требования, характеризу-
ющие влияние среды использования — микро-
климатические факторы (температура, влаж-
ность, давление), параметры освещенности,
уровень шума, вибраций, перегрузок, радиак-
тивного излучения, напряженностей электри-
ческого, магнитного и электромагнитного по-
лей, состояние воздуха.
По мере усложнения радиотехнических ус-
тройств и увеличения потока информации зна-
чение Э. возрастает. Если при относительно
простой аппаратуре взаимодействие человека
и машины, может рассматриваться на качест-
венном уровне, то при современной сложной
аппаратуре этот процесс требует согласования
на научной основе с использованием количест-
венных оценок. Несмотря на принципиальные
отличия человека и машины в любом совре-
менном комплексе они формируют единую си-
стему, которая должна быть оптимизирована с
точки зрения общей эффективности.
Что касается бытовой РЭА, то тут наблюда-
ется стойкая тенденция к удовлетворению по-
требительских удобств. Как пример можно при-
вести такие устройства: индикаторы включения,
настройки, уровня записи, перегрузки, разрядки
батарей; устройства автоматического регулиро-
вания (частоты, усиления, яркости, ПП, уровня
записи); устройства автоматического выбора за-
писанной программы, автоматического поиска
станций, программного управления; устройства,
в которых учитываются физиологические свой-
ства человека (регуляторы с тонкомпенсацией
звучания, фиксированные тембровые регулято-
ры, стереофонические системы, элементы уп-
равления с рациональным расположением, раз-
мерами и конфигурацией). К этому следует до-
бавить эксплуатационные удобства (сенсорное и
дистанционное управление, подсветка шкал,
кассетные конструкции лентопротяжных меха-
низмов вместо катушечных, автостоп, микро-
лифт); вспомогательные устройства, совмещен-
ные с основной РЭА (часы, таймер, калькулятор,
системы оповещения и предупреждения, инди-
каторы служебной информации, блоки памяти).
Рассматривая возможности создания пол-
ностью автоматизированных комплексов, не-
обходимо учитывать, что человек хоть и усту-
пает машине в скорости подсчетов, точности,
времени непрерывной работы, но превосходит
ее по возможности оценивать ситуацию по ря-
ду косвенных признаков, принимать правиль-
ные решения в условиях априорной неопреде-
ленности.
Глава 7. КОНСТРУИРОВАНИЕ РЭС
179
7.22. ЭСТЕТИКА ТЕХНИЧЕСКАЯ
7.22. ЭСТЕТИКА ТЕХНИЧЕСКАЯ —
прикладная наука, исследующая совокупность
свойств, которые определяют художественное
(эстетическое) восприятие изделия. Эстетичес-
кие требования включают следующие показа-
тели: информационную выразительность, ра-
циональность формы, целостность компози-
ции, совершенство производственного испол-
нения изделия. Информационная выразитель-
ность характеризует способность изделия ото-
бражать в форме эстетические представления,
сложившиеся в обществе. Она проявляется в
оригинальности формы, стилистическом соот-
ветствии средств художественной выразитель-
ности изделия определенному историческому
периоду, моде. Рациональность формы изделия
отображает его соответствие объективным ус-
ловиям изготовления и эксплуатации. Целост-
ность композиции изделия характеризует гар-
моничное единство частей и целого, согласо-
ванность с ансамблем других изделий. Выра-
жается в композиционной логике, тектонично-
сти (художественном осмыслении конструк-
ции и материалов), пластичности (упорядоче-
нии очертаний и взаимных переходов плоско-
стей и объемов), колорите и декоративности
(взаимосвязи цветовых сочетаний, использова-
нии декоративных свойств материалов), под-
чиненности образотворческих элементов об-
щему композиционному решению. Совершен-
ство исполнения изделия характеризуется чис-
тотой контуров и сопряжения его элементов, а
также качеством покрытий и отделки, четкос-
тью выполнения фирменных знаков, стойкос-
тью к повреждениям. Показатели Э. т. опреде-
ляют методом экспертных оценок по сравне-
нию с базовыми образцами.
Форма устройства должна быть техничес-
ки рациональной, простой, выразительной и
оправданной. С устройством, созданным по
законам Э. т., легко работать. Для здорового
восприятия изделия наиболее благоприятной
является форма, в которой выдержаны опре-
деленные соотношения размеров, например
соотношение «золотого сечения», когда
большая часть отрезка пропорциональна раз-
ности между полным отрезком и его меньшей
частью, т.е. А!В = В/(А - В) или В = 0.62А. Во
внешнем оформлении изделия должны отсут-
ствовать ничем не оправданные выступы и
впадины, лишние изломы линий, случайные
размеры — все, что нарушает целостность
его формы. Существенно также и то, что раз-
ные цвета и их интенсивность воспринима-
ются неодинаково. Например, синие, голу-
бые, зеленые тона успокаивают, создают чув-
ство увеличенного пространства, а красные,
оранжевые, желтые возбуждают, уменьшая
объем. Серый цвет считается нейтральным и
наименее утомляет зрение.
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Практическое пособие по учебному конструированию РЭА / Под ред. К.Б. Круковского,
Ю.Л. Мазора. — К.: Высш, шк., 1992. — 494 с.
2. Гелль П.П., Иванов-Есипович Н.К. Конструирование и микроминиатюризация РЭА. —
Л.: Энергоатомиздат, 1984. — 536 с.
3. Несущие конструкции РЭА / Под ред. П.И. Освищера. — М.: Радио и связь, 1988. — 232 с.
4. Компоновка и конструкции микроэлектронной аппаратуры / Под ред. Б.Ф. Высоцкого, В.Б.
Пестрякова, О.А. Пятлина. — М.: Радио и связь, 1982. — 208 с.
5. Ненашев А.П. Конструирование РЭС. — М.: Высш, шк., 1990. — 432 с.
6. Яншин А.А. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности ЭВА. —
М.: Радио и связь, 1983. — 312 с.
7. Технология деталей РЭА / Под ред. С.Е. Ушаковой. — М.: Радио и связь, 1986. — 256 с.
8. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА / Под ред. Э.Т. Романыче-
вой. — М.: Радио и связь, 1989. — 448 с.
9. Достатенко А.И. Технология и автоматизация производства радиоаппаратуры. — М.: Радио
и связь, 1989. — 430 с.
180
РАДИОТЕХНИКА
ГЛАВА 8
МАТЕРИАЛЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
• Любая схема или конструкция может быть
реализована тогда и только тогда,
когда она воплощена в материале.
• Человеческая цивилизация так плотно
связана с созданием и использованием
материалов, что целые эры носят имена
материалов: каменный век,
бронзовый век, железный век.
• XX столетие вошло в историю как столетие
искусственных материалов, которые
обеспечили бурное развитие всех без
исключения сфер человеческой
деятельности; материалы сверхпрочные,
сверхтвердые, сверхпластичные,
сверхпроводящие, материалы
электроники и микроэлектроники.
• В XXI столетии определяющими станут
функциональные и многофункциональные
«умные» материалы (smart materials),
имеющие интеллект, нервную и
опорно-двигательную системы.
Сегодня эти материалы начинают
использоваться в функциональной
электронике и микромеханике.
При создании радиоэлектронных устройств
и систем заключительным этапом после
выполнения схемотехнического проектирова-
ния является конструкторско-технологическая
разработка — этап материального воплоще-
ния. Он базируется на выборе элементной ба-
зы, материалов и выполнении различных тех-
нологических операций над ними — формооб-
разования, сборки, настройки и испытания с
учетом тех внешних условий (механических,
тепловых, химических, радиационных и др.), в
которых должна работать аппаратура. При
этом, как и при производстве элементной базы,
важным является выбор необходимых матери-
алов с учетом требований к ним как по элект-
ромагнитным, так и физико-механическим, хи-
мическим и радиационным свойствам.
При работе над главой рекомендуется та-
кой порядок изучения статей: 8.24, 8.11, 8.22,
8.5, 8.23, 8.16, 8.14, 8.15, 8.26, 8.19, 8.20, 8.9,
8.18, 8.21, 8.17, 8.12, 8.25, 8.2, 8.4, 8.3, 8.1, 8.10,
8.7, 8.8, 8.13; 8.6.
8.1. ГЕРМЕТИКИ — композиции на ос-
нове каучука и других веществ, применяемые
для защиты элементов конструкции от проник-
новения газов и жидкостей.
8.2. ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ — вязкие
высокомолекулярные вещества, которые в оп-
ределенном диапазоне температур имеют ани-
зотропные электрические, оптические и другие
свойства, характерные для твердых кристал-
лов. Анизотропные свойства Ж. к. определяют-
ся наличием сигароподобных молекул, облада-
ющих разными оптическими свойствами вдоль
длинной оси молекулы и оси, перпендикуляр-
ной к ней, проявляющимися при условии упо-
рядоченного размещения молекул. По типу
упорядочения Ж. к. делятся на нематические и
смектические. Из-за слабых связей молекул в
Ж. к., по сравнению с твердым телом, управле-
ние их состоянием происходит при сравнитель-
лава 8. МАТЕРИАЛЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
181
8.2. ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ
но слабых электрических, магнитных, тепло-
вых, механических или химических воздейст-
виях. Ж. к. используют для создания разных ус-
тройств отображения информации, а также ус-
тройств оптической обработки сигналов.
8.3. КОМПАУНДЫ — высокомолекуляр-
ные диэлектрики, состоящие из смеси различ-
ных веществ (смол, битумов, эфиров целлюло-
зы и др.) и изменяющие свою вязкость во вре-
мя использования. К. применяют для улучше-
ния механических и тепловых свойств узлов, а
также для герметизации блоков и узлов РЭА,
работающих в условиях высокой влажности.
По способу затвердевания различают К. тер-
мопластичные и термореактивные. По ис-
пользованию К. делят на пропиточные и зали-
вочные. При использовании термопластичес-
кие К. разогревают (при этом их вязкость
уменьшается), заливают и дают остыть. Тер-
мореактивные К. полимеризуются и повторно
не используются.
8.4. ЛАКИ — коллоидные растворы смол,
битумов, высыхающих масел и других подоб-
ных веществ (пленкообразователей) в раство-
рителях. При сушке лака растворитель улету-
чивается, а лак переходит в твердое состояние.
Лаками пропитывают волокнистые материалы
или покрывают поверхности деталей для улуч-
шения их электрических свойств, стойкости
против действия влаги и грибков. В радиоэле-
ктронике к лакам дополнительно предъявля-
ются требования по их электрическим свойст-
вам. По способу сушки различают лаки холод-
ной (воздушной) и горячей (печной) сушки. По
применению выделяют три основные группы
Л.: пропиточные, покровные и клеящие. В ра-
диоэлектронике в основном используют поли-
мерные лаки: поливинилхлоридные, полисти-
рольные, эскапоновые, эпоксидные, кремний-
органические, бакелитовые.
8.5. МАТЕРИАЛЫ ДИЭЛЕКТРИ-
ЧЕСКИЕ — материалы, обладающие свойст-
вом электрической поляризации. В технике к
диэлектрикам относят вещества, которые в от-
личие от проводников и полупроводников пло-
хо проводят электрический ток (электрическая
проводимость ar< 10-12...10-15(Om m)-1). Су-
ществуют материалы, для которых кроме элек-
трической характерны и другие виды поляри-
зации — спонтанная, механическая, тепловая,
остаточная. Все они относятся к классу диэле-
ктриков, однако из-за своих особенностей рас-
сматриваются отдельно (см. ст. 8.25, 8.17, 8.12,
8.21). По агрегатному состоянию диэлектрики
делятся на газоподобные, жидкие, твердые и
твердеющие; по составу — на органические,
элементоорганические и неорганические; по
применению — на низко- и высокочастотные.
Керамика — материал, полученный спека-
нием порошков оксидов металлов или других
неорганических соединений (безоксидная ке-
рамика). К таким соединениям относятся нит-
риды, бориды, силициды и карбиды металлов.
К. состоит из кристаллической, стекловидной
и газовой фаз. По керамической технологии из-
готовляют сегнето- и пьезокерамику, поликрис-
таллические ферриты, высокотемпературные
сверхпроводники. Для керамики характерны
стабильность свойств, высокая радиационная,
влаго- и химостойкость, способность работать
при температуре до 1000°С и выше.
Алюминооксидная керамика — керамика на
основе оксида алюминия А12О3. Обладает вы-
сокой твердостью, малой пластичностью, вы-
сокими температурой спекания (до 1750°С),
теплопроводностью (30 Вт/(м-К)), стабильнос-
тью свойств. В настоящее время выпускают
материалы 22Х, 22ХС (96% А12О3) и поликор
(99.7% А12О3, е = 9.8; tgS = (1.. .2)-10"4), кото-
рые используют на СВЧ в виде подложек для
толсто- и тонкопленочных гибридных ИС, кор-
пусов транзисторов и МС, выделяющих повы-
шенную тепловую мощность, окон вывода
энергии мощных СВЧ приборов.
Брокерит — керамика на основе окиси бе-
риллия (ВеО, 95...98%); наряду с высокими
электрическими свойствами имеет наиболь-
шую среди диэлектриков теплопроводность
[218 Вт/(м-К)].
Конденсаторная керамика — использует-
ся для изготовления конденсаторов. Требова-
ния: повышенная диэлектрическая проницае-
мость (е > 10); малые потери (tgS =
(3...5)10 4); малый или заданный по значению
и знаку температурный коэффициент диэлект-
рической проницаемости ТКе. Различают ма-
териалы на основе соединений титана, цирко-
ния, олова с линейной и нелинейной поляриза-
циями. К последним принадлежат сегнетоэле-
ктрики. Керамиками с линейной поляризацией
являются: перовскитовая на основе CaTiO3 (е =
140...150, ТКе = -(11ОО...15ОО)1О“6 К-1); ру-
тиловая на основе TiO2 (е = 70...80, ТКе =
-(600...800) 10~6К-1); титаноциркониевая на
основе CaTiO3, CaZrO3 (е = 20...25, ТКе =
-(30...70) 10-6К-1); термостабильная на осно-
ве CaZrO3, CaSnO3 (е = 18...30; ТКе =
(10...30)10-6К-1)идр.
182
РАДИОТЕХНИКА
8.5. МАТЕРИАЛЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
Стеатит — материал на основе кристал-
лических фаз системы MgOAl2O3SiO2. Исход-
ным материалом служит природный тальк
(3MgO-4SiO2H2O). К радиостеатитам относят
материалы на основе талька с малым количест-
вом избыточных окислов железа, алюминия,
кремния. По сравнению с другими керамиками
стеатит обладает малой абразивностью. Приме-
няется он для изготовления мелких прессован-
ных и штампованных деталей плотной и порис-
той структуры, каркасов стабильных катушек
индуктивности, ВЧ конденсаторов большой ре-
активной мощности. К радиостеатитам отно-
сится шпинелевая (MgOAl2O3) и форстерито-
вая (2MgO SiO2) керамика, применяемая для из-
готовления вакуумно-плотных соединений с
медью, а также кордиеритовая керамика (2MgO
•2Al2O3-5SiO2), из которой производят нагрево-
стойкие изделия.
Фарфор — диэлектрический материал на
основе глин, в состав которых входят каолин
(А12 О3 • 2SiO2 H2 О), кварц (SiO2) и щелочной
полевой шпат (K2O Al2O3-6SiO2). На радиочас-
тотах Ф. имеет большие потери. Применяется
в электротехнике. Радиофарфор — материал
на основе глин (40%) и углекислого бария (Ва-
СО3). Радиофарфор — пластичный материал,
на частоте 1 МГц его диэлектрическая прони-
цаемость Е = 6...7, тангенс угла потерь tgS =
(3...5)10-3. Радиофарфор используют для из-
готовления мелко- и крупногабаритных уста-
новочных деталей — плат, планок, ламповых
панелей, каркасов катушек индуктивности,
изоляторов.
Оксидные пленки — получаются окисле-
нием поверхности металлов или полупровод-
ников (SiO, е = 6; SiO2> е = 3.8; А12О3> е = 7.. .9;
Та2О5Е = 20...25; Nb2b5> Е = 40). Применяют-
ся для изоляции монолитных ИС, пластин маг-
нитопровода трансформаторов и как диэлект-
рик тонкопленочных и электролитических кон-
денсаторов.
Пластмассы — материалы на основе син-
тетических полимеров. В состав П. могут вхо-
дить также наполнители (стекловолокно, бума-
га, сажа, древесная мука, асбест, кварцевый
песок, магнитный порошок и др.), модифика-
торы, пластификаторы, стабилизаторы, краси-
тели и другие компоненты, которые позволяют
получить материалы с разными электрически-
ми, тепловыми и механическими свойствами.
П. устойчивы к агрессивным средам, имеют
малую плотность [(0.9...2.3)103кг/м3], сравни-
тельно низкую теплопроводность (0.1...0.3
Вт/(м-К)) и хорошо обрабатываются. Различа-
ют термопласты — П. на основе линейных
полимеров, которые допускают повторную
формовку при нагреве, и реактопласты — П.
на основе пространственных полимеров, кото-
рые при повторном нагреве не размягчаются.
Первые из них имеют ббльшую пластичность,
меньшую теплостойкость, вторые - ббльшие
прочность, нагрево- и химостойкость. В зави-
симости от структуры П. делятся на порошко-
вые, армированные, слоистые и газонаполнен-
ные (пенопласты). П. применяются для изго-
товления конструктивных элементов, печат-
ных плат, защитных оболочек и др.
Полимерные диэлектрики высокочас-
тотные — имеют малые потери (tgS < 10 3
... 10 4) на ВЧ. К ним относятся неполярные и
слабополярные полимеры. Они имеют элект-
рически упругий механизм поляризации, ма-
лые диэлектрическую проницаемость и про-
водимость, слабую зависимость параметров
от температуры и частоты. Типичные значе-
ния параметров: е= 1.9...2.6; tgS = (1...5)-НГ4;
гп = 10 ... Ю15Ом м; JS'np = 20.. .30 МВ/м. Отли-
чие между разными ВЧ полимерными диэлек-
триками заключаются в физико-механических,
химических и радиационных свойствах.
Полистирол — слабополярный диэлектрик
малой нагрево- и морозостойкости
(—40...+70°С). Применяется для изготовления
каркасов катушек индуктивности, конструкци-
онных деталей, конденсаторов и как оптичес-
кий материал.
Полиэтилен характеризуется низкой нагре-
во- и морозостойкостью (-6О...+1ОО°С), малой
радиационной стойкостью. Выпускается П.
высокого давления (молекулярная масса М до
30 тыс.) и низкого давления (М до 600 тыс.) в
виде пленок, труб и гранул, применяется как
диэлектрик в радиочастотных кабелях, работа-
ющих при сравнительно невысоких уровнях
мощности, и как изоляция обмоточных и мон-
тажных проводов.
Фторопласт-4 (политетрафторэтилен) от-
личается высокими нагрево- и морозостойкос-
тью (-269...+260°С), химостойкостью, низкой
радиационной и короностойкостью, высокой
хладотекучестью. Используется на ВЧ и СВЧ
для изготовления опорных изоляторов, полуже-
стких кабелей и пленок, которые применяются
при изготовлении гибких кабелей. Для прида-
ния нужных свойств фторопласт-4 модифици-
руется введением наполнителей: стекловолок-
на, нитрида бора, сернокислого бария и др.
Глава 8. МАТЕРИАЛЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
183
8.5. МАТЕРИАЛЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
Полимерные диэлектрики низкочастот-
ные — полимерные материалы, имеющие по-
вышенные потери на высоких частотах. К ним
относятся полярные диэлектрики с дипольно-
релаксационным механизмом поляризации,
вследствие чего они характеризуются повы-
шенной диэлектрической проницаемостью,
сильной зависимостью параметров от темпера-
туры и частоты. Типичные значения парамет-
ров на частотах 50 Гц... 1 кГц такие: Е = 3...6.5;
tgS = (1...10)10-2; р„ = 10п...1014 Омм;
Епр = 10...40 МВ/м.
Кремнийорганические смолы (силоксаны и
силиконы) — элементоорганические диэлект-
рики с повышенными теплостойкостью (до
18О...22О°С) и гидрофобностью (водоотталки-
ванием). Однако они обладают пониженной
механической прочностью и плохой адгезией к
большинству материалов. К. с. выпускаются
как термопластичными, так и термореактивны-
ми, а также в виде жидкости для охлаждения и
пропитки волокнистых материалов.
Полиамид (капрон, нейлон) имеет нагрево-
стойкость до 7О...9О°С, отличается высокой
прочностью, используется как конструкцион-
ный материал для изготовления корпусов и оп-
рессовки металлической арматуры.
Поливинилхлорид обладает нагревостойко-
стью 65...70°С; негигроскопичный, химостой-
кий; используется для изоляции электрических
проводов, внешней изоляции кабелей, конст-
рукционных деталей.
Полиимид (не путать с полиамидом) —
наиболее нагревостойкий полимерный диэле-
ктрик (е = 3...3.3; tgS = (3...8)10~3 на частоте
1 МГц; £пр = 340 МВ/м в тонких пленках), вы-
держивает кратковременный нагрев до
500...800°С, длительный — до 240°С; имеет
высокие пластичность, радиационную и хими-
ческую стойкость; не теряет гибкость в жид-
ком гелии (4.2 К). Выпускается в виде лака (в
том числе фоторезиста) и пленки, использует-
ся для изоляции токонагруженных проводов, в
качестве защитных покрытий, основы для гиб-
ких печатных плат. П. является весьма пер-
спективным диэлектриком для производства
быстродействующих ИС, в том числе ВЧ и
СВЧ диапазонов, вследствие пониженных зна-
чений е и tg5, особенно в пористом (с закрыты-
ми порами) состоянии.
Поликарбонат — диэлектрик, который на-
ряду с повышенным значением диэлектричес-
кой проницаемости (е = 2.9) и пониженными
потерями (tgS = 610-3 на частоте 50 Гц) имеет
высокие электрическую (60...90 МВ/м) и ме-
ханическую прочность, особенно в тонких
слоях. Как и лавсан, применяется для изготов-
ления конденсаторов, а также литых деталей.
Полиметилметакрилат (органическое
стекло), рабочая температура которого со-
ставляет -6О...+6О°С, в оптическом диапазо-
не имеет коэффициент преломления 1.49 и
небольшие потери. Используется для изго-
товления оптических деталей (линз, шкал,
световодов).
Политрифторэтилен (фторопласт-3) по
сравненению с фторопластом-4 имеет лучшие
механические свойства, большую радиацион-
ную стойкость, но худшие электрические свой-
ства и теплостойкость (до 130°С). Применяет-
ся как конструкционный материал.
Полиэтилентерефталат (лавсан) имеет
значительную механическую прочность, осо-
бенно в тонких слоях, температуру размягче-
ния 200°С; его рабочая температура составляет
-6О...+15О°С. Это сильнополярный диэлект-
рик, который применяется для изготовления
НЧ конденсаторов, основы магнитных дисков
и лент, конструкционных деталей, работаю-
щих при повышенных влажности и вибрациях.
Фенолформальдегидная смола имеет нагре-
востойкость 105... 120°С и может быть как тер-
мореактивной (бакелит), так и термопластич-
ной (новолак); является основой для изготов-
ления клея и пресс-порошков. Недостаток —
склонность к трекингу — образованию прово-
дящих науглероженных мостиков после элект-
рического пробоя.
Эпоксидные смолы в чистом виде — термо-
пластичные материалы, которые растворимы в
ацетоне и других растворителях и могут долго
сохраняться в первоначальном состоянии. По-
сле добавления отвердителей они достаточно
быстро переходят в твердое термореактивное
состояние без выделения воды и других низко-
молекулярных веществ. Преимуществом Э. с.
является малая усадка и высокая адгезия (при-
липание) к другим материалам, высокая нагре-
востойкость (до 12О...14О°С). Используются
для приготовления клея, лаков, компаундов.
Стекло — неорганическое аморфное ве-
щество на основе сложной системы различ-
ных оксидов, включающих стеклообразующие
(SiO2, В2О3), щелочные (Na2O, К2О), щелоч-
ноземельные (СаО, ВаО) и другие (РЬО,
А12О3, Сг2О3, СоО,...) соединения. В зависимо-
сти от состава электрические параметры стекла
меняются в широких пределах: Е = 3.8... 16.2;
184
РАДИОТЕХНИКА
8.6. МАТЕРИАЛЫ КОНСТРУКЦИОННЫЕ
tgS = (2...100)10Л р„ = 106...1015 Омм.
Температура размягчения лежит в пределах
400...1600°С (кварцевое стекло). С. имеет высо-
кую механическую прочность, особенно на сжатие.
Ситалл — мелкокристаллизированное
(0.5...2 мкм, до 95%) стекло, кристаллизация
которого осуществляется за счет появления за-
родышей кристаллизации в виде коллоидных
частиц. Различают термоситаллы, в которых
зародыши кристаллизации появляются при на-
гревании до 500...700°С, а кристаллизация
происходит при повторном нагревании стекла
до 9ОО...11ОО°С, и фотоситаллы, в которых за-
родыши кристаллизации образуются под дей-
ствием ультрафиолетового излучения, а крис-
таллизация происходит во время низкотемпе-
ратурной обработки. По сравнению со стеклом
ситаллы — непрозрачные, имеют высокие ме-
ханическую прочность и твердость, небольшое
тепловое расширение, большую теплостой-
кость (температура размягчения 750...1300°С)
и высокие электрические параметры: е = 6...7;
tgS = (2...20)10~4 (на частоте 1 МГц); pv =
103... 1012 Ом м. С. применяют для изготовле-
ния подложек тонкопленочных и гибридных
ИС, конденсаторов, изоляторов и других меха-
нических деталей.
Фольгированный диэлектрик — плоский
диэлектрик, покрытый тонким (35...50 мкм)
слоем (фольгой) меди или алюминия с одной
или двух сторон. Используются как низко-, так
и высокочастотные Ф. д.: гетинакс (бумага,
пропитанная бакелитовым лаком с последую-
щей полимеризацией нагревом); стеклотексто-
лит (стеклоткань, пропитанная кремнийорга-
нической смолой с последующей полимериза-
цией); лавсановая и полиимидная пленки. На
СВЧ используют фольгированный фторопласт.
Толщина лежит в пределах от 0.05 до 2.5 мм.
Ф. д. используют для изготовления печатных (в
том числе и многослойных) плат и создания
печатных элементов ВЧ и СВЧ диапазонов (ка-
тушек индуктивности, полосковых линий пе-
редачи, фильтров и др.).
8.6. МАТЕРИАЛЫ КОНСТРУКЦИОН-
НЫЕ — материалы, которые используют для
изготовления различных конструкций (напри-
мер, шасси, кожухов, верньерных устройств и
т.д.). К ним, кроме механических, предъявля-
ются также определенные электрические тре-
бования, например, относительно электропро-
водимости, потерь и др. Как М. к. используют-
ся сплавы металлов, пластмассы, керамика и
композиционные материалы.
Алюминиевые сплавы — сплавы алюми-
ния с магнием, медью, марганцем, цинком,
кремнием и другими элементами. Основным
преимуществом этих сплавов является их вы-
сокая удельная прочность — отношение проч-
ности на разрыв к плотности, дающая возмож-
ность конструировать облегченную аппарату-
ру, что имеет большое значение для космичес-
кой, бортовой и подвижной РЭА. Различают
ковочные, литьевые и деформируемые сплавы,
используемые при соответствующих процес-
сах формообразования материала. Деформиру-
емые сплавы, в свою очередь, делятся на уп-
рочняемые и неупрочняемые термообработ-
кой. К первым относятся дюралюмины
(Д1.. .Д16), а ко вторым — сплавы с марганцем
и магнием (типов АМц, АМг); их упрочнение
происходит за счет наклепа во время холодной
пластической деформации. К литьевым мате-
риалам относятся силумины (сплавы алюминия
с кремнием типа Ал). Еще большую удельную
прочность имеют магниевые сплавы - сплав
магния с алюминием, цинком, марганцем и
другими элементами. Используются деформи-
руемые (типа МА) и литьевые (типа МЛ) спла-
вы. Алюминиево-магниевые сплавы применя-
ют для изготовления литых шасси, штампован-
ных экранов, гнутых корпусов и других конст-
рукционных деталей РЭА.
Бронза — сплав меди с оловом, кремнием,
алюминием, свинцом, бериллием. Соответст-
венно различают: оловянные (например,
Бр.ОФЮ-1), кремниевые (Бр.К4), алюминие-
вые (Бр.А5), свинцовые (Бр.СЗО) и бериллие-
вые (Бр.Б2) бронзы. В зависимости от состава
Б. имеет высокие механические, антикорро-
зийные, антифрикционные и упругие свойства.
В радиоэлектронике Б. применяется для изго-
товления упругих элементов — пружин, пере-
ключателей и др.
Латунь — сплав меди с цинком и другими
элементами: оловом, железом, фосфором, мар-
ганцем. Различают деформируемые (напри-
мер, Л 90, ЛС 59, ЛЖМц 59-1-1) и литьевые
(ЛК 80-ЗЛ, ЛКС 80-3-3) Л. Наряду с высокой
электропроводимостью Л. имеют хорошую
коррозионную стойкость, достаточно высокую
механическую прочность, хорошо обрабатыва-
ются резанием. Используются для изготовле-
ния крепежа, деталей приборов, волноводов,
осей, диамагнитных сердечников катушек ин-
дуктивности и др.
Сталь — сплав железа с углеродом и дру-
гими элементами. Различают углеродистые С.
Глава 8. МАТЕРИАЛЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
185
8.6. МАТЕРИАЛЫ КОНСТРУКЦИОННЫЕ
обыкновенного качества (Ст О...Ст 6) с повы-
шенным содержанием вредных примесей и ка-
чественные конструкционные С. (Ст 08, 10,
15...85; цифры указывают содержание углеро-
да в сотых долях процента) с меньшим содер-
жанием серы, фосфора и других вредных при-
месей. В зависимости от содержания углерода
различают низкоуглеродистые (08...25), сред-
неуглеродистые (30...55) и углеродистые
(60...85) С. Наибольшую прочность имеют уг-
леродистые С. после термической закалки и
отпуска — нагрева С. ниже температуры фазо-
вого перехода и определенной выдержки.
Лучшие механические свойства имеют ле-
гированные стали, путем добавления кремния,
марганца, хрома, меди, никеля, молибдена, ти-
тана и других элементов. Различают низколе-
гированные (Si, Мп, Сг — до 1%) и легирован-
ные конструкционные стали. Применяют С.
для изготовления конструкционных деталей
широкого назначения. Они, как правило, тре-
буют покрытия с целью защиты от коррозии.
8.7. МАТЕРИАЛЫ МАГНИТНЫЕ — ве-
щества, магнитная проницаемость которых
ц > 1. Различают магнитомягкие, магнитотвер-
дые и специальные материалы, к которым от-
носятся магнитострикционные, термомагнит-
ные материалы, а также материалы с прямо-
угольной петлей гистерезиса и ферриты СВЧ.
По уровню электропроводности М. м. делятся
на магнитные проводники, полупроводники и
диэлектрики.
Магнитомягкие материалы — магнит-
ные материалы, коэрцитивная сила которых не
превышает 400 А/м. По химическому составу и
структуре делятся на материалы на основе же-
леза (электротехнические стали, пермаллой),
ферриты и магнитодиэлектрики. В сильных
магнитных полях М. м. характеризуются ин-
дукцией насыщения, некоторыми промежуточ-
ными точками кривой намагничивания и зна-
чением удельных потерь при перемагничива-
нии с заданной частотой, а в слабых — ком-
плексной магнитной проницаемостью
р = р' - ур " или действительной частью ком-
плексной магнитной проницаемости р'и тан-
генсом угла магнитных потерь tgA на заданной
частоте. Для ферритов указывают критические
частоты, при которых потери соответствуют
определенным значениям, чаще tgA = 0.1 (/кр1)
и tgA = 0.02 «крг).
Магнитная пленка — слой магнитного ма-
териала или системы магнитных материалов,
нанесенный на диэлектрическую подложку.
Различают одно- и многослойные пленки. Мно-
гослойные ферромагнитные (проводящие)
пленки изготавливают с электрически изолиро-
ванными и неизолированными слоями. По типу
магнитного материала различают ферромагнит-
ные и ферритовые пленки. Магнитные пленки
используются для записи информации на маг-
нитных лентах, дисках и в ЦМД-структурах, в
оптических транспарантах устройств оптичес-
кой обработки сигналов, устройствах на по-
верхностных магнитостатических волнах и др.
Магнитодиэлектрик — композиционный
материал, состоящий из ферромагнитных час-
тиц размером единицы—десятки микрометров
и диэлектрического связующего вещества. Ис-
пользуют частицы карбонильного железа (Р-10,
Р-100), альсифера (ТК-90, ТЧК-55, ВЧ-32), пер-
маллоя (П-60, П-250). Изолирующей связкой
служат фенолформальдегидные смолы, поли-
стирол, стекло и др. По сравнению с феррита-
ми магнитодиэлектрики имеют меньшую маг-
нитную проницаемость, большую температур-
ную и временную стабильность, причем можно
изготавливать как термокомпенсированные ма-
териалы, так и материалы с положительным
или отрицательным температурным коэффици-
ентом магнитной проницаемости. Магнитодиэ-
лектрические сердечники бывают цилиндриче-
скими (типов PM, С, Т), кольцевыми (К) и бро-
невыми (СБ); их используют как на НЧ, так и
на радиочастотах до 100 МГц.
Пермаллой — сплав железа с никелем и
другими легирующими компонентами — ме-
дью, молибденом, хромом, кремнием. Преиму-
щественно применяют сплавы с содержанием
никеля 36...40, 50...53 и 70...80%. По сравне-
нию с электротехническими сталями пермал-
лои имеют повышенное значение начальной и
максимальной магнитной проницаемости.
Максимальная проницаемость высоконикеле-
вых сплавов является результатом их специ-
альной термомагнитной обработки (нагрева-
ние, выдержка и охлаждение в магнитном по-
ле) и достигает 105...106. Следует учитывать
высокую чувствительность магнитной прони-
цаемости пермаллоев к механическим напря-
жениям и деформациям, что требует осторож-
ности во время изготовления из них изделий.
Ферриты — магнитные материалы на ос-
нове твердых растворов оксида железа (Fe2O3)
с оксидами других металлов. Различают Ф.
магнитные и немагнитные, простые и сложные.
По виду кристаллической структуры Ф. быва-
ют: со структурой шпинели, общая формула ко-
186
РАДИОТЕХНИКА
8.7. МАТЕРИАЛЫ МАГНИТНЫЕ
торых MeO-Fe2O3, где Me — двухвалентный
металл; со структурой граната с общей форму-
лой R3Fe5Oi2, где R3 — обычно редкоземель-
ный элемент или Y, Bi, Са и др. Ф. по своим
электрическим свойствам относятся к диэлект-
рикам или полупроводникам, что позволяет
широко использовать их на ВЧ и СВЧ вследст-
вие пониженных потерь на вихревые токи. По-
ликристалл ические Ф. имеют большую диэлек-
трическую проницаемость, обусловленную не-
однородным механизмом поляризации, диспер-
сия которой наблюдается в области НЧ. В Ф.
используют два основных механизма намагни-
чивания: путем движения доменных границ и
движения намагниченности при наличии под-
магничивающего поля. В первом случае часто
наблюдается релаксационный спектр магнит-
ной проницаемости, границы дисперсии кото-
рого смещаются в сторону НЧ с повышением
магнитной проницаемости Ф. На НЧ и средних
частотах применяют Ф. с Ц > 2000. Ф. исполь-
зуют вплоть до УВЧ для производства магнит-
ных сердечников катушек индуктивности,
трансформаторов и др. Широко используют ни-
кель- и марганец-цинковые Ф. Во втором слу-
чае при наличии подмагничивающего поля на-
блюдается резонансный спектр, частота ферро-
магнитного резонанса которого зависит от на-
пряженности намагничивающего поля, намаг-
ниченности и формы образца. Кроме внешнего
на движение намагниченности влияет также
внутреннее поле, образованное вследствие кри-
сталлографической магнитной анизотропии и
механических напряжений в материале. Этот
механизм используют в широком диапазоне ча-
стот для создания управляемых фазовращате-
лей, фильтров, циркуляторов, вентилей. Так,
для создания фильтров используют монокрис-
таллические Ф. с высокой добротностью линии
ферромагнитного резонанса (например, желе-
зоиттриевый гранат с Q > 104).
Электротехническая сталь — сплав желе-
за с кремнием (до 5%), который используют в
устройствах, работающих в переменных маг-
нитных полях НЧ. Введение кремния улучша-
ет магнитные свойства стали и значительно
снижает ее электропроводность, что приводит
к уменьшению потерь на вихревые токи, воз-
никающие во время работы приборов в пере-
менных магнитных полях. Этому же способст-
вует и использование материала в виде пакетов
электрически изолированных пластин толщи-
ной от 0.08 до 1.5 мм или витых ленточных
сердечников. По методу проката листов разли-
чают горяче- и холоднокатаную Э. с. У горяче-
катаной Э. с. магнитные свойства изотропные,
а у холоднокатаной могут быть как изотроп-
ные, так и анизотропные, что связано с направ-
лением проката. Э. с. используются для изго-
товления магнитопроводов генераторов, транс-
форматоров, дросселей, реле и др.
Магнитострикционные материалы —
магнитные материалы, изменяющие свои раз-
меры при намагничивании. Различают спон-
танную магнитострикцию — изменение объе-
ма при переходе через точку Кюри, и линей-
ную магнитострикцию — деформацию мате-
риала при намагничивании. Эффект является
квадратичным относительно намагниченнос-
ти. Это значит, что обратный относительно
магнитострикции магнитоупругий эффект, т.е.
изменение намагниченности от деформации
образца, существует только при условии нену-
левой намагниченности (наличии подмагничи-
вающего поля). В смещающем поле относи-
тельно малых переменных сигналов оба эф-
фекта являются линейными. М. м. характери-
зуются постоянной магнитострикции насы-
щения — деформацией образца в направле-
нии его намагничивания до насыщения. Суще-
ствуют М. м. как с положительной, например,
пермендюр (К50Ф2,= 70-10 6), так и с отри-
цательной, например, никель (НП-26, \ =
-30-10-6) магнитострикцией. Эффективность
преобразования характеризуется коэффициен-
том магнитомеханической связи — корнем
квадратным из отношения преобразованной
энергии к полной. Кроме названных, использу-
ют параметры: механическая добротность,
температура Кюри, температурные коэффици-
енты соответствующих параметров. М. м. из-
готавливают как на основе магнитных сплавов,
так и на основе ферритов. Применяются они в
ультразвуковой технике, а также для изготов-
ления высокодобротных и стабильных элект-
ромеханических фильтров низких и промежу-
точных частот.
Магнитотвердые материалы — магнит-
ные материалы, коэрцитивная сила которых пре-
вышает 4 кА/м. Характеризуются участком раз-
магничивания граничной петли гистерезиса
(Рис. 8.1), по которой определяют основные па-
раметры: остаточную индукцию (намагничен-
ность) Вг, коэрцитивную силу Нс, максимальную
удельную магнитную энергию материала Wmax.
Эта энергия соответствует точке А на кривой
размагничивания, при которой произведение ВН
достигает своего максимального значения.
Глава 8 МАТЕРИАЛЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
187
8.7. МАТЕРИАЛЫ МАГНИТНЫЕ
Наибольшее распространение получили
магнитотвердые материалы на основе сплавов
Fe, Ni, Al (ЮНД, lFmax до 4 кДж/м3) и Fe, Ni,
Со, Al (ЮНДК, 1Гтах до 40 кДж/м3); керамиче-
ские — на основе порошков ферритов бария
(BaO-6Fe2O3) и кобальта (CoO-6Fe2O3) с Нс др
250 кА/м и 1Утах до 14 кДж/м3; металлокерами-
ческие на основе редкоземельных металлов
[SmCo5, Sm2(Co, Fe)17] с Нс до 960 кА/м и 1Утах
до 140 кДж/м3 и системы железо-неодим-бор
с Нс до 140 кА/м и Wmax до 400 кДж/м3, но с
низкой рабочей температурой до 150°С.
Термомагнитные материалы — материалы
с низкой температурой Кюри, магнитные параме-
тры которых сильно зависят от температуры в ра-
бочем диапазоне от -70 до +180°С. Разработаны
термомагнитные материалы на основе сплавов
Fe-Ni с 28.. .33% Ni (термаллои), Fe-Ni-Cr (ком-
пенсаторы) и Fe-Ni-Mo. Могут также использо-
ваться ферриты с низкой температурой Кюри.
Как правило, Т. м. работают в режиме насыще-
ния, при котором их параметры обладают наи-
большей повторяемостью и не имеют аномаль-
ных явлений. Применяются Т. м. в виде различ-
ных шунтов для температурной стабилизации
магнитного поля и температурной компенсации
параметров магнитоэлектрических приборов.
8.8. МАТЕРИАЛЫ ПРОВОДЯЩИЕ —
материалы, в которых токи проводимости зна-
чительно превышают токи смещения (удельное
сопротивление рг < Ю^Ом м). В зависимости
от назначения различают материалы высокой
проводимости, высокого удельного сопротив-
ления, припои и сверхпроводящие материалы.
Материалы высокого удельного сопро-
тивления — материалы, в которых протекание
тока приводит к повышенным потерям. К та-
ким материалам относятся манганин, констан-
тан, нихром, фехраль, хромаль, сплав МЛТ, уг-
лерод, керметы, металлосилициды.
Углерод — химический элемент с pv =
(1...5)10~5 Ом м, ТКр = -210 4 К-1, который
используют путем пиролитического нанесения
как материал для изготовления резисторов, а
также боруглеродистых пленок с рг =
(1... 1.2)10“^Ом м, ТКр= ЬЮ^К"1.
Кермет — металлодиэлектрическая компо-
зиция (благородные или тугоплавкие металлы
и диэлектрик — SiO, Та2О3, WO3, SiO2 и др.) с
неорганической связкой (стекло, керамика), ко-
торую применяют для изготовления резисто-
ров, поглощающих нагрузок на СВЧ. Кермет-
ные пасты на основе соединений Ru дают воз-
можность получить пленки с поверхностным
сопротивлением ps = (З...5) 1060м, ТКр =
(25... 100)-10-6 К-1, для чего используют мето-
ды толстопленочной технологии.
Константан — сплав меди и никеля с рг =
(4.8...5.2)10~5Омм, ТКр= -(5...25) 10-5 К’1,
который применяют для изготовления реоста-
тов и нагревательных приборов, работающих
до температуры 400.. .450°С, а также термопар.
Манганин — сплав на основе меди, марган-
ца, никеля с pv = (4.2...4.8)10-5Ом м, который
после термической обработки имеет малый
температурный коэффициент удельного сопро-
тивления ТКр = -(5...30)10~6К-1 и высокую
временную стабильность. М. выпускают в ви-
де провода с минимальным диаметром 0.02 мм
и ленты толщиной 0.01...1 мм и используют
для изготовления эталонных резисторов.
Металлосилициды — сплавы металлов (Сг,
Ni, Fe) с кремнием, которые имеют рг =
(5...35)-Ю-60м-м, ТКр = -(5...25)10^ К"1 и
применяются для изготовления взрывным ме-
тодом пленочных резисторов с поверхностным
сопротивлением ps = 0.05...3 кОм и ТКр =
(1...2)10^K-'.
Нихром — сплав никеля, железа, хрома,
марганца с pr = (1... 1.2)10~6Омм, ТКр =
(1 ...2)10~4 К~1, имеющий повышенные жаро-
стойкость и пластичность, выпускается в ви-
де провода и микропровода диаметром
0.4...0.01 мм, в том числе в стеклянной изоля-
ции с диаметром жилы 3...20 мкм, и использу-
ется для изготовления нагревательных элемен-
тов, резисторов и пленочных резисторов в ми-
кроэлектронике с ps = 50.. .300 Ом.
Сплав МЛТ — многокомпонентный резис-
тивный материал для изготовления тонкопле-
ночных резисторов, в том числе для микроэле-
ктроники, в состав которого входят железо, ни-
кель, хром, кремний, алюминий, вольфрам и
лантаноиды, с pv = (L.JJ IO-4 Омм, ТКр =
710 4 К-1. Материал имеет высокие химичес-
кую стойкость и стабильность, используется в
виде тонких пленок толщиной 0.1... 1 мкм с
р5 = 100...20000 Ом, ТКр = (-2.2...+4)-Ю^4 К1.
Фехраль, хромаль — сплавы железа, хро-
ма, алюминия с р„ = (1.2... 1.5)10-6Омм,
188
РАДИОТЕХНИКА
8.9. НАМАГНИЧЕННОСТЬ
ТКр = (0.6... 1.2)10-4 К-1г Эти сравнительно
дешевые сплавы применяются для изготов-
ления различных нагревательных приборов.
Материалы высокой проводимости —
материалы, применяющиеся для создания про-
водов, выводов, контактов, токопроводящих
деталей, покрытий, припоев.
Алюминий (удельное сопротивление рг =
2.65-10’8 Ом м) — пластичный диамагнетик,
на воздухе окисляется с образованием тонкой
защитной пленки. Применяется для изготовле-
ния силовых и обмоточных проводов транс-
форматоров, токопроводящих конструкций уз-
лов РЭА, проводниковых элементов в микро-
электронике. Входит в состав конструкцион-
ных материалов на основе меди.
Золото (удельное сопротивление рг =
2.25-10-8 Ом м) — химически неактивный ди-
амагнетик с высокой пластичностью, выпус-
кается в виде тонкой проволоки, пленки. Ис-
пользуется в электронной промышленности
для золочения токопроводящих выводов, со-
единения контактных микроплощадок, входит
в состав припоев для крепления кристаллов к
подложке.
Контактол — материал на основе порош-
ков металлов (Ag, Pb, Ni) и высокомолекулярной
связки (эпоксидных, фенолформальдегидных
смол), которая используется в вязко-жидком со-
стоянии с последующим отвердением. После
усадки обеспечивается электрическая связь
между частицами металла. Удельное сопротив-
ление материала pv = (0.5...200)-10-6 Ом м зави-
сит от концентрации металлического порошка в
К. и вида металла. К. используются для созда-
ния электрического контакта металлизирован-
ных поверхностей, аквадага, лакосажевых пле-
нок, печатных резисторов и др.
Медь (удельное сопротивление pv =
1.68-10’8 Ом м) — диамагнетик с высокими
теплопроводностью и пластичностью. Исполь-
зуется для изготовления проводов, токопрово-
дящих деталей и элементов электронных при-
боров и ИС, а также конструкций.
Серебро (удельное сопротивление pv =
1.5-10-7 Ом м) — пластичный диамагнетик, на
воздухе не окисляется, растворяется в азотной
(HNO3) и концентрированной серной (H2SO4)
кислотах, образуя пленки серных соединений.
Используется для антикоррозионного покры-
тия, увеличения электропроводности, улучше-
ния условий пайки и дальнейшего покрытия
другими благородными металлами, входит в
состав припоев и контактных материалов.
Сверхпроводники — материалы, сопро-
тивление которых постоянному току скачком
падает до нуля при охлаждении до некоторой
температуры сверхпроводимости, которую на-
зывают критической. Ее значение зависит от
напряженности магнитного поля, создаваемого
внешним источником, или от тока, протекаю-
щего в С. При достижении некоторого значе-
ния этого поля С. может перейти в проводящее
(резистивное) состояние скачком (С. первого
рода — Рв, Sn, In) или постепенно в некотором
диапазоне полей — С. второго рода (Nb —
Тсверхпр = 9.2 К; V, Те). На переменном токе в
тонких слоях, толщина которых меньше глуби-
ны проникновения, все С. ведут себя как С.
второго рода.
По сравнению с чистыми металлами боль-
шей критической температурой обладают ин-
терметаллические соединения Nb3Sn (18.3 К),
Nb3Ge (22.3 К) и еще большей — керамичес-
кие С. состава YBa2Cu3O7_x и LnBa2Cu2O7_x, в
которых температура перехода выше темпера-
туры кипения азота (77 К). Эти материалы
применяют для изготовления приборов, работа
которых основана на эффекте Джозефсона, —
СКВИДов, электромагнитов, линий передачи,
генераторов и сверхчувствительных приемни-
ков (см. ст. 26.6).
Припои — сплавы металлов, используе-
мые для соединения элементов способом пай-
ки. Для этого соединение и припой нагревают
до температуры немного выше, чем темпера-
тура плавления 7ПЛ припоя, которая должна
быть намного ниже, чем температура плавле-
ния соединяемых элементов. Различают мяг-
кие (7ПЛ < 300°С) и твердые (Тпя > 300°С) при-
пои. Последние имеют механическую проч-
ность выше и применяются для пайки конст-
рукционных элементов. Мягкие припои ис-
пользуют для соединения электрических эле-
ментов. Самыми распространенными из них
являются оловянно-свинцовые (ПОС) и оло-
вянно-свинцовые с добавками кадмия, сурь-
мы, меди (ПОСК, ПОССу, ПОСМ), а также
индий-серебряные (ПСр-ЗИн). Эти П. имеют
разные температуры плавления и степень рас-
творения материала соединения. Самыми рас-
пространенными твердыми П. являются мед-
но-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСр) с
разными добавками.
8.9. НАМАГНИЧЕННОСТЬ — наличие
дипольного магнитного момента некоторого
объема вещества или тела. Характеризуется
вектором намагниченности — предельным от-
Ртва 8. МАТЕРИАЛЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
189
8.9. НАМАГНИЧЕННОСТЬ
ношением магнитного дипольного момента ве-
щества к объему, если последний стремится к
достаточно малой величине.
8.10. НАМАГНИЧЕННОСТИ МЕХА-
НИЗМЫ — определяют появление или нали-
чие намагниченности. Различают магнетизм
атомный и магнетизм вещества (коллективный).
Первый, в свою очередь, делят на магнетизм
электронных оболочек, определяемый орби-
тальными (движение электронов вокруг ядра) и
спиновыми (вращение электронов вокруг своей
оси) магнитными моментами электронов.
Антиферромагнетизм — вид коллектив-
ного магнетизма, при котором в результате от-
рицательного обменного взаимодействия на-
магниченность соседних атомов устанавлива-
ется антипараллельно так, что в целом тело ос-'
тается ненамагниченным. Такое упорядочение
атомов исчезает при температуре выше темпе-
ратуры Нееля.
Гистерезис магнитный — явление, за-
ключающееся в неоднозначности индукции
(намагниченности) ферромагнитного тела при
одинаковой напряженности внешнего магнит-
ного поля в зависимости от предыстории про-
цесса намагничивания. Явление Г. м. изобра-
жается замкнутыми кривыми гистерезиса —
зависимостями намагниченности В ферромаг-
нетика от напряженности Н внешнего магнит-
ного поля (Рис. 8.2). Так, при постепенном на-
растании Н начальное намагничивание изобра-
жается кривой ОА. Если после достижения на-
сыщения Bs уменьшать Н, то убывание В про-
исходит по кривой AB^-H^D. Если после до-
стижения обратного насыщения снова увели-
чивать Н, то рост В идет по кривой DHcA. Раз-
личают петли гистерезиса: статические (при
медленном, по сравнению с процессами в ма-
териале, перемагничивании), динамические
(при быстром перемагничивании), частичные
(на Рис. 8.2 изображены штриховыми линия-
ми), граничные (изображены сплошной лини-
ей, охватывающей все части петли). По гра-
ничной петле Г. м. определяют такие парамет-
ры, как коэрцитивная сила 77с, остаточная ин-
дукция (намагниченность) Вг, индукция (на-
магниченность) насыщения Bs, удельная энер-
гия, используемая на перемагничивание (пло-
щадь петли гистерезиса).
Диамагнетизм — вид магнетизма, при ко-
тором вещество намагничивается навстречу
намагничивающему полю. Магнитная воспри-
имчивость отрицательная и имеет значение по-
рядка 10-6. Существует в материалах-диамаг-
нетиках, в которых сумма всех магнитных мо-
ментов электронов атома равняется нулю. На-
магниченность связана с проявлением закона
электромагнитной индукции в атоме. Сущест-
вует сильный Д. переходных металлов и ано-
мально большой Д. в сверхпроводниках.
Домен магнитный — участок (объем) фер-
ромагнетика с однородной намагниченностью.
Между собой Д. м. разделяются доменными гра-
ницами — участками, где происходит изменение
направления намагниченности. Наличие доме-
нов является причиной магнитного гистерезиса.
Индукция (намагниченность) остаточ-
ная Вг — индукция (намагниченность), остаю-
щаяся в намагниченном до насыщения образце
после снятия намагничивающего магнитного
поля. Основная кривая намагничивания (см.
Рис. 8.2, кривая DO А) — геометрическое мес-
то вершин частичных симметричных гистере-
зисных циклов. Определяется только в первом
квадранте. По основной кривой намагничива-
ния находят статическую (|1стат = Вт1(№>Нт) и
дифференциальную (Цдиф= M^QdBJdH^ маг-
нитные проницаемости.
Коэрцитивная сила Нс — напряженность
магнитного поля, направленного против оста-
точной индукции (намагниченности), при ко-
торой индукция (намагниченность) образца
переходит через нулевое значение.
Парамагнетизм — вид магнетизма, при
котором вещество намагничивается в направле-
нии намагничивающего поля. Магнитная вос-
приимчивость положительная и имеет значе-
ние порядка 10~3... 10 6. Существует в материа-
лах-парамагнетиках, в атомах которых магнит-
ные моменты всех частиц не скомпенсированы.
Температура Кюри — температура, при
которой спонтанная намагниченность материа-
ла достигает своего нулевого значения. С пере-
ходом через точку Кюри материал переходит
из ферромагнитной фазы в парамагнитную, где
спонтанная намагниченность не существует.
Ферримагнетизм — вид коллективного
магнетизма, обусловленный наличием косвен-
ного обменного взаимодействия в системе ма-
190
РАДИОТЕХНИКА
8.13. ПОЛУПРОВОДНИКИ
териалов (см. ферриты), когда элементарные
магнитные моменты соседних атомов антипа-
раллельны, но не скомпенсированы. Такие ма-
териалы относятся к магнитным полупровод-
никам или магнитодиэлектрикам.
Ферромагнетизм — вид коллективного
магнетизма, при котором вещество намагничи-
вается в направлении магнитного поля и маг-
нитная восприимчивость может достичь ог-
ромных значений (порядка 105...106). Сущест-
вует в материалах, называемых ферромагнети-
ками, и является следствием упорядочения
магнитных моментов атомов в результате пря-
мого обменного взаимодействия тождествен-
ных электронов, имеющих некомпенсирован-
ные спиновые моменты. Для ферромагнетиков
энергия обменного взаимодействия имеет по-
ложительный знак, а минимум свободной
энергии системы будет тогда, когда магнитные
моменты соседних атомов параллельны. Это
соответствует наличию намагниченности при
отсутствии внешнего магнитного поля —
спонтанной намагниченности. Такое состоя-
ние намагниченности для всего образца явля-
ется неустойчивым; поэтому образец разбива-
ется на ряд участков — магнитных доменов с
разной ориентацией намагниченности так, что
в целом образец становится ненамагничен-
ным. При его перемагничивании внешним маг-
нитным полем появляется петля магнитного
гистерезиса. По электрическим свойствам эти
материалы относятся к проводникам.
8.11. ПАРАМЕТРЫ РАДИОМАТЕРИА-
ЛОВ МАКРОСКОПИЧЕСКИЕ — электро-
магнитные параметры радиоматериалов, вхо-
дящие в уравнения Максвелла (см. ст. 28.34)
как в наиболее общий закон взаимодействия
вещества с электромагнитным полем. К этим
параметрам относятся: абсолютная магнит-
ная проницаемость Ца [Г/м], абсолютная диэ-
лектрическая проницаемость Еа [Ф/м] и
удельная электрическая проводимость мате-
риалов [См/м].
Восприимчивость диэлектрическая —
параметр материала, характеризующий свойство
электрической поляризации, который ставит в
соответствие вектор электрической поляризации
Р материала вектору напряженности электриче-
ского поля Ё, т.е. Ё = £0%еЁ . Связан с относи-
тельной диэлектрической проницаемостью е от-
ношением е = %е+1. В переменных электричес-
ких полях диэлектрик характеризуется комплекс-
ной диэлектрической проницаемостью (воспри-
имчивостью) £ = £' - je", (%е =Хе ~ J%e )•
Восприимчивость магнитная хт — па-
раметр материала, характеризующий свойст-
во намагничивания и ставящий в соответст-
вие вектор намагниченности материала век-
тору напряженности магнитного поля, т.е.
М - хЯ. В переменных магнитных полях ма-
териал характеризуется комплексной магнит-
ной проницаемостью (восприимчивостью)
ц = |Г-У|Г, (хт =Х'-Л").
Электрическая проводимость удельная
— параметр материала, характеризующий
свойство электрической проводимости и ставя-
щий в соответствие вектор плотности электри-
ческого тока проводимости вектору напряжен-
ности электрического поля Ё, т. е. J = avE.
8.12. ПИРОЭЛЕКТРИКИ — диэлектрики
со спонтанной поляризацией, направление ко-
торой нельзя изменить внешним электричес-
ким полем. Поляризация проявляется при из-
менении температуры, при этом изменение по-
ляризации приводит к изменению поверхност-
ного заряда на обкладках П. и, как следствие, к
изменению напряжения между ними. Основ-
ным параметром П. является пирокоэффици-
ент , который связывает изменение поляриза-
ции ДР с изменением температуры А Г, т.е.
др = ЁАГ- КП. относят монокристаллические
материалы с полярной осью и спонтанной по-
ляризацией: ниобат лития (LiNbO3), тантанат
лития (LiTaO3) и др. Пироэффект проявляется
также в поляризованных сегнетоэлектриках,
поляризованной сегнетокерамике, а также пье-
зокерамике. П. используют для изготовления
детекторов теплового излучения, преобразова-
телей тепловой энергии, квадратичных элект-
ротепловых детекторов и др.
8.13. ПОЛУПРОВОДНИКИ — большая
группа материалов, которые по электрической
проводимости занимают промежуточное поло-
жение между проводниками и диэлектриками.
В переменных электрических полях токи про-
водимости и смещения П. соизмеримы. Шири-
на запрещенной зоны простых П. лежит в диа-
пазоне 0.5...2.5 эВ. По химическому составу
П. делятся на простые (элементарные, самые
распространенные из них — Ge, Si,), состоя-
щие из одного химического элемента, и слож-
ные, в состав которых входят два и больше эле-
ментов — GaAs, InSb, CdS и др. По типу струк-
туры П. бывают кристаллическими, стеклооб-
разными (аморфными) и жидкими. Сложные
кристаллические П. делятся на:
— соединения типа AinBv (соединения эле-
ментов III и V групп периодической системы).
Глава 8 МАТЕРИАЛЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
191
8.13. ПОЛУПРОВОДНИКИ
Важнейшие из них (GaAs, InSb, InP, InAs) об-
разуют непрерывный ряд твердых тройных и
более сложных растворов (GaxAli_xAs,
GaxIni_xAsYPi-Y и др.). Используются для со-
здания гетероструктур;
— соединения элементов VI группы (О, Se, S,
Те) с элементами I—V групп периодической
системы и переходными и редкоземельными
металлами типов AnBVi (CdS, ZnO, ZnS, CdTe
и др.), A ivBVi (PbS, PbSe, PbTe, SnTe, в том
числе твердые растворы типа PbxSni_xTe,
PbxSni_xSe);
— тройные соединения типа AnBlvCv
(CdSnAs2, ZaSnAs2 и др.);
— карбид кремния SiC — химическое соеди-
нение элементов одной IV группы, тугоплав-
кий и широкозонный П.
Примесный полупроводник — полупро-
водник, проводимость которого определяется
примесью — небольшим числом атомов, изме-
няющих состав П. или делающих его отлич-
ным от стехиометрического состава — количе-
ственного соотношения компонент, соответст-
вующего его химической формуле. В общем
виде роль примеси могут играть разные дефек-
ты (нарушения) кристаллической структуры:
чужеродные атомы внедрения или замещения,
отсутствие атомов в узлах кристаллической ре-
шетки, дислокации — край лишней полуплос-
кости в кристаллической структуре и др. В за-
висимости от влияния на электрическую про-
водимость различают примеси: донорную, при
которой основными носителями являются эле-
ктроны, что соответствует П. и-типа; акцеп-
торную, при которой основными носителями
являются дырки (отсутствие электронов), что
соответствует П. р-типа.
Собственно полупроводник — простой
или сложный полупроводник, не содержащий
примесей, влияющих на его электрическую
проводимость.
Стеклообразные полупроводники —
это П., которые получают переохлаждением
расплава, когда не могут сформироваться
кристаллические структуры. По химическо-
му составу разделяются на элементарные
(Se), халькогенидные (GeSe2, AsSe), оксид-
ные (V2O5-Bi2O3-P2O5) и оксидно-халькоге-
нидные. При достижении некоторого крити-
ческого значения электрического поля могут
переходить из высокоомного состояния в низ-
коомное. Используются в системах памяти,
обработки оптических сигналов, производст-
ве нелинейных резисторов.
8.14. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИ-
КОВ — процесс появления электрического ди-
польного момента в объеме материала. В зави-
симости от воздействия, при котором происхо-
дит П. д., различают такие ее виды: электриче-
скую, механическую, тепловую, спонтанную,
остаточную (электризацию).
Вектор поляризации Р — величина, ко-
торая характеризует поляризацию диэлектрика
и определяется как граничное отношение элек-
трического дипольного момента некоторого
объема материала к объему, стремящемуся к
достаточно малому значению. В. п. связан с
электрической индукцией Ь соотношением
D = £()/i + Р .
Добротность диэлектрика (магнетика) —
умноженное на 2л отношение удельной макси-
мальной энергии, запасаемой в материале, к
удельной энергии, расходуемой за период, и
является величиной, обратной тангенсу угла
диэлектрических (магнитных) потерь tgS
(tgA), где 8 (А) — угол задержки фазы между
напряженностью Е (Н) поля и соответствую-
щей индукцией D (В). Добротность — одна из
самых важных характеристик, определяющая
параметры резонаторов, фильтров, линий пе-
редачи и других элементов, основанных на
этих материалах.
Поляризация механическая — поляриза-
ция, происходящая под действием механичес-
ких напряжений. Проявляется в материалах, ко-
торые называются пьезоэлектриками. Основ-
ной параметр пьезоэлектриков — тензор пьезо-
модулей и коэффициент электромеханической
связи. Тензор пьезомодулей — это параметр,
связывающий вектор поляризации с тензором
механических напряжений в материале. Квад-
рат коэффициента электромеханической связи
характеризует эффективность преобразования
механической энергии в электрическую.
Поляризация остаточная — поляризация
(электризация), возникающая в диэлектрике и
сохраняющаяся долгое время — десятки лет.
П. о. присуща материалам, которые называют-
ся электретами.
Поляризация спонтанная — поляриза-
ция, существующая в диэлектриках в опреде-
ленном диапазоне температур при отсутствии
внешних воздействий и являющаяся следстви-
ем наличия в диэлектрике механизма ПОС (на-
пример, механизма поляризационной катаст-
рофы), который определяет появление и само-
поддержание поляризации. В случае измене-
ния температуры и достижения ею определен-
192
РАДИОТЕХНИКА
8.15. ПОЛЯРИЗАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МЕХАНИЗМЫ
ных значений (температуры Кюри) этот меха-
низм нарушается и поляризация исчезает. Ма-
териалы, у которых поляризация устанавлива-
ется только в одном направлении — направле-
нии полярной оси, и не изменяется внешним
электрическим полем, называются пироэлект-
риками, а материалы, позволяющие изменить
это направление с помощью электрического
поля — сегнетоэлектриками.
Поляризация тепловая — поляризация,
проявляющаяся в пироэлектриках и поляризо-
ванных сегнетоэлектриках при изменении
температуры. Основной ее параметр — пиро-
коэффициент.
Поляризация электрическая — поляри-
зация, связанная с воздействием внешнего
электрического поля. Различают П. э. элек-
тронную (смещение электронной оболочки
относительно ядра), ионную (смещение поло-
жительных и отрицательных ионов в кристал-
лической решетке) и ориентационную (в ре-
зультате поворота электрических диполей в
полярном диэлектрике).
8.15. ПОЛЯРИЗАЦИИ ЭЛЕКТРИ-
ЧЕСКОЙ МЕХАНИЗМЫ — процессы учас-
тия заряженных частиц и структур материала в
электрической поляризации. Знание П. э. м. важ-
но для понимания поведения материалов в ши-
роком диапазоне частот, влияния на параметры
материала температуры и других воздействий.
Поляризации упругой механизмы — это
механизмы, при которых электрическая поля-
ризация происходит с малыми потерями энер-
гии в широком диапазоне частот, за исключе-
нием узкой полосы резонанса, и соответствует
резонансным спектрам диэлектрической про-
ницаемости. Эта поляризация характерна для
ВЧ диэлектриков и бывает электронной, ион-
ной и дипольной.
Поляризация диполъно-упругая — характе-
ризуется тем, что под действием электрическо-
го поля происходит упругий поворот диполь-
ных молекул и появляется электрический ди-
польный момент. Присуща материалам, элект-
рические диполи которых образуют кристал-
лическую структуру, дисперсия последней
проявляется на частотах 108... 1О10 Гц.
Поляризация электронно-упругая —при
ней происходит деформация электронной
оболочки атома с появлением дипольного мо-
мента, характерна для всех без исключения
диэлектриков. Диэлектрическая проницае-
мость зависит от плотности материала и со-
ставляет 1.001 — для газов, 2 — для жидкос-
Глава 8. МАТЕРИАЛЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
тей, 5... 10 — для твердых неорганических
диэлектриков, причем дисперсия диэлектри-
ческой проницаемости отсутствует до опти-
ческого диапазона частот (1015 Гц).
Поляризация ионно-упругая — в этом слу-
чае под действием электрического поля проис-
ходит упругая деформация ионной решетки с
появлением дипольного момента. Этот меха-
низм характерен для ионных диэлектриков.
Область дисперсии диэлектрической проница-
емости лежит в инфракрасном диапазоне час-
тот(1013 ...1014Гц).
Поляризации релаксационной механиз-
мы — это механизмы, при которых поляриза-
ция существенно запаздывает относительно
приложенного электрического поля и прояв-
ляется в широкой (около двух порядков по
оси частот) области дисперсии, что соответст-
вует значительным потерям. По релаксацион-
ному спектру и наличию максимума диэлект-
рических потерь на кривых температурной и
частотной зависимостей соответствует диэле-
ктрической поляризации. Различают диполь-
но-, электронно- и ионно-релаксационную по-
ляризации, а также миграционную (неодно-
родную) поляризацию.
Поляризация дипольно-релаксационная —
поляризация, при которой под действием эле-
ктрического поля происходит ориентация ди-
польных молекул или их радикалов, находя-
щихся в хаотическом тепловом движении. Ус-
тановление и исчезновение поляризации опре-
деляется временем релаксации т, необходи-
мым для уменьшения начальной поляризации
в е (2.73) раз. Эта поляризация в значительной
степени зависит от температуры. Максимум
потерь отвечает частоте релаксации — вели-
чине, обратной времени релаксации. Время
установления поляризации лежит в границах
10 3... 10 9 с, а характерна она для полярных
газов, жидкостей и твердых диэлектриков.
Поляризация ионно-релаксационная — поля-
ризация, при которой под действием электриче-
ского поля происходит направленное смещение
лишних (дефектных) электронов и дырок, воз-
буждающихся тепловой энергией. Материалы с
таким механизмом поляризации могут иметь
высокую диэлектрическую проницаемость.
Поляризация миграционная (неоднородная)
— поляризация, при которой под действием
электрического поля свободные заряды пере-
мещаются в границах проводника или полу-
проводниковых включений, образуя очень
большие диполи. Аналогичное накопление за-
193
7-2959
8.15. ПОЛЯРИЗАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МЕХАНИЗМЫ
рядов наблюдается на границах раздела слоев
в слоистых диэлектриках. Время релаксации
таких механизмов может быть чрезвычайно
большим (10-3...103 с). Материалы с такими
механизмами поляризации имеют большую
диэлектрическую проницаемость в области
НЧ. Последние два механизма поляризации от-
ветственны за частичное восстановление заря-
да низкочастотного конденсатора после его
кратковременного замыкания.
8.16. ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ — яв-
ление лавинообразного нарастания электриче-
ского тока в диэлектрическом образце при до-
стижении некоторого напряжения, которое на-
зывается напряжением пробоя £/проб, а соответ-
ствующая напряженность электрического поля
£Пр — электрической прочностью. Различают
пробои объемные и поверхностные, полные и
частичные, обратимые и необратимые. В зави-
симости от механизмов развития пробои быва-
ют электрическими, электротепловыми и элек-
трохимическими.
Пробой электрический — лавинообраз-
ное увеличение тока происходит за счет удар-
ного или фотонного возбуждения (ионизации)
атомов при воздействии сильного электричес-
кого поля. П. э. характеризуются малым време-
нем развития (107... 10-8с), слабой зависимос-
тью от температуры, частоты приложенного
напряжения и формы образца. Этот тип пробоя
характерен для газообразных, очищенных
твердых и жидких диэлектриков с упругими
механизмами поляризации и малой электриче-
ской проводимостью.
Пробой электротепловой — лавиноподоб-
ное увеличение тока происходит за счет нагре-
вания диэлектрика приложенным электричес-
ким полем, при этом нагревание диэлектрика
тоже имеет лавиноподобный характер. Время
развития пробоя больше, чем в случае чисто
электрического пробоя, и может достигать не-
скольких минут и даже часов. Электрическая
прочность диэлектрика зависит от температу-
ры, частоты приложенного напряжения и фор-
мы образца, которая определяет условия тепло-
обмена. П. э. характерен для диэлектриков с ре-
лаксационными механизмами поляризации и
повышенной электрической проводимостью.
Пробой электрохимический — возникает
вследствие необратимого изменения структуры
и состава материала под воздействием электри-
ческого поля, что приводит к изменению элект-
рической проводимости в объеме материала
или в приэлектродных областях (электрохими-
ческое старение). Заканчивается П. э. тепловым
или электрическим пробоем. Для развития П. э.
требуется долгое время — месяцы, годы. Он
сильно зависит от температуры, влажности, ма-
териала электродов, вида приложенного напря-
жения (постоянное, пульсирующее).
8.17. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКИ — материалы,
поляризация которых возникает под действием
механических напряжений (прямой пъезоэф-
фект). Кроме прямого, существует обратный
пьезоэффект — деформация материала в ре-
зультате действия электрического поля, линей-
ная относительно поля. Основными параметра-
ми пьезоэлектрика являются: тензор пьезомо-
дулей, который входит в соотношение P = do,
где Р — вектор поляризации; и — тензор ме-
ханических напряжений; коэффициент элект-
ромеханической связи к, квадрат которого оп-
ределяет эффективность преобразования энер-
гии механического сигнала в электрический и
наоборот. Кроме пьезоэлектрических, матери-
ал характеризуется электрическими (е' и tgS), а
также механическими параметрами — тензо-
ром упругой податливости, плотностью и ме-
ханической добротностью.
Пьезоэффект наблюдается в материалах, в
которых отсутствует центр симметрии: моно-
кристаллах с осевой симметрией (кварц, ZnO,
ZnS); моно- и поликристаллических материа-
лах со спонтанной поляризацией и предвари-
тельной поляризацией всего образца (симмет-
рия типа стрелки). К этим материалам относят-
ся пироэлектрики (LiNbO3, LiTaO3), поляризо-
ванные сегнетоэлектрики монокристалличес-
кие (сегнетова соль, титан бария) и поликрис-
таллические, известные под названием пьезоке-
рамика (ТБ, ТБКС, ЦТС, ТБНС, НБС и др.).
Пьезоэлектрические свойства имеют поляризо-
ванные полимеры, например, поливинилиден-
фторид и его сополимеры, а также электреты.
8.18. СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ РА-
ДИАЦИОННЫЕ — свойства, которые прояв-
ляются радиоматериалами при радиационных
воздействиях и которые необходимо учитывать
при работе радиоэлектронных устройств в экс-
тремальных радиационных условиях.
Стойкость радиационная — способность
материала выдерживать радиационное излуче-
ние без существенных изменений своих элект-
рических и механических свойств. Различают
обратимые радиационные эффекты, связан-
ные с процессами ионизации, и необратимые,
связанные с изменением структуры материала
и появлением радиационных дефектов. Под
194
РАДИОТЕХНИКА
8.21. СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ
воздействием быстрых нейтронов увеличива-
ются проводимость газов и полупроводников,
предел текучести металлов, уменьшается про-
зрачность стекол и т.д.
8.19. СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ФИ-
ЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ — свойства, кото-
рые проявляются радиоматериалами при физи-
ко-механических воздействиях.
Смачиваемость — свойство, проявляемое
при соприкосновении жидкости с твердым те-
лом. Приводит к растеканию, пропитке порис-
тых тел и порошков, образованию мениска.
Характеризуется углом смачивания. Для сма-
чиваемых материалов этот угол меньше 90°, а
для несмачиваемых — больше.
Прочность механическая — способность
материала сопротивляться механическим воз-
действиям. Определяется при механических
испытаниях. Различают статические и дина-
мические испытания. К первым относятся ис-
пытания материала на растяжение, сжатие,
кручение, изгиб и твердость, ко вторым — на
удар (ударная вязкость) и циклические нагруз-
ки (утомляемость). Соответственно различают
прочность материала на растяжение, сжатие,
изгиб, кручение.
Твердость — способность материала со-
противляться внедрению пробного тела (ин-
дентора) или царапанью. В зависимости от
размера и формы индентора различают Т. по:
Бринеллю (НВ) — вдавливается шарик диаме-
тром 1 см; Роквеллу (HR) — шарик диаметром
2.5 мм; Виккерсу (HV) — трехгранная алмаз-
ная пирамидка. Пользуются также Т. по мине-
ралогической шкале; при этом твердость алма-
за принимается за 10.
Тепловое расширение — изменение разме-
ров тела при его нагреве или охлаждении. Ха-
рактеризуется температурным коэффициентом
линейного расширения ТКЛР = A// (1&Т) [К-1].
Теплостойкость — способность материа-
ла выдерживать длительное воздействие повы-
шенной температуры без существенного ухуд-
шения его свойств. В зависимости от допусти-
мых значений рабочих температур диэлектри-
ки разделяются на классы нагревостойкости,
которые приведены в Табл. 8.1.
8.20. СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ХИ-
МИЧЕСКИЕ — свойства, проявляемые радио-
материалами при химических воздействиях.
Химостойкость — способность материала
противостоять воздействию химических ве-
ществ, которое обуславливает изменение ис-
ходного состава вещества или его растворение.
Таблица 8.1
Класс нагревостойкости диэлектриков Y А Е В F Н С
Допустимая рабочая температура [°C] 90 105 120 130 155 180 >180
8.21. СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ — матери-
алы со спонтанной поляризацией, направление
которой можно изменить внешним электриче-
ским полем. В зависимости от механизма уста-
новления спонтанной поляризации различают:
дипольные сегнетоэлектрики типа сегне-
товой соли (NaKC4H4O6-4H2O); дигидрофос-
фата калия KDP (КН2РО4); триглицинсульфата
ТГС ((NH2CH2COOH)3H2SO4), в которых при
температуре ниже точки Кюри упорядочивает-
ся ориентация молекул — происходит переход
типа «беспорядок-порядок»;
ионные сегнетоэлектрики (BaTiO3,
PbTiO3 и др.) с характерной структурой — кис-
лородным октаэдром, внутри которого нахо-
дится положительный ион (Ti, Zr, Nb и др.) с
диаметром меньше, чем промежуток между
ионами кислорода. При переходе через точку
Кюри происходит преимущественное смеще-
ние иона титана к одному из ионов кислорода,
что нарушает центральную симметрию и вы-
зывает появление электрического дипольного
момента — переход типа «смещение». При
этом кубическая решетка деформируется и
становится тетрагональной.
С. характеризуются высокой диэлектриче-
ской проницаемостью (сотни тысяч) в резуль-
тате проявления доменного механизма элект-
рической поляризации, повышенными диэлек-
трическими потерями (применяются на НЧ) и
сильной температурной зависимостью как
спонтанной поляризации, так и диэлектричес-
кой проницаемости при сравнительно низких
значениях температуры Кюри. Используются
для изготовления конденсаторов, включая не-
линейные, а также позисторов.
Спонтанная поляризация ведет к появле-
нию доменной структуры, что является резуль-
татом минимизации свободной энергии сегне-
тоэлектрического образца.
Гистерезис диэлектрический — необра-
тимое явление, которое проявляется в замкну-
той кривой переполяризации сегнетоэлектрика
внешним электрическим полем. Г. д. подобен
гистерезису магнитному (см. ст. 8.10), где эле-
ктрическая индукция D — аналог магнитной
индукции В, напряженность электрического
Глава 8 МАТЕРИАЛЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
195
8.21. СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКИ
поля Е — аналог напряженности магнитного
поля Н. Различают петли гистерезиса: стати-
ческие — при медленной (равновесной) пере-
поляризации и динамические — при неравно-
весной (быстрой) переполяризации; частные
(симметричные и несимметричные); предель-
ные (охватывающие все частные). По предель-
ной петле гистерезиса аналогично Рис. 8.2 оп-
ределяют: коэрцитивную силу остаточную
индукцию (поляризацию) Dr; индукцию (поля-
ризацию) Ds насыщения; удельную энергию,
затрачиваемую на переполяризацию, — пло-
щадь петли гистерезиса.
Индукция остаточная Dr (поляризация ос-
таточная Рг) — индукция (поляризация), ос-
тающаяся в поляризованном до насыщения об-
разце после снятия внешнего поляризующего
электрического поля.
Коэрцитивная сила Ес — напряженность
электрического поля, направленного против
остаточной индукции (поляризации), при кото-
рой индукция (поляризация) образца перехо-
дит через нулевое значение. Поэтому различа-
ют К. с. по индукции и по поляризации.
Основная кривая поляризации — анало-
гично Рис. 8.2 — геометрическое место вер-
шин частных симметричных гистерезисных
циклов (определяется только в первом квад-
ранте). По этой кривой определяют стати-
ческую Естат = От/(г^Ет) и дифференциаль-
ную ЕДИф = \/ZQdDm/dEm диэлектрические
проницаемости.
Домен электрический — область (объем)
сегнетоэлектрика с однородной электрической
поляризацией. Д. э. разделяются доменными
границами — участками, в которых происхо-
дит изменение направления поляризации. На-
личие доменов — причина диэлектрического
гистерезиса.
Температура Кюри — температура, при
которой спонтанная поляризация достигает
нулевого значения. После точки Кюри матери-
ал переходит из сегнетоэлектрической фазы
(состояния) в параэлектрическую фазу, при ко-
торой спонтанная поляризация отсутствует.
8.22. СПЕКТРЫ ПАРАМЕТРОВ МАТЕ-
РИАЛОВ — зависимость параметров материа-
лов от частоты, что является следствием разных
механизмов проводимости, поляризации и на-
магничивания, которые одновременно сущест-
вуют в материале и по-разному ведут себя при
изменении частоты электромагнитного воздей-
ствия. При этом реакция материала, а следова-
тельно, и его параметры, являются суперпози-
цией реакций отдельных механизмов. Имеются
области частот, где параметры практически не
изменяются, и области, где эти изменения до-
статочно существенны. Дисперсия параметра
— его изменение с изменением частоты элект-
ромагнитного воздействия. Область дисперсии
— диапазон частот, в котором проявляется дис-
персия. В зависимости от механизмов различа-
ют два основных диэлектрических и магнитных
спектра — резонансный и релаксационный.
Резонансный спектр — это спектр
(Рис. 8.3), при котором действительное значе-
ние параметра е' (р/) сначала растет (нормаль-
ная дисперсия), а потом резко падает и может
достичь значений ниже исходных и даже отри-
цательных. Мнимая часть е" (р,") достигает
максимума в середине области дисперсии на
частоте резонанса^. Дисперсия наблюдается в
узком, до долей процента, диапазоне частот.
Дополнительно она характеризуется шириной
резонансной кривой А/ которая определяется
на уровне 0.5 от максимума, или добротностью
спектральной линии Q =fp/&f.
Релаксационный спектр — это спектр
(Рис. 8.4), при котором действительное зна-
чение комплексной диэлектрической или маг-
нитной проницаемости плавно уменьшается,
образуя широкую (приблизительно два по-
рядка по оси частот) область дисперсии. Ос-
новными параметрами являются: начальная
проницаемость Ен (рн) — проницаемость в
начале области дисперсии; конечная проница-
емость Еоо (|Лоо) — проницаемость в конце об-
ласти дисперсии; глубина дисперсии % — раз-
ность начальной и конечной проницаемос-
тей; частота релаксации fp — частота, соот-
ветствующая максимуму мнимой части про-
ницаемости.
8.23. ТАНГЕНС УГЛА ПОТЕРЬ — вели-
чина, характеризующая добротность материа-
ла и определяющаяся отношением мнимой ча-
сти комплексной проницаемости к действи-
196
РАДИОТЕХНИКА
8.26. ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТИ МЕХАНИЗМЫ
тельному значению, измеренному на заданной
частоте. Т. у. п. связан с электрической или
магнитной добротностью материала обратным
соотношением: tgS = 172-
Угол потерь — угол сдвига фаз между эле-
ктрическим полем Е и электрической индукци-
ей D (угол диэлектрических потерь) или угол
сдвига фаз между магниЙГйм полем Н и маг-
нитной индукцией В (угол магнитных потерь).
Поля предполагаются гармоническими.
8.24. ТЕРМИНЫ ОБЩИЕ. При изуче-
нии материалов наблюдаются явления, изу-
чаются свойства и определяются параметры
материалов.
Свойство — качественный признак, оп-
ределяющий отличительную особенность ка-
кого-либо материального объекта и проявля-
ющийся при его взаимодействии с другими
материальными объектами. Так, электричес-
кая проводимость и поляризация, которые
определяют отличительную особенность
проводников и диэлектриков, проявляются
при воздействии на тело электрического по-
ля, а твердость и пластичность — при меха-
нических воздействиях и т.д. На этом этапе
разносторонне изучаются физико-механичес-
кие, химические и электромагнитные свойст-
ва материала.
Параметр — количественая характерис-
тика свойства материала, которая ставит в
однозначное соответствие его реакцию на
определенное воздействие. Чаще всего пара-
метры материалов входят в систему законов
(например, закон Гука, закон Ома, уравнения
Максвелла и др.) или их определяют по зара-
нее заданным стандартным процедурам (на-
пример, определение твердости, ударной
вязкости и др.).
Различают два основных метода опреде-
ления параметров материалов — макроско-
пический и микроскопический. Макроскопи-
ческий подход предполагает эксперименталь-
ное определение параметров материала с
привлечением законов, на которые опирают-
ся экспериментальные методы, а также фено-
менологических (phenomenology — описание
явлений без попытки их дальнейших объяс-
нений) законов поведения материалов при со-
ответствующих воздействиях. Так, для опре-
деления электромагнитных параметров веще-
ства такими законами являются уравнения
Максвелла. При микроскопическом подходе
макроскопические параметры материалов
вычисляют по микроскопическим парамет-
рам, которые определяются строением ато-
мов, их взаимосвязями в молекулах и струк-
турой вещества.
Явление (эффект) — выражение сущности
какого-либо материального объекта (двойное
лучепреломление, эффекты Холла и Фарадея,
явление ферромагнитного резонанса и др.). На-
блюдение явлений является начальным этапом
экспериментального изучения материала.
8.25. ЭЛЕКТРЕТЫ — диэлектрики, у ко-
торых поляризация и/или электризация сохра-
няются длительное время (десятки лет). Поля-
ризацию проводят в сильном электрическом
поле при действии фактора, вызывающего по-
вышенную электропроводность (при нагреве,
освещении, радиационном излучении), что
приводит к увеличению неоднородной поляри-
зации Э. В зависимости от способа стимуля-
ции поляризации различают термо-, фото-, ра-
дио- и короноэлектреты. В качестве Э. исполь-
зуются органические материалы в виде дисков
и пленок, преимущественно слабополярных и
нейтральных (пленки лавсана, поликарбоната,
фторопласта-4), а также керамические и тита-
носодержащие материалы BaTiO3, CaTiO3 и
др. Э. применяют как источники электрическо-
го поля (аналогично постоянным магнитам,
используемым как источники магнитного по-
ля) для изготовления микрофонов, дозиметров,
ионизаторов и др. [1]
8.26. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ МЕ-
ХАНИЗМЫ определяются природой носите-
лей зарядов, перемещающихся под действием
электрического поля. Существуют такие меха-
низмы электропроводности: электронный (ды-
рочный), ионный и молионный (катафорез-
цый). Первый из них характерен для металлов
и полупроводников, второй — для диэлектри-
ков и электролитов, третий — для дисперсных
частиц, находящихся в жидкой или газообраз-
ной среде во взвешенном состоянии. В плазме
существует смешанный электронно-ионный
механизм электропроводности.
Глава 8. МАТЕРИАЛЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
197
ГЛАВА 8
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Губкин А.Н. Электреты. — М.: Наука, 1978. — 191 с.
2. Материалы в приборостроении и автоматике: Справочник / Под. ред. Ю.М. Пятина. — М.:
Машиностроение, 1982. — 528 с.
3. Рейнбот. Магнитные материалы и их применение: Пер. с нем. / Под ред. А.А. Преображен-
ского. — Л.: Энергия, 1974. — 384 с.
4. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. — Л.:
Энергоиздат, 1985. — 304 с.
5. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В. Корицкого. — Л.: Энер-
гия, 1976. — 896 с.
6. Материаловедение / Под ред. Б.Н. Арзамасова. — М.: Машиностроение, 1986. — 383 с.
7. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. — М.: Высш, шк., 1986. —
367 с.
8. Суху Р. Магнитные тонкие пленки: Пер. с англ. — М.: Мир, 1967. — 422 с.
9. Электрорадиоматериалы / Под ред. Б.М. Тареева. — М.: Высш, шк., 1978. — 336 с.
198
РАДИОТЕХНИКА
^^=====^====== ГЛАВА 9
МИКРОПРОЦЕССОРЫ И
МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ
• Ни одно другое изобретение в истории
не вносило в наш мир столь быстрых и
глубинных изменений, как компьютер,
построенный на микропроцессорной технике.
• Мощность одного современного
микропроцессора превышает
совокупную мощность всех ЭВМ, которые
использовались в СССР и США во время
стартов первых орбитальных станций.
Сегодня таким процессором может
пользоваться любой студент.
• Если бы автомобильная техника
развивалась столь же стремительно, как
микропроцессорная, то мы бы ездили
на машинах, которые одолевают миллионы
километров на одном литре бензина.
Такую машину было бы дешевле выбросить,
чем платить за ее парковку.
Г. Мур, «Intel corp.»
• Мы знаем сегодня, что на все вопросы типа
«Может ли машина сделать это?»,
должен быть дан ответ «Да».
У.Р. Эшби
• Bis dat, qui cito dat — вдвое дает тот,
кто дает быстро.
• Первый микропроцессор «Intel 4004»
(М. Шима, М. Хофф, «Intel corp.»,
США, 1971 г.).
• Однокристальный микропроцессор «Раде»
(«National semiconductor», США, 1974 г.).
• Микропроцессор «Intel 386»
(«Intel corp.», США, 1986 г.)
• Микропроцессор «Pentium»
(«Intel corp.», США, 1992 г.).
Микропроцессор — программно-управляе-
мое цифровое устройство, которое осу-
ществляет обработку информации, ее ввод,
вывод и выполнено в виде нескольких или ча-
ще одной БИС. Обязательными компонентами
МП являются арифметико-логическое устрой-
ство, сверхоперативное ЗУ и устройство уп-
равления. Последнее обеспечивает выбор ко-
манд из внешней памяти, дешифрацию и уп-
равление процессом их выполнения.
Применение МП в цифровых системах
обеспечивает высокие надежность, экономич-
ность и эффективность, малые габаритные
размеры и достаточно низкую их стоимость.
МП используют для построения ЭВМ и иных
средств цифровой обработки информации (в
том числе радиотехнических). Это дает воз-
можность существенным образом упростить
структуру ЭВМ, благодаря чему созданы мало-
габаритные дешевые персональные компьюте-
ры с высокой производительностью, ЦФ и
прочие средства цифровой обработки инфор-
мации, которые реализуют сложные алгорит-
мы. Кроме того, на основе МП построены раз-
личные управляющие системы, которые в
большинстве своем содержат лишь одну БИС.
Особую роль играют МП в бытовой электрон-
ной аппаратуре, где низкая стоимость и высо-
кая надежность имеют решающее значение.
В главе основное внимание уделено анали-
зу функционирования МП БИС, организации
их взаимодействия, основным понятиям мик-
ропроцессорной техники. Большинство мате-
риала рассмотрено на конкретных примерах
БИС наиболее распространенной серии
К1810, аналогом которой является американ-
ская серия «Intel 1-8086».
Рекомендуется следующий порядок рас-
смотрения статей: 9.12,9.4,9.23,9.18, 9.21,9.1,
9.2, 9.15, 9.20, 9.8, 9.5, 9.24, 9.6, 9.19, 9.7, 9.14,
9.10, 9.3, 9.11, остальные статьи рассматрива-
ГлаваЭ. МИКРОПРОЦЕССОРЫ И МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ
199
ГЛАВА 9
ются в произвольном порядке. Следует отме-
тить, что материал настоящей главы (в том
числе и терминология) в значительной мере
опирается на материал гл. 25 — устройства ци-
фровой обработки сигналов.
9.1. АДРЕСАЦИЯ — способ идентифика-
ции (распознавания) ячейки памяти, регистра
или другого источника данных. Виды А. рас-
смотрим на примере 16-разрядного МП с 20-
разрядной ША серии К1810, в котором приме-
нена сегментация памяти и используются поч-
ти все известные способы А.
Адресация базовая — адресация, при кото-
рой исполнительный адрес операнда ЭВМ (объ-
екта операции) определяют как результат сложе-
ния адреса внутри сегмента (базового) со сме-
щением относительно этого адреса. Базовый ад-
рес задается содержимым базового регистра ВХ
или указателя базы ВР (см. ст. 9.12) и определя-
ет начальный адрес массива данных в сегменте.
Смещение задает код команды, определяя сме-
щение адреса текущего элемента массива отно-
сительно базового адреса, который ЭВМ вычис-
ляет во время выполнения программы. При этом
базовый адрес может модифицироваться.
Адресация базовая индексная — адреса-
ция, при которой исполнительный адрес ЭВМ
определяют как результат сложения содержи-
мого базового регистра, индексного регистра и
смещения, задаваемого кодом команды. Как
правило, содержимое базового регистра (ВХ
или ВР, см. ст. 9.12) задает начальный адрес
массива данных в сегменте. Содержимое ин-
дексного регистра (SI или DI) определяет рас-
положение текущего элемента относительно
начального адреса массива. Смещение указы-
вает расположение определенного элемента
массива относительно текущего элемента.
Адресация индексная — адресация, при
которой исполнительный адрес ЭВМ опреде-
ляют как сумму содержимого индексного реги-
стра (SI или DI, см. ст. 9.12) и смещения, зада-
ваемого кодом команды. А. и. логически ана-
логична адресации базовой.
Адресация косвенная регистровая — ад-
ресация, при которой исполнительный адрес
операнда (объекта операции) находится в од-
ном из регистров. В рассматриваемом МП эти-
ми регистрами являются индексные SI, DI или
базовый ВХ регистры (см. ст. 9.12).
Адресация непосредственная — адреса-
ция, при которой операнд (объект операции)
является составной частью команды. Исполь-
зуется для передачи констант.
Адресация неявная — адресация, при ко-
торой адрес операнда связан с именем коман-
ды и задается ее описанием. Под объектом, к
которому адресуются, понимают аккумулятор,
флаговый регистр или отдельные флаги.
Адресация относительная — адресация,
при которой относительный адрес в сегменте
ЭВМ определяют как сумму указанного в ко-
манде смещения и базового адреса. А. о. в рас-
сматриваемом МП используется только в ко-
мандах переходов, вызовов подпрограмм и уп-
равления циклами. Базовый адрес всегда зада-
ется содержимым указателя команды IP.
Адресация прямая — адресация, при ко-
торой указанный в команде адрес является ис-
полнительным адресом операнда. Использует-
ся для адресации простых переменных, а также
в командах переходов и вызова подпрограмм.
Адресация регистровая — адресация, при
которой операнд находится в регистре. Это на-
иболее быстродействующий вид адресации.
9.2. АДРЕСНОЕ ПРОСТРАНСТВО (про-
странство памяти) — совокупность ячеек, к
которым можно обращаться при использова-
нии физического адреса. Как правило, число
таких ячеек равно 2", где п — число разрядов
ША. Организацию памяти рассмотрим на при-
мере 16-разрядного МП с 20-разрядной ША
серии К1810. Здесь память организована как
последовательность смежных байтов, которые
могут образовывать двухбайтовые слова
(младшим байтам соответствуют меньшие ад-
реса). Обращение к мегабайтному А. п. воз-
можно как по байтам, так и по двухбайтовым
словам. Для этого память распределена между
двумя банками (четным и нечетным) емкостью
по 512 Кбайт каждый, для адресации которых
используют линии А19...А1 ША (Рис. 9.1).
Банк с четными адресами (АО = 0) подключен
к младшим (D7...D0), а банк с нечетными ад-
ресами — к старшим (D15.. .D8) разрядам ШД.
Адресная линия АО для адресации памяти не
используется, а вместе с линией разрешения
передачи данных старшей половины ШД ВНЕ
(byte high enable) позволяет обращаться к од-
ному или обоим банкам. Линия АО подключа-
ется ко входу выбора микросхемы CS (chip
select) младшего банка, а линия ВНЕ — ко вхо-
ду С S старшего банка. МП вырабатывает на
этих линиях сигналы, которые обеспечивают
следующие варианты пересылок по ШД: АО =
0, ВНЕ = 0 — пересылается слово (обращение
к обоим банкам); АО = 0, ВНЕ = 1 — пересы-
лается только младший байт (по четному
200
РАДИОТЕХНИКА
9.3. АРБИТР ШИНЫ
адресу); АО = 1, ВНЕ = 0 — пересылается толь-
ко старший байт (по нечетному адресу).
9.3. АРБИТР ШИНЫ — устройство, пред-
назначенное для синхронизации доступа не-
скольких МП к системной шине (СШ) в много-
процессорных системах. В, таких системах каж-
дый МП может подключаться или к СШ, или к
своей резидентной шине (ШР). Задача выбора
шины возлагается на А. ш., причем МП к ШР
может обращаться в любой момент. К СШ име-
ют доступ несколько МП, и А. ш. решает, кому
(одному) из них предоставить этот доступ.
Использование А. ш. рассмотрим на при-
мере построения многопроцессорной систе-
мы на основе МП серии К1810 (Рис. 9.2).
Здесь каждый МП подключен своей мульти-
плексированной шиной (см. ст. 9.23) ад-
рес/данные А/D к внешней шине, к которой
он имеет доступ, через блок шинного интер-
фейса БШИ. В состав последнего входят:
фиксатор адреса ФА, шинный формирователь
ШФ, контроллер шины КШ. Каждый МП
имеет свой А. ш.
Всем МП и, соответственно, их А. ш. поль-
зователь аппаратно назначает уровень приори-
тета. А. ш. может находиться в активном со-
стоянии, при котором на его выходе разреше-
ния адреса AEN (address enable) генерируется
0, или в пассивном состоянии (AEN = 1). К ак-
тивному состоянию А. ш. переходит при усло-
виях: его МП нужна СШ; если одновременно
доступ к ней нужен нескольким МП, то этот
МП имеет высший приоритет; на входе выбо-
ра системной или резидентной шины (см. ст.
9.23) SYSB/RESB (system bus/residentional bus)
присутствует логическая 1.
Основной задачей А. ш. в рассматриваемом
примере является приоритетный доступ одного
МП к СШ при одновременном запросе ее не-
сколькими МП. Выбор конкретной шины (ШР
или СШ) осуществляется линией А1 адресной
шины (например, А1 = 0 — выбор ШР, Al = 1 —
выбор СШ). При обращении МП к ШР он выда-
ет сигнал А1 = 0. Этот сигнал разрешает работу
БШИ, подключающего МП к ШР, и обеспечива-
ет пассивное состояние А. ш. (AEN = 1), вслед-
ствие чего БШИ, буферирующий СШ, перехо-
дит в высокоимпедансное состояние.
Если одновременно нескольким МП нужен
доступ к СШ, то все они выдают сигнал А1 = 1,
что переводит БШИ, буферирующие их ШР, в
высокоимпедансное состояние и обеспечивает
сигнал SYSB/RESB= 1. МП выдают на свои А.
ш. также слово состояния S2...S0, которое ука-
зывает на требование доступа к СШ. А. ш. фор-
мируют сигналы запроса шины BREQ (bus
request), поступающие на схему арбитража СА.
Зачастую это приоритетный дешифратор, воз-
буждающий выход с наибольшим приорите-
том. Сигнал с этого выхода поступает на вход
приоритетного разрешения доступа к шине
BPRN = 0 (bus priority in) того А. ш., приоритет
которого выше, позволяя ему активизироваться
(AEN= 0). Этот сигнал разрешает работу БШИ,
Глава 9. МИКРОПРОЦЕССОРЫ И МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ
201
9.3. АРБИТР ШИНЫ
подключающего МП к СШ. Для остальных А.
ш. сигнал BPRN= 1, в результате чего они оста-
ются в пассивном состоянии (AEN= 1), что пе-
реводит БШИ, отделяющие соответствующие
МП от СШ, в высокоимпедансное состояние.
Как правило, в состав каждой однопроцес-
сорной системы, работающей автономно (пока
не нужен доступ к СШ), входит генератор так-
товых импульсов (ГТИ). Входом AEN у ГТИ уп-
равляет свой А. ш. Поэтому для МП, которым
нужен доступ к СШ, но он временно запрещен,
их ГТИ выдают сигнал готовности READY = О
и МП переходят в режим ожидания, пока им не
будет предоставлен доступ к СШ.
В рассмотренном примере А. ш. работает в
режиме резидентной и системной шин. Суще-
ствуют еще три режима, которые дают возмож-
ность реализовать многопроцессорные систе-
мы различной конфигурации.
9.4. АРХИТЕКТУРА МИКРОПРОЦЕС-
СОРА — общая система логической организа-
ции МП, определяющая процесс, обработки
данных и включающая методы кодирования
данных, состав, назначение, принципы взаимо-
действия технических средств и программного
обеспечения на функциональном уровне.
9.5. ВВОД-ВЫВОД — операция обмена
данными между основной памятью микро-
процессорной системы и внешними носите-
лями данных или устройствами ввода-вывода,
в том числе клавиатурой и дисплеем. Возмож-
ны три способа обмена данными при В.-в.:
программный обмен; обмен с прерыванием
программы; обмен с помощью прямого досту-
па к памяти.
Ввод-вывод программный — ввод-вы-
вод, осуществляемый под управлением про-
граммы и инициированный микропроцессор-
ной системой. В.-в. п. рассмотрим на примере
16-разрядного МП серии К1810, позволяюще-
го использовать два адресных пространства —
пространство памяти (1 Мбайт) и пространст-
во ввода-вывода (до 64 Кбайт). Для идентифи-
кации (распознавания) этих адресных прост-
ранств МП вырабатывает сигнал М/Ю(тето-
ry/input-output). Возможны два способа обмена
с устройством ввода-вывода (УВВ): с исполь-
зованием только адресного пространства вво-
да-вывода и только пространства памяти.
При первом способе используются только
команды ввода-вывода IN и OUT. Во время вы-
полнения этих команд МП вырабатывает сиг-
нал М/Ю = 0, что позволяет обращаться только
к адресному пространству ввода-вывода. МП
вырабатывает при этом также сигналы чтения
RD (read) или записи WR (write), идентифици-
руя цикл обмена.
При втором способе обмена адреса УВВ
размещают в адресном пространстве памяти и
обращение к ним не отличается от обращения
к памяти. Это дает возможность применять
любую команду обращения к памяти для обра-
щения к УВВ, сокращая число адресов для
ячеек памяти. Для синхронизации обмена с
медленными УВВ используют вход готовности
МП READY, на который УВВ засылает логиче-
скую 1 в случае его готовности к обмену. В
ином случае на READY УВВ засылает логиче-
ский 0 и МП переходит в режим ожидания, по-
ка УВВ не будет готов к обмену данными.
Прямой доступ к памяти — основан на
непосредственном обмене данными между па-
мятью и внешним устройством (ВУ) без учас-
тия МП, осуществляется по инициативе ВУ. П.
д. п. является наиболее быстродействующим
способом обмена данными и реализуется с по-
мощью контроллеров П. д. п. Такой контроллер
принимает запросы от ВУ и посылает сигнал
запроса захвата шин HOLD на вход МП. По по-
лучении этого запроса МП прекращает свою
работу, переводит мультиплексированную ши-
ну (см. ст. 9.23) и линии управляющих сигна-
лов в высокоимпедансное состояние и выраба-
тывает сигнал подтверждения захвата шины
HLDA (hold acknowledgment), поступающий на
одноименный вход контроллера П. д. п.
Получив этот сигнал, контроллер берет на
себя функции управления обменом данными.
Он подтверждает запрос ВУ, имеющему наи-
высший приоритет, разрешая ему осуществ-
лять обмен. Контроллер П. д. п. вырабатывает
управляющие сигналы чтения и записи как для
памяти, так и для ВУ, формируя адреса памяти.
Контроллер П. д. п. может управлять переда-
чей одиночных байтов и массивов данных.
Возможна организация обмена не только меж-
ду ВУ и памятью, но и передача типа память —
память, которая дает возможность перемещать
блоки информации в памяти.
По окончании обмена данными контроллер
П. д. п. посылает на вход МП сигнал HOLD =
О, вследствие чего МП выдает сигнал HLDA =
О, возобновляя управление шиной, и продол-
жает свою работу по программе.
9.6. ГЕНЕРАТОР ТАКТОВЫХ ИМ-
ПУЛЬСОВ — генератор, предназначенный
для синхронизации микропроцессорной систе-
мы. В качестве примера рассмотрим Г. т. и.,
202
РАДИОТЕХНИКА
9.7. ИНТЕРФЕЙС
входящий в состав микропроцессорного ком-
плекта серии К1810. Г. т. и. с помощью внут-
реннего генератора позволяет формировать
выходные сигналы из колебаний основной ча-
стоты кварцевого резонатора или его высших
гармоник, выделенных ЛС-фильтром, а также
от внешнего задающего генератора. Во всех
трех случаях сигнал синхронизации CLK
(clock) частотой до 5 МГц получают делением
частоты входного сигнала на 3, а сигнал син-
хронизации периферийных устройств — еще
на 2. Кроме того, Г. т. и. принимает входные
асинхронные сигналы готовности RDY1,
RDY2 (ready) от внешнего устройства и фор-
мирует из них выходной синхронный сигнал
готовности READY, поступающий на одно-
именный вход МП. Сигналы RDY1, RDY2 под-
тверждаются входными сигналами AEN1,
AEN2, которыми в многопроцессорной систе-
ме управляют арбитры шин. Г. т. и. формирует
из входного асинхронного сигнала сброса RES
синхронный сигнал сброса RESET, поступаю-
щий на одноименный вход МП. При этом МП
переходит в начальное состояние.
9.7. ИНТЕРФЕЙС — совокупность пре-
имущественно унифицированных аппаратных,
программных и конструкторских средств и
способов, необходимых для согласования и ре-
ализации взаимодействия различных функцио-
нальных частей вычислительной системы. Об-
мен информацией между МП и внешним уст-
ройством (ВУ) осуществляется по электричес-
ким цепям (линиям И.), объединенным по сво-
ему назначению в шины. Вся совокупность ли-
ний образует магистраль. Стандартизации в
И. подлежат: состав и типы линий связи; элек-
трические и конструкторские параметры; ко-
манды, управляющие обменом данными; тип
связей (магистральный — с подключением к
одной магистрали нескольких абонентов или
радиальный, когда для каждого источника и
приемника выделены отдельные линии); прин-
цип обмена данными (параллельный или по-
следовательный); способ обмена (синхронный
или асинхронный); режим обмена данными
(симплексный, полудуплексный, дуплексный
или мультиплексный). По функциональному
назначению И. можно разделить на внутрима-
шинные, И. периферийного оборудования и
системные И. Для технической реализации И.
используют различные ИС, БИС.
Интерфейс внутримашинный — интер-
фейс, предназначенный для организации свя-
зей, объединяющих составные блоки ЭВМ в
единую систему. Магистраль И. в. включает
ШД, ША и управляющую шину. ША и ШД ча-
сто совмещают. Управляющая шина имеет ли-
нии, обеспечивающие захват магистрали, пре-
рывание, обращение к памяти и внешним уст-
ройствам, арбитраж, синхронизацию и т.п. На-
иболее перспективными являются И. в. третье-
го поколения (например, Multibus И, FUST-
BUS), которые поддерживают 16- и 32-разряд-
ные МП. Они имеют 32-разрядную мульти-
плексированную шину адреса/данных (см. ст.
9.23), допуская обмен данными со скоростью
до 80 Мбайт/с.
Интерфейс периферийного оборудова-
ния — интерфейс, предназначенный для орга-
низации связи ЭВМ с периферийными (выне-
сенными) устройствами, которые могут быть
отдалены на значительные расстояния (десят-
ки и сотни метров). Периферийными устрой-
ствами являются печатающие устройства, гра-
фопостроители, датчики, исполнительные ме-
ханизмы и т.п. Различают три группы И. п. о.:
параллельные, последовательные и интерфей-
сы внешних ЗУ
И. п. о. параллельный используют для со-
пряжения ЭВМ с внешними устройствами
(ВУ) низкого и среднего быстродействия при
небольших объемах информации, передавае-
мой на малые расстояния. Широко применя-
ют интерфейс типа BS 4421 и его аналог
ИРПР (интерфейс радиальный параллель-
ный). Он содержит 18 линий. Передача дан-
ных асинхронная, скорость обмена для мик-
роЭВМ на базе МП К1810ВМ86 — 0.1
Мбайт/с при максимальной длине соедини-
тельного кабеля 15 м.
При технической реализации параллель-
ных И. п. о. часто используют БИС типа
КР580ВВ55 (Рис. 9.3), в состав которой вхо-
дят: двунаправленный 8-разрядный буфер дан-
ных БД; блок управления БУ; три независимых
порта ввода-вывода А, С, В, состоящих из
схем сопряжения ВУ и МП. Для подключения
БИС к системной шине используют ШД
(D7...D0), а ВУ подключают к 8-разрядным
шинам портов (РА7...РА0, РС7...РС0,
РВ7...РВ0). Порты А, С, В могут образовывать
два независимых 12-разрядных порта. Направ-
ление передачи задается управляющими сиг-
налами чтения и записи , которые поступают
от МП при его обращении к ВУ. Выбор кон-
кретного порта или регистра управляющего
слова осуществляется адресными входами АО,
А1, которые часто подключают к двум млад-
Глава 9. МИКРОПРОЦЕССОРЫ И МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ
203
9.7. ИНТЕРФЕЙС
шим линиям ША МП, а выбор БИС — с помо-
щью входа выбора ИМС (CS), подключаемого
к дешифратору адреса.
Программируют БИС параллельного интер-
фейса занесением управляющего слова из МП.
При этом каждый порт назначается входным или
выходным и для него независимо задается один
из трех режимов работы. В режиме простого
ввода-вывода данных (режим 0) никаких допол-
нительных сигналов, кроме RD и WR , не нуж-
но. В этом режиме могут работать все три порта.
В режиме стробируемого ввода-вывода (режим
1) обмен данными осуществляется только через
порты А и В, а порт С играет роль управляюще-
го устройства, выдавая и принимая дополни-
тельные управляющие сигналы. Обмен в режи-
ме 1 осуществляется по прерываниям. Одна из
линий порта С вырабатывает сигнал запроса
прерывания по порту А, две другие линии ис-
пользуют для синхронизации обмена данными
через этот же порт. Аналогично еще три линии
порта С используют как управляющие для обме-
на через порт В. Каждый из портов А и В может
быть независимо запрограммирован на ввод или
вывод данных. В режиме двунаправленного об-
мена (режиме 2) обмен данными осуществляет-
ся только через порт А, причем в отличие от ре-
жимов 0,1 порт А может как принимать, так и
передавать данные. При этом, как и в режиме 1,
порт С играет роль управляющего устройства.
Сигнал сброса RESET обнуляет регистр управ-
ляющего слова и устанавливает все порты в ре-
жим ввода.
И. п. о. последовательный используют для
сопряжения ЭВМ с ВУ низкого быстродейст-
вия при передаче данных на значительное рас-
стояние (сотни метров). Широко применяют
интерфейсы типа ИРПС (интерфейс радиаль-
ный последовательный), что дает возможность
осуществлять асинхронную передачу данных
по четырехпроводной линии связи, по два про-
вода на каждое направление (витые пары). Ин-
формация передается в виде квантованных то-
ковых посылок в двухпроводной линии. ИРПС
обеспечивает передачу данных со скоростью
9600 бит/с на расстояние до 900 м.
При технической реализации последова-
тельных И. п. о. широко используют БИС типа
КР580ВВ51, которая может преобразовывать
параллельный код в последовательный и на-
оборот. В состав этой БИС (Рис. 9.4) входят:
блок передатчика БПрд, предназначенный для
приема данных в параллельной форме от МП и
выдачи их в последовательной форме на выход
TXD и далее в канал связи через терминал —
устройство ввода-вывода, работающее под уп-
равлением МП и отдаленное от него; блок при-
емника БПрм, который принимает последова-
тельные данные от терминала со входа RXD и
передает их в МП в параллельной форме; 8-
разрядный буфер данных БД, служащий для
обмена данными и управляющими словами
между МП и БИС по ШД (D7...D0); блок уп-
равления БУ. Обмен данными производится в
асинхронном режиме со скоростью до 9.6
Кбит/с или в синхронном — со скоростью до
56 Кбит/с. Длина передаваемых символов со-
ставляет 5...8 разрядов. В зависимости от ре-
жима работы к последовательности данных
добавляется служебная информация и необяза-
тельный бит контроля четности (нечетности).
Программируют БИС загрузкой из МП по
ШД управляющего слова и команды. В асин-
хронном режиме обмена данными к началу
каждого слова присоединяются старт-бит низ-
кого уровня и стоп-биты высокого уровня в
конце слова. Перед стоп-битами может быть
размещен бит контроля четности или нечетно-
сти. Прием и передача информации в виде по-
следовательности потока данных осуществля-
ются с частотой 1, 1/16, 1/64 частоты синхро-
импульсов на входе синхронизации RXC при-
204
РАДИОТЕХНИКА
9.8. КОМАНДА
емника или ТХС передатчика. Старт-бит и стоп-
биты позволяют выделить информационные
слова и после приема данных в обработке ин-
формации не участвуют.
При синхронном обмене данные поступа-
ют на линию связи в виде массива без служеб-
ной информации между словами. В начале
массива передаются один или два синхросим-
вола (их число задают программно), которые
используют для выделения из последователь-
ности потока символов полезной информации.
Прием и передача данных возможны только на
частоте синхроимпульсов, которые подаются
на входы RXC и ТХС. При приеме данных в ре-
жиме внешней синхронизации поиск синхро-
символов не проводится и нет смысла подавать
их. В этом режиме прием кодов начинается по
сигналу от ВУ, поступающему на вывод вида
синхронизации SYNDET.
Выводы БИС последовательного интер-
фейса CLK (синхронизация), RD (чтение), WR
(запись), RESET (сброс) подключают к соот-
ветствующим линиям микропроцессорной си-
стемы. Для синхронизации обмена данными с
МП используют выходы готовности TXRDY
передатчика и RXRDY приемника, которые ча-
сто объединяют схемой ИЛИ, выход последней
подключают ко входу готовности READY МП.
Эти выходы могут быть подключены ко входам
запроса прерываний программированного кон-
троллера прерываний при организации обмена
данными с МП по прерываниям.
Для синхронизации обмена МП с термина-
лом используют выходы запроса передатчика
DTR и приемника RTS, а также входы готовно-
сти приемника CTS и передатчика DSR
терминала. Сигнал «1» на выходе ТХЕ указыва-
ет на окончание посылки данных, сигнал на
входе управление/данные C/D — на тип ин-
формации, обмен которой осуществляется по
ШД (слово состояния, управляющее слово или
данные^д-Сигнал «1» на входе выбора микро-
схемы CS переводит буфер данных в высоко-
импедансное состояние.
Интерфейсы внешних ЗУ применяют для
сопряжения ЭВМ с накопителями на магнит-
ных дисках. Такие интерфейсы реализуют
сложные алгоритмы управления механизмами
ЗУ и обеспечивают высокую скорость обмена
данными. Например, интерфейс типа SMD
поддерживает накопители со сменными и фик-
сированными дисками диаметром 5, 25, 8 и 14
дюймов, обеспечивая скорость передачи дан-
ных 3 Мбайт/с при длине линии связи до 15 м.
Интерфейс системный (интерфейс сетей
ЭВМ) — интерфейс, предназначенный для
объединения автономных ЭВМ и вычисли-
тельных систем в пространственно распреде-
ленную сеть. Сети ЭВМ различаются размера-
ми, структурой, производительностью, спосо-
бами обработки и передачи информации. В ча-
стности, локальная сеть ЭВМ является сово-
купностью связанных между собой микро-
ЭВМ, размещенных в ограниченном прост-
ранстве (до 10 км друг от друга). Локальные
сети ЭВМ имеют высокоскоростную передаю-
щую среду и обеспечивают высокую надеж-
ность передачи информации. Известны ло-
кальные сети Claster/One, Ethernet, PLAN и пр.
Примерами И. с. для локальных сетей ЭВМ
могут служить два типа последовательного
интерфейса — 12С и D2B. Они реализуют ос-
новные функции современных локальных се-
тей: работу с распределением времени и ре-
сурсов, произвольный доступ, распределенное
управление. Интерфейс типа D2B с длиной ли-
нии связи до 150 м позволяет объединять до
50 конструктивно законченных систем в раз-
личные сети цифровой обработки данных и
управления.
9.8. КОМАНДА — описание операции,
которую должен выполнить МП.
Формат команды — определение структу-
ры К., числа, длины и назначения ее основ-
ных частей.
Команда арифметическая — команда,
определяющая арифметическую операцию.
Типовые К. а. реализуют: сложение (с учетом
переноса или без него); вычитание (с учетом
заема или без него); декремент (-1); инкремент
(+1); сравнение двух операндов путем их вы-
читания; умножение; деление.
Команда логическая — команда, опреде-
ляющая логическую операцию. Системы ко-
манд большинства МП содержат К. л., которые
осуществляют операции дизъюнкции, конъ-
юнкции, логического сложения по mod2, ин-
версии. Все эти операции выполняются пораз-
рядно. К. л. часто используют для выделения
отдельных битов данных.
Команда передачи управления — коман-
да, прерывающая обычное последовательное
выполнение команд в программе, после чего
последняя продолжается с определенного но-
вого адреса. Такими являются команды услов-
ных и безусловных переходов, вызова подпро-
грамм и возврата, прерывания и организации
циклов.
Глава 9. МИКРОПРОЦЕССОРЫ И МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ
205
9.8. КОМАНДА
Команда пересылки — команда, осуществ-
ляющая организацию двухстороннего обмена
данными между памятью, внутренними регист-
рами МП, внешними устройствами без выпол-
нения каких-либо операций обработки данных.
Команда сдвига — команда, указываю-
щая, что содержимое заданного регистра (ино-
гда сцепленных регистров) должно быть сдви-
нуто влево или вправо на заданное число раз-
рядов. При всех видах сдвигов выдвигаемый
разряд заносится во флаг переноса CF. Разли-
чают три вида сдвигов: логический, арифмети-
ческий, циклический. При логическом сдвиге
влево или вправо на место освобождающегося
разряда загружается «О». Такой сдвиг на один
разряд выполняет удвоение или деление попо-
лам чисел без знака. Аналогичные операции
для чисел со знаком реализуются с помощью
арифметического сдвига, который при сдвиге
влево идентичен логическому. При арифмети-
ческом сдвиге вправо значение старшего (зна-
кового) разряда сохраняется. Циклические
сдвиги различаются наличием или отсутстви-
ем флага CF в цепи циклического сдвига.
Команда строковая — команда, определя-
ющая однотипную операцию, которая выпол-
няется над последовательностью (строкой)
байтов или слов, размещенных в смежных
ячейках памяти. К. с. ускоряют обработку мас-
сивов данных. Операции, определяемые К. с.,
простые: пересылка, загрузка, сравнение.
Команда управления — команда, исполь-
зуемая для установки МП в особые состояния,
выполнения операций с флагами, синхрониза-
ции с сопроцессорами.
9.9. КОНТРОЛЛЕР — узел ЭВМ, управ-
ляющий работой подключенных к нему уст-
ройств (памяти, периферийных устройств), но,
как правило, не изменяющий данные, которые
могут передаваться через него [1].
9.10. КОНТРОЛЛЕР ШИНЫ — кон-
троллер, который используют в сложных ми-
кропроцессорных системах для генерации
командных и управляющих сигналов. В каче-
стве примера рассмотрим К. ш., входящий в
состав МП серии К1810. Такой К. ш. прини-
мает от МП слово состояния S2...S0 и выра-
батывает соответствующие командные и уп-
равляющие сигналы, а МП, работающий в
максимальном режиме (см. ст. 9.12), их не
вырабатывает. К командным относятся сиг-
налы чтения и записи для памяти, аналогич-
ные сигналы для устройства ввода-вывода
(УВВ), сигнал подтверждения прерывания
INTA для программированного контроллера
прерываний.. К. ш. вырабатывает также сиг-
налы: DT/R, DEN для управления шинным
формирователем; ALE для управления фик-
сатором адреса; PDEN (perifery data enable)
для стробирования УВВ. К. ш. имеет три уп-
равляющих входа: разрешения адресации
AEN, разрешения команды CEN (command
enable) и управления режимом работы ЮВ
(input-output bus).
При ЮВ = 1 осуществляется работа с ши-
ной ввода-вывода. При выполнении команд
ввода-вывода (IN, OUT) формируются сигнал
чтения или записи для УВВ независимо от
сигнала AEN и управляющие сигналы PDEN,
DT/R. Во время обращения к памяти команд-
ные сигналы чтения или записи К. ш. выдает
только при разрешающем сигнале AEN= 0, а
управляющие сигналы DEN и DT/R он фор-
мирует независимо от сигнала AEN. При ЮВ
= 0 К. ш. работает в режиме управления сис-
темной шиной, к которой имеют доступ не-
сколько МП. Все командные сигналы К. ш.
выдает только при разрешающем сигнале
AEN = 0. В обоих режимах используется сиг-
нал CEN, управляющий выдачей всех команд-
ных и управляющих сигналов. В многопро-
цессорных системах входами AEN и CEN уп-
равляет арбитр шины.
9.11. МИКРОКОНТРОЛЛЕР — вычис-
лительное устройство, выполненное в виде
одной БИС, которая имеет основные части
микроЭВМ: МП, память программ и данных,
интерфейсные схемы, генератор тактовых им-
пульсов [3]. М. может иметь также таймеры,
гибкую систему прерываний, систему прямо-
го доступа к памяти, АЦП и т.п. Поэтому М.
часто называют однокристальной микроЭВМ.
Емкость резидентной (внутренней) памяти
программ достигает в М. десятков килобайт, а
резидентной памяти данных — 64... 1024
байт; предусмотрено также подсоединение
внешней памяти. Частота синхронизации М.
— до 33 МГц. Большинство выпускаемых М.
имеют разрядность данных 8 или 16 бит. Наи-
более распространены 8-разрядные М. семей-
ства МК51 различных фирм («Atmel»,
«Motorolla», «Intel» и др.), PIC (peripheral inte-
grated circuit) M. фирмы «Microchip», 16-раз-
рядные — фирм «Intel», TI и др.
Структурная схема 8-разрядного микро-
контроллера AT89S8252 фирмы «Atmel», ко-
торый относится к семейству МК51(52), приве-
дена на Рис. 9.5. Основной частью М. является
206
РАДИОТЕХНИКА
9.11. МИКРОКОНТРОЛЛЕР
Рис. 9.5
8-разрядное центральное процессорное устрой-
ство (ЦПУ), состоящее из арифметико-логичес-
кого устройства АЛУ; двух рабочих регистров
PPI, РР2; аккумулятора А и регистра Р. Аккуму-
лятор используется в большинстве команд М. В
нем размещается один из операндов (объектов
операции) и накапливается конечный результат
операции. Регистр Р используется только при
выполнении операций умножения или деления,
а в остальных случаях он может быть использо-
ван как обычный 8-разрядный регистр. Особен-
ностью рассматриваемого М. является наличие
памяти двух типов: быстродействующей флэш-
памяти для размещения программы (энергоне-
зависимой памяти, в основу которой положен
способ программирования как с ультрафиолето-
вым стиранием, так и с электрическим) емкос-
тью 8 Кбайт (до 1000 циклов записи/стирания);
электрически перепрограммируемого постоян-
ного запоминающего устройства ЭППЗУ емкос-
тью 2 Кбайт для хранения данных (до 100000
циклов записи/стирания).
М. имеет разделенные адресные пространст-
ва памяти программы и памяти данных, доступ
к которым осуществляется через регистр адреса
программы РАП и регистр адреса оперативного
запоминающего устройства РА ОЗУ соответст-
венно. Адрес команды в памяти программ фор-
мируется программным счетчиком ПС. Доступ к
памяти данных осуществляют путем загрузки 8-
разрядного адреса в РАП через буфер Б, который
далее фиксируется и обрабатывается 8-разряд-
ным ЦПУ. При этом указатель данных УД может
формировать и 16-разрядный адрес памяти дан-
ных при ее расширении с помощью внешней па-
мяти. Память программ — с прямой адресацией
Глава 9. МИКРОПРОЦЕССОРЫ И МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ
207
9.11. МИКРОКОНТРОЛЛЕР
и доступна только для чтения, ее емкость может
быть увеличена за счет внешней памяти до 64
Кбайт. При этом чтение внешней памяти управ-
ляется сигналами обращения к ней, которые вы-
рабатывает блок тактирования и управления
БТУ после получения команды обращения из
регистра команд РК. Указатель стека УС исполь-
зуется для организации стековой памяти. Порт
последовательного периферийного интерфейса
ППИ предназначен для организации синхронно-
го обмена цифровой информацией в последова-
тельном коде. Для асинхронного обмена исполь-
зуют универсальный асинхронный приемопере-
датчик (УАПП), который на рис. не указан. По-
следовательный порт ПП работает в дуплексном
режиме. Один из таймеров блока таймеров БТ
задает скорость обмена данных. Управляет рабо-
той ППИ и УАПП программируемая логика ПЛ.
Блок прерываний БП управляет системой
прерываний М., которая может обслужить до
шести источников прерываний: два внешних,
три прерывания таймеров и прерывание ПП.
Каждое из прерываний может быть разрешено
или запрещено отдельно от других. Кроме
этого, имеется глобальный бит запрещения
прерываний, с помощью которого могут быть
запрещены все прерывания. Прерываниям
программно может быть присвоен один из
двух приоритетных уровней. Обработка пре-
рывания с более низким приоритетом может
быть прервана прерыванием с более высоким
приоритетом. Прерывание высокого приори-
тета не может быть прервано никаким преры-
ванием. При одновременном поступлении
двух запросов прерывания с различными при-
оритетами обрабатывается прерывание с бо-
лее высоким приоритетом. При поступлении
нескольких запросов с одинаковым приорите-
том внутренняя система опросов прерываний
определяет, в какой последовательности они
будут обрабатываться.
Слово состояния программы размещено в
регистре слова состояния РГСС (см. ст. 9.16).
М. имеет четыре двунаправленных порта:
Р0.0...Р0.7, Р1.0...Р1.7, Р2.0...Р2.7,
Р3.0...Р3.7. Каждый из них имеет свой буфер
БПО, БП1, БП2, БПЗ и регистр-защелку ЗщПО,
ЗщШ, ЗщП2, ЗщПЗ. Некоторые выводы пор-
тов, а иногда и полностью весь порт — много-
функциональные, т.е. кроме обычной функции
приема/передачи 8 бит информации могут вы-
полнять функции управления, входа/выхода
последовательного порта и другие альтерна-
тивные функции. В состав М. кроме двух 8-
разрядных таймеров БТ, которые могут рабо-
тать и как счетчики событий, входит еще де-
журный таймер ДТМ — внутренний таймер,
который используется для сброса системы при
«зависании» выполняемой программы. Такти-
рующие импульсы М. формируются с помо-
щью генератора Г.
Структурная схема микроконтроллера
80С196КС фирмы «Intel» приведена на
Рис. 9.6. Этот М. относится к семейству
16-разрядных М. Он содержит оперативное за-
поминающее устройство (ОЗУ) емкостью 488
байт, которое называется регистровым файлом
РФ (набор 8-разрядных регистров); память
программ (масочное или однократно програм-
мируемое постоянное ЗУ) емкостью до 16
Кбайт; систему прерываний; пять 8-разрядных
портов РО, Pl, Р2, РЗ, Р4; два 16-разрядных
таймера ТМ1, ТМ2; дуплексный последова-
тельный порт ПП; 10-разрядный АЦП; широт-
но-импульсный модулятор ШИМ; блоки высо-
коскоростных входов БВС.Вх и выходов
БВС.Вых. Рассматриваемый М. допускает так-
тирующую частоту до 20 МГц (вырабатывает-
ся тактирующим генератором ТГ).
Основными компонентами М. являются РФ
и регистрово-арифметическое логическое уст-
ройство РАЛУ. Последнее, в отличие от арифме-
тико-логического устройства, выполняет и опе-
рации с регистрами данных (различные способы
сдвига и др.). В состав РАЛУ входят: 17-разряд-
ное арифметико-логическое устройство; регистр
слова состояния программы; программный счет-
чик; счетчик циклов и три рабочих регистра.
В зависимости от типа М. память данных
составляет от 230 байт (80С196КВ) и более.
При этом к ней можно обращаться как побайт-
но, так и пословно (длина слова — 2 или 4 бай-
та). Контроллер памяти КП считывает коман-
ды из памяти программ блоками (четыре ко-
манды) и до выполнения они (команды) нахо-
дятся в «очереди». Для обращения к внешней
памяти программ и данных используют порты
РЗ, Р4 и сигналы управления внешней шиной
BREQ (запрос захвата), HOLD (захват), HLDA
(подтверждение захвата). Системой прерыва-
ний М. управляет контроллер прерываний
КПр, который формирует 18 адресов или век-
торов прерываний от 28 разных источников.
При этом все векторы имеют свой установлен-
ный приоритет, который не изменяется. Как и
в предыдущем М., можно запретить или разре-
шить каждое из прерываний, имеется глобаль-
ный бит запрета всех прерываний.
208
РАДИОТЕХНИКА
9.11. МИКРОКОНТРОЛЛЕР
Рис. 9.6
В состав М. также входят: генератор скоро-
сти передачи (ГСП) для последовательного пор-
та ПП; дежурный таймер ДТМ, функции кото-
рого аналогичны функциям такого же блока
предыдущего М. Особый интерес представляют
блоки высокоскоростных входов и выходов.
БВС.Вх предназначен для фиксации времени
внешнего события по таймеру ТМ1. Этими со-
бытиями могут быть: переход из высокого
уровня сигнала в низкий или наоборот; оба ти-
па переходов сигналов; каждый восьмой пере-
ход из низкого уровня в высокий. Эти события
фиксируются не чаще чем одно событие, прихо-
дящееся на восемь машинных циклов (МЦ).
При этом каждая из четырех возможных вход-
ных линий, на которых фиксируются события,
программно конфигурируется на определенное
событие независимо. Время совершения собы-
тия фиксируется в 7х20-уровневом регистровом
файле (РФ FIFO) (first input — first output), в ко-
тором при записи очередного события предыду-
щее событие перезаписывается в следующий
регистр, а чтение возможно только из регистра
на выходе этого файла, поэтому записанное пер-
вым событие первым и читается. В файл запи-
сываются 16 разрядов показания таймера ТМ1 и
4 разряда состояния входов. Всего можно за-
фиксировать восемь событий: семь на уровнях
РФ FIFO и еще одно событие в так называемом
регистре удержания (РУ), в который записыва-
ется событие после выхода из РФ FIFO. Таким
образом в РУ находится самое раннее событие.
Чтение РУ разгружает один уровень РФ FIFO, и
становится возможной фиксация еще одного со-
бытия. БВС.Вх не может фиксировать события
после заполнения РФ FIFO.
БВС.Вых предназначен для включения со-
бытий в отмеченное время по показаниям од-
ного из двух таймеров ТМ1, ТМ2. Этими собы-
тиями могут быть: старт АЦП; старт таймера
ТМ2; генерирование до четырех времен за-
держки; установка в высокий уровень или
сброс в низкий уровень одной (из шести) или
более выходных линий. Необходимое время
совершения событий записывается в файл с
контекстным доступом, в котором записи чита-
ются не по заданному адресу, а по соответству-
ющему содержанию (контексту). В файле мож-
но разместить время восьми событий и инфор-
мацию, позволяющую идентифицировать со-
бытие, которое должно совершиться. В тече-
ние восьми МЦ просматриваются все записи в
указанном файле и, если время таймера и запи-
санное значение совпадают, то включается со-
бытие. После совершения события запись в
файле стирается. Можно заблокировать стира-
ние записи — тогда событие будет включаться
периодически. Это удобно, например, для фор-
мирования последовательности широтно-мо-
дулированных импульсов. Такая последова-
Глава 9. МИКРОПРОЦЕССОРЫ И МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ
209
9.11. МИКРОКОНТРОЛЛЕР
тельность также может формироваться с помо-
щью широтно-импульсного модулятора ШИМ.
Его выход может быть использован для цифро-
аналогового преобразования, управления неко-
торыми типами двигателей и т.п. Выходной
сигнал формируется на одном из выводов пор-
та Р2. Скважность выходного сигнала ШИМ
может быть программно изменена, а период
выбран равным 256 или 512 МЦ.
В рассматриваемом М. имеется аналоговый
интерфейс, который состоит из схемы выборки и
хранения СхВХ, 8-канального аналогового муль-
типлексора MX и собственно АЦП. Его запуск
может быть осуществлен как непосредственно
установкой бита запуска, так и через БВС.Вых.
Последовательный порт ПП имеет один
синхронный режим и три асинхронных. Асин-
хронные режимы дуплексные и могут незави-
симо принимать и передавать данные. Прием-
ник ПП имеет сдвоенный буфер и поэтому мо-
жет принимать следующий байт, пока читается
предыдущий. Передатчик ПП также имеет
сдвоенный буфер и может осуществлять не-
прерывную передачу. Оба рассмотренных М.
имеют адресную шину и мультиплексирован-
ную шину, по которой попеременно передают
данные из ОЗУ и коды команд.
В М. фирмы «Microchip» используется так
называемая гарвардская архитектура, в кото-
рой шины данных ОЗУ и кодов команд раздель-
ные (в отличие от рассмотренных). Ее преиму-
щества: возможность во время передачи опе-
рандов из ОЗУ для текущей команды вызвать
из памяти программ следующую команду, что
повышает производительность М. почти в два
раза; разрядность внутренней шины команд
может быть увеличена и одна команда позволя-
ет выполнить больше внутренних операций за
один машинный цикл. Поэтому все команды М.
(за исключением команд переходов) выполня-
ются за один МЦ. Кроме этого значительно со-
кращено число команд при программировании
М. (до 32...58 по сравнению со 106 командами
для рассмотренного М. фирмы «Intel»), что ус-
коряет процесс освоения М. специалистами.
Структурная схема микроконтроллера
PIC17CXX фирмы «Microchip» приведена на
Рис. 9.7. Этот М. может работать в четырех ре-
жимах: в режиме микропроцессора, когда воз-
можно обращение только к внешней памяти
данных и программ; в режиме микроконтрол-
лера, когда возможно обращение только к вну-
тренней памяти данных и программ; в режиме
защищенного микроконтроллера, когда воз-
можно обращение только к внутренней памяти
данных и программ, но установлена защита от
копирования внутренней памяти программ; в
режиме расширенного микроконтроллера, ког-
да возможно обращение как к внутренней па-
мяти данных и программ, так и к внешней. В
рассматриваемом М. память программ выпол-
нена в виде программируемого постоянного
запоминающего устройства ППЗУ емкостью
64 Кбайт 16-разрядных слов, а память данных
в виде статического оперативного запоминаю-
щего устройства ОЗУ емкостью до 902 байт.
Для обращения к ОЗУ используют буфер адре-
са БА ОЗУ и защелку данных ЗщД (регистр,
сохраняющий данные при снятии управляю-
щего сигнала). Аналогичные защелки адреса
ЗщА и данных ЗщД используют при обраще-
нии к ППЗУ. При емкости ОЗУ, превышающей
232 байта, оно делится на банки данных и об-
ращение к нему осуществляют с помощью ре-
гистра выбора банка РВБ. Для выбора команды
из ППЗУ 16-разрядный адрес формируют в ре-
гистрах старшего РСБПС и младшего РМБПС
байтов программного счетчика с использова-
нием регистров констант, 8-разрядной защелки
программного счетчика ЗщПС и защелки таб-
лицы ЗщТ. При обмене данными между ОЗУ и
ППЗУ, а также при обмене через интерфейс-
ную системную шину ИСШ формирование ад-
реса ППЗУ выполняется с помощью указателя
таблицы УТ. Такой обмен обычно происходит
при программировании ППЗУ. При непрямой
адресации, когда адрес операнда прямо не ука-
зан в коде команды, зафиксированной в защел-
ке постоянного ЗУ ЗщПЗУ, адрес операнда для
команды формируется декодером DCa с ис-
пользованием регистров непрямой адресации
R0 или R1. После формирования команда фик-
сируется в защелке команды ЗщК. Сигналы уп-
равления работой М. формирует декодер ко-
манды DCk. Для организации работы с под-
программами используют 16-уровневый стек,
в который заносят адрес возврата из подпро-
граммы. Регистры стека не могут быть исполь-
зованы по другому назначению. При работе
арифметико-логического устройства АЛУ
один из операндов находится в рабочем регис-
тре РР, а результат поступает в сдвигающее ус-
тройство СУ, в котором при необходимости вы-
полняются операции сдвига. От семи
(PIC17C75X) до девяти (PIC17C76X) 8-разряд-
ных портов входа/выхода обеспечивают двух-
сторонний обмен данными между М. и пери-
ферийными устройствами.
210
РАДИОТЕХНИКА
9.11. МИКРОКОНТРОЛЛЕР
Рис. 9.7
Входной аналоговый сигнал может быть
подан на 10-разрядный АЦП через один из 12
(PIC17C75X) или 16 (PIC17C76X) аналоговых
входов. М. содержит также четыре таймера
ТМО, ТМ1, ТМ2, ТМЗ; два независимых уни-
версальных синхронно-асинхронных приемо-
передатчика У САПП 1 и УСАПП2; синхронный
последовательный порт СПП. Частота тактиро-
вания — до 33 МГц. Для эффективной работы
с математическими приложениями М. имеет
аппаратурный умножитель 8x8, который вы-
полняет операцию умножения двух 8-разряд-
ных чисел без знака за один машинный цикл
(МЦ) (обычно для выполнения такой операции
требуется до 69 МЦ). Результат умножения за-
писывается в два 8-разрядных регистра: ре-
гистр старшего байта РСБП и регистр младше-
го байта РМБП произведения. Входы захвата
3X1, 3X2, 3X3 и 3X4 предназначены для фикса-
ции времени события по показаниям
16-разрядного ТМЗ. При этом возможна уста-
новка флага прерывания захвата с последую-
Глава 9. МИКРОПРОЦЕССОРЫ И МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ
211
9.11. МИКРОКОНТРОЛЛЕР
щим вызовом подпрограммы обработки преры-
вания. Для фиксации используются четыре 16-
разрядных регистра и возможна фиксация со-
бытий на четырех входах М. Событиями, кото-
рые фиксируются, могут быть: переход сигнала
из низкого уровня в высокий; переход из высо-
кого уровня в низкий; каждый 4-й или каждый
16-й переходы из низкого уровня в высокий.
Блок прерываний БП обрабатывает прерывания
от 18 возможных источников. В момент по-
ступления запроса прерывания автоматически
запрещаются все остальные прерывания. Име-
ется также бит запрета всех прерываний. Для
обработки прерываний формируются четыре
адреса вектора прерывания, каждый из которых
связан с определенным источником (за исклю-
чением прерываний от периферийных уст-
ройств, имеющих одинаковый адрес).
Таймер ТМО — 16-разрядный, он может
быть также счетчиком событий. При этом час-
тота внешних событий не должна превышать
50 МГц. Таймеры ТМ1 и ТМ2 — 8-разрядные
и служат базой для трех широтно-импульсных
модуляторов ШИМ1, ШИМ2, ШИМЗ. Макси-
мальное разрешение выходов ШИМ составля-
ет 10 разрядов при выходной частоте 32.2 кГц
и 8 разрядов при частоте 128.9 кГц. Скваж-
ность импульсов может меняться от 0 до
100%. УСАПП1 и УСАПП2 программно кон-
фигурируют как дуплексные асинхронные си-
стемы для связи с периферийными устройст-
вами типа ПК или как полудуплексные син-
хронные системы для связи с периферийными
устройствами типа ЦАП и АЦП, последова-
тельными перепрограммируемыми постоян-
ными ЗУ. Скорость обмена данными в обоих
режимах задают программно внутренним 8-
разрядным генератором. Порт СПП использу-
ют для связи с периферийными устройствами
или другими микроконтроллерами. СПП мо-
жет работать в одном из двух режимов: после-
довательного периферийного интерфейса SPI
(serial peripheral interface) или последователь-
ного интерфейса I2C (inter — integrated cir-
cuit). Каждый из этих режимов имеет свой
протокол обмена, и разные фирмы отдают
предпочтение тому или другому при разработ-
ке своих продуктов.
Общим признаком микроконтроллеров
является наличие одного или нескольких ре-
жимов пониженного энергопотребления, что
дает возможность работы с автономным ИП и
с ИП, имеющим широкий рабочий диапазон
напряжений. Большинство М. имеет защиту от
копирования области памяти для запрещения
использования программного продукта други-
ми разработчиками.
Существуют многочисленные как аппарат-
ные, так и программные продукты для созда-
ния программ М. и для программирования их
памяти. Обычно программы М. разрабатыва-
ются на языках высокого уровня с последую-
щим использованием компиляторов для полу-
чения программы в кодах М. Отладка систем,
использующих М., осуществляется с помощью
эмуляторов и симуляторов. Эмуляторы — это
аппаратные и программные средства, которые
позволяют проследить процесс выполнения
операций М. в реальном масштабе времени.
Симуляторы — программные продукты, кото-
рые позволяют на уровне команд просмотреть
последовательность изменения содержимого
регистров и оперативного ЗУ при выполнении
программы. При этом программно можно из-
менять сигналы на входах М., проходить про-
грамму пошагово или останавливать ее выпол-
нение в контрольных точках. Большинство но-
вых разработок М. основных фирм-производи-
телей ориентируется на Гарвардскую архитек-
туру, внося в нее небольшие модификации.
9.12. МИКРОПРОЦЕССОР — программ-
но-управляемое цифровое устройство, осуще-
ствляющее обработку информации, ее ввод-
вывод и выполненное в виде нескольких или
чаще одной БИС [1]. Обязательными компо-
нентами МП являются арифметико-логическое
устройство (АЛУ), сверхоперативное ЗУ и уст-
ройство управления. Основные параметры
МП — разрядность процессора, емкость адре-
суемой памяти и производительность (число
коротких операций в секунду). Отечественная
промышленность выпускает МП трех указан-
ных далее классов.
Микропроцессор однокристальный —
МП, выполненный в виде одной БИС с фикси-
рованной разрядностью (до 16 бит) и жестким
управлением, при котором серия управляющих
сигналов вырабатывается схемами с жесткой
логикой. Выбор соответствующих схем опре-
деляют команды, число которых так же, как и
схем управления, является фиксированным.
Такие МП используют для решения широкого
круга задач. В качестве примера рассмотрим
широко распространенный 16-разрядный МП
серии К1810 (Рис. 9.8), содержащий три ос-
новных устройства: операционное устройство
ОУ, устройство шинного интерфейса УШИ и
устройство управления УУ.
212
РАДИОТЕХНИКА
9.12. МИКРОПРОЦЕССОР
Операционное устройство предназначено
для выполнения команд. В его состав входят:
16-разрядное арифметико-логическое устройст-
во АЛУ; регистры общего назначения (РОН) —
восемь 8-разрядных быстродействующих реги-
стров АН, AL, ВН, BL, CH, CL, DH, DL, кото-
рые играют роль сверхоперативного ЗУ. Эти
РОН программно могут быть объединены в па-
ры 16-разрядных регистров АХ, ВХ, СХ, DX.
В некоторых операциях они используются спе-
цифично. В частности, аккумулятор АХ (accu-
mulator) — регистр, предназначенный для раз-
мещения одного из операндов и накопления
результатов операций, выполняемых АЛУ. Ре-
гистр СХ (counter) является счетчиком. Базо-
вый регистр ВХ (base) используется для разме-
щения адресной информации (см. ст. 9.1); 16-
разрядные указательные регистры — указатель
стека SP (stack pointer), указатель базы ВР
(base pointer) и индексные регистры — DI, SI
предназначены для хранения, главным обра-
зом, адресной информации (см. ст. 9.1, 9.15). В
строковых операциях (см. ст. 9.8, 9.15) регистр
SI (sourse index) играет роль регистра индекса
источника, а регистр DI (destination index) —
роль регистра индекса приемника; регистр
флагов F (flag) характеризует результат теку-
щей операции (см. ст. 9.21).
Функциями УШИ являются выбор из памя-
ти кода команды, данных и запись результата в
память. Он содержит: 16-разрядный указатель
команды IP (instruction pointer), формирующий
адрес очередного байта считываемой команды
(его содержимое аппаратно, т.е. независимо от
пользователя, увеличивается на 1 после считы-
вания каждого байта команды); сегментные ре-
гистры CS, DS, SS, ES, определяющие базовые
адреса сегментов памяти, в которых находится
адресуемая ячейка (см. ст. 9.15); шесть байто-
вых регистров очереди команд, в которых счи-
тываются и накапливаются команды, готовые к
выполнению; буфер шины БШ с тремя состоя-
ниями, обеспечивающими номинальную на-
грузочную способность 20 линий мультиплек-
сированной шины (см. ст. 9.23) адрес/данные
А/D и адрес/состояние А/S (этими линиями в
различные такты выдается 20-разрядный ад-
рес, передаются 16-разрядные данные и выда-
ется слово состояния МП); сумматор СМ адре-
са, осуществляющий вычисление 20-разрядно-
го физического адреса (см. ст. 9.15).
УУ дешифрует команды, а также принима-
ет и выдает по шине управления ШУ внешние
управляющие сигналы и вырабатывает внут-
ренние сигналы, которые обеспечивают вы-
полнение команды.
Рассматриваемый МП имеет два режима ра-
боты — минимальный и максимальный, пред-
назначенные для построения простых и много-
процессорных систем соответственно. Произ-
водительность однокристальных МП широкого
назначения (например, серий К580, К1810) со-
ставляет 5- 105... 2-1 (г коротких операций за се-
кунду; разрядность 8 или 16 бит; емкость адре-
суемой памяти — 64 Кбайт... 1 Мбайт.
Микропроцессор секционный (разряд-
но-модульный) — МП, построенный парал-
лельным соединением микропроцессорных
секций разрядностью 2...8 бит каждая. Нара-
щивание секций приводит к соответствующе-
му наращиванию разрядности МП. Отечест-
венная промышленность выпускает такие МП
с микропрограммным управлением, которое
предусматривает формирование управляюще-
го сигнала на каждом такте путем дешифра-
ции микрокоманды. Последовательность мик-
рокоманд, реализующая определенное дейст-
вие, называется микропрограммой, записывае-
Глава 9. МИКРОПРОЦЕССОРЫ И МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ
213
9.12. МИКРОПРОЦЕССОР
мой в постоянное ЗУ микрокоманд. Микро-
программа может рассматриваться как коман-
да, для обращения к которой достаточно за-
дать ее начальный адрес. Таким образом, в
данном МП система команд не является фик-
сированной — ее создает пользователь с по-
мощью соответствующих микропрограмм,
что обеспечивает гибкость программирова-
ния. МП с. применяют для построения микро-
процессорных систем повышенной разрядно-
сти, специализированных вычислительных
систем высокой производительности. Такие
МП (например, серий К1800, К1802) имеют
производительность 8 105...2 106 коротких
операций за секунду.
Третьим классом МП, выпускаемых отечест-
венной промышленностью, являются однокрис-
тальные микроконтроллеры, в которых кроме
МП есть ЗУ небольшой емкости (см. ст. 9.11).
9.13. МИКРОЭВМ — вычислительная си-
стема, в которой управляющим и арифметиче-
ским устройством является один или несколь-
ко МП и содержащая различные внешние уст-
ройства — память, генератор тактовых им-
пульсов, интерфейсные схемы, устройства вво-
да-вывода данных.
9.14. ПРЕРЫВАНИЕ — временное пре-
кращение вычислительной системой выполне-
ния текущей программы при возникновении
определенных событий с передачей управле-
ния подпрограмме, специально предусмотрен-
ной для данного события. Вычислительная си-
стема реагирует на события, происходящие в
различных ее частях. Эти события могут быть
разбиты на два вида. События первого вида
могут произойти в заранее известные програм-
мисту моменты времени. Поэтому он реализу-
ет ту или иную реакцию на эти события ветв-
лением программы с помощью команд услов-
ных переходов. Например, такими событиями
являются: промежуточные результаты вычис-
лений в ходе решения задачи; считанные через
заранее известные промежутки времени пока-
зания измерительного прибора, контролирую-
щего управляемый ЭВМ объект. Моменты воз-
никновения событий второго вида не могут
быть установлены заранее при программиро-
вании. Примеры таких событий: непредвиден-
ная необходимость осуществить ввод-вывод
данных по требованию пользователя; выход
параметров управляемого объекта за допусти-
мые пределы; ошибка в расчетах (например,
деление на нуль); аварийная ситуация (напри-
мер, снижение напряжения питания).
В вычислительной системе с П. каждое со-
бытие второго вида (источник П.) должно со-
провождаться сигналом, оповещающем о его
возникновении и называемом запросом преры-
вания. Подпрограмму, к которой выполняется
переход в ответ на этот запрос, называют под-
программой обслуживания П., а адрес этой
подпрограммы — вектором прерывания. По-
сле отработки подпрограммы должен произой-
ти возврат к прерванной программе, для чего
при отработке П. МП автоматически в стеке за-
поминает адрес возврата и содержимое флаго-
вого регистра, которые восстанавливаются раз-
мещенной в конце подпрограммы обслужива-
ния П. командой возврата. Запоминание и вос-
становление оперативной информации, содер-
жащейся в регистрах общего назначения и ак-
кумуляторе, должны быть предусмотрены про-
граммистом путем обращения к стеку в начале
и в конце подпрограммы. Источников П. быва-
ет несколько. Поэтому часто им присваивают
уровни приоритетов и организуют многоуров-
невую систему П, при которой подпрограмма
обслуживания П. может быть прервана источ-
ником П. высшего приоритета.
Структуру П. рассмотрим на примере 16-
разрядного МП серии К1810, который может
обрабатывать 256 типов П. Каждому П. про-
граммно или автоматически присваивают но-
мер Nтипа П. (0 < N< 255). В первом килобай-
те памяти программист размещает таблицу
указателей векторов П., в которую последова-
тельно для каждого типа П., начиная с нулево-
го, заносит соответствующие векторы П., ука-
зывающие адрес перехода. Каждый вектор П.
задается четырьмя байтами (новым содержи-
мым указателя команд IP и сегментного кодо-
вого регистра CS). Таким образом, адрес век-
тора П. в таблице в четыре раза больше, чем
соответствующий номер N типа П. При отра-
ботке П. МП принимает номер 2V типа П. и вы-
числяет адрес вектора П. путем умножения но-
мера N типа П. на 4, после чего обращается по
этому адресу и загружает новым содержимым
регистры IP и CS, обеспечивая этим переход к
подпрограмме. В зависимости от вида источ-
ника все П. можно разделить на три вида —
внешние, внутренние и программные.
Прерывание внешнее — прерывание,
обусловленное событием во внешнем устрой-
стве, которое при возникновении необходимо-
сти его обслуживания посылает в МП сигнал
запроса прерывания. Запросы прерывания по-
ступают на два входа МП — маскируемый INT
214
РАДИОТЕХНИКА
9.15. СЕГМЕНТАЦИЯ ПАМЯТИ
(interrupt) и немаскируемый NMI (non-mask-
able interrupt), в связи с чем П. в. разделяются
соответственно на маскируемые и немаскируе-
мые. Сигналы запроса первых поступают в
МП через программированный контроллер
прерываний, который выдает МП соответству-
ющий номер А типа прерывания. Эти П. в. мо-
гут быть замаскированы (запрещены) путем
установки в нуль флага разрешения прерыва-
ний IF. Маскируемые П. в. используют, в част-
ности, для организации ввода-вывода данных.
Немаскируемые П. в. всегда автоматически
формируют прерывания с номером типа N= 2.
Они часто применяются для реагирования на
аварийные ситуации.
Прерывание внутреннее — прерывание,
обусловленное событием в МП. П. в. не могут
быть замаскированы флагом IF. Они автомати-
чески (независимо от пользователя) генериру-
ются с номерами типа N = 0 и N = 1 в случае
возникновения ошибки деления и при пошаго-
вом прерывании соответственно. Для разреше-
ния пошагового прерывания должен быть ус-
тановлен флаг трассировки TF = 1. Пошаговое
прерывание происходит после каждой выпол-
ненной команды и используется во время от-
ладки программ.
Прерывание программное — прерыва-
ние, которое осуществляет пользователь с по-
мощью специальных команд. П. п. не могут
быть замаскированы флагом IF. Две команды
(INTO и INT3), обуславливающие прерывание
по переполнению и прерывание в указанных
местах программы (в точках разрыва), автома-
тически генерируют прерывания с номерами
типа N = 4 и N = 3 соответственно. В третьей
специальной команде IN Та? тип прерывания за-
дает пользователь в коде команды. Прерывание
осуществляется в месте размещения этой ко-
манды в программе, что во многом схоже с ко-
мандой вызова подпрограммы CALL.
9.15. СЕГМЕНТАЦИЯ ПАМЯТИ — спо-
соб ее организации, при котором все простран-
ство памяти представляют как набор сегмен-
тов, определяемых программно. С.п. рассмот-
рим на примере 16-разрядного МП серии
К1810 с 20-разрядной ША. Здесь каждый сег-
мент емкостью до 64 Кбайт состоит из после-
довательно размещенных ячеек памяти. Сег-
менты могут перекрываться полностью или ча-
стично. Используются четыре вида текущих
сегментов, к которым обращаются в текущий
момент времени: сегмент программ (кода), сег-
мент данных, сегмент стека и дополнительный
сегмент. Начальные (базовые) адреса сегмен-
тов, выбранных текущими, хранятся в четырех
сегментных регистрах CS (code segment), DS
(data S.), SS (stack S.), ES (ekstra S.) соответст-
венно. В сегментном регистре находятся 16
старших разрядов начального адреса сегмента,
а четыре младших разряда приравнивают ну-
лю. Содержимое сегментных регистров можно
изменять программно, назначая текущими но-
вые сегменты во всем пространстве памяти.
С. п. позволяет создавать динамические пе-
ремещаемые программные модули, в которых
все относительные адреса должны быть указа-
ны относительно сегментных регистров. Их
перемещение выполняется заменой содержи-
мого сегментных регистров. Благодаря С. п.
удается сократить адресную часть команды и
организовать защиту областей памяти от не-
предвиденного доступа. С. п. позволяет счи-
тать, что каждая ячейка памяти имеет два типа
адресов: физический и логический.
Логический адрес — это адрес, состоя-
щий из двух частей: значения базы сегмента и
значения смещения (относительного адреса) в
сегменте. Смещение — это расстояние в бай-
тах от первого байта сегмента до конкретной
ячейки памяти. В рассматриваемом МП обе со-
ставляющие Л. а. являются 16-разрядными.
Обращение к одному из четырех сегментов оп-
ределяют регистры, которые являются источ-
ником смещения. Правила выбора сегмента по
умолчанию следующие. Команды всегда выби-
раются из сегмента кода соответственно Л. а.
CS: IP (здесь первым указан источник базы
сегмента, а вторым — источник смещения).
Стековые команды всегда обращаются по адре-
су SS: SP. Строковые команды осуществляют
выборку по адресу DS: SI, а засылку — по ад-
ресу ES: DI. При иных обращениях к данным
смещение задается исполнительным адресом
ЕА (effective address), способ формирования
которого определяет вид адресации. Если в
формировании ЕА участвует регистр ВР, то об-
ращение осуществляется по Л. a. SS: ЕА, в
противном случае — по адресу DS: ЕА.
Физический адрес — это адрес, который
однозначно указывает номер ячейки памяти
или внешнего устройства во всем пространстве
памяти без использования любых промежуточ-
ных вычислений. В рассматриваемом МП Ф. а.
20-разрядный и формируется из Л. а. по прин-
ципу: значение базы сегмента смещается на че-
тыре разряда влево, в младших разрядах запи-
сываются четыре нуля и полученное 20-разряд-
Глава 9. МИКРОПРОЦЕССОРЫ И МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ
215
9.15. СЕГМЕНТАЦИЯ ПАМЯТИ
ное число прибавляется к значению смещения
в сегменте. Отметим, что в МП, где сегмента-
ция памяти отсутствует, понятия физического и
исполнительного адреса совпадают.
9.16. СЛОВО МАШИННОЕ — группа
разрядов, которую ЭВМ воспринимает как одно
целое. Число бит в С. м. называют его длиной.
Слово командное (код команды) — слово
машинное, содержащее команду и состоящее
из кода операции и некоторым образом задан-
ного операнда (объекта операции), который ча-
сто определяется своим размещением или ад-
ресом. Операндов может быть несколько.
Слово состояния — слово машинное, со-
держащее информацию о виде машинного
цикла, который выполняет МП, об области па-
мяти, к которой обращаются, о состоянии не-
которых флагов в момент выполнения цикла.
Эта информация выдается МП или на ШД в
определенном (как правило, первом) такте, или
на выходы состояния. С. с. может быть счита-
но в специальный регистр и использовано по-
сле дешифрации для формирования опреде-
ленных управляющих сигналов. Код С. с. час-
то подается на входы БИС микропроцессорно-
го комплекта, определяя их функционирование
в зависимости от этого кода.
9.17. СОПРОЦЕССОР — микропроцес-
сорный элемент, дополняющий функциональ-
ные возможности и повышающий производи-
тельность основного процессора. Наиболее
распространенными являются С. арифметиче-
ский и С. ввода-вывода данных.
9.18. СТЕК (МАГАЗИН) — специфичес-
кая область памяти, не требующая от пользова-
теля задания адреса, где соблюдается принцип
«последним записан, первым считан». Адрес
стека формирует его указатель SP (stack point-
er) — реверсивный счетчик. Содержимое по-
следнего перед записью байта информации ап-
паратно уменьшается на 1, а после его считы-
вания увеличивается на 1. При этом стек запол-
няется в направлении уменьшения значений
адресов. Содержимое стека называют его вер-
шиной, а емкость памяти — глубиной. Указа-
тель стека находится в БИС МП, а сам стек
размещается во внешней памяти.
9.19. ТАЙМЕР МИКРОПРОЦЕССОРА —
устройство отсчета времени, которое по исте-
чении установленного интервала может фор-
мировать выходной сигнал. Т. м., как правило,
делают программированным, что позволяет за-
ранее устанавливать нужный интервал време-
ни. В микропроцессорных системах Т. м. ис-
пользуют для организации работы в режиме
реальйого времени. При этом выход Т. м. под-
ключают ко входу запроса прерывания систе-
мы, что обеспечивает обработку внешних сиг-
налов в нужные моменты времени. Современ-
ные Т. м., выполненные в виде отдельных БИС,
имеют несколько режимов, которые дают воз-
можность реализовать основные устройства
цифровой техники, обеспечивающие отсчет
времени: мультивибратор, одновибратор, счет-
чик, делитель частоты.
В качестве примера рассмотрим программи-
рованный Т. м. К1810ВИ54 (Рис. 9.9), имеющий
три независимых канала, каждый из которых со-
держит 16-разрядный вычитающий счетчик СТО
и счетчики СТ1, СТ2 с тактовой частотой до
8 МГц. Все счетчики могут работать в двоичном
или двоично-десятичном коде с одно- и двухбай-
товыми числами N, которые программно загру-
жаются в них по шине данных ШД через буфер
данных БД. На входы CLK2...CLK0 счетчиков
поступают импульсы или от генератора такто-
вых импульсов, или от внешнего устройства. За-
груженные числа и период повторения входных
импульсов определяют время появления и дли-
тельность выходных сигналов Т. м. Прием вход-
ных импульсов CLK разрешают внешние сигна-
лы управления счетчиками GATE2...GATE0.
При равенстве нулю содержимого одного из
счетчиков вырабатывается соответствующий
выходной сигнал OUT2.. .OUTO Т. м.
GATE0
OUTO
CLK1
GATE1
OUT1
CLK2
GATE2
OUT2
Рис. 9.9
Для каждого канала независимо можно
программно задать один из шести режимов. В
режиме программируемой задержки после
сигнала GATE = 1 сигнал OUT = 0 удержива-
ется на время (N + 1)TCLK, где TCLK — период
входного сигнала CLK. Положительный
фронт сигнала OUT можно использовать как
сигнал запроса прерывания. В режиме одно-
вибратора на выходе OUT по положительному
фронту GATE формируется отрицательный
импульс продолжительностью TVTCLK. В режи-
216
РАДИОТЕХНИКА
9.23. ШИНА
ме делителя частоты при GATE = 1 на выходе
OUT с частотой FCLK/N появляется отрица-
тельный импульс длительностью TCLK. В ре-
жиме генератора прямоугольных импульсов
при GATE = 1 и четном числе N формируется
сигнал типа меандр с периодом A^TCLK, а при
нечетном — положительный импульс, длин-
нее отрицательного на TCLK. В режиме счетчи-
ка внешних событий после сигнала GATE = 1
и отсчета N периодов TCLK вырабатывается
отрицательный строб OUT = 0 длительностью
Тськ- Адресные входы АО, А1 устройства уп-
равления УУ определяют выбор управляюще-
го регистра или одного из счетчиков, а входы
RD, WR — вид обращения к ним (чтение или
запись). Сигнал «1» на входе CS выбора ИМС
переводит буфер данных БД в высокоимпе-
дансное состояние.
9.20. ФИКСАТОР АДРЕСА — регистр,
позволяющий выделить, записать адресную
информацию с мультиплексированной шины
МП и организовать внешнюю ША, на которой
адрес поддерживается необходимое время,
причем к ША могут быть подключены как па-
мять, так и внешние устройства.
В качестве Ф. а. используют буферные ре-
гистры, входящие в состав микропроцессор-
ного комплекта. Эти регистры, как правило, 8-
разрядные, параллельные и имеют три состоя-
ния. Запись адреса с мультиплексированной
шины в Ф. а. стробируется его входом STB
(strobe), на который из МП поступает сигнал
разрешения фиксации адреса ALE (address
latch enable). Сигнал ALE указывает на момент
присутствия адреса на мультиплексированной
шине. Входной сигнал разрешения выхода ОЕ
(output enable) управляет выходной схемой с
тремя состояниями, а входом ОЕ — или кон-
троллер прямого доступа к памяти, или арбитр
шины. Это дает возможность захватить ША
внешним устройством или другим МП.
9.21. ФЛАГ (признак) — бит, который уста-
навливается или аппаратно в зависимости от
результата выполнения операции, или про-
граммно — пользователем. Ф. можно разбить
на две группы: группа признаков результата по-
следней операции и группа управления — Ф.,
которые устанавливает пользователь. Группа
признаков включает: Ф. переноса CF (carry
flag) — фиксирует значение переноса (заема),
возникающего при сложении (вычитании), а
также значение выдвигаемого бита при сдвиге
операнда; Ф. нулевого результата ZF (zero flag);
Ф. знака SF (sign flag) — дублирует значение
старшего бита результата (при отрицательном
результате SF = 1); Ф. четности (паритета) PF
(parity flag) — указывает на наличие четного
числа единиц в младшем байте результата (ис-
пользуется для выявления сбоев при передаче
данных); Ф. вспомогательного переноса AF
(auxiliary flag) — фиксирует перенос (заем) из
младшей тетрады (четверки) младшего байта в
старшую при сложении (вычитании) и приме-
няется в двоично-десятичной арифметике; Ф.
переполнения OF (overflow flag) — сигнализи-
рует о переполнении разрядной сетки при сло-
жении или вычитании знаковых чисел. Имеет-
ся специальная команда INTO, которая в случае
OF = 1 обеспечивает программное прерывание.
Перечисленные Ф. (кроме AF) используются
для реализации условных переходов.
В состав группы управления входят: Ф. на-
правления DF (direction flag), которым управ-
ляют команды CLD и STD и который определя-
ет порядок обработки цепочки данных при вы-
полнении строковых команд — от меньших ад-
ресов (DF = 0) или от ббльших (DF = 1); Ф. раз-
решения прерываний IF (interrupt flag), кото-
рый задают командами CLI и STI, причем при
IF = 0 прерывания по входу INT (см. ст. 9.14)
запрещаются (маскируются); Ф. трассировки
TF (trap flag) — переводит МП (при TF = 1) в
состояние прерывания после выполнения каж-
дой команды, т.е. организует режим пошагово-
го выполнения программы. В различных МП
могут отсутствовать некоторые из перечислен-
ных Ф. или присутствовать другие.
9.22. ЦИКЛ МАШИННЫЙ — интервал
времени, на протяжении которого выполняется
одна машинная операция: выборка команды,
дешифрация ее с целью анализа и вычисления
адресов операндов; обращение к памяти и
внешним устройствам; выполнение команды
или ее частей и пр. Ц. м. состоит из нескольких
машинных тактов.
Такт машинный — минимальный рабо-
чий интервал времени, на протяжении которо-
го выполняется одно элементарное действие.
Длительность Т. м. равна периоду синхросиг-
нала генератора тактовых импульсов.
9.23. ШИНА (магистраль) — совокуп-
ность сигнальных линий, к которым могут па-
раллельно подключаться несколько компонен-
тов микропроцессорной системы и через кото-
рые осуществляется обмен сигналами между
различными частями системы.
Шина адресная — шина, выделенная для
передачи адресной информации.
Глава 9. МИКРОПРОЦЕССОРЫ И МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ
217
9.23. ШИНА
Шина ввода-вывода — шина, к которой
можно подключить одно или несколько уст-
ройств ввода-вывода и обращаться к ним соот-
ветствующими командами.
Шина данных — шина, по которой проис-
ходит обмен данными между элементами мик-
ропроцессорной системы.
Шина мультиплексированная — шина, в
которой число сигнальных линий меньше раз-
рядности адресов, данных и управляющей ин-
формации, которые по ней передаются. Раз-
личная информация или часть слов передается
по Ш. м. в различные моменты времени (на-
пример, вначале адрес, а затем — данные).
Шина резидентная — шина в многопро-
цессорной системе, к которой подключаются
память и (или) устройства ввода-вывода и к ко-
торой имеет доступ только один МП.
Шина системная — шина в многопроцес-
сорной системе, к которой подключаются па-
мять и (или) устройства ввода-вывода, образу-
ющие общие ресурсы системы, и к которой
имеют доступ несколько МП.
Шина управляющая — шина, предназна-
ченная для передачи сигналов управления.
9.24. ШИННЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ —
параллельный приемопередатчик, имеющий
на выходах схемы с тремя состояниями и пред-
назначенный для буферизации шин в микро-
процессорных системах. Наиболее распрост-
ранены 8-разрядные Ш. ф., например
КР580ВА86 (Рис. 9.10), который имеет сравни-
тельно высокую нагрузочную способность и
обеспечивает отключение модулей системы от
общей шины в нужные моменты времени. Вы-
воды Ш. ф. А7...А0 подключают к ШД МП, а
выводы В7...В0 — к системной ШД. Ш. ф.
Рис. 9.10
имеет два управляющих входа — вход Т (trans-
mission} управления направлением передачи и
вход ОЕ разрешения передачи данных. При за-
прещающем значении ОЕ = 1 Ш. ф. переходит
в высокоимпедансное состояние. При ОЕ = 0
вход Т определяет направление передачи: с вы-
водов А на выводы В или наоборот. В случае
использования Ш. ф. в микропроцессорных
системах на основе 16-разрядного МП серии
К1810 входом ОЕ управляет сигнал разреше-
ния данных DEN (data enable), поступающий
от МП или контроллера шин, когда мульти-
плексированная шина готова к обмену данны-
ми (на тактах Т2...Т4). Входом Т управляет
сигнал передача/прием данных DT/R (data
transmitted/recived), также поступающий от
МП или контроллера шин.
Буферизация шины — возможность ее
изоляции (отсоединения) от другой шины или
устройств, подключенных к ней.
Схема с тремя состояниями — логичес-
кая схема, имеющая кроме 1 и 0 третье состоя-
ние, при котором выход схемы переходит в вы-
сокоимпедансное состояние, обеспечивая ее
отсоединение от внешних устройств.
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Микропроцессоры. Кн. 1: Архитектура и проектирование микроЭВМ. Организация вычис-
лительных процессов / П.В. Нестеров, В.Ф. Шаньгин, В.Л. Горбунов и др. / Под ред. Л.Н. Прес-
нухина. — М.: Высш, шк., 1986. — 495 с.
2. Сташин В.В., Урусов А.В., Мологонцева О.Ф. Проектирование цифровых устройств на од-
нокристальных микроконтроллерах. — М.: Энергоатомиздат, 1990.— 224 с.
3. Микропроцессорный комплект К1810: Структура, программирование, применение / Ю.М.
Казаринов, В.Н. Номоконов, Г.С. Подклетное и др.; Под ред. Ю.М. Казаринова. — М.: Высш,
шк., 1990. — 269 с.
4. Информатика и вычислительная техника: краткий толковый словарь / Под ред. В.П. Гондюла.
— К.: Лыбидь, 2000. — 320 с.
218
РАДИОТЕХНИКА
ГЛАВА 10
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
• Интегральные микросхемы являются
базой развития современной
радиоэлектроники, теми «строительными
блоками», из которых сегодня создают
радиотехнические устройства и системы.
• Создание больших интегральных
микросхем стало самым важным
событием в электронике со времен
появления первого транзистора.
Если искусственный интеллект
будет создан, то это сделают
на их основе.
• Открытие транзисторного эффекта
(В. Бреттейн, У. Шокли, Дж. Бардин,
США, 1948 г.).
• Создание основных электрорадио-
элементов (резисторов, конденсаторов,
диодов, транзисторов)
в монокристаллическом кремнии
(«Texas instruments», США, 1958 г.).
• Первая интегральная микросхема
(Дж. Колби, Р. Нойс, США, 1958 г.).
• Логические интегральные микросхемы
(«Fairchild Semiconductor», США, 1961 г.).
• Аналоговые интегральные микросхемы
(«Texas Instruments», США, 1962 г.).
• Большая интегральная микросхема
(«Intel corp.», США, 1969 г.).
• Сверхбольшая интегральная микросхема
(«IBM corp.», США, 1979 г.).
Микроэлектроника — направление элек-
троники, которое возникло на основе со-
временных достижений физики тонких пле-
нок, твердого тела и специальных материалов;
включает исследование, разработку и произ-
водство ИМС, а также способы их примене-
ния. Главным признаком, основной тенденци-
ей развития М. является комплексная интегра-
ция, которая включает интеграцию: элементов
на кристалле или основе; схемных функций в
границах структурной единицы; физических
эффектов при создании функциональных мик-
росхем; технологических процессов; методов
проектирования и этапов цикла создания РЭС.
Благодаря комплексной интеграции появились
современные ИМС, БИС и СБИС; с помощью
последних стало возможным разрабатывать
сложные системы, проектирование которых
ранее было невозможным по причине низкой
надежности, высоких стоимости и энергоемко-
сти. Интегральная М. является фундаменталь-
ной базой развития всех современных РЭС.
Советуем последовательно изучать статьи
главы.
10.1. БАЗОВЫЙ КРИСТАЛЛ ИМС —
конструктивно выделенная часть полупровод-
никовой пластины с определенным набором
сформированных и электрически соединенных
(или не соединенных) между собой элементов,
которая используется для создания ИМС пу-
тем изготовления межэлементных соединений.
Базовый матричный кристалл (БМК) — базо-
вый кристалл ПИМС с размещением базовых
ячеек (БЯ) кристалла в виде матрицы. БЯ кри-
сталла — конструктивно выделенная и одно-
значно определенная совокупность не соеди-
ненных и (или) соединенных между собой эле-
ментов, которая при их соединении может вы-
полнять простые функции и служит основой
для построения базовых кристаллов и БМК.
БЯ, которая выполняет простые логические
Глава 10. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
219
10.1. БАЗОВЫЙ КРИСТАЛЛ ИМС
функции И-НЕ (ИЛИ-HE) и пр., называется ба-
зовым вентилем ИМС. БМК является основой
для разработки полу заказных ИМС. В БМК вы-
деляют периферийную и внутреннюю области.
В первой размещают внешние контактные пло-
щадки и периферийные БЯ для создания уст-
ройств входа-выхода, во второй — матрицу БЯ.
Столбец (строка) может содержать несколько
сотен БЯ. На одном кристалле может быть
сформировано несколько десятков столбцов
(строк), между которыми размещают верти-
кальные (горизонтальные) соединительные
проводники, формирователи входа-выхода и
контактные площадки. Для изготовления БИС
на основе БМК необходимо выполнить неболь-
шое число технологических операций, а благо-
даря регулярной структуре матрицы возможно
создание САПР, которая даст возможность
пользователю БМК быстро разрабатывать свою
конкретную подсистему с высокой вероятнос-
тью ее нормального функционирования.
10.2. ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕ-
МА — микроэлектронное изделие, которое
выполняет определенную функцию обработки
сигналов и (или) накопления информации,
имеет высокую плотность размещения нераз-
дельно выполненных и электрически соеди-
ненных элементов (или элементов и компонен-
тов) и кристаллов и с точки зрения требований
к испытаниям, приемке, снабжению, эксплуа-
тации рассматривается как неделимое целое.
Термин «интегральная» подчеркивает объеди-
нение физических эффектов, радиоэлектрон-
ных функций, элементов и компонентов на од-
ном кристалле или основе, а также полное или
частичное объединения технологических про-
цессов изготовления ИМС.
ИМС содержит элементы, компоненты и
коммутационные проводники. Под элементом
ИМС (см. ст. 10.12) понимают: транзистор, ди-
од, резистор, конденсатор и пр. Объединив и
электрически соединив между собой ряд про-
стых элементов, размещенных на одном крис-
талле, создают базовую ячейку кристалла, ко-
торая выполняет более сложную функцию, на-
пример логическую или запоминание инфор-
мации. Компонент ИМС — часть ИМС, кото-
рая реализует функцию одного из ЭРЭ и с точ-
ки зрения требований к испытаниям, приемке,
снабжению и эксплуатации может быть выде-
лена как самостоятельное изделие. Компонен-
ты изготовляют отдельно и устанавливают и
включают в ИМС при выполнении сборочно-
монтажных технологических операций. К про-
стым компонентам относят: бескорпусные ди-
оды, транзисторы, конденсаторы, резисторы,
малогабаритные индуктивности, трансформа-
торы и пр. Сложные компоненты — это бес-
корпусные ИМС, функциональные микросхе-
мы и пр. Конструктивную сложность ИМС
оценивают степенью интеграции, которая за-
висит от числа ЭРЭ N на кристалле или плате,
в том числе в составе компонентов, которые
входят в ИМС. Определяют степень интегра-
ции коэффициентом К = IgA, значение которо-
го округляют к ближайшему целому числу.
Большая ИМС (БИС) — содержит эле-
менты и (или) компоненты: цифровая — свы-
ше 1000, аналоговая — свыше 500. Сверхболь-
шая ИМС (СБИС) — содержит элементы и
(или) компоненты: цифровая с регулярной
структурой построения — свыше 105, цифро-
вая с нерегулярной структурой построения —
свыше 5104, аналоговая — свыше 104. К циф-
ровым БИС с регулярной структурой относят
схемы ЗУ и схемы на основе базовых кристал-
лов. БИС являются сложными ИМС, в объеме
которых реализуют блоки и даже целые систе-
мы. По этим причинам БИС не имеют широ-
кой универсальности и предназначены в ос-
новном для аппаратуры конкретных типов.
Объединение элементов в БИС повышает быс-
тродействие и надежность РЭС, уменьшает их
восприимчивость к помехам и стоимость по
сравнению с РЭС на обычных ИМС.
Гибридная БИС (ГБИС) — микроэлектрон-
ное устройство высокой степени интеграции,
полученное в результате компоновки пленоч-
ной многослойной (как правило) коммутаци-
онной платы на диэлектрической основе (см.
ст. 10.6) и бескорпусных дискретных компо-
нентов и ИМС, изготовленных в отдельности.
Гибридный способ создания БИС является на-
иболее универсальным, поскольку в нем объе-
диняются преимущества пленочной и полу-
проводниковой технологий, обеспечивается
возможность использования ИМС, которые
различаются как по функциональному назна-
чению, так и по конструктивному исполнению.
По надежности и плотности упаковки ГБИС
уступают полупроводниковым, но по функци-
ональному назначению и степени интеграции
могут превосходить их. ГБИС больше пригод-
ны для создания неоднородных аналоговых ус-
тройств. Технологический процесс изготовле-
ния ГБИС благодаря применению кристаллов
стандартной конструкции и автоматизации
технологических операций сборки значитель-
220
РАДИОТЕХНИКА
10.2. ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА
но проще и дешевле. Важным преимуществом
ГБИС является ремонтопригодность, т.е. воз-
можность замены навесных компонентов или
ИМС на этапе сборки или эксплуатации.
Полупроводниковая БИС (ПБИС) имеет са-
мые высокие плотность упаковки и надеж-
ность. За последние 20 лет функциональная
плотность ПБИС увеличилась в 200 раз, а быс-
тродействие — в 20 раз. На одном кристалле
сейчас размещают 1О6...1О7 транзисторов, а в
ближайшее время их число может возрасти
до 108. Интенсивность отказов транзисторов
ПБИС X = 1 • 10-9 ч-1, что меньше интенсивнос-
ти отказов соединений, с помощью которых
БИС объединяют в блоки и системы. Области
применения ПБИС: вычислительные системы,
системы искусственного интеллекта, контрол-
леры, бытовая электроника и пр. Конструкция
ПБИС определяется типом используемых тран-
зисторов, их структурой и технологическим
процессом изготовления. Наиболее перспектив-
ными ПБИС являются комплементарные МДП
БИС (см. ст. 10.12). Они имеют высокую поме-
хоустойчивость, широкий диапазон напряже-
ний питания и рабочих температур, малые мощ-
ность потребления и ток управления. Эти ИМС
удобны при уменьшении размеров элементов
до субмикрометровых и имеют высокую надеж-
ность. Физические границы ограничивают ин-
формативную емкость на кристалл ПБИС зна-
чением 256 Мбит при площади кристалла 200
мм2 и топологических нормах 0.25 мкм.
Гибридная ИМС (ГИС) — содержит эле-
менты, компоненты (в том числе бескорпусные
ИМС) и проводники. Все пассивные элементы
ГИС (резисторы, конденсаторы, проводники,
контактные площадки и пр.) формируют на по-
верхности диэлектрической основы или диэлек-
трической пленки в виде объединения или со-
единения пленок необходимой формы с различ-
ными электрофизическими свойствами, а ком-
поненты устанавливают на основу с помощью
сборочно-монтажных операций. Диэлектричес-
кая основа является конструктивной и функцио-
нальной базой ГИС, обеспечивает хорошую изо-
ляцию между элементами и компонентами и
стабильность их параметров. В зависимости от
толщины используемых пленок различают тон-
ко- и толстопленочные ГИС. В качестве актив-
ных компонентов в ГИС применяют: диоды и
диодные матрицы; транзисторы и транзистор-
ные матрицы; ИМС, которые могут быть бес-
юорпусными, в кристаллоносителях (см. ст. 10.5)
или в миниатюрных металлических корпусах.
Частным случаем ГИС является многокрис-
талъная ИМС, которая содержит несколько бес-
корпусных ИМС, электрически соединенных на
одной подложке. Основные преимущества ГИС:
возможность создания широкого класса цифро-
вых и аналоговых ИМС при коротком цикле их
разработки; возможность получения пассивных
элементов с широким полем значений и жестки-
ми допусками; универсальность метода конст-
руирования ИМС; относительно высокий про-
цент выхода годных ИМС.
Полупроводниковая ИМС (ПИМС) —
это ИМС, все элементы и межэлементные со-
единения которой выполнены в приповерхно-
стном слое и на поверхности полупроводнико-
вого материала (полупроводниковой пленки) в
виде объединений или соединений областей с
различными типами электропроводности и
пленок с разными электрофизическими свойст-
вами. Для ПИМС основным конструктивным
элементом является кристалл — конструктив-
но выделенная часть полупроводниковой плас-
тины (в виде функционально законченной
ПИМС), по периметру которой размещены кон-
тактные площадки. В большинстве ПИМС эле-
менты размещают в тонком (0.5...10 мкм) при-
поверхностном слое пластины или пленки. По-
скольку удельное сопротивление полупровод-
ника небольшое (1...10 Омсм), а элементы
ИМС должны быть изолированы один от дру-
гого, при конструировании ПИМС необходимо
создавать специальные изолирующие области в
виде диэлектрических слоев, обратно смещен-
ных р-я-переходов или их комбинаций. Основ-
ным полупроводниковым материалом является
кремний. В некоторых ПИМС слой кремния, в
котором формируют элементы, выращивают на
диэлектрической подложке, в частности, из
сапфира (структура «кремний на сапфире»).
Такая технология обеспечивает повышенную
радиационную устойчивость ИМС.
Основные тенденции развития ПИМС —
увеличение степени интеграции и быстродей-
ствия. Число элементов в сложных ИМС в
среднем ежегодно удваивается благодаря
уменьшению их топологических размеров, раз-
работке новых конструкций, усовершенствова-
нию схемотехники и увеличению размеров
кристаллов. Сейчас размеры элементов при-
близились к их физической границе А =
0.2...0.5 мкм. Основным элементом ПИМС яв-
ляется транзистор. По типу применяемых тран-
зисторов ПИМС делят на ИМС на БТ и ИМС
на МДП ПТ. Основным активным элементом
Глава 10. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
221
10.2. ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА
биполярных ИМС является БТ типа п+-р-п.
Другие элементы (диоды, резисторы, конденса-
торы) формируют на основе транзисторной
структуры. Основным активным элементом
МДП ИМС является МДП ПТ с каналом л-ти-
па. Площадь этих транзисторов составляет
25... 100 мкм2, благодаря чему достигается са-
мая высокая степень интеграции. В комплемен-
тарных МДП (КМДП) ИМС применяют п- и р-
канальные МДП ПТ; степень интеграции их
меньше, чем и-канальных, но для них характер-
на малая потребляемая мощность. В арсенид-
галлиевых ПИМС активными элементами яв-
ляются ПТ с управляющими переходами ме-
талл—полупроводник (МЕП ПТ). Эти ИМС
имеют самое высокое быстродействие.
Пленочная ИМС (ПлИМС) — ИМС, все
элементы и межэлементные соединения кото-
рой выполнены на поверхности диэлектричес-
кой основы или диэлектрической пленки в виде
объединения или соединения пленок необходи-
мой формы с различными электрофизическими
свойствами. Примерами ПлИМС являются ре-
зистивные, конденсаторные, индуктивные сбор-
ки; фильтры СВЧ и пр. Самое широкое распро-
странение среди ПлИМС приобрела коммута-
ционная плата, которая состоит только из про-
водников и контактных площадок и выполнена
с применением технологических и конструктив-
ных ограничений микроэлектроники.
Серия ИМС — совокупность типов ИМС,
которые имеют конструктивную, электричес-
кую и, при необходимости, информационную,
программную совместимость и предназначены
для общего применения. В частном случае се-
рию могут образовывать один или несколько
типов ИМС, выполняющих одинаковые функ-
ции и различающихся одним или несколькими
электрическими параметрами. Тип ИМС —
это ИМС конкретного функционального назна-
чения, определенного конструктивно-техноло-
гического и схемотехнического решения, кото-
рая имеет свое условное обозначение.
Совмещенная ИМС — это ИМС, актив-
ные элементы которой выполнены в припо-
верхностном слое полупроводникового крис-
талла (как в полупроводниковых ИМС), а пас-
сивные созданы в виде тонких пленок на пред-
варительно изолированной поверхности того
же кристалла. Эта технология изготовления
ИМС приобрела новое развитие в связи с раз-
работкой БИС с регулярной структурой, в ко-
торых в качестве нагрузок базовых ячеек ис-
пользуют поликремниевые резисторы.
10.3. ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА
АНАЛОГОВАЯ — ИМС, предназначенная
для обработки аналоговых сигналов. Аналого-
вые ИМС используют в аппаратуре связи, ТВ
аппаратуре, радиолокации, медицинской тех-
нике и пр. Они имеют большее разнообразие,
чем цифровые ИМС, и меньшую плотность
элементов. По конструктивно-технологичес-
ким особенностями аналоговые ИМС могут
быть гибридными или полупроводниковыми и
изготовляются как на БТ, так и на МДП ПТ.
Аналоговые ИМС разделяют на две группы:
в первую входят ИМС универсального назначе-
ния (ОУ, матрицы транзисторов, диодов и пр.); в
другую — специализированные аналоговые
ИМС. Интегральные СВЧ микросхемы относят
к специальным ИМС, но они имеют конструк-
тивно-технологическую, схемотехническую и
функциональную специфику, что является при-
чиной выделения их в отдельную подгруппу. Се-
рия аналоговых ИМС включает широкий класс
ИМС различного функционального назначения,
которые в совокупности дают возможность раз-
рабатывать определенную группу аналоговых
устройств в микроэлектронном исполнении.
Применение аналоговых ИМС как эле-
ментной базы РЭС дало возможность не толь-
ко уменьшить габаритные размеры, массу, по-
требляемую мощность РЭС, но и более чем на
порядок повысить точность обработки анало-
говой информации. Это стало возможным бла-
годаря реализации в интегральной технологии
двух принципов аналоговой схемотехники:
взаимного согласования цепей и схемотехни-
ческой избыточности. При идеальной согласо-
ванности однотипные элементы имеют одина-
ковые или пропорциональные параметры во
всех диапазонах внешних допустимых воздей-
ствий. Разработаны специальные схемотехни-
ческие способы взаимной компенсации неста-
бильности параметров элементов электричес-
ких цепей, при которых точность аналоговых
устройств гарантируется одинаковостью ха-
рактеристик элементов. Схемотехническая из-
быточность возможна благодаря интегральной
технологии и позволяет улучшить качество из-
делий. Схемотехнически каждая аналоговая
ИМС может быть представлена совокупнос-
тью небольшого числа типовых каскадов, ко-
торые подобны ЛЭ цифровых ИМС и являют-
ся основой аналоговой микросхемотехники.
Генератор стабильного тока — нелиней-
ный эквивалент высокоомного нагрузочного ре-
зистора или источник фиксированного и ста-
222
РАДИОТЕХНИКА
10.3. ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА АНАЛОГОВАЯ
бильного тока, значение которого не зависит
(или слабо зависит) от напряжения на нагрузке
(Рис. 10.1, а). Нагрузкой может быть произволь-
ная, иногда довольно сложная, нелинейная цепь.
Показанную схему используют для питания ста-
бильным током каскадов ОУ. Резисторами Rb R3
устанавливают необходимый уровень тока /0 =
IXR3/RX. Подробнее о Г. с. т. — см. ст. 24.18.
Дифференциальный каскад используют как
основной каскад аналоговых ИМС. Простейшая
схема Д. к. содержит взаимно согласованные
пары БТ и резисторов нагрузки (Рис. 10.1, б). В
общую эмиттерную цепь транзисторов вклю-
чают генератор стабильного тока ГСТ. Д. к.
имеет хорошую стабильность режима, подавля-
ет синфазную помеху, допускает соединение с
другими Д. к. без переходных конденсаторов. С
целью повышения входного сопротивления и
коэффициента усиления Д. к. каждое его плечо
проектируют на составном транзисторе. Но
вследствие увеличения напряжения смещения
нуля и коэффициента шума такие схемы Д. к.
применяют лишь как промежуточные усили-
тельные каскады ИМС.
Глава 10. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
223
10.3. ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА АНАЛОГОВАЯ
В полупроводниковых ИМС в качестве
первого каскада в сложном многокаскадном
усилителе применяют Д. к., составленный по
схеме ОК—ОБ—ОЭ (Рис. 10.1, в), с динамиче-
скими нагрузками. Применение каскадов с ОК
(КТЬ VT2) и ОБ (КГ3, VT4) дает возможность
повысить входное сопротивление Д. к. до со-
тен килоом, а использование нагрузочных
транзисторов VT6 и Р77, включенных по схеме
с ОЭ, — значительно увеличить коэффициент
усиления СКдк = 1000л) без применения высо-
коомных резисторов. Благодаря тому что VT6 и
VT2 согласованы, их балансное включение
обеспечивает получение асимметричного вы-
ходного сигнала с амплитудой тока /0- Внеш-
ний резистор балансирования включают меж-
ду эмиттерами транзисторов VT6 и VT7 (точки
А, Б). Подробнее о Д. к. — см. ст. 24.23.
Промежуточные усилительные каскады так-
же могут быть дифференциальными, но это не
обязательно. Для реализации непосредственной
связи между каскадами второй каскад ИМС же-
лательно выполнять на транзисторах с дополни-
тельным типом проводимости относительно
транзисторов первого каскада (Рис. 10.1, г). Ре-
зисторы R2, R4 симметрируют характеристики
транзисторов КГ] и VT2, одновременно увели-
чивая их входное сопротивление. Поскольку ем-
кости коллектор — база этих транзисторов, при-
веденные к коллекторным нагрузкам первого
каскада, умножаются на коэффициент усиления
второго каскада, любое увеличение последнего
приводит к сужению ПП первого каскада. Для
уменьшения этого эффекта между каскадами
включают дополнительный буферный каскад,
собранный по схеме с ОК.
Каскады сдвига уровня постоянной состав-
ляющей сигнала применяют в аналоговых ИМС
с непосредственными связями, в которых от ка-
скада к каскаду осуществляется этот сдвиг. Для
его компенсации используют схемы снижения
(«смещение вниз») и схемы повышения («сме-
щение вверх») на генераторах стабильного то-
ка. Сдвиг вниз применяют в трехкаскадных
усилителях со входным дифференциальным ка-
скадом, где после первых двух каскадов сигнал
имеет положительный потенциал. В двухкас-
кадных усилителях сигнал после первого кас-
када смещен отрицательно, поэтому для пере-
дачи на выходной каскад его необходимо смес-
тить вверх. Подробнее об этом — см. ст. 24.23.
Выходные каскады, как правило (см. ст.
24.9), предназначены для передачи двухполяр-
ного выходного сигнала на низкоомную зазем-
ленную нагрузку. Для этого используют двух-
тактные (реже — однотактные) В. к., собранные
по схеме ОК—ОК на п+-р-п- и р-и-р-транзисто-
рах; по схеме ОК—ОЭ на и+-р-и-транзисторах
(Рис. 10.1, <)); по схеме ОЭ—ОЭ, в каждом пле-
че которой используется составной композит-
ный транзистор, выполненный на комплемен-
тарных п+-р-п- и р-и-р-транзисторах (Рис. 10.1,
е). Поскольку параметры р-и-р-транзистора ху-
же, чем параметры и+-р-и-транзистора, в В. к.
чаще применяют композитные транзисторы.
С целью упрощения схем аналоговых ИМС
сигнал на В. к. подают из одной точки. Для
обеспечения необходимой разности потенциа-
лов между базами транзисторов В. к. включа-
ют диоды (Рис. 10.1, д, е) или специальные
опорные схемы. Управление В. к. может осу-
ществляться также фазоинвертирующим кас-
кадом. Схема защиты В. к. от короткого замы-
кания в нагрузке переводит его в режим гене-
ратора тока (Рис. 10.1, ж). Как только падение
напряжения на резисторе R2 превысит порог
открывания транзистора РТ3 ((7БЭ = /к.з^г), он
открывается и пропускает через себя ток уп-
равления транзистором VT2, переводя послед-
ний в режим генератора тока.
Операционный усилитель — это усили-
тель электрических сигналов, предназначенный
для выполнения с высокой точностью операций
над аналоговыми величинами в схеме с глубо-
кой ООС. Он имеет высокое входное сопротив-
ление и очень большой коэффициент усиления
Ки. Передаточная характеристика О. у. с ООС с
высокой точностью соответствует передаточной
характеристике цепи ОС и практически не зави-
сит от параметров самого ОУ, который создают
по схеме прямого усиления с дифференциаль-
ным входом и двухтактным двухполярным вы-
ходом. Один из входов усилителя является неин-
вертирующим (или прямым), другой — инвер-
тирующим. О. у. является устройством, усили-
вающим дифференциальный сигнал. Если нет
управляющих сигналов, то вход и выход О. у.
находятся под нулевым потенциалом. Поэтому
О. у. легко охватываются цепями ОС и соединя-
ются последовательно.
Основное назначение О. у. — построение
схем с фиксированным коэффициентом усиле-
ния и точно синтезированной передаточной
функцией. Независимо от сложности принци-
пиальной схемы интегральные О. у. состоят из
входного дифференциального каскада (ДК),
усилителя напряжения, каскада сдвига уровня
и выходного каскада (ВК). В зависимости от
224
РАДИОТЕХНИКА
10.4. ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА ЦИФРОВАЯ
числа каскадов различают трех- и двухкаскад-
ные О. у. (не считая ВК, составленных по схе-
ме с ОК). Трехкаскадную структуру имели О. у.
начальных разработок; в настоящее время О. у.
проектируют по двухкаскадной схеме. Это ста-
ло возможным благодаря прогрессу в техноло-
гии, когда за один технологический цикл созда-
ют и+-р-п- и р-и-р-транзисторы, которые ис-
пользуют как в качестве усилительных, так и в
качестве активных нагрузок.
Первый каскад О. у. выполняют по схеме
ДК с активными нагрузками типа ОК—ОБ—
ОЭ, что обеспечивает устойчивую работу О. у.
при малых (3 В) и больших (15 В) напряжениях
питания. Уменьшение числа усилительных кас-
кадов до двух сокращает и число полюсов АЧХ
до двух. Для частотной коррекции АЧХ исполь-
зуют внешние конденсаторы. Двухкаскадные О.
у. имеют защиту от перегрузок по входной и вы-
ходной цепям, а некоторые — еще и элементы
внутренней частотной коррекции, что дает воз-
можность уменьшить число внешних элементов
до одного балансировочного резистора. О. у. де-
лят на группы: общего назначения, сверхскоро-
стные, высокостабильные, микромощные и пр.
Специализированные аналоговые ИМС —
широкая номенклатура аналоговых ИМС, кото-
рая обеспечивает построение практически всех
функциональных узлов приемопередающей ап-
паратуры: многоцелевых усилителей; фильтров
(на поверхностных акустических волнах, на
приборах с зарядовой связью, а также актив-
ных фильтров на БИС, основным схемным эле-
ментом которых является операционный уси-
литель); стабилизаторов напряжения; схем
формирования и преобразования сигналов (ге-
нераторов, детекторов, смесителей, фазосме-
щающих устройств, дискриминаторов, инвер-
торов и пр.); АЦП и ЦАП; гибридных СВЧ
ИМС (входных малошумящих усилителей для
приемной аппаратуры, усилителей мощности с
выходной мощностью несколько ватт, фазосме-
щающих устройств, смесителей, переключате-
лей СВЧ сигналов, умножителей частоты, пере-
ключателей прием/передача и пр.).
10.4. ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА
ЦИФРОВАЯ — ИМС, предназначенная для
цифровой обработки сигналов. Цифровые
ИМС выполняют различные функции и в со-
ставе серии обеспечивают рациональное пост-
роение арифметических, запоминающих и уп-
равляющих устройств. Выпускаются десятки
серий цифровых ИМС, которые различаются
составом, типом основного ЛЭ, конструктив-
Глава 10 МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
но-технологическим исполнением, электриче-
скими параметрами. Каждая из них оптимизи-
рована для применения в цифровой аппаратуре
определенного типа.
Логический элемент — электронная схема,
которая выполняет простую логическую функ-
цию: И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-HE и др. Соеди-
няя соответствующим образом эти ЛЭ, можно
получить ИМС, которые выполняют более
сложные функции. Число входов ЛЭ определя-
ется числом логических переменных. У боль-
шинства ЛЭ современных ИМС логическому 0
соответствует напряжение низкого уровня (7°,
логической 1 — напряжение высокого уровня
U1. ЛЭ в соответствии с режимом работы и спо-
собом кодирования двоичных переменных де-
лят на статические (потенциальные) и динами-
ческие (импульсные). Последние могут рабо-
тать только в импульсном режиме. К основным
характеристикам ЛЭ относят: выполняемую ло-
гическую функцию, передаточную характерис-
тику, помехоустойчивость, нагрузочную спо-
собность п (коэффициент разветвления на выхо-
де), коэффициент объединения по входу т,
среднюю потребляемую мощность Рср, среднее
время задержки распространения сигнала /3.
Чем больше потребляемая мощность, тем мень-
ше средняя задержка. Для сравнения ЛЭ раз-
личных типов используют параметр, названный
работой переключения Ап = Pcpt3.
Каждый ЛЭ имеет большое число схемо-
технических и конструктивно-технологичес-
ких разновидностей, которые определяются
типом применяемых транзисторов и достижи-
мыми работой переключения и степенью инте-
грации ИМС. Логические элементы БИС с ин-
жекционным питанием получили название
интегральной инжекционной логики (И2Л).
Базовый элемент этой логики (Рис. 10.2, а) со-
держит горизонтальный р-и-р-транзистор РТИ,
который является источником тока и нагруз-
кой, и вертикальный многоколлекторный п-р-
и-транзистор КТа1, который выполняет функ-
ции инвертора и работает в инверсном режиме.
Структурно база транзистора VTn совмещена с
эмиттером переключающего транзистора КТа1,
а коллектор VTn — с базой ИГа1. Благодаря та-
кой конструкции в БИС на И2Л достигнута
максимальная плотность упаковки. Базовый
вывод является входом ЛЭ, а коллекторные вы-
воды — его выходами. Эмиттер токового тран-
зистора VTn называется инжектором. Если по-
тенциал базы транзистора PTai близок к потен-
циалу земли, то транзистор находится в облас-
225
8-2959
10.4. ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА ЦИФРОВАЯ
ти отсечки. В этом случае уровни напряжений
на коллекторах транзисторов КТаЬ КГа2 опре-
деляются схемами их внешних соединений.
Коллекторное питание на транзисторы РТа1 и
КГа2 подается через другие ЛЭ И2Л, которые
присоединяют к выходам транзисторов. Ток /и,
потребляемый одним ЛЭ от источника, зависит
от сопротивления резистора Яи. Последний
размещают вне ИМС. Изменяя Яи и Eni, можно
в широких границах (три-четыре порядка) ре-
гулировать ток и мощность питания ЛЭ, его
быстродействие. Элементы И2Л отличаются
самой малой работой переключения, которая
составляет 0.01...0.03 пДж, но имеют низкое
быстродействие (t3 = 5...50 нс). Инжектор яв-
ляется общим для многих ЛЭ.
Отличительным признаком ЛЭ транзис-
торно-транзисторной логики (ТТЛ) (Рис. 10.2,
б) является многоэмиттерный транзистор
(МЭмТ) включенный во входную цепь.
МЭмТ выполняет логическую операцию И над
входными логическими переменными, а на вы-
ходе ЛЭ (на транзисторе РТ2) реализуется функ-
ция НЕ. Применяют ряд базовых модификаций
элементов ТТЛ: стандартные, мощные, мало-
мощные, Шоттки, маломощные Шоттки. Ис-
пользуя вместо обычных БТ транзистор Шотт-
ки, получают Шоттки транзистор-транзистор-
ную логику (ШТТЛ) с малым временем задерж-
ки /3 = 1.. .3 нс по сравнению с 6 нс для обычных
схем ТТЛ при Рср = 10.. .20 мВт на вентиль.
В маломощной ШТТЛ (МШТТЛ) вместо
МЭмТ применяют схему входной цепи на дио-
дах Шоттки (Рис. 10.2, в). Потребляемая мощ-
ность МШТТЛ составляет 1 мВт на вентиль, а
время задержки t3 = 5... 10 нс. ЛЭ на МШТТЛ
широко используют в БИС.
Наиболее быстродействующими и имею-
щими высокую выходную мощность являются
ЛЭ эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) (Рис.
10.2, г). Их основной отличительный признак —
применение переключателя тока, транзисторы
которого работают в активном режиме. Исклю-
чение режима насыщения и связанной с ним
задержки рассасывания носителей обеспечива-
ет более высокое быстродействие ЛЭ ЭСЛ по
сравнению с ЛЭ ТТЛ. ЛЭ состоит из двух оди-
наковых цепей, которые включают входные
транзисторы КТвхь ^вх2 и опорный КГОп
транзистор, в коллекторных нагрузках которых
включены резисторы Як. На базу опорного
транзистора подается постоянное опорное на-
пряжение отрицательной полярности -£7ОП.
Эмиттеры транзисторов соединены между со-
бой. Ток /э проходит через одно из плеч схемы
в зависимости от напряжения на входе. Приве-
денная схема применяется в простых ЛЭ ЭСЛ,
называемых элементами малосигнальной
ЭСЛ. Эти ЛЭ используют во внутренних цепях
скоростных БИС. Число входных транзисторов
зависит от числа логических переменных. Вен-
тили ЭСЛ дороже, чем аналогичные элементы
ТТЛ или другой логики, поскольку они имеют
более сложную электрических схему и занима-
ют большую площадь кристалла ИМС. В слу-
чае снижения напряжения питания до 2 В и то-
пологических норм до А = 1 мкм ЛЭ ЭСЛ име-
ют t3 = 30 пс при Рср =1.5 мВт. При большой
емкостной нагрузке и п > 10 в скоростных БИС
применяют более сложные ЛЭ ЭСЛ.
В состав ЛЭ на ПТ входят инверторы, ЛЭ И-
НЕ и ИЛИ-HE, ЛЭ динамического типа и пр.
Все ЛЭ могут быть выполнены на МДП ПТ с ка-
налами одного или обоих типов проводимости.
Схема простого инвертора на п-каналъных
МДП ПТ показана на Рис. 10.2, д. Транзистор
VTa с индуцированным каналом, на затвор ко-
торого подают входной сигнал, называют ак-
тивным, а транзистор VTn со встроенным кана-
лом, который выполняет функцию нелинейно-
го резистора — пассивным. Для работы инвер-
тора нужны два источника. Источник смеще-
ния Еп2 не является принципиально необходи-
мым, но он дает возможность значительно
улучшить параметры схемы. Если на вход ин-
вертора подать напряжение низкого уровня (7°,
то на его выходе будет напряжение Еп}, что со-
ответствует напряжению высокого уровня С/1.
Если UBX = Ux, то VTa открыт и напряжение на
выходе будет соответствовать U°. Инверторы
на «-канальных транзисторах занимают мини-
мальную площадь на кристалле, имеют высо-
кие быстродействие и помехоустойчивость,
широко применяются в скоростных БИС; t3 =
2... 13 нс, АП = 0.3... 15 пДж.
Инвертор на комплементарных полевых
транзисторах (КМДП ПТ) (Рис. 10.2, ё) состоит
из «-канального активного VTa и р-канального
нагрузочного VTn транзисторов с индуцирован-
ными каналами. На затворы транзисторов, со-
единенные между собой, подают входной сиг-
нал. Если UBX = U\ то транзистор VTa открыт, а
VTn закрыт. На выходе будет (7ВЫХ = lP = 0. Если
С/вх = Ег = 0, то, наоборот, транзистор VTa закрыт,
а ¥ТП открыт и (7ВЫХ = Vх = Еп]. В обоих состоя-
ниях ток, потребляемый от источника, почти ра-
вен нулю, что является самым важным преиму-
ществом этого инвертора по сравнению с други-
226
РАДИОТЕХНИКА
10.4. ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА ЦИФРОВАЯ
ми ЛЭ. При одинаковых значениях удельной кру-
тизны характеристик транзисторов VTa и VTn до-
стигают максимальной помехоустойчивости и
быстродействия t3 = 0.5...5 нс, потребляемая
мощность составляет десятые доли милливатта.
Логические элементы И-НЕ и ИЛИ-HE на
«-канальных транзисторах содержат т актив-
ных транзисторов и один пассивный нагрузоч-
ный транзистор. В ЛЭ И-НЕ активные транзи-
сторы включены последовательно (Рис. 10.2,
ж), а в ЛЭ ИЛИ-НЕ —параллельно (Рис. 10.2,
з). Если на все входы ЛЭ И-НЕ подать напря-
жение (71, то все активные транзисторы будут
открытыми и на выходе схемы будет логичес-
кий 0 U°. Для реализации функции И-НЕ на
КМДП ПТ применяют последовательное
включение «-канальных и параллельное вклю-
чение р-канальных транзисторов.
Высокое входное сопротивление МДП ПТ
дает возможность создавать особый класс
схем, которые называют динамическими. Ха-
рактерным для этих схем является кратковре-
менное запоминание информации с помощью
конденсатора, в качестве которого использует-
ся собственная МДП емкость транзистора. На
затвор транзистора VTn (Рис. 10.2, и) подают
импульсы, которые называют тактовыми, с
амплитудой, близкой к напряжению источни-
ка. На время действия этих импульсов VTn от-
крыт. Если (7ВХ = Ц°, то по истечении тактово-
го импульса и закрытия транзистора VTn вы-
ходное напряжение Vх запоминается конден-
сатором Сн. По мере разряда Сн ток закрытого
транзистора VTa и напряжение (7ВЫХ уменьша-
ются. С поступлением следующего тактового
импульса ивых восстанавливается. Если часто-
та импульсов довольно высокая, то в проме-
жутке между ними (7ВЫХ изменяется мало и со-
стояние элемента сохраняется. При отсутст-
вии импульсов ток источника и потребляемая
мощность практически равны нулю при лю-
бом сигнале во входной цепи. Динамические
ЛЭ на «-канальных транзисторах по сравне-
нию со статическими потребляют в Q раз
Глава 10. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
227
10.4. ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА ЦИФРОВАЯ
меньшую мощность, где Q — скважность так-
товых импульсов; упрощаются схемы запоми-
нания информации (триггерные устройства с
внешней задержкой, регистры, оперативные
ЗУ и пр.). Площадь, которую занимают эти ЛЭ
на кристалле, уменьшена, а степень интегра-
ции ИМС — увеличена.
10.5. ИСПОЛНЕНИЕ ИМС — способ за-
щиты кристалла (сборочного элемента) ИМС от
внешнего влияния с учетом применения и техно-
логии монтажа. И. возможно в корпусах и без
них. Корпус — часть конструкции ИМС, пред-
назначенная для ее защиты от внешних влияний
и соединения с внешними цепями с помощью
выводов. Он должен отводить тепло, которое вы-
деляется ИМС, допускать проверку электричес-
ких параметров и использование высокопроизво-
дительных, в том числе автоматизированных,
процессов сборки и монтажа ИМС в аппаратуре.
По технологии изготовления и использован-
ным материалам корпуса делят на керамичес-
кие (металлокерамические), металлостеклян-
ные и стеклокерамические. Герметизированный
корпус образует замкнутый объем, в котором
размещаются кристалл (сборочный элемент) и
соединенные с внутренними контактными пло-
щадками корпуса проволочные проводники.
Применяют также балочные или столбиковые
выводы для соединения контактных площадок
ИМС с контактными площадками корпуса.
Пластмассовые корпуса применяют для изго-
товления массовых серий ИМС с малой выделя-
емой мощностью, рассчитанные на работу при
нормальной и низкой влажности в ограничен-
ном диапазоне температур. Самыми надежны-
ми являются керамические корпуса. Для совре-
менных БИС и СБИС нужны корпуса с числом
выводов до 300, способные рассеивать мощ-
ность в десятки ватт. Для технологии поверхно-
стного монтажа (ТПМ) разработаны миниатюр-
ные пластмассовые корпуса (МПК), внешне по-
хожие на обычные пластмассовые, но значи-
тельно меньше их, с Z-подобными выводами,
которые могут подгибаться под корпус. Приме-
нение МПК дает 30...50% экономии площади
печатной платы, стоимость ее уменьшается
приблизительно в четыре раза, объем — до
восьми раз, масса — в 2.. .5 раз.
Кристаллоносители (КН) — квадратные
или прямоугольные корпуса, которые имеют </-
подобные выводы, размещенные с четырех
сторон с шагом 1.25 мм, и предназначены для
ТПМ. Кристаллоносители являются самым
распространенным рядом корпусов для специ-
ального применения СБИС. Они допускают
непосредственный монтаж на поверхность па-
янием или установкой на панельки.
При сборке СБИС с числом выводов более
100 КН заменяют матричными корпусами
(МК). Штыревые выводы или контактные пло-
щадки размещают на основе МК с шагом
2.5 мм в виде матрицы выводов, благодаря че-
му при одинаковом числе выводов основа МК
по площади меньше основы КН. МК являют-
ся наиболее пригодными для СБИС с числом
выводов 300 и более.
Широко применяют бескорпусные ИМС
(БкИМС), предназначенные, как правило, для
монтажа в ГИС или МС с общей герметизацией
или без нее. БкИМС защищают с помощью ла-
ков или других диэлектрических покрытий. Для
БкИМС единственным способом монтажа явля-
ется ТПМ. Кристалл БкИМС устанавливают на
ленточный носитель, обеспечивающий соеди-
нение ИМС с изделием, в которое БкИМС мон-
тируется, а также теплоотвод от кристалла. Гер-
метизацию устройств на БкИМС осуществляют
на уровне МС, ГИС или системы.
10.6. КОММУТАЦИОННАЯ ПЛАТА —
изделие, выполненное с использованием мик-
роэлектронной технологии, которое является
микроэлектронным аналогом печатной платы.
К. п. состоит из основания, на поверхности ко-
торого формируют многослойную систему
коммутационных проводников и контактных
площадок для монтажа компонентов и бескор-
пусных ИМС, а также для соединения выводов
платы с выводами корпуса. В отдельных слу-
чаях на К. п. формируют и пленочные резисто-
ры. Для изготовления К. п. используют как ди-
электрические (жесткие и гибкие) подложки,
так и металлические пластины. К. п. является
конструктивной основой для создания гибрид-
ных БИС и МС. Монтаж компонентов и бес-
корпусных ИМС можно выполнять с обеих
сторон К. п. В зависимости от сложности ком-
мутационных проводников, типа основы и
способа формирования пленочных структур
для изготовления К. п. применяют: тонкопле-
ночную алюминиевую технологию на жесткой
диэлектрической основе, технологию на поли-
имидной пленке, толстопленочную техноло-
гию на керамической основе, технологию на
металлической основе.
10.7. МИКРОСБОРКА — микроэлек-
тронное изделие, которое выполняет опреде-
ленную функцию, состоит из элементов, ком-
понентов и (или) ИМС и других ЭРЭ и разра-
228
РАДИОТЕХНИКА
10.10. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОПЕРАЦИЯ (ТО)
батывается для конкретной РЭА с целью улуч-
шения показателей ее комплексной микроми-
ниатюризации. МС имеет высокую степень ин-
теграции и большую функциональную слож-
ность. В этом МС подобна гибридной БИС, но
МС является изделием на уровне полуфабри-
ката или устройства единичного применения.
В зависимости от степени интеграции МС мо-
жет выполнять функции субблока, блока или
устройства. Элементы, компоненты и ИМС со-
единяют между собой толсто- или тонкопле-
ночными проводниками; полную защиту МС
от внешних влияний выполняют на уровне
блока. Микроблок (МБ) — микроэлектронное
изделие, которое кроме МС содержит ИМС и
микрокомпоненты. Последние предназначены
для монтажа и сборки ИМС, МС и компонен-
тов в МБ или устройства. К ним относят ком-
мутационные платы, гибкие кабели, микросое-
динители, микропереключатели, кнопки, ин-
дикаторы, элементы конструкции. По всем
конструктивным характеристикам и надежнос-
ти эти изделия должны быть близкими к ИМС.
10.8. НАДЕЖНОСТЬ ИМС — свойство
сохранять значения установленных парамет-
ров функционирования в заданных границах,
которые отвечают определенным режимам и
условиям использования, технического обслу-
живания, хранения и транспортирования (пол-
нее — см. ст. 7.11). Показатели Н. входят в чис-
ло самых важных показателей качества ИМС.
Н. элементов ИМС в сотни и тысячи раз выше,
чем Н. соответствующих дискретных анало-
гов, что обеспечивается новыми технологичес-
кими методами их изготовления, использова-
нием чистых материалов, высокой технологи-
ческой культурой производства.
10.9. ПОДЛОЖКА ИМС — конструктив-
но-технологическая и функциональная база
ИМС, на поверхности или в приповерхностном
слое которой по заданным топологическим ри-
сункам формируют структуры, элементы, ме-
жэлементные или межкомпонентные соедине-
ния и контактные площадки ИМС. Для изготов-
ления ПИМС применяют в основном полупро-
водниковые монокристаллические пластины, а
для пленочных ИМС, ГИС и МС — диэлектри-
ческие подложки. В отдельных случаях для из-
готовления ПИМС используют диэлектричес-
кие (сапфир, шпинель), а для ГИС и МС — ме-
таллические подложки. В первом случае на по-
верхность диэлектрической подложки наносят
монокристаллическую пленку, а во втором —
диэлектрическую пленку.
10.10. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОПЕРА-
ЦИЯ (ТО) — законченная часть технологичес-
кого процесса (ТП), которая выполняется на од-
ном рабочем месте и одном оборудовании. Во
время выполнения каждой ТО осуществляется
поэтапное формирование конструкции ИМС.
Герметизация — комплекс мероприятий и
технологических операций, направленных на
защиту ИМС и МС от механических и клима-
тических воздействий и обеспечение надежно-
сти при их изготовлении, хранении и последу-
ющей эксплуатации. Под герметичностью по-
нимают способность конструкции не пропус-
кать сквозь свои элементы жидкость или газ. В
зависимости от конструктивно-технологичес-
кого исполнения, назначения и областей приме-
нения ИМС используют корпусный и бескор-
пусный способы защиты. Г. ИМС в корпусах
(соединение крышки и корпуса) в зависимости
от конструкции и материалов выполняют: для
металлостеклянных корпусов — сваркой; для
металлополимерных — заливкой эпоксидными
компаундами; для металлокерамических — па-
янием; для пластмассовых — литейным прес-
сованием. Бескорпусная Г. может быть выпол-
нена путем заливки сборочного элемента ГИС
и МС эластичными компаундами или нанесе-
ния на кристалл ПИМС влагозащитных лаков.
Диффузия — процесс перенесения нейт-
ральных атомов вещества, обусловленный их
тепловым движением и возникающий при на-
личии градиента концентрации данного веще-
ства в среде, где происходит диффузия. Д. яв-
ляется одним из основных способов поверхно-
стного легирования монокристаллических ма-
териалов в твердой фазе и широко применяет-
ся в планарной технологии для создания р-п-
переходов, резисторов, транзисторов, солнеч-
ных элементов и ИМС. Суть метода Д. в том,
что нейтральную примесь приводят в контакт с
поверхностью монокристаллической пласти-
ны, нагретой до температура 500... 1200°С. Как
следствие, атомы примеси проникают в плас-
тину и замещают атомы монокристалла, кото-
рые оставили свои места. Д. выполняют в диф-
фузионных печах, которые обеспечивают: вы-
сокую точность поддержания температуры,
контроль состава среды в ходе процесса и не-
обходимое дозирование примеси. Основными
технологическими факторами, определяющи-
ми результаты Д., являются: температура, про-
должительность технологической операции
(ТО), растворимость примеси в твердой фазе,
условия на поверхности полупроводниковой
Глава 10. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
229
10.10. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОПЕРАЦИЯ (ТО)
пластины, степень совершенства монокристал-
лической пластины и пр. Точность поддержа-
ния этих факторов в ТО определяет стабиль-
ность параметров диффузионных структур и
элементов ИМС. Большинство ТО Д. проводят
в две стадии: на первой стадии при одних тем-
пературе и продолжительности ТО вносят до-
зированное количество примеси в приповерх-
ностный слой пластины, а затем на второй ста-
дии при других температуре и продолжитель-
ности ТО проводят перераспределение приме-
си в глубь пластины. Для создания нескольких
слоев с различными типами проводимости Д.
выполняют несколько раз. Концентрация каж-
дой новой примеси должна превышать концен-
трацию предшествующей, чтобы изменить тип
проводимости и создать р-и-переход.
Ионное легирование — процесс легиро-
вания материалов, который основывается на
введении высокоэнергетичных ионов примеси
в приповерхностный слой материала с целью
изменения типа и уровня проводимости, созда-
ния необходимого профиля распределения
примеси, изменения оптических свойств мате-
риалов или механических свойств поверхнос-
ти. И. л. проводят в вакууме при низкой темпе-
ратуре в устройствах ионного легирования.
Процесс И. л. включает ионизацию атомов при-
меси (Р+, As+, В+ и пр.) и ускорение их в элект-
рическом поле до энергии 10...300 кэВ. Ионы
фокусируют в луч с площадью сечения 100 мм2
и плотностью тока до 0.1 мА/мм2 и направляют
на поверхность пластины. Система управления
обеспечивает перемещение луча. Это дает воз-
можность последовательно облучать всю по-
верхность пластины. И. л. применяют тогда,
когда желаемую концентрацию примеси необ-
ходимо создать на глубине менее 1 мкм. Ло-
кальное легирование выполняют сквозь маску
SiO2 или Si3N4 толщиной около 0.5 мкм. И. л.
широко применяют в производстве БИС. Ион-
ный луч, направленный перпендикулярно к по-
верхности пластины, имеет малое боковое рас-
сеяние, что дает возможность создания облас-
тей с субмикрометровыми горизонтальными
размерами глубиной менее 0.1 мкм при высо-
кой повторяемости параметров. Локальное ле-
гирование используется для подстраивания по-
рогового напряжения МДП ПТ.
Микроконтактирование — процесс созда-
ния неразъемных электрических соединений:
контактных площадок кристалла ИМС и компо-
нентов с проводниками; проводников — с выво-
дами корпуса, внутренними и внешними кон-
тактными площадками на плате ГИС и МС. Для
выполнения соединений применяют различные
способы М.: пайку, термокомпрессионную или
ультразвуковую микросварку, сварку импульс-
ным нагреванием и пр. Для изготовления выво-
дов используют микропровод из Al, Au, Ag, Си.
Такие выводы пластичны, хорошо проводят
тепло и электрический ток, имеют низкое со-
противление в контакте с пленками Au, Al, Ni.
Пайка — технологическая операция соеди-
нения двух металлических деталей, находя-
щихся в твердом состоянии, с помощью нагре-
того до жидкого состояния припоя, который
смачивает соединяемые детали и заполняет
пространство между ними. Пайку применяют
преимущественно во время монтажа проводом
бескорпусных ИМС, полупроводниковых при-
боров и компонентов на плату ГИС и МС, а
также для монтажа кристаллов со столбиковы-
ми, шариковыми и балочными выводами.
Термокомпрессионная микросварка — тех-
нологическая операция соединения в твердой
фазе металлов или металла и полупроводника
под действием давления и температуры. Самое
большое применение она находит для создания
соединений золотым проводником между алю-
миниевыми контактными площадками крис-
талла и выводами корпуса.
Ультразвуковая микросварка — техноло-
гическая операция соединения металлов в
твердой фазе возбуждением в соединяемых де-
талях упругих колебаний ультразвуковой час-
тоты при одновременном воздействии давле-
ния. Соединение осуществляется благодаря
пластической деформации поверхности очи-
щенных от оксидних пленок деталей, которая
под действием ультразвуковых колебаний и
температуры ускоряется. Таким способом со-
единяют алюминиевые выводы с алюминиевой
пленкой, нанесенной на стекло, кремний или
SiO2, а также золотые и алюминиевые выводы
с золотыми пленками, нанесенными на ситалл
с подслоем нихрома.
Микролитография — процесс формирова-
ния рельефного изображения топологического
слоя ИМС в резистивном материале с использо-
ванием шаблона и высокоэнергетического излу-
чения. В зависимости от применяемого вида из-
лучения различают: фотолитографию, элек-
тронно-лучевую и рентгеновскую литографию.
Самой распространенной в технологии
ИМС является фотолитография (ФЛ). Она ос-
новывается на использовании светочувстви-
тельных резистивных материалов — фоторези-
230
РАДИОТЕХНИКА
10.10. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОПЕРАЦИЯ (ТО)
стов (ФРз), которые могут быть позитивными
и негативными. Большинство ФРз — двухком-
понентные системы, состоящие из полимерной
основы и фоточувствительного компонента.
Для обеспечения необходимой вязкости в ФРз
добавляют растворитель. Рисунок топологиче-
ского слоя задают фотошаблоном (ФШ) — оп-
тически контрастным изображением матрицы
одного топологического слоя ИМС в масштабе
1:1. Во время изготовления ИМС ФЛ выполня-
ют несколько раз, для чего необходимо иметь
комплект ФШ. Процесс изготовления ФШ на-
чинают с изготовления фотооригинала (ФО) —
оптически контрастного изображения одного
топологического слоя ИМС в увеличенном
масштабе. ФО для ПИМС изготовляют на фо-
тонаборном оборудовании поэлементным пе-
чатанием на светочувствительную пластину
простых геометрических фигур, которые зада-
ются диафрагмой. После этого с помощью фо-
торепродукционной камеры изготовляют эта-
лонный ФШ, с которого печатают рабочие ко-
пии. Совмещение топологических слоев вы-
полняют по специальным фигурам, которые
печатают на каждом ФШ.
Электронно-лучевая литография основы-
вается на экспонировании электронного рези-
ста потоком электронов и технологическом
процессе (ТП), аналогичном ТП обычной ФЛ.
Э.-л. л. применяется для изготовления шабло-
нов или непосредственного формирования ри-
сунка на пластине, когда для создания ИМС
необходима лишь одна литография. В этом
случае используют прямое сканирование луча
по пластине, покрытой резистом. В проекци-
онной Э.-л. л. применяют металлическую мас-
ку с изображением одного слоя ИМС, которая
облучается параллельным потоком электронов.
С помощью фокусирующей системы умень-
шенный электронно-оптический рисунок мас-
ки проецируется на пластину. В сканирующей
Э.-л. л. шаблон отсутствует, а экспонирование
осуществляют перемещением по поверхности
пластины остросфокусированного электронно-
го луча (d = 0.1 мкм), который включают или
выключают по заданной программе. Процесс
экспонирования проводят в вакууме.
Рассмотренные способы формообразова-
ния в микроэлектронике принадлежат к косвен-
ным, поскольку процессы нанесения пленок,
формирования свойств слоев и областей, а так-
же формообразование элементов (резисторов,
конденсаторов, транзисторов) разнесены во
времени. Способ свободной маски применяют
для формообразования элементов с использова-
нием вакуумных методов нанесения пленок.
Способ основывается на экранировании части
подложки от потока частичек напыляемого ве-
щества с помощью специального трафарета —
свободной маски (СМ), которая с высокой точ-
ностью воссоздает топологический слой ИМС.
Во время нанесения пленки идет прямое фор-
мирование рисунка элементов. СМ — тонкий
биметаллический экран с отверстиями, конфи-
гурация и размещение которых соответствуют
необходимой конфигурации элементов.
Монтаж кристаллов и плат — технологи-
ческая операция (ТО) установки и закрепления
кристаллов ИМС, плат ГИС и МС в корпус, а
также бескорпусных ИМС и компонентов на
коммутационные платы и платы ГИС. Монтаж
должен обеспечивать необходимое размещение
кристаллов или плат, крепкое механических со-
единение, надежный электрический контакт и
достаточный теплоотвод. Монтаж кристалла на
металлическую основу корпуса выполняют пай-
кой сплавом Au-Ge или Au-Si с температурой
плавления 356 и 370°С. На стеклянной, керами-
ческой или полимерной основах кристалл за-
крепляют легкоплавким стеклом или клеями.
Монтаж бескорпусных ИМС и компонентов на
платы ГИС, МС и самих плат на основу корпуса
выполняют клеями и компаундами. Клеевые со-
единения допускают демонтаж кристаллов и
компонентов с целью их замены. Установка ком-
понентов и бескорпусных ИМС на платы ГИС,
МС зависит от типа и способа присоединения
выводов к контактным площадкам. Так, приме-
нение жестких выводов (шариковых, столбико-
вых, балочных и балочных на полимерных но-
сителях) дает возможность полностью автома-
тизировать процесс монтажа на поверхность и в
большинстве своем исключить дополнительное
закрепление бескорпусных ИМС и компонен-
тов, поскольку необходимая жесткость и меха-
ническая прочность закрепления к плате обес-
печиваются присоединением выводов.
В последнее время все чаще используют
монтаж кристаллов ИМС и полупроводнико-
вых приборов на полиимидных носителях с ба-
лочными выводами. Преимуществами этого
способа являются простота совмещения выво-
дов с контактными площадками платы, совме-
щение монтажной и присоединительной ТО,
повышение ремонтопригодности ГИС и МС и
пр. Производительность автоматизированного
оборудования для сборки ИМС на конвейере —
от 1000 до 25 000 ИМС за час.
Глава 10. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
231
10.10. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОПЕРАЦИЯ (ТО)
Нанесение пленок — технологическая
операция (ТО) осаждения монолитных или
композиционных пленок из внешнего источни-
ка осаждаемого материала. Материал подлож-
ки не принимает непосредственного участия в
создании пленки, но может осуществлять ори-
ентирующее действие на ее структуру. По усло-
виям Н. п. ТО можно разделить на вакуумные и
невакуумные. В технологии Н. п. вакуумными
методами применяют: термическое испарение,
катодное распыление, ионно-плазменное напы-
ление, магнетронное распыление и пр.
Термическое испарение в вакууме состоит в
нагревании испаряемого вещества в условиях
высокого (10 3...10 5 Па) вакуума до температу-
ры, при которой энергия атомов и молекул веще-
ства становится достаточной для их отрыва от
поверхности и распространения в окружающее
пространство. Давление насыщенных паров ве-
щества должно превышать на несколько поряд-
ков давление остаточных газов. Атомарный по-
ток вещества распространяется прямолинейно с
высокой скоростью и при столкновении с поверх-
ностью подложки конденсируется на ее поверх-
ности. Нагревание испаряемого вещества осуще-
ствляется с помощью испарителя (тигля, ленты,
спирали), индукционным способом, электронной
бомбардировкой или другими способами.
Катодное распыление выполняют в ваку-
умной камере, заполненной инертным газом с
давлением 1...10 Па. Распыляемый материал
является катодом или покрывает катод. Между
заземленным анодом, на котором закреплена
подложка, и катодом подают высокое напряже-
ние 2...5 кВ. Возникает ионизация газа. Поло-
жительные ионы газа бомбардируют катод
(мишень), выбивая из него атомы или молеку-
лы, которые, рассеиваясь на атомах инертного
газа, диффузно достигают поверхности под-
ложки. Скорость осаждения меньше, чем при
термическом испарении, но равномерность
осаждаемой пленки намного лучше. Скорость
осаждения пленок регулируют напряжением
на электродах и выдерживают с высокой точ-
ностью. Этим способом можно создавать плен-
ки тугоплавких металлов, составов и сплавов,
точно выдерживая их состав. Реактивное К. р.
основывается на введении в рабочую камеру
дополнительного (реактивного) газа, который,
взаимодействуя с осаждаемыми атомами ос-
новного материала, создает соединения (окси-
ды, нитриды, карбиды). Недостатком К. р. яв-
ляется загрязнение пленок атомами нейтраль-
ного газа как следствие низкого вакуума.
Ионно-плазменное напыление выполняют
в камере с давлением газа 10~2 Па, что умень-
шает загрязнение пленок. Суть процесса ана-
логична катодному распылению (КР), но име-
ет некоторые особенности. Катод — нагревае-
мый и отделен от мишени. Между анодом и
катодом создают магнитное поле, вектор маг-
нитной индукции которого смещен на неболь-
шой угол относительно оси анод—катод. Эле-
ктроны, которые вылетели из катода, двигают-
ся к аноду по спиральным траекториям вокруг
оси анод—катод, проходя путь намного боль-
ший, чем расстояние анод—катод. Благодаря
этому степень ионизации газа на один-два по-
рядка выше, чем при КР, и скорость распыле-
ния увеличивается. Напротив мишени на не-
большом расстоянщ^ размещают подложку, на
которой конденсируется материал.
Магнетронное распыление используют тог-
да, когда необходимо увеличить скорость осажде-
ния пленки или при той же самой скорости сни-
зить давление нейтрального газа и, соответствен-
но, уменьшить загрязнение пленки. Достигают
этого с помощью магнитного поля, вектор маг-
нитной индукции которого перпендикулярен оси
анод—катод. Электроны, вылетающие из катода,
под действием поперечного магнитного поля
двигаются по сложным траекториям, ионизируя
на своем пути газ и увеличивая концентрацию
ионов, а следовательно, и скорость распыления.
Рассмотренные способы распыления на по-
стоянном токе применяют для напыления ме-
таллических и полупроводниковых пленок.
Для нанесения диэлектрических пленок на ми-
шень в виде металлической пластины с диэлек-
трическим слоем на поверхности подают пере-
менное напряжение ВЧ и большой амплитуды.
Невакуумные методы Н. п. включают: элек-
трохимическое или химическое осаждение и
трафаретную печать (технологию стеклоэмале-
вых пленок и покрытий). Трафаретная пе-
чать — способ нанесения на керамическую ос-
нову сквозь трафарет композиционных паст с их
последующей термообработкой для получения
необходимых физических свойств. Трафаретом
называют тонкую пластину или сетку с отвер-
стиями в форме рисунка заданной конфигура-
ции одного топологического слоя. Пасты —
композиции порошков металлов, их оксидов,
стекла с органическими каркасообразующими
материалами и растворителями, присадками для
смачивания и регулирования вязкости. По на-
значению пасты делят на проводниковые, рези-
стивные, диэлектрические, изоляционные и пр.
232
РАДИОТЕХНИКА
10.11. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИМС, БИС И МС
Подстройка номинала элемента — тех-
нологическая операция обеспечения с задан-
ной точностью значения сопротивления резис-
тора или емкости конденсатора добавлением
или исключением отдельных регулировочных
секций в специальной конструкции подстраи-
ваемого элемента. Подстройка может быть
только дискретной и индивидуальной для каж-
дого элемента.
Подгонка пленочных резисторов основыва-
ется на изменении удельного поверхностного
сопротивления rs резистивного слоя или конфи-
гурации его поверхности (ширины или длины)
и направлена на увеличение сопротивления.
Самое широкое применение нашли способы
групповой подгонки изменением rs во время
термообработки резистивйШХ пленок в вакуу-
ме, оксидирования поверхности на воздухе или
в среде кислорода и ионного легирования плен-
ки. Групповые способы подгонки могут обес-
печивать точность сопротивления в несколько
процентов. Для индивидуальной подгонки за-
частую используют термотоковый и лазерный
способы. При термотоковой подгонке по резис-
тору пропускают электрический ток, который
нагревает пленку и изменяет rs благодаря уве-
личению размеров кристаллитов. Одновремен-
но может происходить оксидирование поверх-
ности, что уменьшает толщину пленки. Лазер-
ной подгонкой изменяют ширину b резисторов.
Разделение пластин и подложек — способ
выделения кристаллов и плат, изготовленных на
одной пластине или подложке. Осуществляется
после изготовления всех элементов ИМС. На
одной пластине или подложке может быть
сформировано от нескольких десятков до не-
скольких тысяч кристаллов ПИМС или около
десятка плат ГИС. Р. п. п. выполняют: дисками
с внешней алмазной режущей кромкой; сталь-
ными полотнами или проводом с применением
эмульсии с абразивом; скрайбированием; лазер-
ным лучом. Р. п. п. на круглые кристаллы и пла-
ты выполняют ультразвуковым резанием.
Термическое оксидирование кремния —
высокотемпературный процесс наращивания
монолитных пленок SiO2 на поверхности
кремниевых пластин при взаимодействии
кремния с окислителем. Т. о. к. выполняют в
диффузионных печах, пропуская над поверх-
ностью пластин кислород, пары воды или их
смесь при температуре 1000...1300°С. Темпе-
ратурные коэффициенты расширения SiO2 и Si
близки, благодаря чему механических повреж-
дений пленки при изменении температуры не
происходит. Пленка SiO2 имеет хорошие диэле-
ктрические свойства (е = 3.. .4, Епр = 600 В/мкм)
и широко применяется в качестве тонкого под-
затворного диэлектрика в МДП ПТ, для маски-
рования при локальном легировании, защиты
поверхности и выходов ^-«-переходов от внеш-
них влияний, для изоляции элементов и меж-
слойной изоляции в ИМС. Скорость наращива-
ния пленки в атмосфере влажного кислорода
приблизительно в 10 раз превышает скорость
ее наращивания в атмосфере сухого кислорода,
но качество пленки хуже. В технологическом
процессе производства ИМС для создания за-
щитных пленок SiO2 процессы оксидирования
поверхности в сухом, влажном и снова сухом
кислороде чередуют. Локальное выращивание
пленок SiO2 выполняют сквозь маски нитрида
кремния.
Эпитаксия — процесс наращивания на
пластину монокристаллического слоя эпитак-
сиальной пленки (ЭП), который повторяет
структуру пластины и ее кристаллографичес-
кую ориентацию. В большинстве своем мате-
риалы пленки и пластины одинаковые, но мо-
гут применяться разные материалы с близкой
кристаллической структурой (например, плен-
ки Si наращивают на монокристаллическом
сапфире и шпинели). ЭП наращивают на всей
поверхности пластины. Для создания много-
слойной структуры выполняют несколько по-
следовательных эпитаксий. ЭП наращивают
восстановлением четыреххлористого кремния
водородом или пиролизом силана. На пласти-
ны Si, размещенные на графитовом держателе,
при температуре близкой к 1200°С подают по-
ток водорода с концентрацией SiCl4 в несколь-
ко долей процента. На поверхности пластин
происходит восстановление Si из SiCl4. Одно-
временно в реактор вводят газообразные со-
единения доноров или акцепторов, которые
равномерно легируют наращиваемую пленку.
Скорость наращивания пленки 0.1... 1 мкм/мин
и зависит от температуры, концентрации SiCl4
и кристаллографической ориентации поверх-
ности. Для создания очень тонких (до несколь-
ких нанометров) пленок и резких ^-«-перехо-
дов, необходимых для изготовления арсенид-
галлиевых ИМС, используют молекулярно-лу-
чевую эпитаксию.
10.11. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА
ИМС, БИС и МС — совокупность технологи-
ческих операций (ТО) или процессов преобра-
зования свойств и форм, контрольно-измери-
тельных операций, а также испытаний, осуще-
Глава 10. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
233
10.11. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИМС, БИС И МС
ствляемых с исходными материалами, полуфа-
брикатами или отдельными электронными эле-
ментами, для создания ИМС, БИС и МС как
законченных изделий, которые имеют задан-
ные параметры при приемлемых экономичес-
ких показателях. Т. п. состоит из определенно-
го числа ТО и переходов, выполняемых в за-
данной последовательности. В производстве
ИМС можно выделить два цикла: изготовление
кристаллов, плат и разделение пластин и под-
ложек на кристаллы, платы; сборка и монтаж
ИМС. Операции первого цикла (например, для
ПИМС) направлены на формирование на крис-
таллах необходимого числа транзисторов, ре-
зисторов, конденсаторов и создания соедине-
ний между ними таким образом, чтобы реали-
зовать заданную функцию ИМС; операции
второго цикла — на создание законченной кон-
струкции ИМС, ГИС или МС.
Специфической особенностью изготовле-
ния ИМС является интегрально-групповой ме-
тод производства, когда во время одной ТО
обрабатывают миллионы элементов. Этим до-
стигается близость их параметров, повышает-
ся процент выхода годных ИМС и снижается
их стоимость. Групповые методы объединяют
все процессы и операции, которые применяют
при изготовлении кристаллов, плат и, в некото-
рых случаях, при сборке. Важной особеннос-
тью Т. п. ИМС является использование типо-
вых технологических процессов (ТП) — сово-
купности ТП или ТО, которые выполняются в
определенной последовательности на конкрет-
ном технологическом оборудовании для созда-
ния групповыми методами ИМС определенной
структуры и конструкции. Применение типо-
вых ТП позволяет создавать множество раз-
личных ИМС на одной конструктивно-техно-
логической основе, что обеспечивает одинако-
вый уровень качества и надежности.
Технология гибридных ИМС, БИС и
МС — технологический процесс, в основу ко-
торого положены различные способы форми-
рования пассивных пленочных элементов и ис-
пользования компонентов и бескорпусных
ИМС. Поэтому в технологии изготовления
ГИС и МС можно выделить два основных цик-
ла производства: изготовление плат — форми-
рование на подложках пленочных элементов,
межэлементных и межкомпонентных соедине-
ний и контактных площадок; сборка и защита
плат — разделение подложек на платы, монтаж
компонентов и плат в корпус и их защита. Пла-
ты для ГИС и МС можно изготовлять по тонко-
или толстопленочной технологии. Характер-
ной особенностью технологии ГИС и МС яв-
ляется возможность подгонки элементов на
этапе изготовления плат и замены компонен-
тов на этапе сборки, что повышает качество и
процент выхода годных ИМС.
Технология полупроводниковых ИМС.
Все элементы ИМС формируют в кристалле на
основе однотипной транзисторной структуры —
биполярной или МДП. Соответственно разли-
чают биполярную и МДП технологии. Для из-
готовления биполярных ИМС используют ряд
технологий, которые различаются способом
формирования транзисторных структур и ме-
тодом изоляции элементов: обратно смещен-
ным ^-«-переходом, диэлектрической облас-
тью и их комбинацией. Самыми распростра-
ненными являются такие технологические
процессы (ТП): стандартная планарно-эпитак-
сиальная технология со скрытым слоем и изо-
ляцией ^-«-переходом; изопланарная техноло-
гия; КПД-технология, которая основывается
на коллекторной изолирующей диффузии и др.
Структуры, сформированные этими ТП, пока-
заны на Рис. 10.3, а, б, в, соответственно. Для
изготовления МДП ИМС широко применяют
такие ТП: самосовмещенную тол стооксидную
технологию, изопланарную КМДП техноло-
гию, технологию «кремний на диэлектрике».
Структуры, сформированные этими ТП, изоб-
ражены на Рис. 10.4, а, б, г, соответственно.
Технологии перспективные. Комплемен-
тарная МДП {КМДП)-технология в последние
годы развивалась опережающими темпами по
сравнению с другими благодаря ряду своих
преимуществ: ИМС, изготовленные по этой
технологии, имеют малую мощность потреб-
ления, устойчивы к нестабильности напряже-
ний питания и рабочих температур, имеют зна-
чительный запас помехоустойчивости, про-
стые топологию и процесс конструирования;
возможно создание цифровых и аналоговых
ИМС на одном кристалле, а также трехмерных
ИМС с чрезвычайно большой степенью интег-
рации и пр. Развитие КМДП-технологии стало
возможным благодаря уменьшению топологи-
ческих норм до 0.25 мкм, что позволило со-
здать ЗУ с произвольной выборкой емкостью
256 Мбит с комплексным показателем качества
51015 вентилей • Гц/см2.
Физических ограничений функционирова-
ния полупроводниковых приборов с топологи-
ческими нормами до 0.25 мкм не существует.
Тем не менее для ИМС на МДП ПТ ограничи-
234
РАДИОТЕХНИКА
10.11. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИМС, БИС И МС
Рис. 10.3
И 3 с изс сзи
Рис. 10.4
Глава 10. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
235
10.11. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИМС, БИС И МС
телем степени интеграции выступает напряже-
ние питания, а для ИМС на БТ — рассеиваемая
мощность, которая ограничивает также сте-
пень интеграции «-канальных МДП ИМС.
КМДП-технология совершенствуется за
счет улучшения электрических параметров р-
канальных транзисторов, изоляции между п- и
/7-канальными транзисторами путем создания
глубоких канавок под изолирующими оксидны-
ми областями, карманов с обратным профилем
легирования, мелких стоковых и истоковых об-
ластей, применению силицидов тугоплавких
металлов и пр. В самое ближайшее время сле-
дует ожидать изготовления полупроводнико-
вых БИС с 108 транзисторами на одном крис-
талле, а разработанные способы автоматизации
производства могут обеспечить изготовление
КМДП ИМС с выходом годных до 85%. Даль-
нейшее развитие КМДП-технологии будет ид-
ти по пути создания трехмерных ИМС с ОЗ и
многоуровневым размещением транзисторов,
что даст возможность увеличить степень инте-
грации, а также быстродействие ИМС благода-
ря уменьшению длины проводников.
Размещение на одном кристалле БТ и
КМДП ПТ обеспечит увеличение быстродей-
ствия схем на вентильных матрицах, которые
являются одним из современных направлений
развития технологии ИМС.
Значительное развитие приобретает
КМДП-технология в производстве аналоговых
ИМС. МДП ОУ занимают в 3...5 раз меньшую
площадь, чем ОУ на БТ. Поэтому на одном
кристалле можно изготовить десятки ОУ, кото-
рые будут выполнять, например, функции уп-
равляемых источников напряжения и тока. Уже
разработан ОУ на КМДП-транзисторах с поло-
сой частот 50 МГц для использования в уст-
ройствах коррекции характеристик скорост-
ных каналов связи.
Развитие биполярной технологии идет пу-
тем создания БТ с самосовмещенной структу-
рой и одномикрометровыми топологическими
нормами, напряжением питания 2 В и работой
переключения 0.2 пДж (см. Рис. 10.3, г). Изоля-
ция БТ выполняется глубокими канавками по
типу КМДП ИМС. Применение поликремние-
вых эмиттерных контактов даст возможность
уменьшить вертикальные размеры БТ при вы-
соком коэффициенте усиления по току и доста-
точном напряжении смыкания областей эмит-
тера и коллектора. Увеличения быстродействия
биполярных ИМС достигают благодаря умень-
шению ширины эмиттерной области, созданию
самосовмещенных структур, использованию
базовых и эмиттерных самосовмещенных кон-
тактов. Однако степень интеграции ИМС на
скоростной эмиттерно-связанной логике оста-
нется ограниченной. Так, при рассеиваемой
мощности 1мВт на один ЛЭ и при достижимом
уровне 20 тыс. ЛЭ на кристалл рассеиваемая
мощность будет составлять 20 Вт, что потребу-
ет дополнительных устройств для охлаждения.
В полупроводниковых БИС будет широко
использоваться непороговая логика, интег-
ральная Шоттки логика и интегральная инжек-
ционная логика, которые имеют меньшую ра-
боту переключения, чем эмиттерно-связанная
логика, и дадут возможность повысить в два-
три раза степень интеграции без увеличения
рассеиваемой кристаллом мощности.
Около 30 лет ведутся разработки скоростных
биполярных комплементарных ИМС с малой или
почти нулевой мощностью покоя. Полученные
результаты позволяют утверждать, что в ближай-
шее время значительное развитие получат бипо-
лярные комплементарные ИМС, а также техно-
логия изготовления ИМС на арсениде галлия.
10.12. ЭЛЕМЕНТ ИМС — конструктивно
выделенная и нераздельно от кристалла или
подложки сформированная часть ИМС, которая
реализует функцию одного из ЭРЭ и с точки
зрения требований к испытаниям, приемке,
снабжению и эксплуатации не может рассмат-
риваться как самостоятельное изделие. Под
ЭРЭ понимают транзистор, диод, резистор и пр.
Биполярные транзисторы (см. ст. 29.1)
разделяют на бескорпусные (компоненты ГИС
и МС) и интегральные в общей полупроводни-
ковой основе транзисторы ПИМС, которые яв-
ляются элементами. ИМС. Структуры БТ
ПИМС имеют существенные отличия от струк-
тур дискретных транзисторов. В ИМС исполь-
зуют в основном кремниевые «+-р-«-транзис-
торы. Поскольку в них неосновными носителя-
ми в области базы являются электроны, обла-
дающие большей подвижностью, чем дырки,
эти транзисторы имеют лучшие электрические
параметры: высокие предельные частоты и бы-
стродействие. Кроме того они более техноло-
гичны, чем /?-«-/?-транзисторы.
Для обеспечения максимального коэффи-
циента инжекции эмиттера в качестве легиру-
ющего вещества для него используют фосфор,
который имеет максимальную растворимость в
кремнии и является донорной примесью. По-
вышенную концентрацию примеси в области
эмиттера обозначают как «+.
236
РАДИОТЕХНИКА
10.12. ЭЛЕМЕНТ ИМС
БТ ПИМС (см. Рис. 10.3), в отличие от дис-
кретных транзисторов, имеют особую конст-
рукцию или дополнительные области, которые
изолируют их от общей полупроводниковой
подложки. Все выводы транзистора располага-
ются на поверхности, что дает возможность
соединять транзисторы между собой и с други-
ми элементами ПИМС пленочными металли-
ческими проводниками или высоколегирован-
ными областями, которые выполняют функции
проводников. Такие структуры БТ называются
планарными.
Конструкции и технология изготовления
БТ дают возможность одновременно создавать
диоды, резисторы, конденсаторы и другие эле-
менты, которые формируют на основе эмиттер-
ной, базовой и коллекторной областей. Конст-
рукции БТ различаются способами изоляции.
В первых разработках ИМС самыми рас-
пространенными были эпитаксиально-планар-
ные транзисторы (ЭПТр) с углубленной п+-об-
ластью и изоляцией ^-«-переходом (Рис. 10.3,
а). Транзистор выполнен на кремниевой плас-
тине 1 /7-типа проводимости в высокоомном
эпитаксиальном слое 3 «-типа с поверхност-
ным сопротивлением 1500... 1700 Ом/П толщи-
ной 2... 15 мкм. Локальной диффузией мышья-
ка или сурьмы в пластину создают углублен-
ный слой 4 «+-типа с низким удельным сопро-
тивлением. Диффузией бора на глубину, кото-
рая превышает толщину эпитаксиального слоя
3, формируют изолирующие области 2 //-типа,
которые окружают со всех сторон коллектор-
ную область. Боковые поверхности области 2 и
нижняя поверхность области 4 являются грани-
цами коллекторной области. На основу 1 и со-
единенную с ней изолирующую область 2 пода-
ют отрицательное напряжение, которое смеща-
ет изолирующие переходы в обратном направ-
лении. Поскольку обратный ток изолирующего
перехода мал, обеспечивается удовлетвори-
тельная изоляция транзистора от основы. Обла-
сти, окруженные со всех сторон изолирующи-
ми /^-«-переходами, называют карманами, или
изолированными областями. В них размещают
не только БТ, но и другие элементы ИМС.
Основное преимущество этого способа изо-
ляции и конструирования БТ — простая техно-
логия, однако изоляция /^-«-переходом несовер-
шенна: изолирующие области //-типа занимают
значительную площадь кристалла; изолирую-
щий переход вносит барьерную емкость, кото-
рая увеличивает задержку переключения им-
пульсных ИМС и снижает предельную частоту
аналоговых ИМС; при повышении температуры
и ионизирующем облучении увеличивается об-
ратный ток, ухудшающий изоляцию. Базовую
область 5 /7-типа создают локальной диффузией
бора на глубину 2...3 мкм (поверхностное со-
противление слоя 100...200 Ом/G), а эмиттер-
ную область 6 — локальной диффузией фосфо-
ра на глубину 1.5.. .2 мкм (поверхностное сопро-
тивление слоя 2...3 Ом/П). Область 7 «+-типа
формируют вместе с областью эмиттера 6. Она
предназначена для создания омических контак-
тов с высокоомной коллекторной областью 3.
Применение последней уменьшает емкость р-п-
перехода коллектор — база и улучшает частот-
ные свойства транзистора. Низкоомный углуб-
ленный слой 4 шунтирует размещенный над
ним высокоомный слой 3, уменьшая сопротив-
ление коллекторной области. Это позволяет так-
же улучшить частотные свойства транзистора,
уменьшить напряжение насыщения Цсэнас и та-
ким образом снизить напряжение низкого уров-
ня цифровых ИМС, в которых транзистор вклю-
чен по схеме с ОЭ и они работают в режиме на-
сыщения. ЭПТр используют для изготовления
ИМС малой и средней степеней интеграции.
На Рис. 10.3, в показана структура БТ с изо-
ляцией обратно смещенной коллекторной обла-
стью. Коллектор (изолирующую область 2) со-
здают диффузией примеси п-типа сквозь тон-
кий (1...2 мкм) эпитаксиальный слой 3 /7-типа
до смыкания с углубленным слоем 4 «+-типа.
Созданная замкнутая область 2, 4 является кол-
лектором, а размещенная внутри /7-область 3 —
базой БТ. Эмиттер 5 создают локальной диффу-
зией примеси «-типа в базовую область. Благо-
даря исключению специальных изолирующих
областей существенным образом уменьшена
площадь транзистора, повышена степень интег-
рации, увеличена частота переключения, умень-
шено напряжение насыщения £7Кэнас> упрощен
технологический процесс изготовления БТ.
Основным способом изоляции элементов
современных ИМС является способ комбини-
рованной изоляции, который объединяет изо-
ляцию диэлектриком и /7-«-переходом. Струк-
тура изопланарного транзистора (ИТ) с ком-
бинированной изоляцией, показана на Рис.
10.3, б. Боковую поверхность БТ изолируют
слоем диоксида кремния 2, а дно — обратно
смещенным р-п-переходом. Для изоляции од-
ного БТ от других под внешней изоляционной
областью 2 по периметру транзистора созда-
ют противоканальные области /?+-типа. Се-
лективное оксидирование кремния выполня-
Глава 10 МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
237
10.12. ЭЛЕМЕНТ ИМС
ют так, чтобы нижняя граница областей 2, 8
достигла углубленного слоя 4, а верхняя —
восстановила плоскую поверхность пласти-
ны. Внутренняя изолирующая область 8 отде-
ляет контакт 7 области коллектора от базы,
чем обеспечивает самосовмещение области
базы 5 с областью коллектора 3. Боковые гра-
ницы базы 5 совмещены с границами изоли-
рующих областей из диоксида кремния 2, 8, и
база формируется по всей площади коллекто-
ра 3 без создания специальной маски перед
началом этой технологической операции. Три
стороны эмиттерной области 6 (за исключе-
нием четвертой, повернутой к базовому кон-
такту) самосовмещены с базовой областью.
Области базы и эмиттера создают диффузией
или ионным легированием.
Главное преимущество ИТ в том, что при
одинаковой площади эмиттерних областей об-
щая площадь БТ с учетом изолирующей облас-
ти составляет 200...500 мкм2 и на порядок
меньше площади ЭПТр. Значительно уменьше-
ны площади коллекторного и изолирующих пе-
реходов и их барьерные емкости. ИТ отличают-
ся конструкцией боковых изолирующих облас-
тей, которые могут быть V- или U-подобными с
заполнением поликристаллическим кремнием.
В развитии современных конструкций БТ
выделяют три особенности: самосовмещение,
изоляцию глубокими канавками, поликремние-
вые эмиттерный и базовый контакты. Структу-
ра перспективного БТ с одномикрометровыми
топологическими нормами показана на Рис.
10.3, г. Благодаря самосовмещенной структуре
и изоляции глубокими канавками 1 уменьшена
площадь и работа переключения транзистора,
увеличена степень интеграции, а благодаря ис-
пользованию поликремниевых контактов 3
уменьшены вертикальные размеры БТ при вы-
соком коэффициенте передачи тока. Глубина
базы 4 не превышает 0.5 мкм, а эмиттера —
0.1 мкм. В активной области базы 4 (под эмит-
тером) концентрация примеси низкая. Это дает
возможность увеличить коэффициент переда-
чи транзистора а, но при этом уменьшается на-
пряжение пробоя эмиттер — коллектор. В пас-
сивную область базы 2 проводят дополнитель-
ную имплантацию бора, уменьшая поверхно-
стное сопротивление до 100...200 Ом/D. Кон-
такт с пассивной областью базы осуществляют
симметричными поликремниевыми контакта-
ми 3, что является также дополнительным ис-
точником легирования. Другие элементы
структуры аналогичны рассмотренным ранее.
Биполярные /7-«-/7-транзисторы широко ис-
пользуют в аналоговых ИМС и, если они изго-
товляются в едином технологическом цикле с
«+-/?-«-транзисторами, имеют горизонтальную
конструкцию и заметно худшие электрические
параметры. На Рис. 10.3, д показана структура
изопланарного /7-«-/?-транзистора. Базовую об-
ласть 4 создают в эпитаксиальном слое «-типа.
Эмиттерную 6 и коллекторную 5 области /7-ти-
па формируют одновременно с базовой облас-
тью «+-/7-«-транзистора. По сравнению с вер-
тикальным «+-/7-«-транзистором горизонталь-
ный является бездрейфовым; активная область
базы размещена вблизи поверхности, где вре-
мя жизни и подвижность дырок меньше, чем в
глубине; толщина базы зависит от разреша-
ющей способности литографии; дырки из об-
ласти эмиттера инжектируются в базу также
через дно эмиттера, где они могут рекомбини-
ровать, не достигая коллектора, уменьшая ко-
эффициент передачи а. Для горизонтальных р-
«-/7-транзисторов 0 = 2...20, предельная часто-
та составляет 20... 120 МГц.
Горизонтальная структура дает возмож-
ность формировать многоколлекторные р-п-р
транзисторы (МКТ). Для этого коллекторную
область разделяют на несколько частей и от
каждой из них делают отдельный вывод (К1,
К2). Коллекторные токи пропорциональны пло-
щади коллекторов. Если вывод базы соединить
с источником постоянного тока, то каждый из
выводов коллекторов можно рассматривать как
отдельный источник постоянного тока. МКТ
используют в элементах интегральной инжек-
ционной логики (см. Рис. 10.2, а). Наиболее эф-
фективный путь улучшения параметров р-п-р-
БТ — использование вертикальной структуры.
Она аналогична показанной на Рис. 10.3, г при
условии соответствующего изменения типа эле-
ктрической проводимости областей.
Разработка вертикальных /?+-«-/7-транзис-
торов с самосовмещеной структурой открыла
возможность создания скоростных комплемен-
тарных аналоговых ИМС с малой или почти
нулевой мощностью покоя.
Многоэмиттерные п-р-п-транзисторы
(МЭТ) имеют в базовой области четыре—во-
семь эмиттерных областей. Эти транзисторы
изготовляют одновременно и с помощью тех
же технологических операций, что и одно-
эмиттерные. Они применяются в цифровых
ИМС транзисторно-транзисторной логики,
включаются на входе типовой ячейки и явля-
ются совокупностью «+-/7-«-транзисторов, в
238
РАДИОТЕХНИКА
10.12. ЭЛЕМЕНТ ИМС
которых все базовые (в отдельности) и коллек-
торные (в отдельности) выводы соединены
между собой (см. Рис. 10.2, б). Для повышения
быстродействия цифровых ИМС, в которых БТ
работают в режиме насыщения, широко ис-
пользуют транзисторы Шоттки. Они имеют
уменьшенное время рассасывания неосновных
носителей в области коллектора.
При разработке современных ИМС широко
применяют масштабирование — метод конст-
руирования ИМС, при котором уменьшают го-
ризонтальные и вертикальные размеры эле-
ментов, сохраняя неизменными значения элек-
трических полей и удельной мощности в при-
борах. Для БТ возможно уменьшение тополо-
гических размеров до 1 мкм, но степень интег-
рации биполярных ИМС ограничивается рас-
сеиваемой кристаллом мощностью.
Диоды зачастую являются структурами с
/7-«-переходом, которые создают на основе
транзисторов в диодном включении. Основ-
ные электрические параметры Д. ограничены
требованиями к транзисторам. Бескорпусные
или миниатюрные Д., которые используют как
компоненты ГИС и МС, по структуре анало-
гичны дискретным Д.
Индуктивные элементы (ИЭ) выполняют
в виде плоских квадратных или круглых спи-
ралей, отдельных витков или прямоугольных
отрезков пленочных проводников, которые на-
носят на диэлектрическую или магнитную
подложку илй пленку. Максимальная индук-
тивность определяется внешним диаметром
спирали, который ограничивают 15...20 мм.
Если не применять магнитных подложек или
пленок, то значение индуктивности не превы-
шает нескольких микрогенри. Поскольку про-
водник спирали имеет большую длину, его со-
противление достигает нескольких ом, что
снижает добротность ИЭ. Экраны и прочие ме-
таллические элементы конструкции, разме-
щенные вблизи спиральных катушек, умень-
шают ее индуктивность и добротность. Толщи-
на проводника катушек должна, как минимум,
втрое превышать глубину скин-слоя, что при-
водит к некоторым технологическим сложнос-
тям. ИЭ в СВЧ ИМС должны иметь длину про-
водника намного меньше длины волны.
Конденсаторы бывают пленочные, типа
МДП и диффузионные (на основе ^-«-перехо-
дов). Пленочные конденсаторы состоят из
двух проводящих перекрывающихся обкладок
(преимущественно из алюминия), разделен-
ных между собой диэлектриком. Конструкция
формируется на диэлектрической основе или
изоляционном слое. Используют различные
диэлектрические материалы с удельной емкос-
тью 10... 1000 пФ/мм2, которые наносят на по-
верхность вакуумными методами. Это дает
возможность создавать конденсаторы емкос-
тью 20.. .1000 пФ с достаточной добротностью
и рабочим напряжением 6...50 В. Емкость бо-
лее 1000 пФ можно создать в многослойных
конденсаторах с последовательным нанесени-
ем проводящих и диэлектрических пленок, а
емкость менее 30 пФ — с помощью гребенча-
той конструкции конденсатора.
Конденсаторы ПИМС выполняют как
МДП типа, так и диффузионными. МДП-кон-
денсаторы представляют собой структуры, од-
ной из обкладок которых является «+-слой, со-
зданный одновременно с эмиттерными облас-
тями БТ или областями истока и стока МДП
ПТ. В качестве диэлектрика применяют SiO2
или SiO2 и Si3N4. Верхнюю обкладку делают
из алюминия. Для увеличения удельной емкос-
ти толщину диэлектрика выбирают минималь-
но возможной, но такой, которая обеспечивает
необходимое напряжение пробоя. Диффузион-
ные конденсаторы создают на основе барьер-
ных емкостей обратно смещенных ^-«-перехо-
дов БТ. Поскольку эти конденсаторы создают
вместе с эмиттерными, базовыми или коллек-
торными областями транзисторов значения
удельных емкостей соответствующих перехо-
дов определяются требованиями к транзисто-
ру. Изменяя напряжение смещения на ^-«-пе-
реходе, можно электрически управлять значе-
ниями емкостей конденсаторов.
Полевые транзисторы (см. ст. 29.7) вклю-
чают интегральные МДП ПТ, ПТ с управляю-
щим ^-«-переходом и ПТ с управляющим пере-
ходом металл—полупроводник. Большинство
цифровых ИМС изготовляют на МДП ПТ. Это
связано с тем, что они занимают на порядок
меньшую площадь (приблизительно 25 мкм2),
чем БТ, технологический процесс их изготовле-
ния существенно проще, они имеют высокое
входное сопротивление и хорошие переключа-
тельные свойства, могут выполнять функции
резисторов или конденсаторов. Существует че-
тыре основных типа МДП ПТ: «- и ^-канальные
с индуцированными и встроенными каналами.
ПТ, в которых носителями заряда в области ка-
нала являются электроны, называют «-каналь-
ными, а если носителями заряда являются дыр-
ки, то — /7-канальными. Канал МДП ПТ— рас-
положенная под затвором область транзистора,
Глава 10. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
239
10.12. ЭЛЕМЕНТ ИМС
которая имеет тип электрической проводимос-
ти, противоположный типу электрической про-
водимости основы и соединяет области истока
и стока. Глубина канала — приблизительно
0.0075 мкм. Канал может быть создан во время
изготовления транзистора введением в область
между истоком и стоком донорной примеси для
«-канальных ПТ или акцепторной примеси для
/7-канальных. Такие транзисторы называют
транзисторами со встроенными каналами.
Канал можно создать также с помощью
электрического поля. Если на затвор ПТ, в ко-
тором во время его изготовления не был создан
канал, подать положительное напряжение для
«-канальных ПТ (основа /7-типа) или отрица-
тельное напряжение для /7-канальных (основа
«-типа), то под областью затвора произойдет
инверсия типа электрической проводимости
основы и будет индуцирован канал между ис-
током и стоком. Такие транзисторы называют
ПТ с индуцированными каналами.
В ИМС в качестве усилительных зачас-
тую применяют ПТ с индуцированными ка-
налами «-типа (Рис. 10.4, а, в). ПТ со встро-
енными каналами используют как нелиней-
ные резисторы. В комплементарных МДП
(КМДП) ИМС применяют ПТ с индуциро-
ванными каналами «- и /7-типов (Рис. 10.4, б,
г). Комплементарными называют ИМС, в ко-
торых ЛЭ созданы с применением транзисто-
ров со взаимно дополняющими типами (п- и
/7-канальных). При одинаковой конструкции
«-канальные ПТ имеют большие крутизну
характеристики и предельную частоту, чем р-
канальные, благодаря большей подвижности
электронов по сравнению с дырками. В боль-
шинстве ИМС используют ПТ с горизонталь-
ными каналами, хотя разработаны также ПТ с
наклоненными или вертикальными каналами.
Последние занимают меньшую площадь и
перспективны для повышения степени интег-
рации ИМС.
Структуры «кремний на сапфире»
(Рис. 10.4, в) или «кремний на диэлектрике»
(Рис. 10.4, г) повышают быстродействие, сте-
пень интеграции и радиационную стойкость
МДП ИМС.
Конструкции МДП ПТ классифицируют
по типу электрической проводимости канала,
материала затвора и подзатворного диэлектри-
ка, способа формирования основных облас-
тей. Структура «-канального ПТ с самосовме-
щенным поликремниевым затвором и разде-
лительными областями, созданными локаль-
ным оксидированием, показана на Рис. 10.4, а.
Она применяется для создания ИМС, которые
имеют ПТ с индуцированными и встроенными
каналами. Транзистор создают на слаболеги-
рованной основе 1 /7-типа. Ионным легирова-
нием бором формируют противоканальные
области /7-типа 2, а после этого глубоким окси-
дированием создают разделительные области
3, которые окружают ПТ. Области 3 разделяют
соседние транзисторы, а области 2 предотвра-
щают образование инверсных слоев «-типа
под толстым оксидом, которые могли бы вы-
звать паразитную связь между соседними ПТ.
Наиболее сложной технологической операци-
ей изготовления МДП ИМС является создание
диэлектрического слоя 5 под затвором 6, кото-
рый должен иметь высокую электрическую
прочность и минимальное значение заряда.
Изолируют затвор 6 в кремниевых ИМС с по-
мощью SiO2, в связи с чем такие ИМС обозна-
чают МОП (металл-оксид-полупроводник),
или сложным диэлектриком — МДП, который
включает оксид и нитрид кремния. Затем ион-
ным легированием мышьяком без дополни-
тельной маски (в качестве маски используют
область 3 и затвор 6) формируют исток И 4 и
сток С 7. Так выполняют самосовмещение об-
ластей исток—сток и затвора 3. Одновремен-
но легируют донорами затвор и поликремние-
вые проводники, уменьшая их электрическое
сопротивление. Выводы от областей 4, 7 изго-
товляют из алюминия.
Основным недостатком этой конструкции
является неплоскостность поверхности.
Структура изопланарного транзистора отлича-
ется от рассмотренной тем, что в ней раздели-
тельные области 3 создают практически плос-
кую поверхность; это дает возможность делать
металлизацию с минимальной высотой ступе-
нек на поверхности (как на Рис. 10.4, б). Для
этого сначала в местах разделительных облас-
тей 3 сквозь маску Si3N4 осуществляют травле-
ние кремния, а затем — имплантацию бора в
область 2 с последующим оксидированием до
создания плоской поверхности. Другие анало-
гичные области ПТ формируют так, как в рас-
смотренной конструкции «-канального ПТ.
Комплементарная изопланарная структу-
ра с карманом «-типа показана на Рис. 10.4, б.
Главная особенность структуры в том, что в
ней применяют комплементарные «- и /7-типов
ПТ с индуцированными каналами. Это дает
возможность создавать КМДП ИМС с практи-
чески нулевыми токами покоя и малой рассеи-
240
РАДИОТЕХНИКА
10.12. ЭЛЕМЕНТ ИМС
ваемой мощностью. Используют несколько
разновидностей КМДП структур, но предпо-
чтение отдают конструкции с карманом «-типа,
что обеспечивает повышенные рабочие харак-
теристики «-канальных ПТ. Структуру форми-
руют на слаболегированной пластине 1 р-типа;
«-канальный ПТ подобен показанному на Рис.
10.4, а: 4, 7 — исток и сток, 6 — поликремние-
вый самосовмещенный затвор, 5 — подзатвор-
ный диэлектрик. ПТ разделяют оксидными об-
ластями 3 с размещенными под ними противо-
канальными областями 2. ПТ с каналом р-типа
размещают в кармане 8; 9, 12 — исток и сток;
10 — подзатворный диэлектрик; 11 — поли-
кремниевый затвор. На область 8 во время ра-
боты ИМС подают «плюс» источника питания
посредством контакта 13. Пластину 1 соединя-
ют с «минусом» источника питания.
Структуру «кремний на сапфире» (КНС)
(Рис. 10.4, в) формируют в монокристалличе-
ской пленке кремния 2 p-типа толщиной
0.5... 1 мкм, которую наращивают гетероэпи-
таксией на сапфировой основе 1. Локальным
оксидированием на всю глубину 3 формируют
изолированные островки кремния, в каждом из
которых создают ПТ с каналами «- или р-типа.
Технологические операции (ТО) создания ПТ и
их последовательность аналогичны рассмот-
ренным ранее. Благодаря уменьшению емкости
^-«-переходов повышается быстродействие
ИМС. Основным недостатком КНС ИМС явля-
ется высокая стоимость сапфировых подложек.
Структура «кремний на диэлектрике»
(КНД) (Рис. 10.4, г) дешевле структуры КНС и
сохраняет все ее преимущества. На кремние-
вой основе 1 термическим оксидированием
выращивают слой оксида 2, на поверхности ко-
торого формируют монокристаллический слой
кремния 3. После рассмотренных ТО в той же
последовательности, что была изложена ранее,
разделяют слой 3 на островки, в которых фор-
мируют ПТ двух типов.
Особенно быстрое развитие в последние
годы получили КМДП структуры (см. Рис.
10.4, б, г), которые имеют минимальную по-
требляемую мощность. Поэтому они могут ис-
пользоваться для создания трехмерных ИМС,
и при этом не возникает проблемы отвода теп-
ла. Преимущества перехода к трехмерным
ИМС очевидны: высокие степень интеграции
и быстродействие. Для цифровых ИМС мас-
штабированием можно достичь длины канала
МДП ПТ 0.25 мкм, что дает возможность по-
высить степень интеграции ИМС.
Резисторы выполняют пленочными и полу-
проводниковыми. Пленочные резисторы (ПР)
состоят из резистивной полоски простой или
сложной формы и двух или более контактных
переходов для присоединения к другим элемен-
там ИМС. Резистивные подоски создают ваку-
умными методами, используя элементы (Сг, Та,
С), резистивные сплавы (Si-Cr), керметы
(SiO2-Cr) и пр. Параметры используемых мате-
риалов дают возможность получать поверхно-
стное сопротивление слоя rs от десятков ом на
квадрат до десятков килоом на квадрат и фор-
мировать резисторы в широком диапазоне со-
противлений и с довольно высокой точностью.
На одной подложке разброс значений сопротив-
лений составляет около 1%. ПР, сформирован-
ные на диэлектрических подложках, имеют ма-
лую паразитную емкость и хорошую изоляцию.
Конфигурация резистора определяется номи-
нальным значением сопротивления, материа-
лом резистивной полоски и площадью, отведен-
ной на плате.
В ПИМС ПР формируют на диэлектричес-
ких пленках над транзисторами с использова-
нием резистивных полосок из поликристалли-
ческого кремния, легированного примесями.
Для создания толстопленочных резисторов
применяют пасты на основе Au, Pt, Pd и др.
Пасты наносят через трафарет. Резисторы по-
лупроводниковых биполярных ИМС получают
на основе базового или эмиттерного слоя. Ба-
зовые слои используют для создания высоко-
омных, а эмиттерные — низкоомных резисто-
ров. Конструкции аналогичны ПР. Резисторы
ПИМС, как и транзисторы, размещают в изо-
лированных областях. Удельная барьерная ем-
кость р-«-перехода резистора на основе базо-
вого слоя составляет (2...4)10-4 пФ/мкм2. По-
этому резистор вместе с распределенной по его
длине емкостью образует ЯС-структуру с рас-
пределенными параметрами, которая применя-
ется в аналоговых ИМС для создания частот-
но-избирательных цепей. Однако в большинст-
ве своем эта емкость нежелательна, поскольку
ухудшает быстродействие ИМС. Чтобы создать
резистор с сопротивлением около 1 МОм, при-
меняют специальные пинч-резисторы, в кото-
рых площадь поперечного сечения резистив-
ной полоски уменьшена проведением эмиттер-
ной диффузии «-типа над резистивной полос-
кой р-типа или другими методами. В МДП
ИМС в качестве резисторов используют сопро-
тивление канала МДП ПТ, значение которого
зависит от напряжения на затворе.
Глава 10. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
241
10.12. ЭЛЕМЕНТ ИМС
ЛС-структуры с распределенными пара-
метрами применяют в качестве фильтров, фа-
зосдвигающих устройств, а также элементов
селективной ОС при построении активных
фильтров. Они обеспечивают сдвиг фазы свы-
ше 360°. Зачастую используют ЯС-структуры
двух типов: R-C-NR и C-R-NC. По исполнению
первая подобна пленочному конденсатору с
высокоомными обкладками с сопротивления-
ми R и NR (N — постоянный коэффициент).
Структура C-R-NC состоит из двух конденсато-
ров емкостью С и NC, которые имеют общую
обкладку из высокоомного материала с сопро-
тивлением R. Если #= 0, то обе структуры пре-
образуются в простую конструкцию ЯС-типа.
На основе ЯС-структур создают нулевые RC-
фильтры, в которых на заданной частоте коэф-
фициент передачи равен нулю.
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физические и технологиче-
ские основы, надежность. — М.: Высш, шк., 1986. — 464 с.
2. Аваев Н.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники. — М.: Радио и связь,
1991. —288 с.
3. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: Справочник / Под ред. С.В. Якубовского
— М.: Радио и связь, 1985. — 432 с.
242
РАДИОТЕХНИКА
ГЛДВД 11
ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
• Сверхвысокие частоты или
сверхкороткие волны —
все это относительно,
относительно роста
человека.
• Общим признаком приборов
и устройств СВЧ является их
соразмерность
с рабочей длиной волны.
• Развитие СВЧ приборов:
клистроны — 30-е годы,
магнетроны — 40-е годы,
лампы бегущей волны — 50-е годы,
СВЧ твердотельные диоды — 60—70-е
годы, СВЧ транзисторы — 70—80-е годы,
СВЧ интегральные
микросхемы — 80—90-е годы
XX века.
Приборы и устройства СВЧ — радиоэлек-
тронные средства генерирования, усиле-
ния и обработки сигналов в диапазоне элект-
ромагнитных волн длиной менее 1 м. Харак-
терные особенности электроники СВЧ — со-
измеримость периода колебаний с пролетным
временем носителей заряда и соответствую-
щая соразмерность деталей устройств с дли-
ной волны [1,2].
По характеру носителей энергии активные
приборы и устройства СВЧ подразделяют на
электронные и квантовые, а по типу активной
среды (пространства взаимодействия носителей
с электромагнитным полем) — на вакуумные,
газонаполненные, жидкостные и твердотельные.
Принципиальным отличием электронных
приборов и устройств СВЧ является целена-
правленное использование инерционности
движения носителей заряда и конечной скоро-
сти распространения ЭМВ, а квантовых при-
боров — разницы энергетических состояний
электронов, ионов, атомов, молекул в возбуж-
денной активной среде.
Обобщенно принцип действия ЭВП СВЧ
заключается в эмиссии электронов и придании
им начальной скорости, пространственной
группировке (периодическом уплотнении) по-
тока электронов и торможении уплотнений с
поглощением энергии потока с полем на часто-
те выходного сигнала. Наглядная механичес-
кая аналогия пространственной группировки
— движение индивидуальных транспортных
средств вдоль улицы с регулированием на пе-
рекрестках: автомобили периодически прибы-
вают к конечному пункту уплотненными груп-
пами (роль автомобилей играют электроны, а
светофоров — электромагнитные колебания в
электродинамической системе) [2—6].
Обобщенно принцип действия квантовых
приборов СВЧ заключается в накачке активно-
го вещества (т.е. придании его составляющим
Глава 11. ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
243
ГЛАВА 11
дополнительной энергии), распределении но-
сителей на квантово-механически возможных
энергетических уровнях (энергетической груп-
пировке), стимулировании организованного пе-
рехода носителей на низшие энергетические
уровни и поглощении энергии организованных
переходов полем на частоте выходного сигнала.
Наглядная механическая аналогия энергетиче-
ской группировки — движение коллективных
транспортных средств по установленному рас-
писанию (роль автобусов играют энергетичес-
кие уровни вещества, а расписания — электро-
магнитные колебания в резонаторе; пассажиры
периодически прибывают к конечному пункту
плотными группами намного организованнее,
чем при индивидуальном движении) [3, 4].
Твердотельные приборы СВЧ сочетают
особенности работы электровакуумных и
квантовых приборов. Например, лавинно-про-
летный диод по принципу действия ближе к
электровакуумным приборам, а междолинно-
переходный диод — к квантовым [7].
Пассивные устройства СВЧ используют
как элементы электродинамических систем ак-
тивных устройств или как составные части
трактов обработки сигналов в радиотехничес-
ких системах [8].
Рекомендуемая последовательность изуче-
ния статей раздела: 11.1, 11.5; другие статьи —
в произвольном порядке.
11.1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРО-
НОВ С ЭМП — совокупность физических
процессов, связанных с особенностями движе-
ния электронов в пространстве взаимодейст-
вия. Электрическое поле всегда взаимодейст-
вует с электронами благодаря наличию у по-
следних собственного электрического заряда.
Магнитное поле взаимодействует только с по-
движными электронами и только тогда, когда
направление движения электрона не совпадает
с направлением внешнего магнитного поля.
Это обусловлено возникновением собственно-
го магнитного поля электрона только во время
его движения и кольцевой ориентацией этого
поля в плоскости, перпендикулярной к направ-
лению движения.
Электрон всегда движется кратчайшим пу-
тем к наиболее положительно заряженному
участку пространства взаимодействия (Рис.
11.1, а). Совокупность электронов движется
так же, но «расталкивая» друг друга из-за одно-
именности зарядов что предопределяет расфо-
кусировку электронного потока, (Рис. 11.1, б).
Наличие кольцевого электрода с отрицатель-
ным потенциалом вынуждает электронный по-
ток уплотняться в направлении оси (электро-
статическая фокусировка, Рис. 11.1, в). Пери-
одически переменное по направлению про-
дольное электрическое поле заставляет часть
электронов замедлиться, а часть — ускориться,
что вызывает пространственную модуляцию
потока по плотности (Рис. 11.1, г). Продольное
внешнее магнитное поле не взаимодействует с
электроном, поскольку его направление и на-
правление собственного магнитного поля элек-
трона взаимно ортогональны (Рис. 11.2, а).
Траектории движения электронов в продоль-
ном магнитном поле были бы прямолинейны-
ми, если бы не «расталкивание» соседних эле-
244
РАДИОТЕХНИКА
11.2. ПРИБОРЫ КВАНТОВЫЕ
ктронов собственными электрическими поля-
ми. Вытолкнутые электроны немного отклоня-
ются от оси потока, нарушая ортогональность
своих магнитных полей относительно внешне-
го магнитного поля, и благодаря действию сил
Лоренца начинают вращаться вокруг оси пото-
ка— магнитостатическая фокусировка, Рис.
11.2, б. В результате траектория движения эле-
ктронов приобретает вид спирали. Продольное
электрическое и поперечное магнитное поля
заставляют электроны двигаться одновременно
вперед и по кругу в сторону, что является след-
ствием увеличения суммарного магнитного по-
ля с одной стороны электрона и уменьшения —
с противоположной, траектория движения эле-
ктронов становится циклоидной (Рис. 11.2, в).
11.2. ПРИБОРЫ КВАНТОВЫЕ — при-
боры генерирования или усиления электромаг-
нитных колебаний, действие которых основа-
но на использовании энергии квантовых пере-
ходов возбужденных частичек вещества —
электронов, атомов, ионов или молекул.
Энергетический спектр активного вещест-
ва П. к. имеет три (или более) характерных
энергетических уровня, переходы между кото-
рыми и обуславливают усиление или генери-
рование электромагнитных волн. Нижний (ос-
новной) стабильный уровень соответствует не-
возбужденному состоянию частичек, верхний
нестабильный (уровень поглощения) — состо-
янию чрезмерного возбуждения. Средние (ме-
тастабильные — промежуточно-стабильные,
условно-стабильные) — это энергетические
уровни, на которых каждый из атомов нахо-
дился бы довольно долго, если бы не было
влияния внешних энергетических толчков.
Принцип действия квантовых приборов со-
стоит в следующем. С помощью внешнего
мощного источника энергии создается инвер-
сия заселенности энергетических уровней, т.е.
перевод частичек вещества из стабильного в
нестабильное энергетическое состояние. Воз-
бужденные частички переходят на метаста-
бильные (средние) энергетические уровни, с
которых под влиянием внешнего (в усилите-
лях) или внутреннего (в генераторах) поля они
организованно перемещаются на низший уро-
вень. Организованность такого перехода за-
ключается в одновременности и однонаправ-
ленности изменения энергетического состоя-
ния между двумя четко очерченными (метаста-
бильным и стабильным) энергетическими
уровнями, что и обеспечивает когерентность и
поляризованность выходного сигнала.
Процесс начального возбуждения активного
вещества (создание инверсии заселенности) на-
зывается накачкой. Ее можно осуществить раз-
личными способами: пропусканием электриче-
ского тока через вещество — электрическая на-
качка', бомбардировкой вещества электронным
лучом — электронная накачка', энергетическим
воздействием химической реакции — химичес-
кая накачка', путем быстрого (сверхзвукового)
расширения газа — газодинамическая накачка',
пространственной сепарацией атомов или мо-
лекул в неоднородных электрических и маг-
нитных полях — накачка способом сортиров-
ки', при помощи ВЧ электромагнитного поля
(радио- или оптического диапазона) — накачка
вспомогательным излучением.
Очень высокая стабильность частоты кван-
товых приборов (10-11... 10-14), обусловленная
четким разграничением энергетических уров-
ней возбужденного вещества, достаточна для
создания квантовых стандартов частоты —
активных (на основе квантовых генераторов) и
пассивных (на основе систем АПЧ с пассив-
ным квантовым эталоном).
Лазер (от первых букв англ. Light
Amplification by Stimulated Emission of
Radiation — усиление света, обусловленное
принудительным излучением) — генератор ко-
герентных поляризованных электромагнитных
колебаний оптического диапазона (оптический
квантовый генератор). Обобщенно устройст-
во Л. показано на Рис. 11.3, а. Активное веще-
ство 2 расположено между электромагнитны-
ми зеркалами, образующими резонатор 1, на-
значение которого состоит в резонансном уве-
личении напряженности поля. Резонаторы мо-
гут быть двух- (Рис. 11.3, б) и многозеркаль-
ными (Рис. 11.3, в). Вывод генерируемой энер-
гии осуществляется сквозь одно или несколько
полупрозрачных зеркал. Источник накачки со-
здает инверсию заселенности энергетических
уровней вещества.
По типу активной среды различают газо-
вые, жидкостные и твердотельные Л. Среди
газовых наиболее распространены гелий-нео-
новые (длина волны X ~ 0.63 мкм, мощность
излучения Рвых = 1...100 мВт), аргоновые
(X = 0.3... 0.5 мкм, Рвых = 0.01... 10 Вт), СО2 — N2
(X « 10.6 мкм, РВЬ1Х = 1... 10 000 Вт). Жидкостные
Л. чаще всего имеют активное вещество на ос-
нове органических красителей (X « 0.25... 1 мкм,
Рвых = 0.1... 10 Вт). Твердотельные Л. создают-
ся на основе алюмоиттриевого граната с неоди-
мом (X ~ 1 мкм, Рвых = 0.1... 1000 Вт) или руби-
Глава 11. ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
245
11.2. ПРИБОРЫ КВАНТОВЫЕ
Плоскопараллельный Конфокальный
резонатор резонатор
Плоскосферический
резонатор
на (X ~ 0.7 мкм, Рвых = 1...100 Вт). Отдельной
группой стоят твердотельные полупроводнико-
вые Л. (на основании соединений GaAs,
GaAlAs, GalnAs, PbS, PbSe, PbTe и др.) с длиной
излучаемых волн от 0.8 до 15 мкм и мощностью
от единиц до сотен милливатт.
КПД Л. изменяется в пределах 0.01...0.1 %
у гелий-неоновых и аргоновых, 0.1...1% у
твердотельных, 1...20% у полупроводниковых
и СО2 — N2 газовых, 30.. .60% у Л. на органи-
ческих красителях.
Работа Л. на свободных электронах осно-
вана на взаимодействии электронов, обладаю-
щих околосветовой скоростью с пространст-
венно-периодическим электрическим или маг-
нитным полем, т.е. Л. на свободных электронах
— это по принципу действия гибрид ЭВП СВЧ
и квантового прибора. Длина генерируемых
волн составляет 1...10 мкм, мощность —
1... 10 Вт, КПД — единицы процентов, но при
применении устройств возврата электронов
КПД может достигать 20...40%.
Мазер (от первых букв англ. Microwave
Amplification by Stimulated Emission of
Radiation — усиление микроволн, вызванное
принудительным излучением) — общее назва-
ние квантовых генераторов и усилителей СВЧ.
К М. относят квантовые парамагнитные уси-
лители, молекулярные генераторы. Кванто-
вый парамагнитный усилитель — прибор
СВЧ на основе квантовых энергопереходов
возбужденных парамагнитных веществ. Рас-
щепление энергоуровней вещества позволяет
получить усиление на частотах СВЧ диапазона
с очень малым уровнем шумовой температу-
ры, даже ниже температуры активного вещест-
ва, а при помощи криогенного оборудования
температура может быть доведена до 1...5К
(криоэлектронный усилитель). Молекулярный
генератор — квантовый генератор, в котором
активной средой является молекулярный газ;
его возбужденные молекулы с помощью спе-
циального сортирующего устройства направ-
ляются к СВЧ резонатору, в котором происхо-
дят квантовые переходы с излучением СВЧ
волн. Принцип действия молекулярного гене-
ратора аналогичен принципу действия Л. с на-
качкой способом сортировки. Молекулярные
генераторы работают на сантиметровых и
миллиметровых волнах и обеспечивают высо-
кую (порядка 10"11) относительную стабиль-
ность частоты, но при незначительной
(10~6... 10~9 Вт) выходной мощности.
11.3. ПРИБОРЫ СВЧ ГАЗОРАЗРЯД-
НЫЕ — класс приборов, принцип действия
которых основан на прохождении СВЧ тока че-
рез электронно-ионную плазму. Самостоя-
тельный СВЧ разряд в объеме газонаполнен-
ного прибора устанавливается только при до-
статочной напряженности СВЧ поля, значение
которой зависит от состава, давления газа и ча-
стоты колебаний. Как правило, используют ду-
говой СВЧ разряд, который возникает при
уменьшенном, относительно атмосферного,
давлении и внешне напоминает обычный тле-
ющий или дуговой разряд постоянного тока
(см. ст. 29.2, 3). Оптимальное значение давле-
ния растет при повышении частоты колебаний.
Газовый разрядник — прибор, предназна-
ченный для создания в месте его расположения
режима, приближенного к короткому замыка-
нию, в случае превышения обусловленного
246
РАДИОТЕХНИКА
11.4. ПРИБОРЫ СВЧ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ
уровня мощности СВЧ колебаний. Типичное
устройство Г. р. показано на Рис. 11.4. В стек-
лянной колбе 1 установлены два конических
металлических электрода 2 с небольшим раз-
рядным промежутком между ними. Вспомога-
тельный электрод 4 предназначен для установ-
ки уровня мощности СВЧ колебаний, при кото-
ром Г. р. должен срабатывать. Стеклянная кол-
ба вкладывается в металлический корпус 3, ко-
торый имеет вид отрезка волновода необходи-
мого диапазона волн. Г. р. применяют для за-
щиты приемных цепей РТС во время излуче-
ния мощных сигналов передатчика.
Газоразрядный переключатель — внеш-
неуправляемый газовый разрядник, предназна-
ченный для коммутации разветвленных трак-
тов СВЧ. В отличие от обычного газового раз-
рядника Г. п. не должен самопроизвольно сра-
батывать при повышении мощности СВЧ поля,
поэтому давление газа должно быть много-
кратно уменьшено или увеличено относитель-
но оптимального для самостоятельного разря-
да. При уменьшенном давлении газа для облег-
чения создания управляемого разряда иногда
применяют подогревные катоды.
Газоразрядный шумовой генератор —
устройство для создания калиброванного шу-
мового излучения СВЧ. Типичное устройство
Г. ш. г. изображено на Рис 11.5. В стеклянной
трубке 1 со сниженным давлением газа при по-
мощи электродов 3 поджигается дуговой или
тлеющий разряд постоянного тока. Трубка ус-
тановлена в отрезке металлического волновода
2 нужного диапазона волн под относительно
Рис. 11.5
малым углом, что обеспечивает лучшее согла-
сование структуры поля разрядного объема с
полем волновода. Спектральная плотность
мощности шума имеет порядок 10-19 Вт/Гц и
практически не зависит от частоты. Преиму-
ществом Г. ш. г. перед другими генераторами
шума является высокая эталонность, т.е. ус-
тойчивость к изменению параметров внешней
среды и условий эксплуатации.
11.4. ПРИБОРЫ СВЧ ЭЛЕКТРО-
ВАКУУМНЫЕ — приборы генерирования
энергии или усиления мощности колебаний,
построенные на принципах взаимодействия
электронного потока в вакууме с электромаг-
нитными полями, замкнутыми в колебатель-
ных или волноведущих системах. ЭВП СВЧ
подразделяют на приборы с кратковременным
взаимодействием (электронные лампы СВЧ,
клистроны) и приборы с длительным взаимо-
действием (лампы бегущей прямой и обратной
волны, приборы магнетронного типа, гиро-
тронные приборы). По направлениям векторов
скорости электронного потока и напряженнос-
ти внешних электрических и магнитных полей
ЭВП СВЧ подразделяют на приборы типа О
(от слова «ось»), в которых ось электронного
потока параллельна направлению внешнего
электрического поля, и приборы типа М (маг-
нетронного типа), в которых направление эле-
ктронного потока перпендикулярно направле-
нию внешнего магнитного поля. В приборах
типа О внешнее электрическое поле ускоряет
электроны, а внешнее магнитное поле необхо-
димо только для улучшения фокусировки элек-
тронного пучка. В приборах типа М перпенди-
кулярное приложение внешнего магнитного
поля является принципиальным, поскольку
только в этом случае удается свернуть элек-
тронный поток в кольцо.
Независимо от способа реализации прин-
цип действия всех активных ЭВП СВЧ заключа-
ется в преобразовании энергии ускоренного
электронного потока, путем СВЧ модуляции его
плотности, в энергию электромагнитного поля с
дальнейшим удержанием уплотнений в тормо-
зящей фазе электромагнитного поля, вследствие
чего электронный поток отдает энергию полю.
Важнейшим условием работы ЭВП СВЧ
является условие синхронизма, т.е. приблизи-
тельное равенство скорости электронного по-
тока и фазовой скорости электромагнитной
волны (приборы с длительным взаимодейст-
вием), или кратность периодов движения уп-
лотнений электронного потока и периодов
Глава /1. ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
247
11.4. ПРИБОРЫ СВЧ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ
колебаний электромагнитного поля (приборы
с кратковременным взаимодействием) До-
стичь синхронизма можно или ускорением
электронного потока, или замедлением волн.
Ускорение электронов осуществляется элект-
рическим полем, а замедление волн происхо-
дит в замедляющих системах.
По виду процесса введения электронов в
пространство взаимодействия различают
обычную катодную эмиссию (от лат. emissio —
выпускаю) и принудительную инжекцию элек-
тронов при помощи электронной пушки (от
лат. injectio — вбрасываю). Форма осевой эле-
ктронного потока может быть линейной, коль-
цевой, радиальной и др. Электродинамические
системы подразделяют на колебательные (од-
но-, двух-, многорезонаторные) и волноводные
(на основе замедляющих систем и линий пере-
дачи). Первоначальное возбуждение колебаний
может быть самостоятельным (генераторные
приборы) и принудительным — с помощью
внешнего сигнала (усилительные приборы).
Классификация ЭВП СВЧ по характерис-
тикам электронного потока и электродинами-
ческой системы приведена в Табл. ИЛ.
Характерные признаки электронных пото-
ков и направления движения ЭМВ в простран-
стве взаимодействия ЭВП СВЧ показаны на
Рис. 11.6, а — к.
На основании сравнительного анализа
принципов действия ЭВП СВЧ построено их
«генеалогическое древо» Рис. 11.7. Типичные
значения параметров приведены в Табл. 11.2.
В общем случае выходная мощность и КПД
приборов определяются мощностью источника
питания и степенью взаимодействия электрон-
ного потока с ЭМП, а полоса частот усиления и
диапазон частот приборов — спектром собст-
венных частот электродинамической системы
(этот спектр наиболее узкий в резонаторных си-
стемах и наиболее широкий — в волноводных).
Клистрон (от греч. klyzo — ударять вол-
ной) — ЭВП СВЧ типа О с кратковременным
взаимодействием предварительно ускоренно-
го электронного потока с полями резонаторов.
Устройство двухрезонаторного пролетного К.
показано на Рис. 11.8, а. Катод 1 эмигрирует
электроны, входной резонатор 4 осуществляет
модуляцию электронов по скорости; во время
пролета к выходному резонатору 3 электрон-
ный поток группируется по плотности; выход-
ной резонатор тормозит уплотнения электрон-
ного потока, отбирая энергию на выходной ча-
стоте; коллектор 2 собирает «отработанные»
электроны. В многорезонаторных пролетных
К. удается улучшить условия группировки
электронного потока с помощью промежуточ-
ных резонаторов, что позволяет увеличить ко-
эффициент усиления, выходную мощность и
КПД. Рабочие частоты пролетных К. достига-
ют десятков гигагерц, коэффициент усиления
лежит в пределах 40...60 дБ, выходная мощ-
ность составляет несколько сотен киловатт в
непрерывном режиме и десятки мегаватт в им-
пульсном, КПД — десятки процентов.
Введение внешней ПОС между выходным
и входным резонаторами позволяет создать ге-
нераторный пролетный К. Такие приборы ис-
пользуют в качестве задающих каскадов радио-
приборов с рабочими частотами до 300 ГГц,
они имеют выходную мощность 1...10 Вт при
КПД до 10%. Настройка выходного и части
промежуточных резонаторов на гармоники
входной частоты позволяет создать умножи-
телъный К. Генераторный К. можно получить
не только с помощью ПОС между резонатора-
ми на входе и выходе, но и благодаря возврату
сгруппированного электронного потока к еди-
ному резонатору в тормозной для электрон-
ных уплотнений фазе.
На этом принципе реализован отража-
тельный К., структура которого изображена на
Рис. 11.8, б. Катод 1 и резонатор 3 не имеют
принципиальных особенностей, назначение
отражателя 2 — созданием встречного элект-
ростатического поля (благодаря подаче отри-
цательного напряжения £7В) отразить электрон-
ный поток в обратном направлении. Путем
применения этого же напряжения можно элек-
трически регулировать частоту генерации, но
диапазон такой перестройки, ограниченный
полосой пропускания резонатора, как правило,
не превышает 0.5... 1 %. Выходная мощность
отражательного К. составляет от нескольких
милливатт до нескольких ватт, рабочие часто-
ты достигают 200 ГГц, КПД лежит в пределах
0.5...2%. Механическая перестройка частоты
отражательного К. изменением размеров резо-
натора возможна в относительной полосе час-
тот в несколько десятков процентов.
Разновидность отражательного К. в миниа-
тюрном исполнении получила название мини-
трона. Такие приборы благодаря уменьшению
межэлектродных промежутков, повышению
плотности электронного потока и уменьшению
напряжений на электродах позволяют повы-
сить КПД и увеличить диапазон электронной
перестройки частоты, но при уменьшенной
248
РАДИОТЕХНИКА
11.4. ПРИБОРЫ СВЧ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ
Таблица 11.1
Прибор СВЧ Электронный поток Электродинамическая система
Процесс создания Форма Форма Основные элементы Вид волны Вид возбуждения
Электронная лампа Эмиссия Линейная Сосредоточенная Электроды — Входным сигналом
Двухрезонаторный клистрон Инжекция Тоже Линейная Дискретные резонаторы Стоячая Тоже
Генераторный клистрон Тоже Тоже Резонаторы с ПОС Тоже Автовозбуждение
Отражательный клистрон Линейно отраженная Сосредоточенная Резонатор Тоже
Многорезо- наторный клистрон Линейная Линейная Дискретные резонаторы Входным сигналом
ЛОВО Тоже Тоже ЗС с поглотителем Обратная Автовозбуждение
ГДИ Линейная с поперечным резонатором ЗС и стаби- лизирующий резонатор Обратная и стоячая Тоже
ЛЕВО Линейная ЗС Прямая Входным сигналом
Твистрон Тоже Тоже Прямая и стоячая Тоже
Линейная ЛОВМ Г-образная ЗС с поглотителем Обратная Автовозбуждение
ЛОВМ Кольцо разомкнутое Кольцо разомкнутое ЗС Тоже Тоже
Карматрон Эмиссия Кольцо разомкну- тое с радиальными спицами Тоже Тоже
Амплитрон Тоже Тоже Нечетное число резонаторов Входным сигналом
Магнетрон Кольцо замкнутое Четное число резонаторов Стробоскопически стоячая Автовозбуждение
Митрон Инжекция кольцевая Тоже Низкодобротные резонаторы Тоже Тоже
УБВПД Эмиссия Кольцо разомкнутое ЗС с пространством дрейфа Прямая и стоячая Входным сигналом
Дематрон Тоже Тоже ЗС Тоже Тоже
ЛБВМ Инжекция Кольцо разомкнутое Тоже Прямая
Линейная ЛБВМ Тоже Г-образная Линейная Тоже
Гиромонотрон Винтовая Цилиндрическая Резонатор Автовозбуждение
Гироклистрон Тоже Тоже Дискретные резонаторы Входным сигналом
ГироЛБВ Волновод Тоже
Примечания. ГДИ — генератор дифракционного излучения, ЗС — замедляющая система
Глава 11. ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
249
11.4. ПРИБОРЫ СВЧ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ
Многорезонаторный клистрон
| РвХ Influx
а)
г) д)
Линейная ЛОВМ
!Рвых |/в
® I I —>
Магнетрон
VB
Рис. 11.6
250
РАДИОТЕХНИКА
11.4. ПРИБОРЫ СВЧ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ
Таблица 11.2
Прибор СВЧ Типичный диапазон волн Типичная выход- ная мощность Типичный кпд [%] Типичная отно- сительная полоса рабочих частот Типичный коэффициент усиления [дБ] Уровень шума Основное назначение
Пролетный клис- трон ДМВ-СМВ Десятки кило- ватт До 60...70 Десятые доли процента 40...60 Низкий Мощные узкопо- лосные усилите- ли
Генераторный клистрон СМВ-ММВ Единицы ватт Единицы Тоже — Тоже Задающие гене- раторы
Отражательный клистрон Тоже Сотни милливатт Тоже — Средний Гетеродины
ЛОВО СМВ-ММВ Десятки милли- ватт До октавы — Тоже Маломощные широкополосные генераторы
ЛОВМ ДМВ-СМВ Сотни ватт Десятки Десятки процен- тов — Высокий Мощные широ- кополосные ге- нераторы
Амплитрон Тоже Десятки кило- ватт До 80...90 Около 10% 5...10 Тоже Сверхмощные усилители
Магнетрон ДМВ-ММВ Тоже Тоже Единицы про- центов — Сверхмощные генераторы
Митрон ДМВ-СМВ Десятки ватт До 50...70 Десятки процен- тов — Задающие гене- раторы
Дематрон Тоже Единицы кило- ватт До 40...50 Около 10% 10...20 Средний Мощные усили- тели
ЛБВМ Тоже Тоже Десятки процен- тов 20...30 Тоже Мощные широ- кополосные уси- лители
ЛБВО СМВ-ММВ Сотни ватт Десятки До октавы 30...40 Низкий Малошумящие широкополосные усилители
Гиромонотрон ММВ- субММВ Сотни киловатт Тоже Фиксированная частота — Средний Сверхмощные генераторы
Гироклистрон СМВ-ММВ Тоже Десятые доли процента 30...40 Низкий Узкополосные сверхмощные усилители
ГироЛБВ Тоже Десятки кило- ватт Десятки процен- тов 10...20 Тоже Сверхмощные широкополосные усилители
Глава 11. ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
251
11.4. ПРИБОРЫ СВЧ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ
Рис. 11.7
252
РАДИОТЕХНИКА
11.4. ПРИБОРЫ СВЧ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ
выходной мощности. Преимущественная об-
ласть применения отражательных К. — задаю-
щие генераторы передающих и гетеродины
приемных систем.
Лампа бегущей волны — ЭВП СВЧ с дли-
тельным взаимодействием инжектированного
электронного потока с полем попутной (прямой)
волны, более точное название — лампа прямой
волны. Структура ЛБВ типа О (ЛЕВО) показана
на Рис. 11.9, а. Первоначальное ускорение элек-
тронов и формирование электронного потока
осуществляются при помощи электронной пуш-
ки (прожектора), которая состоит из катода 1,
формирующего электрода 2, первого 3 и иногда
второго 4 анодов. Электронный поток направля-
ется внутрь замедляющей системы 5, на вход ко-
торой подается управляющий СВЧ сигнал. Во
время синхронного движения потока и волны
происходит модуляция электронов по скорости
(ускорение в положительной фазе поля и за-
держка в отрицательной), которая в течение вре-
мени пролета электронов вдоль замедляющей
системы переходит в модуляцию потока по
плотности. Если созданные уплотнения элек-
тронного потока большую часть периода пребы-
вают в тормозящей (отрицательной) фазе волны,
то происходит передача энергии от потока к вол-
не, благодаря чему ее мощность возрастает от
входа к выходу. Отработанный электронный по-
ток собирается коллектором 7, дополнительная
фокусировка электронного пучка осуществляет-
ся с помощью магнитной системы 6.
Замедляющие системы ЛБВ могут иметь
разнообразные конструкции (см. ст. 11.5). Вы-
ходная мощность ЛБВО составляет от милли-
до мегаватт, относительная полоса частот не-
сколько десятков процентов (при использова-
нии спиральной замедляющей системы про-
стирается на несколько октав), коэффициент
усиления мощности 30...60 дБ, электронный
КПД составляет десятки процентов, коэффи-
циент шума 5... 10 дБ (применением специаль-
ных катодов и принудительного охлаждения
может быть снижен до 1.. .2 дБ).
Разновидность ЛБВО с использованием
клистронного группирователя электронного
потока получила название твистрона (от англ.
Traveling Wave — бегущая волна и клистрон).
Твистроны имеют высокий КПД (до 50%) и
большую выходную мощность в импульсном
режиме (до десятков мегаватт).
ЛБВО применяют в качестве входных, про-
межуточных и выходных усилителей ДМВ,
СМВ и ММВ.
ЛБВ типа М (ЛБВМ, биматрон, от англ.
Beam Injection Magnetron Amplifier — магне-
тронный усилитель с инжекцией пучка) — уси-
литель магнетронного типа с инжектированным
электронным пучком — имеет кольцевое строе-
ние (Рис. 11.9, б). Замедляющая система 1 свер-
нута в кольцо, электронный поток 2 с помощью
перпендикулярного внешнего статического маг-
нитного поля также свернут в кольцо. Анодом
является внешняя часть ЗС 1. Поскольку уско-
ренные электронной пушкой электроны отдают
СВЧ полю почти всю свою потенциальную
энергию (et/a), максимальный КПД ЛБВМ по-
вышается до 40.. .50%, а коэффициент усиления
уменьшается до 20.. .30 дБ, так как ухудшаются
условия группировки электронов вследствие
разницы их энергетических состояний во внеш-
ней и внутренней (относительно центра прибо-
ра) частях электронного потока.
Линейные ЛБВ типа М являются гибридом
ЛБВО и ЛБВМ. В них вертикально инжектиро-
ванный электронный поток с помощью внеш-
него статического поля отражательного элект-
рода и перпендикулярного статического маг-
нитного поля направляется в линейную замед-
ляющую систему (см. Рис. 11.6, б).
Глава 11 ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
253
11.4. ПРИБОРЫ СВЧ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ
ЛБВМ чаще всего применяют в качестве
мощных выходных усилителей дециметрового
и сантиметрового диапазонов волн.
Лампа обратной волны — ЭВП СВЧ с
длительным взаимодействием инжектирован-
ного электронного потока с полем встречной
волны. ЛОВ являются преимущественно гене-
раторными приборами, поскольку именно
благодаря обратному движению волн от кол-
лектора 5 к катоду 1(Рис. 11.10, а) образуется
необходимая для генерации положительная
обратная связь. С целью исключения влияния
прямых волн в конструкции ЛОВ предусмот-
рена поглощающая нагрузка 4 на дальнем от
катода конце замедляющей системы 6, а вы-
ходной сигнал снимают на ближнем конце за-
медляющей системы, потому что именно в
этом месте напряженность генерируемого по-
ля максимальна. ЛОВ типа О (ЛОВО) имеют
линейную конструкцию (см. Рис. 11.10, л; по-
зиции 2, 3 аналогичны Рис. 11.9, а). ЛОВ ти-
па М (ЛОВМ) (см. Рис. 11.6, к) аналогично
ЛБВМ свернута в кольцо и также предусмот-
рено создание кольцевого электронного пото-
ка с помощью внешнего магнитного поля. Ли-
нейная ЛОВМ является гибридом ЛОВО и
ЛОВМ (см. Рис. 11.6, в). Основное различие
между ЛОВО и ЛОВМ состоит в использова-
нии преимущественно кинетической или пре-
имущественно потенциальной энергии элек-
тронов соответственно.
Характерной особенностью ЛОВ является
возможность электрической регулировки часто-
ты генерации в широких пределах, что обуслов-
лено выполнением требования синхронизма
электронного потока и волн на различных часто-
тах при изменении напряжения на замедляющей
системе. Диапазон электрической перестройки
соизмерим с полосой частот усилительной ЛБВ
и может достигать октавы. Выходная мощность
ЛОВО составляет десятки милливатт, КПД до-
стигает 10%. Уменьшение мощности и КПД по
сравнению с ЛБВ объясняется тем, что элек-
тронный поток становится хорошо сгруппиро-
ванным только вблизи дальнего конца замедля-
ющей системы, т.е. там, где напряженность поля
обратной волны относительно небольшая.
ЛОВМ имеют повышенные выходную мощ-
ность (сотни ватт) и КПД (десятки процентов).
Разновидностью ЛОВО является генератор
дифракционного излучения (оротрон, от откры-
тый резонатор) — конструктивное сочетание
ЛОВО и открытого резонатора (Рис. 11.10, б).
Ось открытого резонатора 1 расположена пер-
пендикулярно гребенчатой замедляющей систе-
ме 2, которая одновременно выполняет функ-
цию электромагнитного зеркала. Частота гене-
рации оротрона определяется частотой наст-
ройки резонатора. Преимуществом генератора
дифракционного излучения является меньший
по сравнению с обычной ЛОВ уровень шумов и
повышенная стабильность частоты, но достига-
ется это за счет потери широкополосной элек-
тронной перестройки частоты. Механическая
перестройка частоты осуществляется измене-
нием расстояния между зеркалами открытого
резонатора. Выходная мощность в миллиметро-
вом диапазоне волн составляет несколько ватт.
Диапазон рабочих волн ЛОВ — от СМВ до
субММВ. Основные области применения —
измерительная техника, системы связи с ЧМ и
системы радиопротиводействия.
Магнетрон (от греч. magnetis — магнит) —
электровакуумный генераторный прибор СВЧ
типа М с многократным кратковременным вза-
имодействием эмиттированного (предвари-
тельно не ускоренного) электронного потока с
полями стоячих волн резонаторной электроди-
намической системы. Типичная конструкция
изображена на Рис. 11.11, а. В центре кольце-
вой многорезонаторной системы 1 расположен
цилиндрический катод 2. Постоянное анодное
*-vB
~^v3
2 3 .ВЫХ| ^|/э 4
р--........................ЗА
Unp
<4
*-о о-
TTTTTTTTTTT^I
б/
Рис. 11.10
254
РАДИОТЕХНИКА
11.4. ПРИБОРЫ СВЧ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ
напряжение подается на резонаторную систе-
му, статическое внешнее магнитное поле на-
правлено вдоль оси прибора. Вывод энергии
осуществляется от одного из резонаторов. Эле-
ктроны движутся в поперечном магнитном по-
ле по циклоидным траекториям от катода к ано-
ду. Структура поля резонаторной системы чаще
всего устанавливается л-вида, т.е. с условием
противофазности колебаний в щелевых частях
соседних резонаторов. Совместное действие
статических и динамических ЭМП формирует
электронный поток с характерными «спица-
ми». Для эффективного превращения энергии
источника питания в энергию поля выходной
частоты необходимо, чтобы «спицы» прибли-
жались к щелям резонаторов в тормозящей фа-
зе их поля. М. имеют наибольшие среди ЭВП
СВЧ значения КПД: от 90% на ДМВ до 30% на
ММВ. Выходная мощность также наибольшая:
от сотен ватт до сотен киловатт в непрерывном
режиме и до десятков мегаватт в импульсном.
Основные области применения М. — мощные
передатчики радиосистем, технологические
процессы СВЧ нагрева материалов, бытовые
СВЧ печи. К недостаткам М. следует отнести
повышенный уровень собственных шумов и
невысокую стабильность частоты.
Разновидностью М. является митрон (от
магнетрон, инжекция) — М. с инжекцией эле-
ктронов (Рис. 11.11, б). Внутри резонаторной
анодной структуры с низкодобротными резо-
наторами 1 находится холодный катод 2, горя-
чий катод 3 расположен вне пространства вза-
имодействия. С помощью ускоряющего элект-
рода 4 формируется трубчатый электронный
поток, который инжектируется в пространство
взаимодействия. При регулировке анодного
напряжения в митроне существенно изменя-
ются условия синхронизма, что приводит к
электронному смещению частоты. Типичные
параметры митронов: диапазон частот 1...10
ГГц, выходная мощность 1...100 Вт, КПД до
50...70%, диапазон электронной перестройки
частоты до 50...70%. Митроны используют в
качестве генераторов помех в системах радио-
противодействия, их часто устанавливают в
панорамных измерительных устройствах, а
также в бытовых СВЧ печах для улучшения
равномерности нагревания продуктов благода-
ря изменению частоты генерации.
Магнетронные приборы гибридных ти-
пов — общее название ЭВП СВЧ с магнетрон-
ным типом электронного потока в разомкну-
тых электродинамических системах.
Амплитрон (от англ. Amplifying
Magnetron — усилительный магнетрон) —
усилительный прибор обратной волны. Прин-
ципиальное отличие амплитрона от магнетро-
на состоит в замене замкнутой резонаторной
замедляющей системы на основе цепочки ре-
зонаторов замедляющей системой, в которой
специально предусмотрен разрыв в узком сек-
торе между входом и выходом (см. Рис. 11.6,
з) и уменьшена взаимная связь отдельных зве-
ньев электродинамической системы. Число
звеньев в А. в отличие от магнетрона сделано
нечетным; это предупреждает самовозбужде-
ние А. на магнетронном л-типе колебаний и
не мешает созданию неглубокой положитель-
ной обратной связи, которая повышает коэф-
фициент усиления амплитрона до 10... 15 дБ в
полосе частот до 10% при импульсной выход-
ной мощности до десятка мегаватт с КПД
Глава 11. ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
255
11.4. ПРИБОРЫ СВЧ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ
70...90%. Амплитроны с участком дрейфа
имеют повышенный до 20 дБ коэффициент
усиления. Магнетронные усилители обратной
волны работают стабильнее, чем магнетрон-
ные усилители прямой волны.
Дематрон (от англ. Distributed Emission
Magnetron Amplifier — магнетронный усили-
тель с распределенной эмиссией) — усилитель
прямой волны с распределенной эмиссией эле-
ктронов. Строение дематрона показано на Рис.
11.6, д. Из-за отсутствия замкнутого на себя
электронного потока уменьшается склонность
прибора к самовозбуждению, что позволяет по-
лучить больший коэффициент усиления, одна-
ко отсутствие многократного взаимодействия
электронного потока с полями отдельных резо-
наторов уменьшает достижимые значения
КПД. Сочетание в одной конструкции ЛБВМ
(биматрона) и дематрона называют бидематро-
ном. В первой половине прибора электронный
поток инжектированный, а во второй — эми-
ттированный. Дематроны и бидематроны име-
ют большую выходную мощность, чем ЛБВМ,
но меньший, чем у магнетрона, КПД.
Карматрон (от греч. karkinos — рак и маг-
нетрон) — магнетронный генератор обратной
(именно поэтому — рак) волны (см. Рис. 11.6, и).
От стабилотрона (см. далее) К. отличается от-
сутствием внешнего резонатора и фазовращате-
ля, вместо них установлена внешняя нагрузка
Явн. Необходимая для генерации ПОС обеспе-
чивается благодаря повышению анодного тока.
Широкого распространения К. не приобрели,
поскольку по сравнению со стабилотронами
имеют невысокую стабильность частоты, а по
сравнению с ЛОВМ — значительно меньший
диапазон электрической перестройки частоты.
Усилитель бегущей волны типа М с прост-
ранством дрейфа (УБВПД, см. Рис. 11.6, е) —
разновидность магнетронных приборов пря-
мой волны. Электродинамическая система со-
держит замедляющую систему и участок дрей-
фа электронов. Диапазон рабочих волн пре-
имущественно сантиметровый, выходная им-
пульсная мощность до 1 МВт при средней
мощности несколько ватт, КПД до 40...50%,
коэффициент усиления до 15.. .20 дБ.
Стабилотрон (от слова стабильность) —
генератор магнетронного типа обратной волны,
амплитрон с дополнительным внешним фазо-
вращателем и внешним высокодобротным ре-
зонатором, которые при условиях специальной
настройки увеличивают уровень ПОС на часто-
те внешнего резонатора. Стабильность частоты
генерации выше, чем у магнетрона, поскольку
легче обеспечить эталонность характеристик
внешнего резонатора, вынесенного за пределы
пространства взаимодействия электронного по-
тока с ЭМП. Выходная мощность и КПД почти
такие же, как у амплитрона.
Общее название амплитрона и стабилотро-
на — платинотроны, от лат. корня plat — рас-
плющивать (спектр собственных частот).
Циклотронные (от лат. cyklos — круг),
или гиротронные (от греч. gyros — круг)
приборы — ЭВП СВЧ, принцип действия ко-
торых основан на вращательном движении от-
дельных электронов (собственно гиротронные
приборы) или электронных потоков (гироконы,
от греч. gyros, лат. continuus — непрерывный)
в электродинамической системе с незамедлен-
ными электромагнитными волнами. В цикло-
тронных приборах электроны движутся по
спиральным траекториям, для чего они инжек-
тируются под углом к направлению силовых
линий внешнего статического магнитного по-
ля. Условие синхронизма электрона с волной
обеспечивается следующим образом: расстоя-
ние, на которое сдвигается фазовый фронт вол-
ны за время полного оборота электрона вокруг
оси спирали, должно равняться целому числу
длин волн с поправкой на шаг спиральной тра-
ектории движения электрона. Таким образом,
электрон по очереди взаимодействует с раз-
личными в пространстве, но одинаковыми по
фазе частями пространственной картины поля,
что позволяет осуществить передачу энергии
от электронов к полю, если большая их часть
находится в тормозящей фазе поля. Необходи-
мая группировка потока происходит благодаря
увеличению радиусов спиралей ускоренных
электронов и уменьшению радиусов спиралей
замедленных электронов. Все гиротронные
приборы нуждаются в больших напряжениях
питания — десятках киловольт.
Гироклистрон — циклотронный узкопо-
лосный усилитель — имеет два резонатора
(Рис. 11.12, а): входной 1 модулирует элек-
тронный поток, в выходном 2 происходит пе-
редача энергии электронного потока электро-
магнитному полю. Импульсная мощность ги-
роклистронов достигает сотен киловатт в мил-
лиметровом диапазоне волн при КПД 20.. .30%
и коэффициенте усиления 30...40 дБ в относи-
тельной полосе частот до 1%.
ГироЛБВ — широкополосный циклотрон-
ный усилительный прибор, в котором элек-
тронный поток взаимодействует с прямыми
256
РАДИОТЕХНИКА
11.4. ПРИБОРЫ СВЧ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ
волнами в согласованной на конце линии пере-
дачи (Рис. 11.12, 6). Коэффициент усиления
составляет 20...25 дБ в относительной полосе
частот 10... 15%, выходная мощность достига-
ет нескольких сотен киловатт с КПД 30.. .50%.
Гиромонотрон — циклотронный генератор
с одним (моно) резонатором (Рис. 11.12, в).
Электронная пушка 1 формирует трубчатый
электронный поток со спиральными траекто-
риями электронов. Взаимодействие потока с
СВЧ полем происходит внутри цилиндричес-
кого резонатора 2. Отработанные электроны
«оседают» на коллекторе 3, который одновре-
менно является устройством вывода энергии.
Гиромонотроны обеспечивают импульсную
выходную мощность до 1 МВт с КПД до 70%
в миллиметровом диапазоне волн, в субмилли-
метровом диапазоне их мощность достигает
100 кВт с КПД до 20%.
Гироконы — приборы, построенные на
принципе взаимодействия управляемо откло-
няемого электронного потока с ЭМП. Управ-
ляемое отклонение обеспечивается с помо-
щью вращательного магнитного поля в резо-
наторах развертки. Гироконы — особые ЭВП:
в них нет модуляции электронов по скорости,
однако есть модуляция потока по направле-
нию. Хорошо сфокусированный луч намного
уже длины волны, поэтому его можно синхро-
низировать с наиболее эффективным для пре-
вращения энергии фазовым фронтом волны и
получить КПД, приближающийся к 100% при
выходной мощности до нескольких мегаватт.
Основным недостатком гироконов является
необходимость применения очень высоких
ускоряющих напряжений — до нескольких
мегавольт.
Циклотронные приборы являются наибо-
лее перспективными генераторами и усилите-
лями сверхбольшой мощности в миллиметро-
вом и субмиллиметровом диапазонах волн.
Электронные лампы СВЧ — приборы с
электростатическим управлением электронным
потоком. Максимальные рабочие частоты опре-
деляются инерционностью движения электро-
нов и влиянием реактивных сопротивлений эле-
ктродов на повышенных частотах. Для умень-
шения пролетного времени электронов нужно
повышать напряжение на электродах (увеличи-
вать скорость движения носителей) и умень-
шать расстояние между электродами. Макси-
мальные (критические) рабочие частоты Д, эле-
ктронных ламп определяются выражением
2^ = l/dc^2.3e/(rnUcm),
где dC K — расстояние между управляющей
сеткой и катодом; Ucm — амплитуда напряже-
ния на управляющей сетке; е, т — заряд и мас-
са электрона соответственно.
Для уменьшения реактивных сопротивле-
ний используют радиальное расположение
электродов, уменьшают площадь их нерабочих
поверхностей, увеличивают диаметр электро-
дов и укорачивают их. Более радикальной ме-
рой является использование электродов в виде
частей колебательных систем, чаще всего коак-
сиальных. Типичным представителем СВЧ
ламп является металлокерамический триод
(Рис. 11.13), на противоположных концах кото-
рого расположены зажимы анода 1 и подогре-
ватель 3; расстояние сетка 4 — катод 2 состав-
ляет 0.1...0.01 мм. Рабочие частоты триодов
достигают 5... 10 ГГц при выходной мощности
несколько ватт. На частотах 300... 1000 МГц
получают мощность в тысячи—сотни ватт.
При малых и средних (менее 100 Вт) мощнос-
тях электронные лампы (триоды и тетроды)
почти полностью вытеснены транзисторами,
но лампы еще применяются при необходимос-
ти получения больших мощностей или работы
в средах с сильной внешней ионизацией.
Глава 11 ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
257
9-2959
11.5. СИСТЕМЫ СВЧ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ И ВОЛНОВЕДУЩИЕ
11.5. СИСТЕМЫ СВЧ КОЛЕБАТЕЛЬ-
НЫЕ И ВОЛНОВЕДУЩИЕ — устройства,
предназначенные для удержания колебаний
или проведения волн соответственно. Четкую
границу между колебательными и волноведу-
щими системами провести невозможно: толь-
ко однородное бесконечное свободное прост-
ранство можно считать сугубо волноведущей
системой, а полностью замкнутый абсолютно
изолированный бесконечно малый колеба-
тельный контур без потерь — колебательной
системой. Все реальные электродинамические
системы являются частично колебательными
и частично волноведущими. Однако все же по
степени отдаления от преимущественно вол-
новедущих к преимущественно колебатель-
ным электродинамические системы можно
расположить в такой ряд: свободное простран-
ство — линии передачи — замедляющие сис-
темы — фильтры — резонаторы — сосредото-
ченные колебательные контуры.
Замедляющие системы — волноведущие
устройства, скорость электромагнитных волн
в которых меньше, чем в свободном простран-
стве. Замедление может осуществляться бла-
годаря удлинению пути волн либо увеличению
диэлектрической или магнитной проницаемо-
сти среды. Последний способ применяется ре-
же, поскольку материалы с повышенной диэ-
лектрической и магнитной проницаемостью,
как правило, имеют и повышенное сопротив-
ление потерь. Удлинение пути волн осуществ-
ляется либо путем многократного выгибания
волноведущей структуры в сторону от нужно-
го направления, либо путем многократного от-
ражения волн (то назад, то вперед). К структу-
рам первого вида принадлежат спиральные ли-
нии (Рис. 11.14, а) и зигзагообразные волново-
ды (Рис. 11.14, б). Структуры второго вида по-
строены на цепочках каскадно включенных
резонаторов (резонаторные 3. с., Рис. 11.14, в)
или поперечных выступов и канавок (гребен-
чатые 3. с., Рис. 11Л4, г). Полоса рабочих ча-
стот ограничивается сверху шагом 3. с. (рас-
стоянием между элементами), а снизу — пол-
ной длиной 3. с. (расстоянием между первым и
последним элементами). Чем меньше шаг 3. с.,
тем равномернее ее АЧХ. 3. с. можно считать
широкополосным фильтром, образованным
каскадным соединением согласующих звеньев
с изменением по очереди вверх-вниз коэффи-
циента трансформации электрического сопро-
тивления.
Основным параметром 3. с. является коэф-
фициент замедления, равный отношению ско-
рости света к фазовой скорости волны в систе-
ме. Важным для многих применений является
тип дисперсии (зависимость фазовой скорости
волны от частоты): нормальная — фазовая ско-
рость уменьшается с увеличением частоты;
аномальная — увеличивается; положительная
258
РАДИОТЕХНИКА
11.5. СИСТЕМЫ СВЧ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ И ВОЛНОВЕДУЩИЕ
— направление фазовой скорости совпадает с
направлением групповой; отрицательная —
направления фазовой и групповой скоростей
противоположны. 3. с. с положительной дис-
персией применяют в СВЧ приборах прямой
волны, а 3. с. с отрицательной дисперсией — в
СВЧ приборах обратной волны. Аномальный
тип дисперсии способствует расширению диа-
пазона электронной перестройки частоты ге-
нераторных устройств, поскольку частично
компенсирует положительный наклон частот-
ной зависимости реактивного сопротивления
колебательной системы, т.е. уменьшает ее
фиксирующую способность и повышает коэф-
фициент включения элемента перестройки.
Спиральные 3. с. чаще всего применяют в
лампах прямой волны, резонаторные — в маг-
нетронных приборах, гребенчатые — в лампах
обратной волны.
Линии передачи — устройства передачи
энергии в заданном направлении разделяют на
экранированные (коаксйалйные линии, трубча-
тые металлические волноводы — прямоуголь-
ные, круглые или специальной формы), час-
тично экранированные (двухпроводные, поло-
сковые, микрополосковые, щелевые линии) и
неэкранированные (открытые диэлектричес-
кие и лучевые волноводы). Экранированные
линии имеют уменьшенное погонное сопро-
тивление потерь, но большую материалоем-
кость. Неэкранированные линии проще по кон-
струкции, но из-за связи со свободным прост-
ранством в них повышено сопротивление по-
терь. Частично экранированные линии имеют
промежуточные характеристики.
Двухпроводная линия (Рис. 11.15, а) работа-
ет на волнах типа Т (см. ст. 28.29), имеет вол-
новое сопротивление около 200...400 Ом и из-
за повышенной чувствительности к находя-
щимся вблизи посторонним предметам нахо-
дит ограниченное применение — преимущест-
венно в дециметровом диапазоне волн.
Диэлектрическую линию (Рис. 11.15, б)
используют чаще всего в миллиметровом ди-
апазоне волн, но открытая ее конструкция не
позволяет получить малое сопротивление по-
терь, этому препятствуют и потери в материа-
ле диэлектрика. Разновидностью диэлектри-
ческой линии является зеркальный волновод
(Рис. 11.15, в) — диэлектрическая линия на
металлической подложке. Зеркальные волно-
воды используются для создания резонатор-
ных систем активных устройств СВЧ, по-
скольку обеспечивают частичное экранирова-
ние и возможность отведения тепла через ме-
таллическое основание.
Коаксиальная линия (от лат. coaxis — соос-
ная) имеет металлический проводник внутри
металлической трубки с диэлектрическим про-
межутком между ними. Форма поперечного се-
чения может быть разнообразной, но больше
всего распространена цилиндрическая коакси-
альная линия (Рис. 11.15, г). Основной тип вол-
ны — Т. Волновое сопротивление
ZB = 601n(D/<7)/el/2,
где Е — относительная диэлектрическая про-
ницаемость внутреннего заполнения линии.
Типичные значения ZB = 30... 100 Ом. Коакси-
альные линии применяют преимущественно
на ДМВ и СМВ, а на ММВ — только как уз-
лы электродинамических систем. Рабочий ди-
апазон волн коаксиальных линий на основном
типе — от бесконечно длинных до Х/л.
Круглый волновод имеет вид цилиндриче-
ской металлической трубки с диэлектричес-
ким (чаще всего воздушным) заполнением
(Рис. 11.15, д). Преимущественно используют
волны типов //01 и #п (см. ст. 28.29). Круг-
лые волноводы применяют в сантиметровом и
миллиметровом диапазонах волн в качестве
узлов колебательных систем. Благодаря мало-
му затуханию волн типа Н()] становится воз-
можным создание высокодобротных цилинд-
рических резонаторов. Волны Нц очень удоб-
ны для построения трактовых устройств СВЧ
поляризационного типа (аттенюаторов, фазо-
вращателей). Волновое сопротивление со-
ставляет несколько сотен ом, а относитель-
ный диапазон волн не превышает нескольких
десятков процентов.
Лучевой волновод (Рис. 11.15, е) — это фак-
тически часть свободного пространства, в ко-
тором распространяется электромагнитный
луч, образованный системой зеркал. Применя-
ют лучевые волноводы и устройства на их ос-
нове (квазиоптические устройства СВЧ) на
верхних частотах миллиметрового и в субмил-
лиметровом диапазоне волн, поскольку только
там размеры зеркал можно сделать сравни-
тельно небольшими. Недостаток — влияние
параметров окружающей среды вследствие от-
крытого строения линии.
Прямоугольный волновод имеет вид метал-
лической трубки с поперечным сечением в виде
прямоугольника с диэлектрическим (как прави-
ло, воздушным) заполнением (Рис. 11.15, ж).
Глава 11. ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
259
11.5. СИСТЕМЫ СВЧ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ И ВОЛНОВЕДУЩИЕ
Диэлектрик
Металл
\77777777777777777777777>
Ж)
Рис. 11.15
Таблица 11.3
Тип линии передачи Диапазон волн Волновое сопротивление [Ом] Сопротивление потерь Конструктивная сложность
Двухпроводная дмв 400 Среднее Большая
Коаксиальная дмв-смв 50...100 Малое Тоже
Полосковая смв 20...50 Повышенное
П(Н)-волновод Тоже 100...200 Среднее Средняя
Круглый волновод СМВ-ММВ 500... 1000 Очень малое Малая
Прямоугольный волновод Тоже 200...500 Малое Средняя
Микрополосковая 50...100 Повышенное Малая
Копланарная СМВ 20...50 Большое Средняя
Щелевая ММВ 100...200 Среднее Большая
Диэлектрическая СМВ-ММВ 100...200 Большое Малая
Лучевой волновод ММВ-субММВ 400 Среднее Большая
260
РАДИОТЕХНИКА
11.5. СИСТЕМЫ СВЧ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ И ВОЛНОВЕДУЩИЕ
Основной тип волн — Я()1. Значение волново-
го сопротивления, определенное по сравнению
с сопротивлением бесконечно малого сосредо-
точенного элемента,
ZB = (240тг/>/а)Хв/Х,
где А,в = Х/yl ~[Х/(2я)]2 — длина волны в вол-
новоде. Типичное значение ZB = 300...700 Ом.
Прямоугольные волноводы применяют пре-
имущественно в сантиметровом и миллимет-
ровом диапазонах волн. Относительная полоса
частот на основном типе волн — от а до 2а, т.е.
близка к октаве.
Полосковая (Рис. 11.15, з) и микрополоско-
вая на диэлектрической подложке (Рис. 11.15, и)
линии работают на волнах типа квази-Т, имеют
близкое к коаксиальным линиям волновое со-
противление и применяются преимущественно
в сантиметровом и миллиметровом диапазонах
волн.
Металлические трубчатые волноводы спе-
циальной формы (чаще всего, П- и Н-образные,
Рис. 11.15, к, л) благодаря повышенной концен-
трации электрического поля около внутренних
ребер имеют уменьшенное (200...300 Ом) вол-
новое сопротивление и расширенную до не-
скольких октав относительную полосу рабочих
частот. Повышение концентрации поля вблизи
ребер вызывает уменьшение электрической
прочности и увеличение погонного сопротив-
ления потерь по сравнению с прямоугольным
волноводом. Применяются преимущественно в
сантиметровом диапазоне волн.
Щелевую и копланарную (от «ко»—«план»
— общая плоскость) линии используют в пря-
моугольных металлических экранах на СМВ и
ММВ при создании гибридно-интегральных
устройств СВЧ. Рабочий тип волн щелевой ли-
нии (Рис. 11.15, м) — квази-Н, волновое сопро-
тивление трудно сделать меньше 100 Ом, ти-
пичное его значение составляет 200...300 Ом.
Рабочий тип волн копланарной линии (Рис.
11.15, н) — квази-Т, типичные значения волно-
вого сопротивления 5... 150 Ом.
Сравнительные характеристики линий пе-
редачи приведены в Табл. 11.3.
Реактивные элементы в линиях переда-
чи показаны на Рис. 11.16—11.19. Емкостная
диафрагма в прямоугольном волноводе
(Рис. 11.16, а) имеет тем большую емкость,
чем меньше высота h щели; индуктивная диа-
фрагма (Рис. 11.16, б) — меньшую индуктив-
ность при меньшей ширине w щели; резонанс-
ная диафрагма (Рис. 11.16, в) имеет АЧХ па-
раллельного колебательного контура, если
длина щели w ~ Х/2. Индуктивность верти-
кальной полоски (или цилиндрического про-
Глава 11 ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
261
11.5. СИСТЕМЫ СВЧ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ И ВОЛНОВЕДУЩИЕ
водника, Рис. 11.16, г) обратно пропорцио-
нальна ее ширине ж Емкость горизонтальной
полоски (или цилиндрического проводника,
Рис. 11.16, д) увеличивается с ростом ширины
ж Схема замещения коаксиально-волноводно-
го перехода (Рис. 11.16, е) содержит индук-
тивность проводника L и емкость стыка линий
передачи С, причем С пропорциональна, a L
обратно пропорциональна диаметру цент-
рального проводника. Коаксиально-волновод-
ный переход является основой многих конст-
рукций твердотельных усилителей и генерато-
ров СВЧ. Открытый радиальный резонатор в
прямоугольном волноводе (Рис. 11.16, ж) ши-
роко используется как электродинамическая
система твердотельных диодных генераторов
с фиксированной частотой настройки. Основ-
ными элементами связи такого резонатора с
полем волновода являются его передняя и зад-
няя кромки, а индуктивность держателя /,держ
почти не влияет на характеристики системы.
Типичные реактивные элементы в коакси-
альных линиях передачи и их схемы замещения
показаны на Рис. 11.17, где изображены парал-
лельная емкость (Рис. 11.17, а), параллельная
индуктивность (Рис. 11.17, б), последователь-
ная емкость (Рис. 11.17, в) и последовательная
индуктивность (Рис. 11.17, г).
Реактивные элементы микрополосковых
линий (МПЛ) передачи и их схемы замещения
показаны на Рис. 11.18. Наиболее простые спо-
собы реализации последовательных емкости и
индуктивности представлены на Рис. 11.18, а и
Рис. 11.18, б соответственно. Интересный спо-
соб реализации последовательной индуктивно-
сти — отверстие в верхнем проводнике (Рис.
11.18, в) — по существу, является параллель-
ным соединением двух индуктивностей. Па-
раллельные сосредоточенные элементы МПЛ
применяют редко, поскольку они требуют свер-
ления диэлектрической подложки. Параллель-
ные распределенные элементы реализуются от-
ветвлениями МПЛ (Рис. 11.18, г).
В щелевых линиях (ЩЛ) относительно
легко реализуются параллельные сосредото-
ченные индуктивность (Рис. 11.19, а) и ем-
кость (перекрытие двух лент с диэлектричес-
ким промежутком, Рис. 11.19, б). Последова-
тельные распределенные элементы ЩЛ реали-
зуются ответвлением щелей (Рис. 11.19, в).
Сосредоточенные элементы в круглых вол-
новодах используют для создания замедляю-
щих систем (см. далее). Сосредоточенные эле-
менты в диэлектрических и лучевых волново-
дах почти не применяют, поскольку из-за от-
крытости этих линий трудно предотвратить
«выплескивание» волн за границы линии. Од-
нако отрезки таких линий вполне пригодны для
создания резонаторов и фильтров на их основе.
Резонаторы — пассивные устройства СВЧ
с АЧХ, приближенными к характеристикам со-
средоточенных колебательных контуров. Кон-
структивно простейшей реализацией резона-
тора является отрезок регулярной линии пере-
дачи с реактивными неоднородностями типа
короткого замыкания или разрыва на концах.
Кольцо
Разрыв
Рис. 11.17
262
РАДИОТЕХНИКА
11.5. СИСТЕМЫ СВЧ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ И ВОЛНОВЕДУЩИЕ
в)
Рис. 11.19
На Рис. 11.20 показаны некоторые разновидно-
сти резонаторов СВЧ: призматический на ос-
нове прямоугольного волновода (Рис. 11.20, а);
цилиндрический на основе круглого волновода
(Рис. 11.20, #); коаксиальный на основе коакси-
альной линии (Рис. 11.20, в); радиальный на
основе радиальной линии (Рис. 11.20, г); то-
роидальный (Рис. 11.20, д) — кольцевой ци-
линдрический с емкостным центральным уча-
стком; квазиоптический (Рис. 11.20, е) — двух-
или многозеркальный; диэлектрический —
цилиндрический (Рис. 11.20, ж) и призмати-
ческий (Рис. 11.20, з); радиальный в виде от-
резка линии передачи (Рис. 11.20, w); микро-
полосковый линейный (Рис. 11.20, к) и ради-
альный (Рис. 11.20, л); магнитодиэлектричес-
кий (Рис. 11.20, м) — в виде шарика или дру-
гой пространственной фигуры из диэлектри-
ческого материала с повышенной магнитной
проницаемостью (чаще всего ЖИГ).
Основным параметром резонаторов являет-
ся резонансная частота (спектр резонансных
частот) и добротность. Резонансные частоты
обусловлены кратностью электрических разме-
ров резонатора половине длины волны в его
внутреннем пространстве. Добротность про-
порциональна внутреннему объему и обратно
пропорциональна площади внутренней по-
верхности резонатора (см. ст. 28.15). Объем оп-
ределяет возможный запас энергии при задан-
ном типе колебаний, а качество поверхности
резонатора — уровень потерь. Дополнитель-
ные потери возникают во внутреннем прост-
Глава 11. ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
263
11.5. СИСТЕМЫ СВЧ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ И ВОЛНОВЕДУЩИЕ
ранстве резонатора вследствие неидеальности
диэлектрического или магнитного материала
заполнения. Связь резонаторов с другими час-
тями электродинамических систем СВЧ осуще-
ствляется чаще всего при помощи отверстий
(щелевых устройств возбуждения) или зондов
и петель. Магнитодиэлектрические резонаторы
нуждаются в применении петель (полупетель)
связи, диэлектрические и микрополосковые ре-
зонаторы не требуют специальных устройств
связи, поскольку имеют достаточно выражен-
ное внешнее электромагнитное поле. Критиче-
ская связь резонатора с остальной частью сис-
темы соответствует равенству его потерь внут-
ри и извне, нагруженная добротность критиче-
ски связанного резонатора равна половине его
собственной добротности. Резонаторы с мень-
шими потерями извне называют недосвязанны-
ми, а с большими •— пересвязанными. Коэффи-
циент связи резонатора с остальной частью си-
стемы оценивается выражением р = £?о/£?вн>
где Qq и QBH — собственная и внешняя доброт-
ности соответственно. Типичные характерис-
тики резонаторов приведены в Табл. 11.4.
264
РАДИОТЕХНИКА
11.5. СИСТЕМЫ СВЧ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ И ВОЛНОВЕДУЩИЕ
Таблица 11.4
Тип резонатора Диапазон волн Типичная добротность Конструктивная сложность
Коаксиальный ДМВ •500...2000 Большая
Тороидальный ДМВ-СМВ 2000...5000 Тоже
Радиальный СМВ 2000...10000
Призматический СМВ-ММВ 10 000...20 000 Средняя
Цилиндрический Тоже 20 000...50 000 Тоже
Микрополосковый 500...1000 Малая
Диэлектрический 5000...10000 Тоже
Магнитодиэлектрический СМВ 1000...5000 Средняя
Квазиоптический ММВ — субММВ 50 000... 100 000 Большая
Согласующие звенья СВЧ — комбинации
двух или более реактивных двухполюсников
сосредоточенного или распределенного типа,
которые используются для получения заданно-
го соотношения (чаще всего равенства) актив-
ных сопротивлений источника 7?а и нагрузки
RH. Полная совокупность согласующих звеньев
с числом двухполюсников не более двух пока-
зана на Рис. 11.21. Рядом со звеном записаны
выражения, по которым приблизительно оце-
нивают добротность резонансной цепи, образо-
ванной соответствующим согласующим звеном
с активными сопротивлениями на входе и вы-
ходе при условии, что волновое сопротивление
отрезков линий передачи равно сопротивлению
нагрузки 7?н, а отрицательное активное сопро-
тивление источника Ra имеет произвольное
значение, причем коэффициент трансформации
D = |/?H/Ral- Выражения пригодны для расчета
добротности цепей с положительными значе-
ниями RH и отрицательными значениями Ra (ти-
пичный случай для генераторно-усилительных
устройств). При оценке пассивной цепи (RH и
Ra — положительные) найденное значение доб-
ротности нужно разделить на 2. Добротность
цепей определяется при таких условиях:
|Яа|=Ян;ЕДсо) = 0;£>» 1;
Q = 0.5(6ZA7Jco)(co//?'H),
Глава 11. ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
265
11.5. СИСТЕМЫ СВЧ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ И ВОЛНОВЕДУЩИЕ
где 7?н — трансформированное в последова-
тельную с Ra цепь активное сопротивление на-
грузки; производная dX/ckto определена на час-
тоте резонанса, когда в последовательной с Ra
цепи ЕХ(со) = 0. Если 7?н « |7?а| схемы согласу-
ющих звеньев нужно заменить на зеркальные,
т.е. поменять местами входные и выходные за-
жимы, при этом выражения для определения
добротности не изменятся.
Более сложные согласующие цепи можно
рассматривать как каскадные соединения рас-
смотренных элементарных цепей. Волновое со-
противление четвертьволнового трансформа-
тора (звено №10) определяется выражением
Ар = IАI •
Приведенные выражения позволяют быст-
ро оценить добротность колебательной систе-
мы илй полосу пропускания фильтра, постро-
енного на основе соответствующего согласую-
щего звена. Интересно отметить, что диапазон
добротностей при согласовании сопротивле-
ний, значения которых отличаются в 100 раз,
составляет приблизительно 10...300, а при со-
гласовании сопротивлений, отличающихся в
10 раз, — приблизительно 2...30, т.е. соответ-
ствует относительной полосе пропускания от
долей процента до десятков процентов. Это
позволяет даже с такими простейшими звенья-
ми получать разнообразные АЧХ радиотехни-
ческих устройств. В приведенных выражениях
не учтена дисперсия в отрезках линий переда-
чи, поэтому для линий с дисперсией получен-
ное значение добротности Q следует умно-
жить на дисперсионный множитель, который
для прямоугольных волноводов равен 1/[1 -
(/кр//)2]- Вообще можно утверждать, что доб-
ротность резонансного согласующего звена на
сосредоточенных элементах равна корню квад-
ратному из отношения согласуемых сопротив-
лений (£>1/2), добротность четвертьволнового
согласователя — (л/4)£>1/2, а добротность звена
на распределенных элементах — (л/4)£>, до-
полнительно умноженному на число четвертей
волн во всех звеньях с учетом дисперсионного
множителя.
Каскадное включение нескольких элемен-
тарных звеньев расширяет полосу пропускания
согласующей цепи благодаря взаимной компен-
сации реактивных сопротивлений звена вблизи
частоты резонанса, а при увеличении числа
звеньев и соответствующем уменьшении коэф-
фициента трансформации каждого из них со-
гласующая цепь вырождается в апериодичес-
кую. Типичное строение апериодических со-
гласующих устройств показано на Рис. 11.22,
где изображен ступенчатый трансформатор со-
противлений (Рис. 11.22, а), линейный (Рис.
11.22, б) и экспоненциальный (Рис. 11.22, в)
трансформаторы, причем линейный имеет
длину (3...4)Х, ступенчатый — около X, а экс-
поненциальный обеспечивает самую равномер-
ную АЧХ, но при длине более 2Х.
Вырожденным случаем согласующего звена
является оконечная нагрузка — СВЧ-двухпо-
люсник, входное сопротивление которого равно
волновому сопротивлению линии передачи (по-
глотитель). Конструкции волноводного (Рис.
11.23, а) и коаксиального (Рис. 11.23, б) погло-
тителей содержат поглощающий клин 1, кото-
рый чаще всего изготавливают из ферро- или
графитоэпоксидного компаунда.
Фильтры СВЧ — комбинации согласую-
щих звеньев, резонаторов и устройств связи,
которые обеспечивают получение АЧХ с за-
данной неравномерностью коэффициента пе-
редачи в заданном диапазоне частот.
11.6. УСТРОЙСТВА СВЧ ТВЕРДО-
ТЕЛЬНЫЕ — построены на принципах взаи-
модействия твердотельных АЭ с электродина-
мическими системами сосредоточенного или
распределенного типа.
Активные элементы твердотельных уст-
ройств СВЧ — приборы преобразования энер-
гии — разделяют на двух- и многоэлектрод-
ные. Двухэлектродные — это генераторно-уси-
лительные, детекторные, смесительные, уп-
равляющие (резистивные и реактивные) диоды
(см. ст. 29.9). Многоэлектродные — это бипо-
лярные и полевые транзисторы, полевые тет-
роды.
Детекторные диоды СВЧ выполнены на
основе точечных контактов, барьеров Шоттки
или /2-л-переходов. Точечно-контактные диоды
позволяют получить повышенную чувстви-
тельность устройств, конструктивно просты.
Диоды с барьером Шоттки электрически проч-
ны. Диоды с р-л-переходом также электричес-
ки прочны, но имеют меньшие предельные
частоты. Чувствительность устройств на де-
текторных диодах СВЧ достигает 10~15Вт.
Смесительные диоды СВЧ выполнены
аналогично детекторным диодам, но больше
внимания уделено электрической прочности и
улучшению шумовых параметров. Наилучшие
образцы смесительных устройств на резис-
тивных диодах обеспечивают коэффициент
шума 3...5 дБ.
266
РАДИОТЕХНИКА
11.6. УСТРОЙСТВА СВЧ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ
Управляющие диоды СВЧ\ резистивные (на
основе p-i-n-структур) могут существенно из-
менять свое активное сопротивление при изме-
нении тока питания и используются для созда-
ния аттенюаторов, переключателей и дискрет-
ных фазовращателей; реактивные (на основе
обратно смещенных /г-я-переходов) — варак-
торы (от англ. Variable Reactor — переменное
реактивное сопротивление) могут многократно
изменять свое реактивное сопротивление при
изменении напряжения смещения и применя-
ются для создания контуров с переменной ре-
зонансной частотой, а также для параметриче-
ского усиления или преобразования частоты.
Лавинно-пролетный диод — полупровод-
никовый диод с отрицательным дифференци-
альным сопротивлением, природа которого
обусловлена инерционностью процессов гене-
рации лавины в обратно смещенном р-п- пере-
ходе и инерционностью движения пространст-
венно сгруппированных носителей заряда. Ра-
бочие частоты ЛПД составляют единицы—
сотни гигагерц, генерируемая мощность —
единицы ватт — десятки милливатт, КПД —
20...2% соответственно.
Междолинно-переходный диод (МПД, диод
Ганна) — полупроводниковый диод без р-п-пе-
рехода с отрицательным дифференциальным
сопротивлением, природа которого обусловле-
на инверсией заселенности энергетических до-
лин зонной диаграммы под действием сильно-
го электрического поля, а также инерционнос-
тью процессов междолинного перехода и про-
лета электронов. Рабочие частоты МПД со-
ставляют единицы—десятки гигагерц, соот-
ветствующая мощность — сотни—десятки
милливатт, КПД — единицы процентов.
Туннельный диод (ТД) — полупроводнико-
вый диод с отрицательным дифференциаль-
ным сопротивлением, природа которого обус-
ловлена туннельным эффектом в /г-я-перехо-
де. Рабочие частоты ТД составляют едини-
цы—десятки гигагерц, мощность — едини-
цы—доли милливатт.
Общим свойством ЛПД, МПД, ТД и их
разновидностей является наличие отрица-
тельного дифференциального сопротивле-
ния, которое зависит от частоты и амплитуды
колебаний, что позволяет создавать на их ос-
нове генераторные и регенеративно-усили-
тельные устройства благодаря компенсации
положительного активного сопротивления
колебательных систем. Отрицательное диф-
ференциальное сопротивление ЛПД при мак-
симальной мощности генерации относитель-
но мало — единицы ом, а в ТД и МПД может
составлять один — два десятка ом. Реактив-
ная часть полного сопротивления диодов
имеет емкостный характер и достигает не-
скольких десятков ом.
Типичные конструкции СВЧ диодов пока-
заны на Рис. 11.24, где изображены диоды в за-
крытом (а), открытом (б) корпусах и бескор-
пусный (в). Все они содержат АЭ 2, теплоотво-
дящую основу 1, токоподводящий контакт 3.
Схема замещения АЭ в корпусе показана на
Рис. 11.24, г, где Ск, LK — емкость и индуктив-
ность корпуса соответственно.
Глава 11. ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
267
11.6. УСТРОЙСТВА СВЧ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ
Транзисторы СВЧ имеют обычный для
всех транзисторов принцип действия (см. ст.
29.1, 29.7), но при применении в устройствах
СВЧ требуют тщательного учета реактивных и
резистивных параметров электродов и пара-
метров пространства взаимодействия носите-
лей заряда с ЭМП.
Детекторы и смесители СВЧ — устройст-
ва преобразования частоты сигналов, постро-
енные на основе детекторных и смесительных
АЭ СВЧ, размещенных в электродинамических
СВЧ системах. Узкополосные (с относительной
полосой частот до 10%) детекторы и смесители
выполняют на основе резонансных систем типа
генераторных (см. далее), широкополосные —
на основе ответвителей в трактах (см. ст. 11.7),
относительная полоса рабочих частот может
достигать октавы. Наибольшее распростране-
ние приобрели детекторы и смесители баланс-
ного типа, в качестве АЭ в последнее время все
чаще используют транзисторы.
Диодные генераторы СВЧ — устройства
на основе двухполюсных АЭ с отрицательным
дифференциальным сопротивлением, принцип
действия которых состоит в полной компенса-
ции положительного активного сопротивления
потерь и сопротивления полезной нагрузки эле-
ктродинамической системы на ее резонансной
частоте, что приводит к автогенерации. Мате-
матически это выражается тремя условиями:
фЕ/?/д/)ЭЕА7д(О - (ЭЕЛ/Эсо)ЭЕЛ7Э7 > 0 —
условие устойчивости генерации,
где 7?а, Ха — составляющие полного сопротив-
ления АЭ; Rc и составляющие полного
сопротивления электродинамической систе-
мы с учетом полезной нагрузки; со — рабочая
частота; I — амплитуда переменного СВЧ то-
ка АЭ. В большинстве практических случаев
для устойчивости достаточно выполнения ус-
ловия ЭЕА7Э(0 > 0.
Обобщенная схема замещения диодного
генератора показана на Рис. 11.25, где RH — со-
противление полезной нагрузки; Ra — сопро-
тивление АЭ; СЦ — согласующая цепь, в со-
став которой включены согласующие звенья
электродинамической системы, сопротивления
потерь цепей питания и монтажа АЭ, реактив-
ная часть полного сопротивления АЭ. В боль-
шинстве практических случаев RH равно вол-
новому сопротивлению выходной линии пере-
дачи, т.е. составляет десятки—сотни ом, a Ra
имеет порядок единиц ом. Отсюда следует, что
основной задачей СЦ является трансформация
относительно большого сопротивления на-
грузки к относительно малому сопротивлению
АЭ с целью выполнения условия XR = 0 при
обеспечении условий XX = 0 и ЭЕЛ7Эсо > 0 на
рабочей частоте генератора. Именно такие
свойства присущи согласующим звеньям, рас-
смотренным в ст. 11.5.
XR = 7?а(со; 7) + Rc(<n) = 0 —
баланс активных сопротивлений;
XX = Ха(со; I) + Лс(со) = 0 —
баланс реактивных сопротивлений;
Рис. 11.25
268
РАДИОТЕХНИКА
11.6. УСТРОЙСТВА СВЧ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ
Конструкции и упрощенные схемы заме-
щения диодных генераторов изображены на
Рис. 11.26—11.30. В волноводно-сосредото-
ченной конструкции (Рис. 11.26, а) в качестве
элементов согласующего звена используются
реактивные параметры Ск, LK корпуса АЭ,
роль волноведущих элементов заключается
только в экранировании полей и передаче
энергии к нагрузке. КПД такой конструкции
приближается к 100%, потому что сопротив-
ления потерь устройства питания и других
элементов электродинамической системы вы-
несены на уровень относительно высокоом-
ной полезной нагрузки. Недостаток конструк-
ции — необходимость тщательного отбора
диодов с различными для различных частот
параметрами корпусов. Внутриволноводно-
резонаторные конструкции (Рис. 11.26, б) так-
же имеют близкий к 100% КПД и позволяют
подстраивать рабочую частоту изменением
диаметра «шляпки» дискового элемента, рас-
положенного над генераторным диодом. Су-
щественная перестройка рабочей частоты
возможна в волноводно-штыревой конструк-
ции (Рис. 11.26, в), где основными элемента-
ми СЦ являются индуктивность штыря £ш и
входное сопротивление полуволнового шлей-
фа, длину которого можно изменять с помо-
щью подвижного короткозамыкателя. Недо-
статок конструкции — уменьшенный КПД,
поскольку сопротивления потерь устройства
питания и короткозамыкателя включены не-
посредственно в цепь низкоомного АЭ. Вол-
новодно-коаксиальная конструкция (Рис.
11.26, г) также позволяет довольно легко ме-
нять частоту настройки генератора изменени-
ем длины коаксиального шлейфа и по сравне-
нию с предыдущей конструкцией имеет повы-
шенный КПД благодаря тому, что сопротив-
ление потерь устройства питания вынесено
на уровень относительно большого сопротив-
ления полезной нагрузки. Волноводная
шлейф-каскадная конструкция (Рис. 11.26, д)
обладает уменьшенным КПД и сравнительно
большой добротностью колебательной систе-
мы. Уменьшенный КПД имеет также чет-
вертьволново-трансформаторная волноводная
конструкция (Рис. 11.26, е), добротность ко-
лебательной системы здесь также уменьшена,
что полезно при создании широкополосных
синхронизированных генераторов.
Рассматриваемые волноводные конструк-
ции обеспечивают хорошее экранирование
ЭМП и качественный теплоотвод, но плохо
приспособлены к гибридно-интегральным тех-
нологиям изготовления. Лучшую технологич-
ность при массовом производстве имеют мик-
рополосковые и волноводно-щелевые конст-
рукции генераторов: микрополосковая сосре-
доточенная (Рис. 11.27, а), четвертьволновая
(Рис. 11.27, б), шлейф-параллельная (Рис.
11.27, в), шлейф-каскадная (Рис. 11.27, г),
двухшлейфная (Рис. 11.27, д) и волноводно-
щелевая шлейф-параллельная (Рис. 11.27, е).
Эти конструкции позволяют уменьшить влия-
ние сопротивления потерь источника питания
путем его пространственного выноса из согла-
сующего звена на уровень сопротивления по-
лезной нагрузки и имеют достаточно высокий
КПД, при этом добротность колебательной си-
стемы снижена, поскольку коэффициент
трансформации сопротивлений относительно
невелик (см. ст. 11.5) вследствие уменьшенно-
го волнового сопротивления микрополосковых
и щелевых линий передачи.
Многодиодные генераторы создают для
увеличения выходной мощности. Суммирова-
ние мощности можно осуществлять по парал-
лельной, последовательной и смешанной схе-
мам. В параллельных схемах (коаксиально-ра-
диальной, Рис. 11.28, а, и коаксиально-волно-
водной, Рис. 11.28, б, конструкциях) при уве-
личении числа диодов добротность колеба-
тельной системы растет, потому что увеличи-
вается коэффициент трансформации сопротив-
ления, кроме того повышается КПД, посколь-
ку благодаря параллельному соединению
уменьшается эквивалентное сопротивление
потерь. Надежность системы низкая, так как
выход из строя любой ее части со взаимно не-
развязанными АЭ приводит к шунтированию
полезной нагрузки.
Последовательные схемы (поперечная вол-
новодно-штыревая, Рис. 11.29, а, и внутривол-
новодно-резонаторная, Рис. 11.29, б) имеют
повышенную надежность, но уменьшенную
добротность и не обеспечивают выигрыша в
КПД. Смешанные схемы (например, попереч-
ная волноводно-двухштыревая конструкция,
Рис. 11.29, в) сочетают свойства параллельной
и последовательной схем. Недостатком всех
многодиодных конструкций является слож-
ность настройки и склонность к неконтроли-
руемому паразитному самовозбуждению из-за
применения большого числа резонансных
контуров.
Стабилизированные диодные генераторы
используют тогда, когда добротность и эталон-
Глава 11. ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
269
11.6. УСТРОЙСТВА СВЧ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ
270
РАДИОТЕХНИКА
11.6. УСТРОЙСТВА СВЧ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ
ность генераторов на обычных согласующих
звеньях недостаточны. Типичными конструк-
циями стабилизированных генераторов явля-
ются: волноводные последовательно-резона-
торная (Рис. 11.30, а), резонаторно-отража-
тельная (Рис. 11.30, б) и резонаторно-проход-
ная (Рис. 11.30, в); микрополосковые последо-
вательно-резонаторная (Рис. 11.30, г), резона-
торно-отражательная (Рис. 11.30, д) и резона-
торно-проходная (Рис. 11.30, е); квазиоптичес-
кая резонаторно-проходная (Рис. 11.30, ж; на
Рис. 11.30, г, д, ж 1 — диэлектрический резо-
натор). Отражательные конструкции стабили-
зированных генераторов удобны в настройке, а
проходные дополнительно уменьшают шумы
генератора за пределами полосы пропускания
резонатора. Нестабильность частоты генерато-
ра уменьшается пропорционально запасу энер-
гии в эталонном резонаторе по сравнению с за-
пасом энергии в остальной части электродина-
мической системы. Однако резонатор имеет
собственное сопротивление потерь, влияние
которого тем больше, чем большую часть энер-
гии запасает резонатор. Дополнительные поте-
ри генерируемой энергии оценивают с помо-
щью КПД стабилизатора, т.е. по относитель-
ной части потерь на стабилизацию. Фундамен-
тальным правилом является:
Лд + Т|ст — 1,
где кд — коэффициент использования доброт-
ности резонатора; Т|ст — КПД стабилизатора.
Коэффициент использования добротности
резонатора определяется отношением нагру-
женной добротности колебательной системы
генератора к собственной добротности резона-
тора. Применение стабилизирующих резонато-
ров позволяет улучшить стабильность частоты
генераторов в десятки—сотни раз.
Перестраиваемые диодные генераторы
СВЧ разделяют на механически, электронно,
электрически, электромагнитно управляемые.
Механическая перестройка частоты генерато-
ров осуществляется изменением размеров эле-
ментов колебательных систем и поэтому явля-
ется очень инерционной. Лучше всего приспо-
соблены к механической перестройке частоты
волноводные шлейфные конструкции (см. Рис.
11.26, в) и конструкции с механически перест-
раиваемыми дополнительными резонаторами
(см. Рис. 11.30, а—в). Диапазон механической
перестройки частоты ограничен допустимым
рассогласованием сопротивлений АЭ и колеба-
тельной системы, которое приводит к измене-
нию генерируемой мощности. В зависимости
от структуры генератора относительная полоса
механической перестройки частоты может со-
ставлять единицы—десятки процентов.
Электронная перестройка частоты осуще-
ствляется путем изменения реактивной части
полного сопротивления АЭ при изменении на-
пряжения питания генератора. Быстродейст-
вие такой перестройки не превышает несколь-
ких микросекунд. Относительная полоса элек-
тронной перестройки частоты генератора огра-
Глава 11. ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
271
11.6. УСТРОЙСТВА СВЧ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ
ничена полосой пропускания резонаторов и
согласующих звеньев колебательной системы
и не превышает нескольких процентов.
Электрическую перестройку частоты гене-
раторов производят с помощью электронно уп-
равляемых дополнительных элементов — ва-
ракторов (см. ст. 29.9). Благодаря их малой
инерционности удается увеличить быстродей-
ствие перестройки до нескольких наносекунд.
Возможная полоса частот перестройки сущест-
венно зависит от структуры генератора: наи-
большую полосу имеют те генераторы, в кото-
рых варактор является частью согласующего
звена и изменение его реактивного сопротивле-
ния не приводит к существенному изменению
коэффициента трансформации активных сопро-
тивлений системы. Волноводная шлейфная V-
последовательная (V — варактор) конструкция
(Рис. 11.31, а) обеспечивает перестройку в не-
большой полосе частот (как правило, до 1%), а
такая же, но A-последовательная конструкция
(АЭ — активный элемент, Рис. 11.31, б) благо-
даря более удачному включению варактора (с
точки зрения уменьшения его влияния на согла-
сование активных сопротивлений) позволяет
увеличить до 10% диапазон перестройки часто-
ты. Еще больший диапазон перестройки
(20...30%) имеют волноводные поперечно-
штыревые последовательная (Рис. 11.31, в) и
параллельная (Рис. 11.31, г) конструкции, одна-
272
РАДИОТЕХНИКА
11.6. УСТРОЙСТВА СВЧ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ
Глава 11. ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
273
11.6. УСТРОЙСТВА СВЧ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ
ко практическая реализация таких генераторов
очень усложнена из-за необходимости тщатель-
ного подбора АЭ и варакторов, поскольку реак-
тивные сопротивления их корпусов являются
основными элементами согласующих звеньев.
Наибольший диапазон электронной перест-
ройки частоты (до октавы) обеспечивают гиб-
ридно-интегральные конструкции генераторов
на основе микрополосковых (Рис. 11.32, а), вол-
новодно-щелевых продольной (Рис. 11.32, б) и
поперечной (Рис. 11.32, в) электродинамичес-
ких систем. Приблизительно оценить возмож-
ный диапазон варакторной перестройки часто-
ты можно при помощи выражения
/max//min = (Cmax/Cminf,
где/пах и/шп — максимальная и минимальная
частоты генерации; Cmax, Cmin — максимальная
и минимальная емкости варактора; р = D/(2Q);
суть параметров D и Q раскрыта в ст. 11.5.
Электромагнитно перестраиваемые гене-
раторы создают на основе магнитных (ЖИГ)
резонаторов (см. ст. 11.5). Диапазон перест-
ройки частоты может превышать октаву, но
быстродействие ограничено инерционностью
источника управления электромагнитом и не
превышает десятков микросекунд.
Диодные синхронизированные генера-
торы-усилители — устройства усиления ЧМ
сигналов (при усилении сигналов с AM проис-
ходит их демодуляция), занимающие проме-
жуточное положение между автогенераторами
и регенеративными усилителями. Режим на-
чальной настройки активного сопротивления
колебательной системы соответствует области
между слабосигнальным сопротивлением АЭ
7?а0 и сопротивлением при максимальной мощ-
ности 7?а.опт (Рис. 11.33, а). При поступлении
входного синхронизирующего сигнала рабо-
чая точка синхронизированного генератора
смещается в положение, соответствующее
Яа.опт- Полоса рабочих частот приблизительно
оценивается выражением
4/7/= i/^bx/p^h)172,
где Рген — мощность автогенерации.
Диодные усилители СВЧ — усилитель-
ные устройства на основе двухполюсных АЭ
274
РАДИОТЕХНИКА
11.7. УСТРОЙСТВА СВЧ ТРАКТОВЫЕ
с отрицательным дифференциальным сопро-
тивлением. Конструктивно они подобны ди-
одным генераторам СВЧ, но имеют умень-
шенный до уровня срыва самовозбуждения
коэффициент трансформации активных со-
противлений в электродинамической систе-
ме. Диодные усилители — регенеративные
(от слова регенерация — повторная, вторич-
ная генерация) устройства, принцип дейст-
вия которых основан на частичной компенса-
ции сопротивления потерь колебательной си-
стемы. Эти усилители, как правило, нужда-
ются в применении развязывающих циркуля-
торов (см. ст. 11.7). Коэффициент усиления
мощности при слабом входном сигнале опре-
деляется выражением
Кр = [(<7 + I)2 +(^)2]/[(? - I)2 + (^)2],
где q = |7?с/7?аО| — отношение приведенного со-
противления внешней системы к слабосигналь-
ному значению отрицательного сопротивления
АЭ; £ = С(со/соо - (Оо/со) — обобщенная расст-
ройка колебательной системы относительно ре-
зонансной частоты (Оо; Q — нагруженная доб-
ротность колебательной системы.
В режиме сильного сигнала коэффициент
усиления ограничивается максимально воз-
можной мощностью генерации АЭ. Области
сопротивлений, которые соответствуют режи-
мам усиления и генерации, показаны на
Рис. 11.33, а. Зависимости коэффициента уси-
ления КР от обобщенной расстройки при раз-
личных значениях q и СВЧ тока АЭ изображе-
ны на Рис. 11.33, б, в соответственно.
Приблизительно оценить полосу усиления
можно с помощью выражений:
в режиме слабого сигнала (когда Рвх « Рвых,
а/->0)
Д/7/=(?-1)/(?0;
в режиме сильного сигнала (когда Рвх—> РВЬ1Х)
MQ-
Нагруженную добротность Q колебатель-
ной системы для различных конструкций уси-
лительных устройств можно оценить при помо-
щи выражений, приведенных в ст. 11.5, с учетом
несколько уменьшенного (для обеспечения за-
паса устойчивости усиления) коэффициента
трансформации сопротивлений D = |7?н/(^7?а)| в
колебательной системе.
Транзисторные генераторы СВЧ — гене-
раторные устройства на основе СВЧ транзисто-
ров. Колебательные и согласующие звенья эле-
ктродинамических систем транзисторных гене-
раторов имеют такой же вид, как и у диодных
генераторов.. Преимуществом является повы-
шенный электронный КПД АЭ, а недостатком
— сложность реализации электродинамичес-
кой системы с внешней обратной связью, осо-
бенно в диапазоне миллиметровых волн.
Транзисторные усилители СВЧ — усили-
тельные устройства, принцип построения кото-
рых такой же, как и усилителей более низких
частот, но колебательные и согласующие звенья
электродинамических систем имеют особенно-
сти, специфические для диапазона СВЧ. При-
мер конструкции двухкаскадного (FT] и РТ2)
транзисторного усилителя показан на Рис.
11.34. Резонансные звенья входных и выходных
согласующих цепей построены на основе мик-
рополосковых линий. Иногда (на более низких
частотах) используют сосредоточенные кон-
денсаторы и спиральные индуктивные элемен-
ты. Преимущество транзисторных усилителей
— повышенный КПД, недостаток — меньшие
предельные частоты по сравнению с диодными
усилителями. Существенное снижение уровня
шумов возможно благодаря принудительному
охлаждению АЭ.
Шумовые характеристики усилителей
СВЧ— см. ст 11.8.
11.7. УСТРОЙСТВА СВЧ ТРАКТО-
ВЫЕ — устройства обработки сигналов в
трактах СВЧ.
Аттенюатор (от лат. at — до, еще не и tensus
— напряжение, т.е. ненапряженный, ослаблен-
ный) — устройство для уменьшения мощности
сигнала в тракте. В ножевом аттенюаторе
(Рис. 11.35, а) ослабление обусловлено погло-
щением энергии в слое поглотителя 1 (графит,
ферроэпоксидный компаунд, высокоомный про-
водящий материал и др.). Недостатком такого
аттенюатора является зависимость затухания от
частоты, поскольку геометрическая длина по-
глощающего ножа отличается от электрической
Глава 11. ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
275
11.7. УСТРОЙСТВА СВЧ ТРАКТОВЫЕ
Рис. 11.36
276
РАДИОТЕХНИКА
11.7. УСТРОЙСТВА СВЧ ТРАКТОВЫЕ
на различных частотах. Поляризационный ат-
тенюатор (Рис. 11.35, б) также имеет поверх-
ность с поглощающим слоем 1, степень ослаб-
ления сигнала зависит от взаимной ориентации
этого слоя и вектора поляризации волны типа
Ян в круглом волноводе. Основное преимуще-
ство таких аттенюаторов — слабая зависимость
затухания от частоты. В запредельных аттеню-
аторах (Рис. 11.35, в) используются явления от-
ражения и затухания электромагнитных волн в
отрезке 2 линии передачи на частотах меньше
критической (до границы полосы пропускания).
Основной недостаток — сложность регулиров-
ки затухания. В p-i-n-аттенюаторах (Рис.
11.35, г) ослабление сигнала обеспечивается
вследствие увеличения отражения электромаг-
нитных волн в линии передачи при увеличении
рассогласования ее волнового сопротивления с
комплексным сопротивлением цепочки элемен-
тов с p-z-и-диодами, которое существенно зави-
сит от тока питания. Основное преимущество
таких аттенюаторов — возможность электрон-
ной регулировки ослабления, основной недо-
статок — сложность получения равномерной
частотной характеристики.
Вентиль (от лат. ventum — приходить, при-
бывать к месту) — устройство, предназначен-
ное для подачи сигнала в нужном направлении
и исключения обратного влияния нагрузки на
вход. Вентиль имеет малое затухание при про-
хождении электромагнитной волны в одном на-
правлении и большое — в противоположном.
Чаще всего применяют вентили с поперечно
Намагниченными ферритами. Если на участке
линии передачи разместить феррит и создать
статическое поле подмагничивания, то вблизи
частоты гиромагнитного резонанса магнитная
проницаемость феррита будет различной для
волн, движущихся в противоположных направ-
лениях, вследствие сложения или взаимной
компенсации полей волны и феррита. Непро-
хождение обратной волны обусловлено ее отра-
жением и поглощением на частоте гиромагнит-
ного резонанса, которая, в свою очередь, зави-
сит от общей напряженности магнитного поля.
Волноводная конструкция вентиля показана на
Рис. 11.36, где 1 — феррит.
Нагрузка — оконечное устройство тракта.
Нагрузки разделяют на согласованные и реак-
тивные. Первые выполняют на основе клино-
образных поглощающих (резистивных) эле-
ментов в линиях передачи (см. Рис. 11.23), вто-
рые — в виде замыкающих (отражающих) око-
нечных элементов. Замыкающие элементы бы-
вают неподвижными (металлическая перего-
родка в линии передачи) и подвижными (ко-
роткозамыкающие поршни). Подвижные ко-
роткозамыкатели с поршнем 1 в зависимости
от типа цепи замыкания разделяют на контакт-
ные (кондуктивные) — Рис. 11.37, а и бескон-
тактные (резонансные) — Рис. 11.37, б. В по-
следних удается получить меньшее сопротив-
ление потерь в ограниченной полосе частот,
определяемой диапазоном эффективного дей-
ствия четвертьволновых отрезков поршня.
Ответвитель — устройство для отделения
части потока электромагнитных волн. Про-
стейшая реализация О. — разделение основ-
ной линии передачи на несколько боковых
(Рис. 11.38, а). В таких конструкциях трудно
получить большой коэффициент деления, т.е.
отделить достаточно малую часть потока.
Большие коэффициенты деления обеспечива-
ют ответвители на основе связанных линий
передачи. Слабая связь обусловлена или малы-
ми размерами отверстий (щелей) в общих
стенках волноводов, или увеличенным прост-
ранственным разносом частично экранирован-
“Вивя 11. ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
277
11.7. УСТРОЙСТВА СВЧ ТРАКТОВЫЕ
278
РАДИОТЕХНИКА
11.7. УСТРОЙСТВА СВЧ ТРАКТОВЫЕ
ных линий передачи — микрополосковых, ще-
левых, копланарных, диэлектрических и др.
Недостатком таких ответвителей является
сильная зависимость коэффициента деления от
частоты. Для улучшения АЧХ применяют кон-
струкции с большим числом неравномерно
размещенных отверстий связи (Рис. 11.38, б)
или с неравномерным сближением линий пере-
дачи в зоне взаимодействия (Рис. 11.38, в).
Разновидностями ответвителя являются
волноводные мосты СВЧ: Е-мост (Е-трой-
ник) — Рис. 11.39, л, Н-мост (Н-тройник) —
Рис. 11.39, б, ЕН-мост (ЕН-тройник) — Рис.
11.39, в.
Направленные ответвители, т.е. невзаим-
ные делители, создают, подбирая размеры и
взаимное расположение элементов связи ли-
ний передачи. Волноводный щелевой мост
(Рис. 11.40, а) при соответствующем выборе
длины отверстия связи делит мощность попо-
лам, обеспечивая квадратурный (кратный 90°)
относительный фазовый сдвиг на выходных
концах. Взаимно развязанными оказываются
концы 1—2 и 3—4. Такой ответвитель называ-
ют сонаправленным, поскольку направления
распространения волн от концов 1 и 2 одинако-
вы. Если взаимно развязанными являются кон-
цы 1—4 и 2—3, то ответвитель будет противо-
направленным. Примером реализации послед-
него является микрополосковый ответвитель
на 7-волнах (Рис. 11.40, б). Требуемые характе-
ристики ответвителя получают выбором дли-
ны области связи и волнового сопротивления
связанных отрезков линий.
Разновидностью противонаправленных от-
ветвителей является также ответвитель
Ланге, в котором получение необходимой сте-
пени связи облегчается благодаря перекрест-
ному наложению раздвоенных линий передачи
(Рис. 11.40, в). Кольцевые ответвители могут
быть как сонаправлеными, так и противона-
правлеными. В первом случае образуется коль-
цо из отрезков линий передачи длиной Х/4
(симметричный шлейфный кольцевой ответви-
тель, Рис. 11.40, г), во втором — сдвоенное
кольцо (из двух предыдущих колец) с подклю-
чением концов 3 и 4 к середине образованной
структуры (гибридный шлейфный кольцевой
ответвитель, Рис. 11.40, д). Кольцевые ответ-
вители довольно легко реализуются на основе
любых линий передачи: волноводных, коакси-
альных, полосковых и др.
Переключатель — устройство для комму-
тации ответвлений тракта. Выполняется на ос-
нове ответвителей с установленными в их пле-
чах переключающими элементами. Различают
механический и электронный переключатели.
Последние выполняют на основе переключа-
ющих диодов (p-z-и-диодов, варакторов) или
газовых разрядников, которые часто применя-
ют для автоматического переключения при
превышении заданного порога мощности волн
(например, при переходе от режима приема к
режиму передачи).
Фазовращатель — устройство для управ-
ления фазой электромагнитных волн в трак-
тах. Механические фазовращатели конструк-
тивно подобны механическим аттенюаторам
(см. ранее), но вместо поглощающего слоя
имеют слой материала с повышенной диэлек-
трической проницаемостью, что позволяет из-
менять фазу волн вследствие их замедления.
Последнее достигается также при сближении
узких стенок прямоугольного волновода.
Тромбонный фазовращатель действует по
принципу регулируемого удлинения пути волн
в механической системе, подобной тромбону.
Действие электрически управляемых фазовра-
щателей основано на ступенчатой коммутации
набора отрезков линий передачи с p-z-w-диода-
ми или на сдвиге фаз цепочками последова-
тельно включенных резонансных контуров с
варакторными диодами. Преимуществом эле-
ктронных фазовращателей является их быст-
родействие, недостатком — малая пропускае-
мая мощность. Большую пропускаемую мощ-
ность (но меньшую, чем механические фазо-
вращатели) имеют магнитные фазовращатели.
Принцип их действия заключается в управле-
нии или относительной магнитной проницае-
мостью ферритового стержня внутри волново-
да с помощью внешнего магнитного поля (Ф.
Реджиа—Спенсера), или частотой гиромагнит-
ного резонатора в ферритовой вставке (Ф. на
эффекте Фарадея). Фазовращатели первого
типа являются взаимными (т.е. действуют в
прямом и обратном направлениях), а второго —
невзаимными. Быстродействие магнитного фа-
зовращателя промежуточное между механичес-
ким и электрическим фазовращателями.
Циркулятор (от лат. circumlatum — носить
по кругу) — устройство для направленной пере-
дачи электромагнитной энергии от предыдуще-
го плеча к последующему и так далее. Сущест-
вуют электрические (на основе невзаимных
электрических цепей с дискретными элемента-
ми) и магнитные (ферритовые) циркуляторы. В
последних используется или невзаимное враще-
Глава 11 ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
279
11.7. УСТРОЙСТВА СВЧ ТРАКТОВЫЕ
ние плоскости поляризации, или такой фазовый
сдвиг в плечах, который обеспечивает движение
волн только в одном из направлений линии пе-
редачи. Конструкция трехплечевого волновод-
ного Y-циркулятора показана на Рис. 11.41, где
1 — феррит. Это кольцевое сочетание несколь-
ких вентилей с промежуточными выходами.
Многоплечевые циркуляторы сложнее в проек-
тировании и легко могут быть заменены цепоч-
ками Y-циркуляторов.
11.8. ШУМЫ ПРИБОРОВ СВЧ имеют
особое значение в силу следующих причин. Как
известно (ст. 17.23), шумовая температура (ШТ),
приведенная ко входу приемного устройства,
ТШвнш + ^ш.внт»
где Тш,внш и Тш>внт — внешняя и внутренняя
ШТ соответственно.
В диапазонах НЧ, СЧ, ВЧ, ОВЧ
Лц.внш >:> Лп.внт и поэтому там не стремятся к
снижению шумов приемного устройства по
сравнению с шумами, которые естественно ре-
ализуются при использовании современных
транзисторов и ИС, поскольку преобладают
внешние помехи, препятствующие приему
слабых сигналов. В диапазоне СВЧ ситуация
существенно изменяется, так как здесь практи-
чески отсутствуют импульсные, сосредоточен-
ные по спектру и пассивные помехи, а при ис-
пользовании остронаправленных антенн шу-
мы внешних источников (атмосферы и косми-
ческие) уже соизмеримы с внутренними шума-
ми приемника. Квантовые шумы начинают су-
щественно сказываться только на гипервысо-
ких частотах, в начале диапазона инфракрас-
ного излучения [9]. Необходимо создание ма-
лошумящих усилителей (МШУ), способных
удовлетворить неравенству Тшвнт < Гш внш и
таким образом обеспечить высокую и сверхвы-
сокую реальную чувствительность радиопри-
емного устройства (см. ст. 17.31), необходи-
мую в дальней локации, космической связи,
радиоастрономии и ряде других приложений.
Рассмотрим основные типы МШУ СВЧ:
усилители на СВЧ-транзисторах, параметриче-
ские усилители на полупроводниковых диодах
и парамагнитные квантовые усилители. Реге-
неративные МШУ на туннельных диодах (см.
ст. 11.6, 24.20, Тш = 200.. .2000 К), ранее широ-
ко применявшиеся в сантиметровом диапазо-
не, в последнее время вытеснены транзистор-
ными МШУ, обладающими лучшими шумовы-
ми свойствами. Относительно высокой ШТ
(Тш = 500...3000 К) обладают МШУ на ЛБВ
(см. ст. 11.4). Их применение целесообразно,
если необходимо максимально возможное пе-
рекрытие по частоте при отсутствии жестких
требований к габаритным размерам, массе и
потребляемой мощности.
В МШУ на СВЧ-транзисторах чаще всего
используют арсенид-галлиевые полевые тран-
зисторы с барьером Шоттки (ПТБШ, ст. 11.6,
29.7), которые обеспечивают в сантиметровом
диапазоне Тш = 50...300 К, что позволяет
решить задачу получения рационально дости-
жимой чувствительности (ст. 17.23)
^ш.усч < ЛафЛп .внш + Д1-Лаф), (1)
где Тш усч — ШТ УСЧ; Т|АФ — КПД антенно-
фидерного тракта; Т — температура антенны
(окружающей среды).
Для получения наилучших по шумам ре-
зультатов применяют ПТБШ с повышенной
мобильностью электронов — НЕМТ (от англ.
High Electron Mobility Transistor). Последние
имеют короткий затвор (0.1...0.2 мкм), тон-
кий (30...50 нм) эпитаксиальный слой из
GaAlAs с проводимостью и+-типа между за-
твором и нелегированным слоем из GaAs. Ма-
лые шумы (Тш = 20...60 К в сантиметровом
280
РАДИОТЕХНИКА
11.8. ШУМЫ ПРИБОРОВ СВЧ
диапазоне) обусловлены движением носите-
лей только одного знака, что исключает шумы
рекомбинации. Дробовые шумы значительно
ослаблены благодаря высокой подвижности
электронов
ц = V/E =
0.8м2/Вс приТ = 300К
50... 100м2/В с циТ = 77К,
где V — скорость движения электронов; Е —
напряженность поля.
Подвижность обеспечивается использова-
нием арсенида галлия взамен кремния. Тепло-
вые шумы также уменьшены за счет малых
физических размеров, но все еще значитель-
ны относительно токовых шумов. Поэтому
шумы НЕМТ так чувствительны к охлажде-
нию. Так, при криоэлектронном охлаждении
до 20 К выигрыш по шумам достигает 5... 10
раз по сравнению с уровнем шумов при 300 К
(см. ст. 17.30).
В параметрических усилителях (ст. 19.5,
24.20) усиление электромагнитных колебаний
происходит благодаря периодическому изме-
нению параметров одного из энергозапасаю-
щих (реактивных) элементов колебательного
контура, энергия которого
W = WM + lFMarH = CU2/! + Ы2/2.
Изменение емкости контура С или его ин-
дуктивности Л, сопровождающееся работой
внешних сил, т.е. затратой энергии генератора
накачки, приводит к увеличению полной энер-
гии системы. Так, если периодически изменять
емкость в такт с изменением электрической
энергии уменьшая С (увеличивая зазор d
Memjsy пластинами конденсатора) в моменты,
когда №эл максимальна, и увеличивая С (сдвигая
пластины), когда 1ГЭЛ = 0, то в среднем энергия
контура будет нарастать — происходит усиле-
ние колебаний. Раскачка колебаний возможна
при изменении С по любому периодическому
закону с частотой накачки сон = 2(Оо/п, где C0q —
собственная частота колебаний контура; п —
целое положительное число. Приращение энер-
гии пропорционально относительному прира-
щению зазора между пластинами конденсатора:
= CU212 = Cq2l2C2 = q2/2C = q2d!2eS,
ще q — заряд конденсатора; U= qlС — прило-
женное к нему напряжение; е — диэлектриче-
ская постоянная; S — площадь пластин.
Отсюда
Д1ГЭЛ = q2^ /(2&S) = W^bd/d.
В схемах П. у. емкость изменяют электри-
чески; при этом изменение зазора d конденса-
тора эквивалентно изменению протяженнос-
ти обедненного слоя обратносмещенного р-п-
перехода варикапа в результате воздействия
управляющего напряжения генератора накач-
ки. В качестве варикапа используют ДБШ,
которые позволяют создавать П. у. в диапазо-
нах СМВ и ММВ. В качестве генераторов на-
качки применяют твердотельные генераторы
(см. ст. 11.6).
Важно отметить, что, поскольку рассмот-
ренный механизм работы не связан с процес-
сом движения зарядов, в П. у. отсутствуют
дробовые и другие токовые шумы (ст. 29.14),
которые являются основными в обычных
усилителях на электровакуумных или полу-
проводниковых приборах. Источником шума
в П. у. являются собственные тепловые шумы
колебательного контура, которые при удач-
ной конструкции и глубоком охлаждении мо-
гут быть достаточно малыми (в диапазонах
СМВ и ММВ 7ш = 50...200 К без охлажде-
ния). Как следует из Рис. 17.58, охлажденные
П. у. имеют очень малые шумы, уступая толь-
ко мазерам. Вместе с тем неохлажденные
транзисторные усилители на ПТБШ вследст-
вие своих эксплуатационных преимуществ
почти полностью вытеснили неохлажденные
П. у., хотя последние имеют несколько луч-
шие шумовые характеристики.
Параметрический квантовый усили-
тель — наиболее распространенный тип ма-
зера (от англ. Microwave Amplification by
Stimulated Emission of Radiation — микровол-
новое усиление посредством стимулирован-
ного излучения, см. ст. 11.2). Стимуляция осу-
ществляется высокочастотной накачкой, кото-
рая переводит электроны возбуждаемого ра-
бочего вещества на более высокие энергети-
ческие уровни — создается так называемая
инверсия заселенности. Когда возбужденный
атом «чувствует» электромагнитную волну
должной (собственной) частоты и соответст-
вующего направления, в нем стимулируется
(индуцируется) испускание фотона и он пере-
ходит на более низкий уровень энергии. При
этом энергия ЭМП увеличивается на энергию
фотона. В этом и заключается процесс усиле-
ния электромагнитной волны.
(/шва 11. ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СВЧ
281
11.8. ШУМЫ ПРИБОРОВ СВЧ
Процессы, протекающие при таком взаи-
модействии, описываются законами кванто-
вой механики — отсюда название квантовые
усилители. Важно отметить, что аналогич-
ные процессы происходят повсеместно, по-
скольку световые волны взаимодействуют с
веществом, но есть принципиальное разли-
чие: атомы поглощают фотоны и становятся
возбужденными, а энергия ЭМП уменьшает-
ся соответственно числу поглощенных фото-
нов, следовательно, в природе в среднем со-
храняется равновесие. В мазерах же энергия
поля не расходуется на возбуждение вещест-
ва (это происходит за счет накачки), поэтому
энергия ЭМП увеличивается — имеет место
эффект усиления.
Примером мазера может служить П. к. у. на
рубине (рабочее тело), который представляет
собой диамагнитный кристалл окиси алюми-
ния с примесью парамагнитных ионов хрома.
Для повышения эффективности работы мазера
можно «заставить» электромагнитные волны
многократно проходить через рабочее тело. С
этой целью мазер помещают в объемный резо-
натор, собственная частота которого совпадает
с частотой усиливаемых волн.
Главное заключается в том, что в мазере, как
и в параметрическом усилителе, эффект усиле-
ния не связан с процессом перемещения заря-
дов, поэтому отсутствуют дробовые и другие то-
ковые шумы (в отличие от обычных усилите-
лей). В П. к. у. шумы вызываются собственными
тепловыми шумами резонатора и спонтанными
(неиндуцированными) переходами электронов с
верхнего энергетического уровня на нижний.
Тепловые шумы уменьшают посредством глубо-
кого охлаждения резонатора, для чего активный
элемент размещают в криостате при температу-
ре кипения жидкого гелия (4.2 К), что позволяет
снизить ШТ П. к. у. до 1...5 К. ШТ приемника
может существенно возрасти за счет потерь в ан-
тенно-фидерном тракте — см. (1). Поэтому при-
бегают к охлаждению в криостате также и цир-
кулятора. При совмещении малошумящего П. к.
у. со специальной малошумящей антенной мож-
но достичь рекордно низкого уровня шумов всей
системы (около 10 К) и получить реальную чув-
ствительность РПрУ 10-22... 10'23 Вт.
В состав мазерной системы входит крио-
генное устройство охлаждения, имеющее зна-
чительные размеры и массу, что существенно
усложняет эксплуатацию. В связи с этим мазе-
ры применяются преимущественно в уникаль-
ных радиоприемных системах: в наземных
пунктах дальней космической связи, крупных
радиотелескопах и т.п.
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Т. 1. Техника сверхвысоких частот. —
М.: Высш, шк., 1970. — 439 с.
2. Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Т. 2. Электровакуумные приборы
СВЧ. — М.: Высш, шк., 1972. — 376 с.
3. Тараненко В.П. Электронные и квантовые приборы СВЧ. — К.: Высш, шк., 1974. — 248 с.
4. Федоров Н.Д. Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы. — М.: Атомиздат, 1979. —
288 с.
5. Электронные приборы СВЧ / В.М. Березин, В.С. Буряк, Э.М. Гутцайт, В.П. Марин. — М.:
Высш, шк., 1985. — 296 с.
6. Кукарин С.В. Электронные СВЧ приборы: Характеристики, применение, тенденции разви-
тия. — М.: Радио и связь, 1981. — 272 с.
7. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи / Л.Г. Гассанов, А.А. Липатов, В.В. Марков,
Н.А. Могильченко. — М.: Радио и связь, 1988. — 288 с.
8. Сазонов Д.М., Гридин А.М., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ. — М.: Высш, шк., 1981. —
295 с.
9. Гуткин Л.С. Современная радиоэлектроника и ее проблемы. — М.: Сов. радио, 1980. — 192 с.
282
РАДИОТЕХНИКА
гпяря 12
РАДИОАВТОМАТИКА
• И человек, не будучи Всевышним,
Штурвалом случая берется управлять?
Ф. Шиллер
• Там, где возникли первая обратная связь
и первый процесс автоматического
регулирования — там впервые
и возникла жизнь.
Р. Вагнер
• Автоматические системы ненадежны,
но люди еще больше ненадежны.
Первый закон надежности Джилби
• Все счастливые семьи похожи друг на друга,
а каждая несчастная семья — несчастлива
по-своему. Перефразируя Л.Н.Толстого
относительно схемотехники, можно
отметить, что устойчивые схемы
похожи друг на друга, а все
неустойчивые — неустойчивы
по-своему, и в этом лежат
основные трудности обеспечения
их устойчивости.
• Автоматическая регулировка усиления
радиоприемника на пентоде-варимю
(С. Балантайн, X. Сноу, США, 1930 г.).
• Фазовая автоматическая
подстройка частоты
(С.Г. Момот, СССР, 1930 г.;
А. Де Бельсиз, Франция, 1932 г.).
• Частотная автоматическая
подстройка частоты
(Фостер, Сили, США, 1935 г.).
• Система автоматической
посадки летательных аппаратов
(JLS, США, 1948 г.; СП-50, СССР, 1950 г.).
• Автоматическая стыковка
космических аппаратов
(Б.В. Раушенбах, СССР, 1965 г.).
Радиоавтоматика (РА) — область техни-
ческой кибернетики, теоретической основой
которой является теория автоматического уп-
равления (ТАУ), изучающая способы построе-
ния автоматических систем и качество их
функционирования. В этой главе рассматрива-
ются основные положения ТАУ, касающиеся
РЭС. Среди них наибольшее применение на-
шли системы фазовой и частотной автоподст-
ройки, системы слежения за временным поло-
жением и направлением прихода сигналов, а
также различные стабилизаторы.
Методы анализа систем РА опираются на
преобразования Лапласа, Фурье, /-преобразо-
вания, моделирование на ЭВМ. Специальные
методы применяются для исследования нели-
нейных систем.
Изучение данной главы рекомендуется на-
чать с ознакомления с основными принципами
построения автоматических систем, примера-
ми систем РА и основами их анализа и синтеза
(ст. 12.1,12.5,12.8), после чего изучить качест-
венные характеристики автоматических сис-
тем и способы их реализации (ст. 12.3, 12.6,
12.7). Завершить рассмотрение главы следует
изучением особенностей дискретных и нели-
нейных систем (ст. 12.2, 12.4).
12.1. АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
УПРАВЛЕНИЯ — совокупность объекта уп-
равления или контроля (ОК) и автоматическо-
го управляющего устройства (АУУ), которые
под внешними воздействиями взаимодейству-
ют друг с другом. Автоматические системы
классифицируют по таким признакам: струк-
тура (разомкнутая и замкнутая), точность ус-
тановившегося состояния (статические и аста-
тические), функциональное назначение (ста-
билизаторы, следящие и программные), вид
обрабатываемых сигналов (аналоговые и дис-
кретные), статические характеристики (линей-
ные и нелинейные).
Глава 12. РАДИОАВТОМАТИКА
283
12.1. АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
Автоматизированная система управле-
ния — совокупность объекта (объектов) кон-
троля и средств управления, в цепь которых
включен человек-оператор. Автоматизирован-
ные устройства применяют для сбора и обра-
ботки информации о состоянии ОК и внеш-
них влияниях, а также для прогнозирования
состояния ОК после управляющего воздейст-
вия на него. Человек-оператор определяет
цель и критерий управления, контролирует
систему, принимает решения в изменяющейся
обстановке.
Автоматическая система управления
адаптивная (АСУ. а) — АСУ, в которой авто-
матически устанавливается заданное значение
показателя качества при изменении внешнего
воздействия или характеристик ОК. Такие АСУ
кроме АУУ и ОК содержат устройство адапта-
ции, которое состоит из устройства анализа
сигнала и помех УАСП и устройства анализа
состояния ОК — УАСОК (Рис. 12.1). УАСОК
определяет состояние ОК с помощью одного из
двух режимов: поискового, когда для анализа
ОК в УАСОК вырабатываются необходимые
стандартные сигналы и по реакции на них оп-
ределяется состояние ОК, и беспоискового,
когда состояние ОК анализируют по имею-
щимся в нем сигналам. УАСП определяет ха-
рактеристики сигналов и помех; вычислитель-
ное устройство ВУ решает задачу оптимально-
го управления АСУ на основе информации о
состоянии ОК и параметров сигналов и помех,
вырабатывая сигнал (/, воздействующий на
АУУ. Последнее, в свою очередь, управляет
ОК, устанавливая его в оптимальное состояние
в условиях действующих сигналов и помех.
По способу решения задач оптимизации
различают АСУ. а: экстремальные (поддержи-
вают показатель качества в рамках экстремаль-
ных значений); самонастраивающиеся (изме-
няют свои параметры с целью оптимального
управления); самоорганизующиеся (изменяют
свою структуру и принципы обработки сигна-
лов); самообучающиеся (обучаются на основе
накопления информации о сигналах, помехах,
своих действиях и вырабатывают оптималь-
ные правила принятия решений во время уп-
равления ОК). Наиболее распространенными
являются экстремальные АСУ. а. как наиболее
простые (например, АСУ точной настройки се-
лективных систем, стабилизации уровня сиг-
налов и т.д.).
Автоматическая система управления по
возмущению — АСУ, построенная по принци-
пу, согласно которому сигнал управления ОК
формируется по измерениям возмущающих ве-
личин. При точном измерении последних и уче-
те характеристик ОК возможна компенсация
влияния возмущения на выходные параметры
ОК. Основным преимуществом этого принципа
является быстродействие, поскольку АСУ реа-
гирует на причину отклонения F, а не на следст-
вие Y. Структурная схема такой АСУ приведена
на Рис. 12.2., где ИзУ — измерительное устрой-
ство, УУ — устройство управления.
Автоматическая система управления
комбинированная — АСУ, в которой одновре-
менно используются принципы управления по
отклонению (благодаря ООС) и по возмуще-
нию. В таких АСУ удается соединить лучшие
черты обоих принципов управления и компен-
сировать их отдельные недостатки, что позволя-
ет строить АСУ с улучшенными параметрами.
Автоматическая система управления оп-
тимальная — АСУ, которая имеет оптималь-
ные (наилучшие в каком-либо смысле) значе-
ния одного или нескольких параметров в соот-
ветствии с определенными критериями опти-
мальности, например, быстродействия (мини-
мального времени переходного процесса), точ-
ности (минимальной ошибки), экономичности
(минимальных потерь) и т.д. Оптимальное уп-
равление АСУ математически сводится к пост-
роению оптимальной траектории движения
точки, отображающей состояние системы в
физическом пространстве (см. ст. 19.2) опреде-
ленной системы координат, по минимальному
пути от заданного значения к другому.
Автоматическая система управления по
отклонению — АСУ, построенная по принци-
284
РАДИОТЕХНИКА
12.2. ДИСКРЕТНЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОАВТОМАТИКИ
пу, в соответствии с которым сигнал управле-
ния объектом формируется в результате срав-
нения выходной величины Y с входной величи-
ной X и определяется отклонением Ах = Y - X
— см. Рис. 12.3. В этой АСУ необходимо
иметь ООС (знак «-» отображен зачерненным
сектором сумматора). Благодаря ООС АСУ не
только регулирует выходную величину Y по X,
но и реагирует на отклонение У, обусловлен-
ное действием помех F. Недостатком таких
АСУ является задержка управления, обуслов-
ленная реагированием на следствие возмуще-
ния (отклонения У), а не на причину (измене-
ние X и F).
Автоматическая система управления
программная — АСУ прямого управления
(без ОС), алгоритм функционирования кото-
рой определяется заданной программой. Сис-
тема разомкнутая и строится по принципу уп-
равления по возмущению.
Автоматическая система управления
следящая — АСУ, в которой выходная величи-
на воссоздает с определенной точностью про-
извольно изменяющиеся входные сигналы.
АСУ выполняется по принципу управления по
отклонению и является замкнутой.
Автоматическая система управления ста-
билизирующая — АСУ, предназначенная для
поддержания с определенной точностью задан-
ного значения одной или нескольких контроли-
руемых величин во время произвольного изме-
нения возмущений. Может строиться по любо-
му принципу управления: по возмущению, по
отклонению, комбинированному принципу.
Автоматическая система управления
функциональная — АСУ, которая по отноше-
нию к ОК выполняет функцию, заложенную ее
разработчиком: изменяет выходные контроли-
руемые величины Y в зависимости от задаю-
щего воздействия X и возмущающего воздей-
ствия F (Рис. 12.4.). Контролируемые выход-
ные величины Y — это физические величины,
которые можно измерять и использовать для
управления объектом. Их природа может быть
разной: ток, напряжение, магнитные величи-
ны, температура, угол поворота, пространст-
венные коэффициенты и т.п. Это же касается
величин X и F. Возмущающее воздействие воз-
можно в двух видах: координатное (FK), воз-
действующее на объект аддитивно и изменяю-
щее только координаты выходных величин, и
параметрическое (Fn), изменяющее параметры
АСУ. Алгоритм управления определяется
структурой системы и функциональными ха-
рактеристиками АУУ, которое состоит из изме-
рительного ИзУ и управляющего УУ уст-
ройств. В ИзУ сравниваются текущие значения
входных и выходных величин, вследствие че-
го УУ вырабатывает сигнал управления ОК.
12.2. ДИСКРЕТНЫЕ СИСТЕМЫ РА-
ДИОАВТОМАТИКИ — автоматические сис-
темы управления, сигналы в которых передают-
ся и обрабатываются в дискретной форме. Важ-
ными преимуществами этих систем являются
их высокие стабильность, помехоустойчивость,
отсутствие дрейфа дискриминаторов, простота
перестройки и регулирования параметров.
Дискретизатор — техническое устройство
для преобразования непрерывного сигнала в
сигнал, дискретизированный во времени. Ре-
зультат преобразования может представляться
в нескольких формах: АИМ, ВИМ, ШИМ и др.
Разные виды дискретного представления сиг-
нала усложняют анализ дискретных систем.
Эту трудность можно преодолеть, если реаль-
ный дискретизатор (импульсный элемент ИЭ)
разделить на две условные части: идеальный
дельта-модулятор ИДМ, который преобразует
непрерывный сигнал в последовательность
дельта-импульсов, и формирующий элемент
ФЭ, восстанавливающий истинные дискрет-
ные сигналы из последовательности дельта-
импульсов (Рис. 12.5). Далее сигнал поступает
в аналоговую часть АЧ. ФЭ имеет импульсную
характеристику, совпадающую по форме с ре-
альным сигналом на выходе дискретизатора.
Такое представление дискретизатора позволя-
ет применить единую методику и единый ма-
тематический аппарат для анализа разных им-
пульсных систем.
Глава 12. РАДИОАВТОМАТИКА
285
12.2. ДИСКРЕТНЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОАВТОМАТИКИ
Рис. 12.5
Передаточную функцию дискретизатора
АСУ описывают с помощью /-преобразова-
ния (см. ст. 25.34). Аналоговый характер ФЭ
позволяет объединить его с АЧ и создать
приведенную аналоговую часть ПАЧ. Пере-
даточную функцию дискретной системы по-
сле этого можно записать как Z-пребразова-
ние ПАЧ.
Переходные процессы в дискретных АСУ
определяют через ПХ подобно аналоговым си-
стемам. Разница состоит в записи ПХ в Z-фор-
ме. ПХ являются реакцией системы на единич-
ное включение yV0(Z):
H(Z) = O(Z)X0(Z); X0(Z) = Z/(Z-1);
H(Z) = O(Z)Z/(Z-1) = C(Z)/Z>(Z),
где Ф(/) — передаточная функция дискретной
системы. Если полином C(Z) разделить на по-
лином D(Z), то можно получить степенной ряд:
H(Z) = axZ~x + a2Z~2 + a3Z~^ +.... В соответствии
с теоремой о Z-преобразовании временного
сдвига оригинала функции составляющие ряда
по степеням ZTn отображают временную за-
держку составляющих ПХ по тактам дискрети-
зации: Н(пТ) = Я1(Т) + а2(2Г) + Яз(ЗТ) +..., где Т
— период дискретизации.
Ошибки дискретных систем определяют
через передаточную функцию ошибки, кото-
рую находят из выражения
eA(Z)=l-e(Z) = l/[H-FK(Z)].
Значение установившейся ошибки вычисляют
через теорему о конечном значении функции:
lim/[n]=lim{[(Z-l)/Z]OJZ)X(Z)}.
Устойчивость дискретных систем опреде-
ляют подобно устойчивости аналоговых сис-
тем по положению корней характеристическо-
го уравнения на комплексной плоскости. Для
Z-плоскости условия устойчивости дискрет-
ной АСУ определяют размещением корней ха-
рактеристического уравнения в круге единич-
ного радиуса. Это условие определено перехо-
дом от р-плоскбсти к Z-плоскости с помощью
подстановки границы устойчивости в p-плос-
кости (p = 0):Z=ep;Z = 1. Для оценки устой-
чивости АСУ используют критерий Шур—
Кона, который основан на конформном отоб-
ражении W = (Z-l) / (Z+l); Z=(l-W) I (1+FF) и
исследовании положений коэффициентов ха-
рактеристического Z-полинома. Значения ус-
тойчивых коэффициентов для уравнений на-
чальных порядков записываются в виде (усло-
вия Шур—Кона) [1]:
Z + Я =0=> 1 - Л >0; 1 + Л >0;
Z2+^Z + fl = 0=> 1+5>0; 1-5>0;
1 -Я-5>0;
Z3 +AZ2 + BZ + C = 0=* 1+А+В + ОО;
1 -А + 5-00;
1 -С2 + АС-В>0.
Системы цифровые автоматические —
АСУ, в которых сигналы существуют в цифро-
вой форме. Математическое описание таких
систем соответствует аппарату дискретных
импульсных систем в связи с тем, что цифро-
вые величины отображаются последовательно-
стью импульсных сигналов [1].
12.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ АВТОМАТИ-
ЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ — опо-
средствованный метод анализа систем — изу-
чение характеристик их моделей. Главная про-
блема метода — выбор и построение модели,
наиболее приближенной к реальному объекту
и одновременно достаточно простой для ана-
лиза. Различают моделирование математичес-
кое, полунатурное, физическое и др.
Моделирование аналитическое — мате-
матическое моделирование на ЭВМ алгорит-
мов, которые описывают процессы в АСУ, для
анализа структуры системы и показателей ка-
чества. Наиболее простой формой математиче-
ского описания АСУ является неоднородное
дифференциальное уравнение:
andny / dtn + an_xdn~} у / dtn~x +...+aQy =
=bmdmx/dtm +bm_xdm~x x / dtm~x + ...+V
Решение дифференциального уравнения
(ДфУ) относительно y(t) для заданных воз-
действий, т.е. исследование математической
модели АСУ, позволяет с достаточной точно-
стью определить все характеристики реаль-
ных физических систем, качество их работы
и выяснить процессы, происходящие в АСУ
286
РАДИОТЕХНИКА
12.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Моделирование на аналоговых вычис-
лительных машинах (АВМ) — создание мо-
делей АСУ на АВМ, которым присущи быстро-
действие, возможность работы в реальном вре-
мени, удобная и наглядная форма ввода данных
и вывода результатов, простое программирова-
ние, возможность подключения к электронной
модели элементов реальных систем [2]. Основ-
ным звеном АВМ является операционный уси-
литель (см. ст. 24.1, 24.17). Исследование АСУ
на АВМ возможно на аналитических или ими-
тационных моделях. Аналитическое моделиро-
вание предполагает решение ДфУ, которое реа-
лизует понижение порядка производных, т.е.
интегрирование. Построение модели АСУ на
АВМ начинается с предварительной трансфор-
мации ДфУ. Решим уравнение относительно
производной высшего порядка:
d"y(t)/dtn = -
Пусть в какой-либо точке А схемы сущест-
вует производная высшего порядка в виде эле-
ктрического напряжения. Присоединив к этой
точке цепь интеграторов, снижающих порядок
производной, получим ряд сигналов, составля-
ющих полный состав производных у(t) поряд-
ка от п - 1 до 0. После этого просуммируем эти
сигналы с учетом их весовых коэффициентов.
Знак равенства в математическом уравнении
реализуем соединением выхода сумматора в
электронной модели с исходной гипотетичес-
кой точкой А, в которой существует производ-
ная высшего порядка. Введем в схему реаль-
ную величину (напряжение) x(t). На выходе
модели получаем функцию у(t), которая явля-
ется решением ДфУ
Если на вход модели x(t) подать сигнал
включения 1(0, то на ее выходе появится сиг-
нал, отображающий ПХ g(t) системы. На Рис.
12.6 изображена типовая схема электронной
модели АСУ. Дальнейшее упрощение модели
возможно за счет объединения сумматора и
первого интегратора, а также объединения не-
обходимого инвертирования в одном ОУ. На
конечный индикатор АВМ — осциллограф
можно одновременно подать напряжение с вы-
хода модели у(t) и напряжение, соответствую-
щее первой производной y'(t) — (из точки В),
что позволяет отобразить на экране осцилло-
графа фазовые траектории системы на плоско-
сти, получить «фазовый портрет» (см. ст. 19.2),
полезный для анализа АСУ.
Имитационное моделирование на АВМ
основано на отображении передаточных
функций отдельных элементов системы с по-
мощью ОУ
Моделирование имитационное — мате-
матическое моделирование на ЭВМ на основе
воссоздания структурной схемы АСУ с помо-
щью операционных усилителей, которые отоб-
ражают типовые звенья автоматики. При таком
моделировании процессы, происходящие в от-
дельных узлах системы, полностью совпадают
с процессами в реальных АСУ. Это позволяет
непосредственно наблюдать процессы в АСУ,
вносить изменения в ее структуру, исследовать
влияние отдельных параметров на общее со-
стояние АСУ. Исходными данными для разра-
ботки имитационной модели являются матема-
тические выражения, описывающие процессы
в отдельных элементах АСУ, схемы их соеди-
нений, алгоритмы устойчивости и качества ра-
боты системы, а также характеристики внеш-
них воздействий.
Моделирование полунатурное — модели-
рование, при котором в составе модели систе-
мы используют макет или реальные подсисте-
мы, или отдельные устройства, что позволяет
наиболее полно учесть влияние их характерис-
тик на свойства исследуемых систем.
Моделирование физическое — моделиро-
вание, основанное на принципе электрофизи-
ческих аналогий между исследуемыми систе-
мами и их моделями в виде некоторого объек-
та, который описывается теми же математиче-
скими соотношениями, что и первичная систе-
ма. Физический аналог может иметь другую
физическую природу.
Моделирование на цифровых вычисли-
тельных машинах (ЦВМ) — исследование
характеристик АСУ с помощью цифровых мо-
делей, разработка которых, а также выбор ал-
горитма решения дифференциальных уравне-
Йвва 12. РАДИОАВТОМАТИКА
287
12.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
ний составляют суть этого метода. Использо-
вание ЦВМ значительно повышает точность
исследований. Вопросы, связанные с цифро-
вой обработкой, рассмотрены в главах 9, 25.
12.4. НЕЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ РА-
ДИОАВТОМАТИКИ — системы автоматиче-
ского управления, имеющие в своем составе
нелинейный элемент (НЭ) и вследствие этого
описывающиеся нелинейными дифференци-
альными уравнениями. Н. с. р. весьма разнооб-
разны, единого подхода к их анализу не суще-
ствует. Наиболее распространен метод линеа-
ризации статических характеристик, осно-
ванный на принятии условий «малых» откло-
нений относительно участка статической ха-
рактеристики. Суть такого метода — замена
нелинейной статической характеристики ли-
нейной в рабочей точке, в которой на неболь-
шом участке можно разложить в ряд Тейлора
нелинейную характеристику (при выполнении
условия Дирихле, т.е. при наличии производ-
ных в точке). В дальнейшем отбрасывают со-
ставляющие ряда с производными, полагая их
незначительными, оставляя в ряде разложения
статической характеристики только первые ли-
нейные составляющие. И так поступают для
всех членов дифференциального уравнения.
Вычитая постоянную величину, определяю-
щую рабочую точку F(x0), получим линейную
статическую характеристику, которая пред-
ставляется касательной в точке, перенесенной
в начало координат (Рис. 12.7). Если статичес-
кая характеристика Н. с. р. имеет разрывы или
изломы, то метод статической линеаризации
можно расширить на отдельные ее части (ме-
тод кусочно-линейной аппроксимации) с по-
следующим «сшиванием» полученных харак-
теристик.
Метод гармонической линеаризации
состоит в замене НЭ линейным элементом,
параметры которого определяются из усло-
вий равенства амплитуд первых гармоник на
выходе НЙ и эквивалентного ему линейного
элемента при воздействии на вход системы
гармонического колебания. Этот метод пред-
полагает, что линейная часть системы имеет
характер ФНЧ, т.е.обладает инерционнос-
тью. Периодический сигнал y(t) = F(?4sin со/)
на выходе НЭ (Рис. 12.8) разлагаем в ряд Фу-
рье, оставляя только первые гармонические
составляющие:
y(/) = Z>iSinco/+CiCosco/,
2л
где Dx =[1/(2л)] Jf(Л sin co/)sin со/Jco/;
о
2л
С1 =[1/(2я)] Jf( Л sin co/)cosco/6fco/.
о
После подстановки х - Asinco/; рх = Лсосозсо/ по-
лучаем sinco/ = х/А; cosco/ = рх/(Л/со), где р = dldt.
Тогда
у « Dx х / А + Cj рх /(А со) = q (А )х + q'(А)рх/ СО.
Это линейное уравнение описывает изначаль-
но нелинейную систему, где q(A), q\A) — ко-
эффициенты гармонической линеаризации,
зависящие от амплитуды входного сигнала:
q(A) = Dx/A, q'(A) = С\!А. Передаточная функ-
ция нелинейной системы
WH(A,a>)=y/x=q(A)+[q‘ (А)/(о]р.
Метод Гольдфарба — графоаналитичес-
кий метод определения параметров устано-
вившихся колебаний на основе использова-
ния передаточной функции нелинейной сис-
темы, полученной гармонической линеари-
зацией. От передаточной функции перейдем
к частотной характеристике, сделав замену
Р -М®:
FFH (Л,со) =у/х =q(A) + [q\A)l со]усо=
= g(A)+jq’(A);
WK (A,w) =y/x = аИ (A) exp[j <p„ (Л)],
гдеa„(A) =^q2(A)+[q\A)]2 ;
Фн <a) =arctg [q'(A)/q(A)l
288
РАДИОТЕХНИКА
12.5. СИНТЕЗ СИСТЕМ РАДИОАВТОМАТИКИ
В соответствии с критерием Найквиста ко-
лебания в системе устанавливаются, когда годо-
граф РГлС/со) амплитудно-фазовой характеристи-
ки (АФХ) (кривая, которую описывает конец
вектора АФХ на комплексной плоскости при
изменении параметра со) линейной системы
проходит через точку с координатами (-1, уО),
т.е. И^С/со) WH(A) = -1. Это условие можно запи-
сать иначе: PFa(/co) = -l/W^A) = -Z(A). Получен-
ное уравнение разрешается графически на ком-
плексной плоскости (Рис. 12.9). Пересечение
кривых (точка В) определяет амплитуду (по за-
висимости ff^H(A)) и частоту (по зависимости
WSi(/co)) установившихся колебаний в нелиней-
ной системе.
12.5. СИНТЕЗ СИСТЕМ РАДИОАВТО-
МАТИКИ — способ построения автоматичес-
кой системы управления, который сводится к
выбору структуры и определению параметров
и элементов АСУ, разработке способов ее реа-
лизации на основе удовлетворения требований
к качеству функционирования: устойчивости,
параметров переходного процесса и допусти-
мых ошибок. Структурная схема АСУ состоит
из типовых звеньев, оптимизация структуры
сводится к коррекции исходной структурной
схемы в соответствии с принятыми критериями
для достижения требуемого уровня качества.
Звенья корректирующие — звенья АСУ,
частотные свойства которых позволяют коррек-
тировать частотные характеристики всей систе-
мы, чаще всего на частотах среза для увеличе-
ния запасов устойчивости. Звено корректирую-
щее с опережением по фазе (Рис. 12.10) имеет
комплексный коэффициент передачи (ККП)
= а(1+усо7)/(1+/соа7), где а = R2/(R\+R2),
Т= R}C. Поскольку Т > аТ (а < 1), можно сде-
лать вывод о положительном фазовом сдвиге:
ФЧХ
<р(со) = arctg соГ-arctgcooT;
Глава 12. РАДИОАВТОМАТИКА
Л(со) =ое\/1+а>2Г2 />/1+а>2а2Г2;
логарифмическая АЧХ
£(со) = 201ga - 201g 71 + со2Г2 +
+ 201g71 + ®2a2r2;
максимальный фазовый сдвиг
фтах = arcsin[(l+ot/(l-a)]
на частоте со=(717а)/Г.
Звено корректирующее с запаздыванием
по фазе (Рис. 12.11) имеет ККП K(jaj) -
= (1+/соа7)/(1+/со7), где a = 7?2/(^i+^2), Т =
= CiRy+R?). Поскольку аТ < Т, можно сделать
вывод об отрицательном фазовом сдвиге:
ФЧХ
ф(со) = arctg coaT - arctg соТ;
АЧХ
А(а>) =^+ы2а2Т2 /71+<о2Г2;
10-2959
12.5. СИНТЕЗ СИСТЕМ РАДИОАВТОМАТИКИ
290
РАДИОТЕХНИКА
12.6. ТОЧНОСТЬ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ В УСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ
логарифмическая АЧХ
£(<о) = 201g А(со) = 201g у1\ + а2а2Т2 -
-201gVl + w2r2;
максимальный фазовый сдвиг
фтах =arcsin [(1+ а/( 1-а)]
на частоте co=(V17a)/T.
Звенья типовые — простейшие звенья
АСУ, описываются дифференциальными урав-
нениями первого порядка. Передаточную
функцию (ПрФ) типовых звеньев определяют
приравниванием нулю коэффициентов (а, в)
общей ПрФ звена первого порядка К(р) -
= {Ъ\Р + bo)/(aip + а0). Применяют пять типов
звеньев первого порядка и одно звено второго
порядка, реализуют их с помощью ОУ. ПрФ ти-
повых звеньев, логарифмические АЧХ, ФЧХ и
схемы реализации звеньев на ОУ показаны на
Рис. 12.12, где для колебательного звена пара-
метр (0 1) характеризует добротность.
Коррекция систем радиоавтоматики —
присоединение к АСУ дополнительных звень-
ев с целью изменения характеристик АСУ для
получения необходимого уровня качества.
Применяют коррекцию АСУ трех видов: по-
следовательную (Рис. 12.13, а), параллельную
(Рис. 12.13, б) и встречно-параллельную (Рис.
12.13, в). Передаточная функция (ПрФ) коррек-
тирующего звена WK(p) зависит от ПрФ №И(р)
исходной системы и заданной W3(p):
поел (р) = W3(p)W„(py, WK пар (р) =
= w3(pyw^y WK встр.пг» =
Аналогично определяют характеристики
АСУ в случае любого соединения звеньев; при
этом ПрФ W(p) АСУ зависит от ПрФ И\(р) и
W2(p) соединяемых звеньев:
^посл (Р) = Wx(p)W2(py РГпар (р) =
= Wi(p) +
^встр-napW = ^(р) / [1 + ^(p)W2(p)l
Системы разомкнутые и замкнутые —
АСУ, охваченные ОС с коэффициентом К = -1
или без ОС. Передаточная функция (ПрФ) за-
мкнутой АСУ Ф(р) = И\р)/[1 + ИЗр)] выража-
ется через ПрФ разомкнутой системы И^(р)
(Рис. 12.14). ПрФ ошибки замкнутой системы
Фд(р) = Лх(р)/х(р) = 1 - Ф(р) = 1 /[ 1 + №(р)].
12.6. ТОЧНОСТЬ СИСТЕМ АВТОМА-
ТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ В УСТАНО-
ВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ — значение ошибок
управления, определенных после окончания
переходного процесса. Теоретически этот про-
цесс длится бесконечно, поэтому ошибка уп-
равления Ах = limAx(r).
У t^oo
Установившуюся ошибку можно найти, если
решить неоднородное дифференциальное урав-
нение (ДфУ) системы, находящейся под внеш-
ним воздействием, или воспользоваться пере-
даточной функцией (ПрФ) системы по ошибке
Фд(р), т.е. Дх(/) = и ‘[Дх(р)] = £-’[Фд( р)х(р)] с
учетом леммы операторного исчисления о ко-
нечном значении функции:
Дх = 1ш1Дх(0 = НтрФд(р)х(р).
J t->°o
Установившаяся ошибка управления зави-
сит от параметров системы Фд(р) и входного
воздействия х(р). Ошибка по возмущению опре-
деляется аналогично (необходимо ПрФ систе-
мы по ошибке Фд(р) заменить на ПрФ системы
по возмущению). Подробности см. в [1 — 3].
Астатизм системы — свойство системы
сводить к нулю ошибки управления путем вве-
дения интегрирующих устройств в замкнутую
цепь управления. Благодаря накопительным
свойствам интегратора какой бы малой ошибка
ни была со временем она нарастает до значе-
ний, превышающих порог чувствительности
(момент запуска) системы, и воздействует на
систему в сторону уменьшения ошибки. Этот
Глава 12 РАДИОАВТОМАТИКА
291
12.6. ТОЧНОСТЬ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ В УСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ
процесс продолжается до тех пор, пока значе-
ние ошибки не уменьшается до нуля.
Наличие одного интегратора сводит к нулю
ошибку от изменения положения входного сиг-
нала (постоянной величины) — астатизм пер-
вого порядка; наличие двух интеграторов сво-
дит к нулю ошибки по положению и по скоро-
сти изменения входного сигнала — астатизм
второго порядка. Однако введение в контур уп-
равления одного интегратора сдвигает фазо-
вую характеристику на 90°, два интегратора
дают фазовый сдвиг на 180°, что нарушает ус-
ловия устойчивости системы. Поэтому приме-
нение систем с астатизмом второго порядка
требует введения специальных средств для
коррекции частотных характеристик, что не
всегда возможно. Системы со свойствами аста-
тизма называют астатическими, а не имеющие
их (т.е. имеющие ошибку Дх 0) — называют
статическими.
12.7. УСТОЙЧИВОСТЬ СИСТЕМЫ РА-
ДИОАВТОМАТИКИ — способность систе-
мы возвращаться в исходное состояние равно-
весия после снятия возмущения. Если входные
сигналы усиливаются в замкнутой системе и
по цепи ОС подаются на ее вход равными
входным сигналам (или большими), имея фазу,
совпадающую с фазой входного сигнала (или
увеличенную в 2Ъс раз), то система склонна к
самовозбуждению и ее устойчивость наруша-
ется. Для определения устойчивости необходи-
мо решить характеристическое уравнение. Его
решение:
£=1 £=1
где Ск — постоянные коэффициенты, рк = сгк±
+j(dkt — корни характеристического уравне-
ния. Их вид и размещение на комплексной пло-
скости определяют характер переходного про-
цесса. Для устойчивости системы необходимо,
чтобы корни характеристического уравнения
находились в левой полуплоскости, т.е. веще-
ственная часть корней была бы отрицательной
(тогда все составляющие ряда будут убываю-
щими и ряд сходится). Такое условие называют
корневым критерием устойчивости.
Критерий устойчивости Гурвица — кри-
терий определения устойчивости системы на
основе исследования знака детерминанта Гур-
вица и его диагональных миноров. Детерми-
нант Гурвица строят на основе коэффициентов
характеристического уравнения по правилу: в
левом верхнем углу детерминанта записывают
коэффициенты второго порядка члена характе-
ристического уравнения — ап_} и далее вниз
по диагонали — все коэффициенты уравнения
до а0 включительно, после чего заполняют
столбцы детерминанта (вверх от диагонали за-
носят коэффициенты по уменьшающимся но-
мерам, а вниз от диагонали — коэффициенты
увеличивающихся номеров). Диагональные
миноры определяются вычеркиванием после-
довательно ряда и столбца при перемещении
по диагонали от нижнего правого до верхнего
левого угла детерминанта Гурвица:
Критерий Гурвица формулируется так: ав-
томатическая система управления будет устой-
чива, если детерминант Гурвица и все его диа-
гональные миноры будут положительными.
Этот критерий, не дающий возможности опре-
делить запасы устойчивости, пригоден для оп-
ределения критического коэффициента пере-
дачи (если детерминант Гурвица равен нулю).
Другие способы построения детерминанта
Гурвица приведены в [1, 3].
Критерий устойчивости Михайлова —
критерий определения устойчивости системы,
основанный на исследовании положения «кри-
вой Михайлова» на комплексной плоскости в
виде годографа функции, полученной из харак-
теристического уравнения, преобразованного
(с помощью перехода р —»усо) в комплексную
форму: D(p) = ап рп + ап_х р "-1+ ... + а0 -»
->£>(/©) = а„(/со)” + а„_1(/со)”-1 + ... + а0, при
изменении параметра со от 0 до «>. Критерий
Михайлова формулируется так: АСУ устойчи-
ва, если кривая Михайлова охватывает
начало координат и последовательно проходит
п квадратов (где п — порядок характеристиче-
ского уравнения) против часовой стрелки при
изменении со от 0 до Минимальное расстоя-
ние г кривой Михайлова от начала координат
определяет запас устойчивости (Рис. 12.15).
Критерий устойчивости Найквиста —
позволяет по исследованию параметров разо-
мкнутой системы определить устойчивость (и
запасы устойчивости) замкнутой системы. В
292
РАДИОТЕХНИКА
12.8. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОАВТОМАТИКИ
Рис. 12.15
этом критерии исследуется размещение АЧХ
разомкнутой системы относительно «опасной»
точки (-1, J0) на комплексной плоскости (в
этой точке удовлетворяются балансы фаз и
амплитуд, т.е. создаются условия возбуждения
системы). Амплитудно-фазовые характеристи-
ки (АФХ) отображаются годографом вектора
комплексной частотной характеристики разо-
мкнутой системы РГ(/со) на комплексной плос-
кости при изменении параметра со от 0 до
Особенностью применения критерия Найк-
виста является возможность реального измере-
ния частотных характеристик системы. Форму-
лировка критерия Найквиста: замкнутая АСУ
будет устойчивой, если годограф АФХ — РГ(/со)
разомкнутой системы не охватывает «опасную»
точку (-1, у’О). Запасы устойчивости АСУ опре-
деляют отдельно для амплитуды и фазы. Запас
устойчивости по амплитуде ЛА (Рис. 12.16) оп-
ределяют по отклонению АФХ от -1 в точке, где
удовлетворяется баланс фаз, т.е. в точке пересе-
чения АФХ отрицательной ветви действитель-
ной оси комплексной плоскости (0, °°). На этой
оси вектор АФХ имеет значение фазы 180° (л),
еще на такой же угол л вектор АФХ сдвигается
благодаря ООС, и в сумме фазовый сдвиг до-
стигает 2л, что отвечает условиям баланса фаз.
Значение частоты в упомянутой точке называет-
ся критическим шкр. Запас устойчивости по фа-
г зе находят по разнице значений фазового сдви-
га л на оси 0, -°° и фазы АФХ в точке, где абсо-
лютное значение АФХ достигает 1, т.е. там, где
удовлетворяется баланс амплитуд. Значение ча-
стоты в точке баланса амплитуд, ближайшей к
«опасной» точке (-1,/0), называется частотой
среза соср. График АФХ на комплексной плоско-
сти можно заменить соответствующими графи-
ками в логарифмическом масштабе: АЧХ £(й>) =
201g/4(co) и ФЧХ <р(со) при логарифмическом
Масштабе по оси частот (Рис. 12.17).
Уравнение характеристическое — алгеб-
раическое уравнение, полученное из оператор-
ного уравнения системы приравниваем вход-
ных сигналов к нулю:
ап (dny/dtn) + a„_t (dn~ty/dtn~,) + ...+
+ аоу = bx(t) = 0.
Переход от исходного дифференциального
уравнения к операторному осуществляется че-
рез преобразование Лапласа
F(p) = °jf(t)e-p'dt,
о
т.е. а„р"у(р) + a„.ip"“1>'(p) + ... + Яоу(р) = 0;
[а„рп + ап.1р"~1 + ... + aoly(p) = 0, так как
у(р) * 0, то получаем характеристическое урав-
нение: апрп + ап_\рп~х + ... + а0 = 0. Характери-
стическим оно называется потому, что характе-
ризует собственное движение системы без
внешних воздействий x(t) = 0.
12.8. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СИСТЕ-
МЫ РАДИОАВТОМАТИКИ, построенные
на рассмотренных принципах, описаны в та-
ких статьях: запись звука цифровая — ст. 4.5;
автотрекинг — ст. 5.1; цифровой видеомагни-
тофон — ст. 5.12; код — ст. 6.8; бионика — ст.
7.2; точность РЭА — ст. 7.19; автоматическая
Глава 12. РАДИОАВТОМАТИКА
293
12.8. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОАВТОМАТИКИ
подстройка частоты — ст. 17.1; автоматическая
регулировка усиления — ст. 17.2; адаптивная
антенная решетка — ст. 17.3; радиодальномет-
рия — ст. 18.7; радионавигация — ст. 18.12; ра-
диопеленгация — ст. 18.13; обратная связь эле-
ктронная — ст. 24.15; усилитель операцион-
ный — ст. 24.17; устройство обработки акусти-
ческих сигналов — ст. 27.9; стабилизатор на-
пряжения (тока) — ст. 30.7; стабилизатор фер-
ромагнитный — ст. 32.5.
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Бесекерский В.А. Радиоавтоматика. — М.: Высш, шк., 1985. — 270 с.
2. Коновалов Г.Ф. Радиоавтоматика. — М.: Высш, шк., 1990. — 344 с.
3. Первачев С.В. Радиоавтоматика. — М.: Радио и связь, 1982. — 296 с.
294
РАДИОТЕХНИКА
—ГЛАВА 13
• Радиовещание — это новости, искусство,
культура, воспитание, образование, досуг,
которые получают миллионы слушателей
с помощью электронных устройств.
• Средства информации — четвертая власть
государства, а тем более
радиоэлектронные средства.
• Сколько не подключай холодильник к сети
радиовещания, продуктов
больше не станет.
Отрывок из ненаписанного
• Первая радиовещательная станция
им. Коминтерна мощностью 12 кВт
(СССР, 1922 г.).
• Начало исследований частотной и фазовой
модуляции в радиовещании (30-е годы).
• Система стереофонического радиовещания
с полярной модуляцией (СССР, 1939 г.).
• Введение УКВ-ЧМ радиовещания
(СССР, 50-е годы).
• Создание первой спутниковой системы
радиовещания «Орбита» (СССР, 1967 г.).
• Распределение частот радиовещательных
станций - Всемирная административная
радиоконференция по вопросам
радиовещания: ДВ,СВ — 1975 г. (ВАКР-75);
УКВ — 1979 г. (ВАКР-Р-79); КВ — 1984 г.
(ВАКР-84).
• На 100 семей населения в странах бывшего
СССР в 1995 г. приходилось
120 радиоприемных устройств,
80 магнитофонов и комбинированных
моделей радиоприемников
и тюнеров с магнитофонами.
РАДИОВЕЩАНИЕ
Радиовещание — система однонаправлен-
ной радиосвязи, в которой звуковые или ТВ пе-
редачи предназначены для непосредственного
приема большим числом пользователей. Кро-
ме радио существует система проводного ве-
щания. В этой главе рассматриваются системы
звукового вещания и бытовая радиоприемная
аппаратура, с помощью которой звуковые про-
граммы доводятся до слушателей.
Рекомендуется следующий порядок изуче-
ния статей главы: 13.1, 13.4, 13.5, 13.2, 13.6,
13.7, 13.9, 13.8.
13.1. БЫТОВАЯ РАДИОПРИЕМНАЯ
АППАРАТУРА — РПрУ, которые применяют-
ся в быту; кроме радиоприема могут обеспечи-
вать функции усиления, записи или воспроиз-
ведения информации. Б. р. а. характеризуется
повышенными эргономическими и эстетичес-
кими характеристиками, массовостью произ-
водства и определяющим значением себестои-
мости. Эта аппаратура должна гарантировать
безопасность ее использования неподготов-
ленным пользователем. По электрическим,
электроакустическим параметрам и комплексу
эксплуатационных удобств Б. р. а. делят на три
группы сложности и качества (0 — высшую, 1,
2) —см. Табл. 13.1 [1].
Касивер (название происходит от слова
«кассета» и английского слова «приемник» —
receiver) — бытовой радиоэлектронный аппа-
рат, который конструктивно объединяет в од-
ном корпусе тюнер-усилитель и кассетную
магнитофонную панель без электроакустичес-
кой системы. Широко используется в зарубеж-
ной стационарной бытовой радиоаппаратуре
высоких групп сложности.
Магнитола — бытовой радиоэлектронный
аппарат, который конструктивно объединяет в
одном корпусе радиовещательный приемник и
кассетную магнитофонную панель. Стационар-
ные М. не получили широкого распространения,
Глава 13. РАДИОВЕЩАНИЕ
295
13.1. БЫТОВАЯ РАДИОПРИЕМНАЯ АППАРАТУРА
Таблица 13.1
Наименование параметра Норма для групп сложности
0 1 2
Диапазон рабочих частот:
ДВ[кГц] 148.5...283.5
СВ [кГц] 526.5...1606.5
КВ [МГц] 3.95...12.10
УКВ1 [МГц] 65.8...74.0
УКВ2 [МГц] 100.0...108.0
Чувствительность, ограниченная шумами, по входному напряжению не хуже [мкВ]:
при отношении С/Ш 20 дБ в диапазонах ДВ, СВ, КВ 40 100 150
при отношении С/Ш 26 дБ в диапазоне УКВ 2 5 5
Односигнальная избирательность по каналам приема не меньше [дБ]:
соседнему зеркальному в диапазонах: 60 40 36
ДВ 70 50 40
св 60 36 34
кв 30 16 12
УКВ 60 42 32
прямому (ПЧ) в диапазонах:
ДВ, СВ 40 34 26
УКВ 70 60 42
Полоса воспроизводимых частот всего тракта по звуковому давлению при неравномерности АЧХ 18 дБ не менее [Гц]:
в диапазоне СВ для приемников:
стационарных 32...8000 50...6300 125...3550
переносных в диапазоне УКВ для приемников: 80...5600 125...5600 315...3150
стационарных 32...15000 50...15000 100...10000
переносных 80...12500 125...10000 200...6300
Общие нелинейные искажения по электрическому напряжению при номинальной выходной мощности не более [%]:
в тракте AM при т - 0.8 2 4 5
в тракте ЧМ при т = 1 0.5 1 2
Подавление паразитной AM в полосе частот тракта ЧМ не менее [дБ] 30 30 20
Действие АРУ тракта AM: изменение уровня сигнала [дБ]:
входного 60 46 30
выходного 10 10 10
Мощность питания не более [Вт]:
тюнеров 16 8 —
стационарных приемников — — 20
переносных приемников 6 5 4
в то время как переносные, носимые и автомо-
бильные М. являются одним из наиболее рас-
пространенных видов бытовой радиоаппарату-
ры. Выпускаются в моно- и стереовариантах.
Магниторадиола (музыкальный центр)
— бытовое стационарное радиоэлектронное
устройство, которое конструктивно объеди-
няет в одном корпусе радиовещательный
приемник, кассетную магнитофонную па-
нель и бытовой электропроигрыватель. М.
предназначены для приема моно- и стерео-
фонических радиовещательных передач,
воспроизведения стерео- и монофонической
грамзаписи и фонограмм. В последнее вре-
мя дополняются проигрывателем CD (опти-
ческих компакт-дисков).
Приемник радиовещательный — быто-
вой аппарат, предназначенный для приема и об-
работки монофонических радиовещательных
сигналов с AM в диапазонах ДВ, СВ, КВ, а так-
296
РАДИОТЕХНИКА
13.1. БЫТОВАЯ РАДИОПРИЕМНАЯ АППАРАТУРА
. же моно- и стереофонических радиовещатель-
ных сигналов с ЧМ в диапазоне УКВ. По пока-
зателям качества выделяют три группы сложно-
сти РПрУ (см. Табл. 13.1). В зависимости от ус-
ловий эксплуатации П. р. делят на стационар-
ные, переносные, носимые, автомобильные;
кроме того, выделяют миниатюрные и сувенир-
ные приемники.
Современные П. р. AM и ЧМ сигналов в
основном строят по супергетеродинной схеме.
Исключение составляют сверхминиатюрные
носимые приемники, которые построены по
схеме прямого усиления (см. ст. 17.27). В при-
емниках средних групп сложности, как прави-
ло, используют частично комбинированную
схему с полным разделением AM и ЧМ трак-
тов на частоте сигнала и комбинированным
применением усилительных устройств, начи-
ная с ПрЧ или УПЧ — см. Рис. 13.1, где ВнА
— внешняя антенна, ШтА — штыревая антен-
на, МА — магнитная антенна, ВУ — входное
устройство, Г — гетеродин, См15 См2 — сме-
сители, АС — акустическая система. Полно-
стью комбинированная схема не используется,
так как она значительно усложняет коммута-
цию, а также снижает устойчивость П. р. Схе-
му полностью раздельных трактов до УЗЧ ис-
пользуют в П. р. высших групп сложности и
приемниках, построенных на ИС. Подробнее
тракты AM и ЧМ П. р. рассматриваются в ст.
13.6, 13.7.
Для современных П. р. характерны следую-
щие основные направления развития. Микро-
минитюаризация позволяет реализовать схем-
ную сложность высококачественных приемни-
ков, обеспечивает широкое разнообразие моде-
лей П. р. с автономным питанием (автомобиль-
ных, переносных, носимых, миниатюрных).
Транзисторизация обеспечила выигрыш в ком-
пактности по сравнению с ламповыми прием-
никами приблизительно на порядок. Переход к
ИС дает возможность выиграть в компактности
еще на порядок, а также упростить аппаратуру
благодаря уменьшению номенклатуры ЭРЭ.
Дальнейшая реализация возможностей интег-
ральной технологии связана с полным перехо-
дом к ИС полупроводникового типа с высокой
степенью интеграции, что существенно повы-
шает надежность, снижает потребление энер-
гии, трудоемкость, материалоемкость, массога-
баритные характеристики, а также обеспечива-
ет ряд потребительских удобств, реализация ко-
торых невозможна на базе дискретной техники.
Для дальнейшего улучшения качества зву-
чания, его приближения к качеству источника
звука в П. р. вводят УКВ-ЧМ тракт и повыша-
ют выходную номинальную мощность во всех
группах приемников, включая переносные и
автомобильные. При этом в классной стацио-
нарной аппаратуре выходную мощность элект-
рического тракта доводят до десятков ватт при
коэффициенте гармоник кг< 0.1%. Разработан
и освоен производством выпуск мощных вы-
ходных каскадов УЗЧ, выносных широкопо-
лосных акустических систем (АС) с полосой
воспроизведения от 20...30 Гц до 20...30 кГц,
а также малогабаритных АС с объемом 5... 10
л. Важным направлением улучшения качества
звучания является широкое применение сте-
реофонического УКВ-ЧМ тракта в моделях П.
р. как высоких, так и средних групп сложнос-
ти (см. ст. 27.6, 27.8, 13.5).
Наряду с улучшением качества звучания
большое внимание уделяют повышению поме-
Глава 13. РАДИОВЕЩАНИЕ
297
13.1. БЫТОВАЯ РАДИОПРИЕМНАЯ АППАРАТУРА
хоустойчивости радиоприемника (см. ст.
17.11—17.14). С этой целью допускают суще-
ственное усложнение схем приемников высо-
ких групп сложности. Предусматривают спе-
циальные способы защиты от импульсных по-
мех и шумоподавление в ЧМ тракте, вводят си-
стему усиленной АРУ. Реальную избиратель-
ность П. р. повышают двойным преобразова-
нием частоты, использованием систем внут-
ренних антенн с пространственной избира-
тельностью, кольцевых и двойных балансных
ПрЧ, сложных ФСС, а также созданием мощ-
ных линейных трактов, в частности, примене-
нием ПТ в первых каскадах УСЧ и УЗЧ.
Отказ от механических и электромеханиче-
ских узлов (переключателей диапазонов, бло-
ков настройки, механических шкал и т.п.) дает
возможность существенным образом выиграть
в надежности и эргономике. Эти и прочие во-
просы улучшения эксплуатационных удобств,
характерных для современных П. р., рассмот-
рены в ст. 13.9.
Приемник радиовещательный автомо-
бильный — радиовещательный приемник,
предназначенный для эксплуатации в автомо-
биле с питанием от бортовой электросети или
с универсальным питанием. Значительный
рост выпуска П. р. а. обусловлен соображения-
ми комфорта и безопасности движения. Разли-
чают П. р. а. для автомобильно-переносного и
только автомобильного режимов работы. Для
П. р. а. характерна повышенная помехоустой-
чивость [2], более высокая по сравнению со
стационарными моделями избирательность,
лучшее подавление AM в тракте ЧМ, защита
от влияния системы зажигания двигателя. По-
скольку водитель не может отвлекаться во вре-
мя движения, должны быть предусмотрены
простота управления РПрУ и высокая степень
автоматизации. Следует отметить широкое ис-
пользование ИС, применение ферровариомет-
ров и варикапов вместо конденсаторов пере-
менной емкости, специальных способов тер-
мостабилизации и экранирования. Значитель-
ные изменения напряженности ЭМП, связан-
ные с передвижением автомобиля, обуславли-
вают применение эффективной системы АРУ.
В связи с повышением скорости движения и
соответствующего уровня внешних шумов вы-
ходную мощность акустических систем повы-
шают до 4...6 Вт.
Приемник радиовещательный миниа-
тюрный (карманный) — радиовещательный
носимый приемник с автономным или универ-
сальным электропитанием, обладающий наи-
меньшими массой и габаритными размерами.
Параметры П. р. м. значительно хуже, чем при-
веденные в Табл. 13.1. Схемы П. р. м. (в боль-
шинстве своем супергетеродинные) характери-
зуются простотой и высокой степенью интегра-
ции. Пример структурной схемы такого прием-
ника на двух ИС показан на Рис. 13.2, где Kj—
К6 — контуры, РГ —регулятор громкости, Гр —
громкоговоритель. Минимальные размеры кар-
манных приемников достигают 100 х 50 х 20
мм, масса составляет 100...200 г. Их создание
требует специальной элементной базы: БИС,
бескорпусных транзисторов, малогабаритных
громкоговорителей диаметром 30...60 мм, ма-
логабаритных катушек индуктивности высотой
5...7 мм, танталовых электролитических кон-
денсаторов, резисторов с балочными вывода-
ми, гибких печатных плат.
Современная элементная база дает возмож-
ность в корпусе карманного приемника разме-
стить значительно более сложные схемы с син-
тезатором частоты, вспомогательными устрой-
ствами (часами, будильником, таймером, ка-
лендарем, микрокалькулятором) и т. п.
Приемник радиовещательный перенос-
ной — радиовещательный приемник с авто-
номным или универсальным электропитани-
Рис. 13.2
298
РАДИОТЕХНИКА
13.1. БЫТОВАЯ РАДИОПРИЕМНАЯ АППАРАТУРА
ем, с уменьшенными относительно стацио-
нарных приемников массой и габаритными
размерами, конструкция которого имеет эле-
менты для переноски. В отличие от перенос-
ного, носимый радиовещательный приемник
предназначен для эксплуатации во время дви-
жения (в дальнейшем эти приемники рассмат-
риваются совместно).
Популярность и массовость производства
П. р. п. все время возрастают. Это объясняется
тем, что улучшение схемы и комплектующих
изделий дает возможность создавать перенос-
ные приемники малых габаритных размеров и
массы с высокими качественными показателя-
ми. Сегодня выпускаются П. р. п. всех групп
сложности, а их потребительские качества рас-
ширились до возможностей стационарной аппа-
ратуры. Схемные решения, и элементная база
переносных и стационарных моделей радио-
приемников во многом совпадают, поэтому ос-
новные направления развития являются для них
общими.
На Рис. 13.3 показана структурная схема П.
р. п. средней группы сложности, где В — вари-
кап, BMi, ВМ2 — варикапные матрицы, ПН —
плавная настройка, ФНЬ ФН2, ФН3 — фикси-
рованные настройки, ГнТф — гнездо телефон-
ное, Kj—К8 — контуры, РГ — регулятор гром-
кости, РТ — регулятор тембра, СДЬ СД2 — све-
тодиоды. При этом следует выделить такие ре-
шения, как применение в приемнике ИС, ис-
пользование микротоковых режимов работы
транзисторов, ВМ как способа настройки, а
также акустоэлектронных устройств, внутрен-
них магнитных и штыревых антенн, индикато-
ра разрядки батарей. Масса такого приемника
составляет 2...5 кг, ее уменьшению способст-
вует использование отсека универсального пи-
тания, в котором размещается или комплект ба-
тарей, или сетевой выпрямитель.
Масса П. р. п. высоких групп сложности до-
стигает 7... 10 кг. В таких приемниках обеспе-
чиваются качество звучания стандарта Hi-Fi [3]
и все потребительские удобства (см. ст. 13.9).
Приемник радиовещательный стацио-
нарный — приемник с сетевым питанием, кон-
струкция которого не имеет элементов для его
переноски. П. р. с. ранее были очень популярны
и выпускались во всех группах сложности. Сей-
час изготавливаются лишь приемники невысо-
ких групп сложности, предназначенные для при-
ема текущей информации, а также создания му-
зыкального фона во время работы. Такие прием-
ники часто оснащают часами или таймером.
Радиокомплекс — бытовой многофункци-
ональный радиоэлектронный аппарат высокой
группы сложности, состоящий из блоков в от-
дельных корпусах, которые, как правило, уста-
навливают один на другой в виде наборной
стойки. Р. выполняют в едином художественно-
конструкторском оформлении; он содержит тю-
нер, усилитель мощности, магнитофонную па-
нель, CD-проигрыватель (проигрыватель ком-
пакт-дисков), эквалайзер, блок микропроцес-
сорного управления и автоматики, таймер, вы-
носную акустическую систему. Р. выпускают в
стационарном варианте, что обеспечивает выс-
шее качество воспроизведения звука, а также в
упрощенном стационарном и (значительно ре-
же) переносном вариантах. Важное преимуще-
ство Р. в том, что потребитель может приобрес-
ти его полностью или наращивать постепенно.
Радиола — бытовой стационарный радио-
электронный аппарат, который конструктивно
объединяет в одном корпусе радиовещатель-
ный приемник и электропроигрыватель, пред-
назначенный для воспроизведения грамзаписи
моно- и стерефонических программ.
Тюнер — бытовой радиоэлектронный аппа-
рат, предназначенный для приема и преобразо-
вания радиовещательных сигналов в сообщения
34. Это — радиовещательный приемник высо-
кой группы сложности без усилителя мощности
звуковых частот и акустической системы, кото-
рый эксплуатируют в составе радиокомплекса.
По назначению Т. делят на две группы. В
состав первой входят Т., которые обеспечива-
ют самое высокое качество приема. Настройку
на радиостанцию выполняют с помощью мно-
госекционных конденсаторов переменной ем-
кости, поскольку варикапы являются источни-
ком нелинейных искажений в тракте СЧ. Как
АЭ тракта СЧ используют малошумящие ПТ.
Такие Т. обеспечивают в тракте ЧМ чувстви-
тельность 0.5... 1 мкВ, избирательность
80... 120 дБ, нелинейные искажения не более
0.1%, полосу воспроизводимых частот
30.. .15000 Гц при ее неравномерности до 1 дБ.
В состав второй группы входят Т, в кото-
рых при сохранении высоких показателей ка-
чества главное внимание уделяется удобству
обслуживания. Такие Т. имеют электронную
автоматическую настройку, цифровое и микро-
процессорное управление, развитые системы
автоматики (АРУ; АПЧ; автопоиск; автомати-
ческое регулирование АЧХ, стереобаланса, ре-
жимов работы и т.п.), а также запоминают
большое число радиостанций.
Глава 13. РАДИОВЕЩАНИЕ
299
13.1. БЫТОВАЯ РАДИОПРИЕМНАЯ АППАРАТУРА
Блок УКВ
Рис. 13.3
По диапазону рабочих частот Т. делят на
всеволновые и УКВ. Использование послед-
них обусловлено тем, что высококачественная
передача и воспроизведение радиовещатель-
ных программ возможны только в диапазоне
УКВ.
Тюнер-усилитель — бытовой радиоэлек-
тронный аппарат, который конструктивно объ-
единяет Т. и усилитель мощности 34, что поз-
воляет уменьшить число блоков в радиокомп-
лексе. Т. выпускают преимущественно в стаци-
онарном варианте.
13.2. ПРОВОДНОЕ ВЕЩАНИЕ — систе-
ма связи, при которой транслируемые звуковые
программы подводятся проводами до большого
числа территориально рассредоточенных слу-
шателей. Система П. в. содержит центральную
усилительную станцию, опорные усилительные
станции, линейные и абонентские устройства.
По числу программ П. в. делят на одно- и трех-
программное, последнее и рассматривается да-
лее. Первая программа передается сигналами
34 в полосе 50... 10000 Гц для линий первого
класса и 100...6000 Гц для линий второго клас-
са. Вторая и третья программы передаются с
помощью радиосигналов на Нс4 78 и 120 кГц с
AM в полосе частот до 6 кГц. Линейное обору-
дование включает магистральные, распредели-
тельные и абонентские линии, переходы между
которыми осуществляются через понижающие
трансформаторы. Абонентское устройство со-
стоит из линии и трехпрограммного приемника.
При однопрограммном П. в. вместо приемника
используют абонентский громкоговоритель с
Понижающим трансформатором. Главными
преимуществами П. в. по сравнению с радиове-
щанием являются более высокие помехоустой-
чивость и надежность, недостатком — малое
число передаваемых программ. В перспективе
следует указать стерефоническое П. в. и приме-
нение телефонных и кабельных сетей.
Трехпрограммный приемник проводно-
го вещания — бытовой радиоэлектронный ап-
парат, предназначенный для приема и воспро-
изведения трансляционных программ, которые
передаются сетью трехпрограммного провод-
ного вещания. Т. п. п. в. делят на групповые и
индивидуальные; последние, в свою очередь,
образуют три группы сложности. Основные па-
раметры Т. п. п. в. средней группы сложности:
300
РАДИОТЕХНИКА
13.4. СИСТЕМА ЗВУКОВОГО РАДИОВЕЩАНИЯ
чувствительность — не хуже 250 мВ; номи-
нальная выходная мощность — 200 мВт; поло-
са воспроизводимых частот по звуковому дав-
лению при неравномерности АЧХ 16 дБ — не
уже 160...6300 Гц.
Структурная схема Т. п. п. в. изображена на
Рис. 13.4, где АГр — абонентский громкогово-
ритель, Т — понижающий трансформатор, РГ
— регулятор громкости. Приемник выполнен
по схеме прямого усиления. Полосовые фильт-
ры ПФЬ ПФ2 предназначены для выделения
сигналов второй и третьей программ, устано-
вочные регуляторы УРЬ УР2 — для их уравни-
вания. Групповой Т. п. п. в. используют для об-
служивания большой группы абонентов; его на-
гружают на сеть АГр или головных телефонов.
13.3. ПРОЦЕССОР ЗВУКОВОЙ — быто-
вой радиоэлектронный аппарат, предназначен-
ный для создания звуковых эффектов и повы-
шения объемности и выразительности звуча-
ния (см. ст. 27.9).
13.4. СИСТЕМА ЗВУКОВОГО РАДИО-
ВЕЩАНИЯ — система связи, в которой зву-
ковые программы с помощью радиоволн дово-
дятся до большого числа территориально рас-
средоточенных слушателей.
Радиовещание в диапазонах ДВ, СВ, КВ
— радиовещание с AM в диапазонах
0.15...0.285; 0.525...1.605 и 3.2...26.1 МГц
соответственно.
В диапазоне ДВ сферичность Земли до рас-
стояния 2500.. .3000 км не нарушает приема ра-
диоволн. Поэтому с помощью мощных радио-
станций можно обеспечить устойчивый прием
земной волны на больших расстояниях. Пре-
имущества ДВ — стабильность напряженности
поля, которое мало изменяется в зависимости
от времени суток и года, а также малое погло-
щение при прохождении земных и водных пре-
пятствий. Недостатками диапазона ДВ являют-
ся высокий уровень атмосферных и промыш-
ленных помех, а также невозможность разме-
щения большого числа радиостанций. С целью
уменьшения взаимных помех передатчики ДВ
модулируют сравнительно узким диапазоном
34 4.5...9 кГц, используя их преимущественно
для обеспечения речевых программ.
Диапазон СВ является самым популярным,
хотя качество музыкальных передач и здесь от-
носительно невысокое (максимальная модули-
рующая частота передатчика не превышает 10
кГц). В этом диапазоне благодаря земной (по-
верхностной) волне можно обеспечить надеж-
ный прием радиопередач на расстоянии до
1000 км. В темное время суток прием на СВ су-
щественным образом улучшается из-за умень-
шения поглощения пространственных радио-
волн в ионосфере. Однако при этом возникают
«замирания», что является следствием взаимо-
действия поверхностной и пространственной
волн. Прием на СВ улучшается также в зимние
месяцы благодаря уменьшению поглощения
радиоволн земной поверхностью. В последнее
время диапазон СВ часто разбивают на два
поддиапазона, чтобы уменьшить перекрытие в
границах поддиапазона и облегчить настройку
на радиостанцию.
В диапазоне КВ радиостанции работают в
таких полосах (участках): 90 м (3.2.. .3.4 МГц);
75 м (3.95...4.0 МГц); 62 м (4.75...4.99 МГц);
59 м (5.0...5.06 МГц); 49 м (5.95...6.2 МГц);
41 м (7.1...7.3 МГц); 31 м (9.5...9.9 МГц); 25 м
(11.65...12.07 МГц); 23 м (13.6...13.8 МГц);
19 м (15.1...15.6 МГц); 16 м (17.55... 17.9
МГц); 13 м (21.45...21.85 МГц); 11 м
(25.67...26.1 МГц). В этом диапазоне поверх-
ностные волны сильно поглощаются почвой.
Поэтому надежный прием радиопередач обес-
печивается только на небольших расстояниях
(до 100 км) от радиостанции. Однако прост-
ранственные волны, отраженные от ионизиро-
ванных слоев атмосферы, дают возможность
достаточно эффективно принимать радиопере-
дачи на очень больших расстояниях (тысячи
километров) даже при небольшой мощности
передатчика.
Вследствие изменения электронной плотно-
сти атмосферы в зависимости от времени суток
и времени года в диапазоне КВ изменяются ус-
ловия приема радиопередач. Днем хорошо при-
нимаются более короткие волны (в поддиапазо-
не 25 м и ниже), ночью — в поддиапазоне
31.. .75 м. Для диапазона КВ характерны глубо-
кие и частые «замирания» из-за интерференции
отраженных лучей и рассеяния радиоволн на
неоднородностях ионосферы. Этот диапазон
еще в большей мере, чем ДВ и СВ, не обеспечи-
вает хорошего качества музыкального вещания
Глава 13. РАДИОВЕЩАНИЕ
301
13.4. СИСТЕМА ЗВУКОВОГО РАДИОВЕЩАНИЯ
вследствие невысокой устойчивости приема и
частых взаимных помех, которые возникают
при работе большого числа радиостанций на
близких частотах. Для удобства настройки диа-
пазон КВ часто разбивают на поддиапазоны.
Радиовещание в диапазоне УКВ — наибо-
лее помехоустойчивое и высококачественное
радиовещание с ЧМ в поддиапазонах 66...74 и
100... 108 МГц. Первый поддиапазон использу-
ют для моно- и стереовещания, второй — толь-
ко для стерефонических передач. Помехоустой-
чивость обеспечивают благодаря использова-
нию ЧМ с большим индексом модуляции
(/ Fmax >1) при эффективном ограни-
чении амплитуды входного сигнала (см. ст.
17.19). Диапазон УКВ позволяет разместить
широкополосные сигналы с обеспечением вы-
сокой помехоустойчивости и неискаженного
воспроизведения спектра 34. Так, при макси-
мальной девиации частоты bfm = 50 кГц и мак-
симальной частоте модуляции Fmax = 15 кГц
(см. Табл. 13.1) необходимая ширина полосы
спектра ЧМ сигнала
Д^счм = 2Fmax (1 + ) = 2(Д/„ + Fmax ) =
= 130 кГц « Д/уКВ.
Высокая помехоустойчивость ЧМ приема
совмещается с малым уровнем промышленных
и атмосферных помех в диапазоне УКВ. Это
обусловлено общей тенденцией спада спект-
ральной плотности мощности помех с возрас-
танием частоты, а также малым числом меша-
ющих станций вследствие местного характера
вещания. Дальность распространения УКВ ог-
раничена расстоянием прямой видимости [км]
R - 3-6(\/ЛРПдУ + 7ЛРПрУ )’
где Арпду, Лрпру — высоты антенн передатчика и
приемника соответственно [м]. Так, при высоте
передающей антенны 300 м и приемной 10 м
расстояние прямой видимости составляет 70 км.
Недостатки УКВ-ЧМ вещания: малое чис-
ло радиостанций и слабая дифракция радио-
волн в этом диапазоне, вследствие чего на не-
ровной местности образуются зоны некачест-
венного приема, что особенно заметно в боль-
ших городах, где ощущается экранирующее
действие строений.
Радиовещание синхронное — способ ра-
диовещания, при котором несколько передат-
чиков работают на одной частоте, преимуще-
ственно в диапазоне СВ, передавая одинако-
вую программу. Вместо одного мощного пере-
датчика, работающего земной и пространст-
венной волнами, используют несколько пере-
датчиков малой и средней мощности, которые
передают сигналы земной волной и обеспечи-
вают достаточно большую и устойчивую на-
пряженность поля в зоне обслуживания. Ис-
пользование Р. с. дает значительный выигрыш
в мощности и надежности.
Радиовещание спутниковое — способ ра-
диовещания, при котором звуковые программы
передаются с ИСЗ для непосредственного при-
ема большим числом слушателей. При этом
ИСЗ движется по геостационарной орбите,
расположенной на высоте 35.9 тыс. км, осуще-
ствляя один оборот вокруг Земли за 24 ч и ос-
таваясь практически неподвижным для земно-
го наблюдателя. Три таких спутника могут об-
разовывать зоны обслуживания, которые охва-
тывают весь земной шар. Переход к Р. с. дает
возможность преодолеть главный недостаток
УКВ-ЧМ вещания — ограниченность зоны об-
служивания. Предусматривается создание сис-
темы Р. с., при которой напряженность поля
передатчика ИСЗ обеспечит прием передач на
относительно несложные антенны в виде пара-
болического зеркала диаметром 0.7.. .0.9 м при
чувствительности, доступной бытовому при-
емнику. Для непосредственного спутникового
приема передач международными организаци-
ями выделены полосы частот 2.7...2.95;
11.5... 12.5; 41...43; 84...86 ГГц. Основная ра-
бота ведется в диапазоне 12 ГГц.
Радиовещание цифровое — способ радио-
вещания, при котором звуковые программы пере-
даются цифровыми сигналами. При переходе от
аналоговых сигналов к цифровым следует опре-
делить частоту дискретизации и интервал кванто-
вания (число уровней N). Если спектр сообщения
ограничен верхней 34 Fmax= 15 кГц, оно может
быть полностью восстановлено на приемном кон-
це при частоте дискретизации/ц > 3Fmax = 45 кГц
(см. ст. 19.3).
При Р. ц. получают высокое качество пе-
редачи-приема. Для этого нужно иметь до-
статочно большое число уровней квантова-
ния, чтобы предотвратить искажения, свя-
занные с неточностью воспроизведения фор-
мы сигнала. Эти искажения проявляются как
шумы квантования. Отношение С/Ш [дБ],
необходимое для его обеспечения число
уровней квантования N и разрядность циф-
рового кода п связаны между собой прибли-
зительным соотношением
302
РАДИОТЕХНИКА
13.4. СИСТЕМА ЗВУКОВОГО РАДИОВЕЩАНИЯ
С/Ш = 60Log 2#= би.
Так, для получения значения С/Ш = 90 дБ
нужно использовать 15-разрядный цифровой
код.
На Рис. 13.5 изображена упрощенная
структурная схема системы цифрового радио-
вещания, где БК31, БК32 — блоки кодозащиты,
ДКд — декодер, Дек — дискретизатор, Кд —
кодер, М — модулятор, Д — детектор, УМ —
усилитель мощности. В тракте могут исполь-
зоваться разнообразные помехоустойчивые ме-
тоды модуляции и кодирования (например,
ФМн, ИКМ, что и определяет ПП — см. ст.
17.22.).
Р. ц. может обеспечить практически неиска-
женное воспроизведение звука: полосу частот
20... 15000 Гц, коэффициент гармоник 0.1 %, от-
ношение С/Ш и подавление внешних помех 80
дБ, разделение стереоканалов 70 дБ. Однако
этим не ограничиваются возможности Р. ц. Так,
при одной радиолинии можно с помощью вре-
менного уплотнения передавать несколько зву-
ковых программ на выбор слушателя. Возмож-
на специализация каждого из этих каналов: му-
зыка, новости, дорожная или вспомогательная
информация. Широкие возможности обеспечи-
вает использование ИС, поскольку цифровые
системы эффективнее поддаются интеграции,
чем аналоговые. Недостатком Р. ц. является ши-
рокая полоса частот, которая примерно равна
полосе частот канала ТВ, а также относительно
большая сложность цифровых систем. Наибо-
лее вероятный диапазон частот Р. ц. — СМВ,
возможно использование спутникового и ка-
бельного радиовещания.
Радиовещательные передающие устрой-
ства — см. ст. 16.5.
Сообщения звукового вещания — сиг-
налы на выходе первичных датчиков, подле-
жащие передаче в радиовещательной систе-
ме. С. з. в. являются нестационарными анало-
говыми случайными процессами, которые ха-
рактеризуются законами распределения, их
частными характеристиками, частотным и
динамическим диапазонами. С. з. в. имеют
различный характер: это могут быть речь, му-
зыка разнообразных жанров, различные шу-
мы и пр. Каждый из этих сигналов имеет
свои свойства. Так, речевой сигнал занимает
частотный диапазон 70...7000 Гц при дина-
мическом диапазоне 25...35 дБ, тогда как для
качественного воспроизведения звучания
симфонического оркестра необходима полоса
частот 30... 15000 Гц при динамическом диа-
пазоне 65...75 дБ.
Распределения мгновенных значений С. з.
в., таких, как речь, вокальная, симфоническая,
камерная, фортепианная музыка, близки к экс-
поненциальному; для хора с оркестром, эстрад-
ной и джазовой музыки и ряда других С. з. в. ха-
рактерным является гауссовское распределение.
Пик-фактор кл (см. ст. 1.2) для речевого сигнала
составляет в среднем 12 дБ, для музыкальных
программ кп = 25 дБ.
Как уже отмечалось, С. з. в. нестационар-
ны: программы произвольно сменяют друг
друга, соответственно изменяются их характе-
ристики. Чтобы учесть эти изменения, исполь-
зуют усреднение параметров программ на зна-
чительном временном интервале. Такие харак-
теристики называют обобщенными. В качестве
Глава 13. РАДИОВЕЩАНИЕ
303
13.4. СИСТЕМА ЗВУКОВОГО РАДИОВЕЩАНИЯ
примера на Рис. 13.6 показана среднесуточная
спектральная плотность мощности 6ЗВ сигна-
лов первой радиовещательной программы.
С. з. р. в. подробно рассматриваются в [4].
13.5. СИСТЕМА СТЕРЕОФОНИ-
ЧЕСКОГО РАДИОВЕЩАНИЯ — система
радиовещания, при которой вместо одного со-
общения передают два: сообщение А, которое
несет информацию о звучании левой стороны
сцены, и сообщение В, передающее звучание
правой стороны. Оба сообщения передаются
одним передатчиком на одной НсЧ. Поскольку
УКВ-ЧМ вещание обеспечивает наиболее вы-
сококачественное воспроизведение звука, сте-
рефоническое радиовещание ведется, как пра-
вило, в диапазоне УКВ. С. с. р. дает возмож-
ность значительно улучшить качество звучания
по сравнению с монофоничным. Создается эф-
фект «присутствия» слушателя в зале: ощуща-
ются направление на отдельные источники зву-
ка, реверберация зала (см. ст. 27.5), лучше раз-
личаются отдельные инструменты в оркестре и
голоса в хоре. Международным консультатив-
ным комитетом по радиовещанию рекомендо-
ваны три С. с. р.: отечественная система с по-
лярной модуляцией, близкая к ней американ-
ская система с пилот-тоном и предложенная
Швецией система ЧМ-ЧМ.
Система стереофонического радиовеща-
ния с пилот-тоном — работает в диапазоне
УКВ и приближается к системе с полярной
модуляцией, но имеет полностью подавлен-
ную ПНсЧ (40 дБ), что дает возможность по-
высить динамический диапазон, и пилот-тон
для восстановления ПНсЧ в приемной части
тракта. Как и система с полярной модуляцией,
она содержит тональную (А + В) и надтональ-
ную (А - В) части. Используется в США и
странах Западной Европы. Спектр комплекс-
ного стереосигнала 5КСс показан на Рис. 13.7,
а. Во время приема пилот-тон выделяют узко-
полосным фильтром, удваивают его частоту и
синхронизируют генератор ПНсЧ с частотой
38 кГц. По качеству звучания С. с. р. с поляр-
ной модуляцией и пилот-тоном равноценны.
Система стереофонического радиовеща-
ния (ССР) с полярной модуляцией — работа-
ет в диапазоне УКВ, использует полярно-моду-
лированное колебание, отличающееся от обыч-
ного AM колебания тем, что огибающие верх-
них и нижних полупериодов НсЧ передают раз-
ные модулирующие сигналы (сообщения).
Принцип действия ССР с полярной модуляцией
отображает Рис. 13.8, а. Полярно-модулирован-
ные колебания (ПМК) несут два звуковых сигна-
ла с частотами модуляции £1А (верхние полупе-
риоды ПМК) и Qff (нижние полупериоды ПМК).
Полученное колебание применяют для частот-
ной модуляции передатчика УКВ. Уравнение
ПМК может быть записано в виде
Мпмк(г) = (Ua+Ub) + (UA -t/fi)sinCOnHcr, (О
где при гармонических модулирующих сигналах
и а <J) = Um 0 + ™д sinQ^r); (2)
U в (-1 + тв (3)
Um — напряжение поднесущей с частотой
(0Пнс5 тА и тв — глубины модуляции подне-
сущего колебания сообщениями А и В соот-
ветственно.
Из уравнения (1) следует, что ПМК состо-
ит из двух частей: тональной, которая содер-
жит сумму сигналов UA и UB, и надтональной.
Последняя является AM колебанием, причем
модуляция осуществляется разностью сигна-
лов UA - Uв- Из (1) следует также, что верхняя
огибающая несет информацию о сигнале А
sin со пне t = +1, ипмк = 2t7 л ,
а нижняя — информацию о сигнале В
sinconHc г =-1, мпмк~2(/в.
Спектральный состав ПМК (1) показан на
Рис. 13.8, б. Схема простейшего детектора
ПМК, который дает возможность выделить
звуковые сигналы каналов А и В, изображена
на Рис. 13.8, в.
Реальная система с полярной модуляцией
значительно сложнее. Так, на Рис. 13.9, а по-
304
РАДИОТЕХНИКА
13.5. СИСТЕМА СТЕРЕОФОНИЧЕСКОГО РАДИОВЕЩАНИЯ
казан спектр 5Пмк с полосой модулирующих
частот 30... 15000 Гц при стандартной ПНсЧ
31.25 кГц. Как следует из (1)—(3), при тА =
тв = 0 значение ПМК в паузе МпмкпаузСО =
2C/wsinconHc^ * 0, что уменьшает динамичес-
кий диапазон передачи. Чтобы ослабить этот
эффект, с помощью режекторного фильтра (Q
= 100) колебание ПНсЧ подавляют на 14 дБ.
Кроме того, с целью повышения помехоустой-
чивости вводят частотные предыскажения в
стереомодуляторе передатчика — повышение
верхних 34 (см. ст. 17.19). Последнее реализу-
ют с помощью ФВЧ с постоянной времени т =
50 мкс.
Сформированный таким образом комплекс-
ный стереосигнал (КСС), спектр которого изо-
бражен на Рис. 13.9, б, направляют к частотно-
му модулятору ЧМ передатчика и дальше че-
рез усилитель мощности УМ в радиолинию
как УКВ-ЧМ сигнал — см. Рис. 13.10, а, где
бпнс — генератор поднесущей частоты, GH —
генератор несущей частоты, ФПИ-Л, ФПИ-В
— фильтры предыскажений, ФПМК — форми-
рователь ПМК, РФ — режекторный фильтр.
Структурная схема приемной части УКВ-ЧМ
стереотракта с полярной модуляцией изобра-
жена на Рис. 13.10, б, где ДПМК — детектор
ПМК, ФКПИ-Л, ФКПИ-В — фильтры компен-
сации предыскажений, а обработка выполняет-
ся в обратном порядке: из УКВ-ЧМ сигнала
выделяют КСС, с помощью восстановителя
поднесущей ВПНс формируют ПМК, после
детектирования которого получают два сооб-
щения. Последние пропускают через фильтры
компенсации предыскажений, внесенных в пе-
редатчике (ФКПИ имеет постоянную времени
т = 50 мкс). Полученные на выходе стереодеко-
дера сообщения А и В направляют к двухка-
нальному стереоусилителю 34.
Система стереофонического радиове-
щания в средневолновом диапазоне — сис-
тема с AM несущего колебания передатчика,
предназначенная преимущественно для авто-
мобильных приемников, позволяет устранить
два принципиальных недостатка УКВ-ЧМ
вещания: малый радиус действия радиостан-
ции и искажения, вызванные многоканаль-
ным распространением. Диапазон СВ при-
знан наиболее перспективным для AM сте-
реовещания, так как в нем устойчивость при-
ема радиопередач совмещается с приемле-
мым их качеством. При этом основной недо-
статок — меньший диапазон воспроизводи-
мых частот важного значения не имеет, по-
скольку верхние 34 все равно маскируются
шумами движения автомобиля.
Предложенные для AM стереовещания си-
стемы можно разделить на три группы:
— в ССР с двойной модуляцией сигнал
НсЧ передатчика синхронно модулируют по
Глава 13. РАДИОВЕЩАНИЕ
305
13.5. СИСТЕМА СТЕРЕОФОНИЧЕСКОГО РАДИОВЕЩАНИЯ
амплитуде суммарным сигналом (А + В), а по
фазе или частоте — разностным сигналом (А -
В). Стереоприемник должен иметь два отдель-
ных канала приема AM и ЧМ колебаний. Из
принятых сигналов (А + В) и (А - В) суммарно-
разностным преобразованием выделяют сигна-
лы А, В;
— в ССР с разделением боковых полос на
одной полосе AM сигнала передается сообще-
ние А, а на другой — сообщение В. В стерео-
приемнике с помощью фильтров эти сообще-
ния принимаются раздельно;
— в ССР с квадратурной модуляцией для
передачи двух звуковых сигналов А и В ис-
пользуют сумму двух AM колебаний, несущие
которых одинаковы по частоте, но сдвинуты
по фазе на 90 . Возможно, что эта система ста-
нет стандартной для стереофонического веща-
ния в диапазоне СВ. Регулярные стереопере-
дачи в этом диапазоне уже ведутся в несколь-
ких странах мира.
Система стереофонического радиовеща-
ния ЧМ-ЧМ — работает в диапазоне УКВ,
имеет тональную (А + В) и надтональную (А - В)
части; отличается от системы с полярной моду-
ляцией тем, что сигнал ПНсЧ модулируют раз-
ностным сигналом (А - В) не по амплитуде, а по
частоте. При этом разностный сигнал компрес-
сируют с последующим его расширением в при-
емной части системы. Спектр комплексного сте-
реосигнала изображен на Рис. 13.7, б. Сравни-
тельно с ССР с полярной модуляцией система
ЧМ-ЧМ благодаря большей сложности обеспе-
чивает более высокую помехоустойчивость и
большее переходное затухание между каналами.
Используется в скандинавских странах.
Стереодекодер — устройство, позволяю-
щее превратить комплексный стереосигнал в
два звуковых сигнала Ли В, соответствующие
сообщениям на входе стереомодулятора пере-
датчика. Как следует из Рис. 13.10, б, С. содер-
жит три последовательно включенных узла:
восстановитель поднесущей ВПНс, детектор
ПМК ДПМК и фильтры для компенсации пре-
дыскажений сигнала.
Восстановление ПНсЧ осуществляют с по-
мощью последовательной цепи, которая содер-
жит резисторы, создающие режим генератора
тока, и колебательный контур с добротностью
Q = 100, настроенный на ПНсЧ. В результате
прохождения комплексного стереосигнала че-
рез эту цепь обеспечивается подъем АЧХ на
ПНсЧ на 14 дБ, что компенсирует подавление в
РФ передатчика.
При детектировании полярно-модулиро-
ванного колебания (ПМК) могут быть исполь-
зованы три метода. По методу полярного де-
тектирования (см. Рис. 13.8, в) ПМК «разреза-
ют» на две части, выделяя положительную и
отрицательную огибающие. Этот метод про-
стейший, но сопровождается значительными
нелинейными искажениями. При суммарно-
разностном методе с помощью фильтров то-
нальную часть, которая несет информацию (А +
В), отделяют от надтональной части — AM ко-
лебания (1). После детектирования последнего
выделяют сигнал (А - В) и разделяют каналы с
помощью суммарно-разностного преобразова-
ния
(А + В) + (А - В) = 2А\
(А + В) - (А-В) = 2В.
Метод переключений основывается на том,
что цепь ПМК периодически с удвоенной час-
тотой поднесущей переключают со входа од-
ного канала на другой. Принцип действия та-
кого детектора объясняет Рис. 13.11. Компен-
сацию предыскажений (см. ст. 17.19) выполня-
ют с помощью ФНЧ с постоянной времени т =
50 мкс.
13.6 ТРАКТ AM РАДИОВЕЩАТЕЛЬ-
НОГО ПРИЕМНИКА — предназначен для
приема и обработки монофоничных радиове-
306
РАДИОТЕХНИКА
13.7. ТРАКТ чм радиовещательного приемника
щагельных сигналов с AM в диапазонах ДВ,
СВ, КВ. Главные требования к AM тракту —
обеспечение высоких избирательности и поме-
хоустойчивости в условиях сильной загрузки
эфира, что характерно для этих диапазонов.
Традиционные структурные схемы AM
тракта изображены на Рис. 13.1—13.3. В стаци-
онарных РЭА прием ведется преимущественно
на внешнюю антенну. В переносной аппаратуре
радиопередачи на ДВ и СВ принимают магнит-
ной антенной, а на КВ — телескопической.
Входное устройство и УСЧ обеспечивают такое
подавление сигналов мешающих станций, что-
бы они не нарушали нормальной работы ПрЧ и
не образовывали побочные каналы приема и пе-
рекрестную модуляцию. УПЧ содержит основ-
ные избирательные цепи, которые обеспечивают
защиту приемника от соседних радиостанций.
Тракт УПЧ, как правило, строят по системе с
разделением функций усиления и избирательно-
сти (см. ст. 17.29) с использованием многокон-
турных АС-ФСС или акустоэлектронных фильт-
ров. АРУ должно предотвращать возможные пе-
регрузки ПрЧ, АД, УЗЧ и поддерживать посто-
янным уровень выходного сигнала при замира-
ниях, характерных для КВ.
Микроминиатюризации AM тракта препят-
ствует большое число катушек индуктивности,
которые трудно реализовать в интегральном
исполнении. В связи с этим в аппаратуре высо-
кой сложности используют инфрадинные при-
емники (см. ст. 17.27) с широкополосным непе-
рестраиваемым преселектором и мощным ли-
нейным трактом сигнальной частоты.
Тракт звуковой частоты радиовещатель-
ного приемника — см. ст. 27.3, гл. 24.
13.7. ТРАКТ ЧМ РАДИОВЕЩАТЕЛЬНО-
ГО ПРИЕМНИКА — предназначен для при-
ема и обработки моно- и стереофонических ра-
диовещательных сигналов с ЧМ в диапазоне
УКВ. Главное требование к тракту УКВ-ЧМ —
обеспечение высоких качества приема и поме-
хоустойчивости, чего невозможно достичь в
других диапазонах. Традиционные структурные
схемы ЧМ тракта показаны на Рис. 13.1,13.3.
Блок УКВ в значительной мере определяет
реальную чувствительность приемника и его
избирательность по зеркальным и другим по-
бочным каналам приема (см. ст. 17.13). Как
правило, выполняется на основе специализи-
рованной ИС с внешними контурами. Перест-
ройка частоты осуществляется с помощью ва-
рикапных матриц, которые обеспечивают сле-
дующие преимущества: возможность согласо-
t
Рис. 13.11
ванной перестройки большого числа контуров,
простоту реализации фиксированных настроек
и АПЧ, удобство согласования с синтезатором
частоты, отсутствие микрофонного эффекта,
уменьшение числа механических элементов.
Их недостатки: ухудшение стабильности, доб-
ротности и нелинейность вольт-фарадной ха-
рактеристики, что приводит к снижению поме-
хоустойчивости приемника. Вследствие этого
в высококачественных приемниках и тюнерах
используют многосекционные конденсаторы
переменной емкости. С целью обеспечения
ЭМС блок УКВ выполняют конструктивно ав-
тономным и экранированным.
В современных приемниках УПЧ включает
каскад с ФСС, обеспечивающий необходимую
избирательность по соседнему каналу приема,
и широкополосный усилитель-ограничитель на
ИС, который усиливает сигнал до уровня, необ-
ходимого для линейного детектирования и эф-
фективного подавления паразитной AM на
20...40 дБ. При этом ФСС устанавливают на
входе тракта для подавления помехи до того,
как она сможет создать паразитные частотные
комбинации в усилителе-ограничителе. В каче-
стве ФСС преимущественно используют пьезо-
керамические фильтры, в последние годы —
фильтры на ПАВ. В высококачественных при-
емниках используют многоконтурные LC-
фильтры, которые обеспечивают линейность
ФЧХ в границах ПП. Полоса частот, которую
занимает ЧМ сигнал при стереофонической пе-
редаче, примерно на 20% шире, чем при моно-
фонической, что вынуждает расширять ПП
приемника до 200 кГц и тем самым ухудшать
отношение С/Ш. При этом для сохранения ре-
альной чувствительности приемника нужно
уменьшать шумы, используя малошумящие
транзисторы и ИС.
Глава 13. РАДИОВЕЩАНИЕ
307
13.7. ТРАКТ чм радиовещательного приемника
Частотный детектор предназначен для не-
искаженного выделения из ЧМ сигнала моду-
лирующей функции. При монофоническом ра-
диовещании это обычный сигнал, а при стере-
фоническом — комплексный стереосигнал, ко-
торый подается на декодер (см. ст. 13.5). ЧД
может выполняться по-разному. Самыми рас-
пространенными являлись дробные детекто-
ры, которые сегодня вытесняются другими ти-
пами ЧД, что обусловлено сложностью регули-
ровки дробных детекторов, критичностью по-
давления AM на компенсационной основе, а
также сложностью микроминиатюризации,
связанной с наличием катушек индуктивности.
В порядке использования следует указать час-
тотно-фазовый, частотно-импульсный детекто-
ры и ЧД на базе ФАПЧ (см. ст. 24.6). Для реа-
лизации ЧД и УПЧ выпускают специальные
полупроводниковые ИС, которые включают
усилитель-ограничитель и ЧД.
13.8. ЭКВАЛАЙЗЕР — корректор АЧХ
УЗЧ, предназначенный для согласования аку-
стической системы радиокомплекса с акусти-
ческими свойствами помещения (см. ст. 27.5),
дает также возможность регулировать тембр и
изменять частотный баланс при записи и вос-
произведении звука. Э. делят на графические,
параметрические и параграфические. Наибо-
лее распространены графические Э. Диапазон
34 в них разбит на 5... 12 полос, в каждой из
которых мощность регулируется ползунко-
вым потенциометром. Для получения равно-
мерной АЧХ звукового тракта необходимо ус-
тановить в определенное положение ползунок
регулятора каждой полосы. Положения пол-
зунков образуют точки компенсирующей кри-
вой — графика. В параметрических Э. при-
сутствуют три или четыре полосы, в каждой
из которых предусмотрена регулировка трех
параметров: уровня сигнала, средней частоты
и полосы. Параграфические Э. являются ком-
бинацией первых двух Э. Реализацию Э. —
см. в ст. 24.21.
13.9. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ УДОБ-
СТВА РАДИОВЕЩАТЕЛЬНОГО ПРИЕМ-
НИКА — сервисная система, одно из глав-
ных направлений совершенствования совре-
менной бытовой радиоаппаратуры, которая
позволяет упростить управление приемником
и придать ему дополнительные эксплуатаци-
онные возможности.
Автоматическая настройка — безпоиско-
вая настройка на радиостанцию с априорно из-
вестной частотой. Как правило, выполняется в
инфрадинном приемнике с широкополосой
преселекцией (см. ст. 17.27), где настройка на
радиостанцию сводится к дискретному изме-
нению частоты гетеродина при условии, что
входное устройство и УСЧ не перестраивают-
ся. Гетеродином является синтезатор частоты
(см. ст. 16.1), который обеспечивает высокие
стабильность, быстродействие и возможность
применения интегральной технологии. В ра-
диовещательных приемниках используют син-
тезаторы частоты с кольцом ФАПЧ и опорны-
ми частотами 10 кГц для ЧМ и 1 кГц для AM
диапазонов. Настройку осуществляют подачей
соответствующих кодов на делитель синтеза-
тора, устанавливающий необходимый коэффи-
циент деления частоты.
Автоматический поиск радиостанций —
процесс автоматического изменения частоты
настройки приемника с приостановкой при по-
явлении сигнала радиостанции. В случае ана-
логовой настройки напряжение на варикапах
контуров плавно изменяется до тех пор, пока с
выхода детектора главного тракта приема не
поступит сигнал наличия радиостанции. При
использовании синтезатора частота гетеродина
изменяется скачками. Для системы А. п. р. вво-
дят временные и амплитудные ограничения.
Фиксированный интервал задержки автопоис-
ка на сигнале найденной станции составляет
5 с. Если станция удовлетворяет радиослуша-
теля, то он фиксирует ее, нажав на кнопку фик-
сации; если нет, то поиск продолжается. Амп-
литудные ограничения сводятся к тому, что
ищут только достаточно сильные радиостан-
ции; приостановку А. п. р. делают в случае
превышения порога выходным сигналом. Из-
бирательный А. п. р. может осуществляться
также по другим признакам. Так, при поиске
стереофонических радиопередач приостанов-
ку делают в случае появления напряжения
ПНсЧ.
Бесшумная настройка — процесс наст-
ройки, при котором в случае отсутствия сигна-
лов радиостанции подавляются шумы и трес-
ки, а также дополнительные настройки в диа-
пазоне УКВ. Устройство Б. н. работает от вы-
хода УПЧ главного тракта приема и состоит из
управляющего и управляемого блоков. Первый
содержит селективный усилитель, детектор и
пороговое устройство, второй — два нормаль-
но разомкнутых ключа, установленных на вхо-
дах левого и правого каналов УЗЧ. При наст-
ройке на достаточно мощную радиостанцию,
сигнал которой обеспечивает превышение по-
308
РАДИОТЕХНИКА
13.9. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ УДОБСТВА РАДИОВЕЩАТЕЛЬНОГО ПРИЕМНИКА
рогового уровня, с выхода детектора поступает
управляющий сигнал, который замыкает клю-
чи. Устройство Б. н. используют в РПрУ выс-
ших групп сложности.
Управление дистанционное — способ уп-
равления бытовой РЭА на расстоянии несколь-
ких метров. При этом могут быть реализованы
как дискретные функции управления (включе-
ние и выключение питания, переключение ди-
апазонов частот, выбор частот фиксированной
настройки, переключение ПП, автопоиск, род
работы), так и аналоговые функции (плавная
настройка и регулировка громкости, тембра,
стереобаланса). Для У. д. используют линии
ультразвуковой и инфракрасной связи. В каче-
стве передатчика и приемника ультразвуковых
сигналов применяют ненаправленные конден-
саторные преобразователи.
В варианте с инфракрасным излучением
на передающей стороне устанавливают свето-
диоды, а на приемной — фототранзисторы.
Линии инфракрасной связи используют чаще,
так как они обеспечивают простоту, быстро-
действие и помехоустойчивость. Выносное
передающее устройство линии инфракрасной
связи (пульт управления) содержит клавиату-
ру (датчик), кодер, усилитель, излучатель;
встроенное приемное устройство имеет ин-
фракрасный фильтр для снижения чувстви-
тельности к мешающим источникам света,
усилитель, формирователь импульсов, деко-
дер, исполнительные узлы.
Особенно просто У. д. согласуется с аппара-
турой, которая имеет микропроцессорное уп-
равление; при этом пульт У. д. полностью или
частично дублирует панель управления аппара-
турой. Для приемников и передатчиков линии
инфракрасной связи создан ряд ИС. Подробно
вопрос У д. рассмотрен в [5].
Управление микропроцессорное — спо-
соб управления бытовой РЭА с помощью МП
(см. гл. 9). В радиоприемных и звуковоспроиз-
водящих устройствах МП может выполнять
следующие функции:
— коммутацию источника программ, кото-
рая предусматривает переключение диапазо-
нов частот, подключение электропроигрывате-
ля, магнитофонной панели на запись и воспро-
изведение звука, микрофона;
— программное управление, позволяющее
задать режим работы аппаратуры на опреде-
ленный срок. Предусматриваются включение и
выключение программ в заданное время, авто-
матическая настройка на заданную станцию,
запись определенных передач при отсутствии
слушателя и т.п.;
— управление автопоиском, в ходе которо-
го МП последовательно перебирает коды, оп-
ределяющие частоты настройки синтезатора
частоты. Перебор завершается в зависимости
от принятого критерия выбора: мощности ра-
диостанции, появления стереопрограммы, му-
зыкальной или речевой программы;
— управление фиксированными настройками,
обеспечивающее все операции, связанные с за-
писью в память частот интересующих слушателя
радиостанций и вызовом этих частот из памяти;
— управление адаптивным приемом, кото-
рое задает оптимальный режим работы прием-
ника (например, выбор необходимой ПП в зави-
симости от помеховой обстановки);
— управление устройствами индикации,
при котором МП подает сигналы на индикато-
ры приемника. Выводятся сигналы текущего и
точного времени, грубой и точной настройки,
частота и мощность принимаемых радиостан-
ций, факт наличия многолучевого приема на
УКВ, характер передачи и другие информаци-
онные признаки.
Для реализации У. м. создана серия микро-
процессорных комплектов.
Поддиапазон растянутый — поддиапа-
зон КВ с малым коэффициентом перекрытия
(*пер= /maxTmin^ 11), который обеспечивает
удобную настройку на станцию. Введение П.
р. связано с тем, что станции КВ сосредото-
чены в относительно узких участках диапазо-
на, составляющих не более 20% его полосы
(см. ст. 13.4). В то же время в пределах этих
участков плотность расположения радио-
станций очень высока, что приводит к не-
удобствам при настройке. Поэтому в прием-
никах высоких групп сложности соответству-
ющие участки диапазона КВ «растягивают»
на всю шкалу, доводя число П. р. до 5... 10.
Введение П. р., с одной стороны, упрощает
согласование контуров преселектора и гетеро-
дина, а с другой — усложняет схему и конст-
рукцию приемника. В связи с этим в приемни-
ках средней группы сложности используют по-
лурастянутые поддиапазоны, т.е. на всю шка-
лу растягивают не один, а два-три участка (см.
ст. 13.4). Растягивание реализуют подключени-
ем одного или двух дополнительных конденса-
торов последовательно и параллельно конден-
сатору переменной емкости. Отдельные моде-
ли РПрУ наряду с П. р. имеют общий обзор-
ный диапазон КВ.
Глава 13. РАДИОВЕЩАНИЕ
309
13.9. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ УДОБСТВА РАДИОВЕЩАТЕЛЬНОГО ПРИЕМНИКА
Таймер — электронные часы с устройст-
вом, обеспечивающим запрограммированное
включение и выключение бытовой РЭА.
Фиксированная настройка — сервисная
система, которая позволяет слушателю выпол-
нить беспоисковую настройку на заранее вы-
бранную им радиостанцию. Переход к элек-
тронной настройке с помощью варикапов упро-
щает эту задачу, для чего необходимо иметь не-
сколько независимых потенциометров предва-
рительной настройки, от которых на варикап
контура через переключатель выбора фиксиро-
ванных станций подают заранее предусмотрен-
ные управляющие напряжения. Число фиксиро-
ванных настроек, как правило, не превышает 10
в одном диапазоне. Более совершенный способ
Ф. н. — см. ранее: автоматическая настройка на
радиостанцию с заранее установленным кодом.
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. ГОСТ 5651-89. Аппаратура радиоприемная бытовая. Общие технические условия.
2. ГОСТ 17692-89. Приемники радиовещательные автомобильные. Общие технические условия.
3. Кононович Л.М. Стереофоническое радиовещание. — М.: Связь, 1974. — 264 с.
4. Радиовещание и акустика / Под ред. М.В. Гитлица. — М.: Радио и связь, 1989. — 432 с.
5. Калихман С.Г., Шехтман Б.И. Цифровая схемотехника в радиовещательных приемниках. —
М.: Радио и связь, 1982. — 104 с.
6. Кононович Л.М. Современный радиовещательный приемник. — М.: Радио и связь, 1986. —
144 с.
310
РАДИОТЕХНИКА
ГПДВД 14
РАДИОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА.
МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
• Измеряй все, что поддается
измерению, и сделай таким все,
что измерению не поддается.
Г. Галилей
• Наука начинается тогда,
когда начинают измерять.
Д.И. Менделеев
• Что с избытком, то не здраво —
неоправданная точность измерения
так же вредна, как и точность
недостаточная.
• Радиотехник без осциллографа —
это человек с зажмуренными глазами.
• Только с привлечением радиоэлектрон-
ных методов точного количественного
анализа старинное искусство медицины
становится действительно наукой.
• Хорошие измерительные приборы —
это уже полдела.
Из инженерной практики
• Первый электроизмерительный прибор,
чувствительный электроскоп с соломинкой
(А. Вольта, Италия, 1781 г.).
• Первый гальванометр
(И. Швейгер, Германия, 1820 г.).
• Первый электронный вольтметр
(Беллантайн, США, 1930 г.).
• Первый осциллограф
(А. Дюмонт, США, 1932 г.).
• Первый рентгеновский
компьютерный томограф
(Г. Хаусфилд, Англия, 1971 г.).
Радиоизмерительные устройства — это
средства измерения (СИ), т.е. технические
средства с нормированными метрологически-
ми характеристиками, предназначенные для
измерения параметров радиотехнических сиг-
налов, цепей и устройств при их исследова-
нии, регулировке и эксплуатации. Как и любые
СИ, эти устройства подразделяют на меры, из-
мерительные преобразователи, приборы, уста-
новки и системы. Мера — СИ, предназначен-
ное для воспроизведения физической величи-
ны заданного размера (значения): например,
кварцевый генератор — мера частоты электри-
ческих колебаний. Измерительный преобразо-
ватель — СИ, вырабатывающее сигнал изме-
рительной информации (ИИ) в форме, непо-
средственно не воспринимаемой наблюдате-
лем, но удобной для передачи, дальнейшего
преобразования и (или) хранения. Измери-
тельный прибор — СИ, вырабатывающее сиг-
нал ИИ в форме, пригодной для непосредст-
венного восприятия наблюдателем. Измери-
тельная установка — совокупность располо-
женных в одном месте, функционально объе-
диненных СИ и вспомогательных устройств,
вырабатывающих сигналы ИИ в форме, удоб-
ной для восприятия наблюдателем (например,
установка для поверки вольтметров). Измери-
тельная система — совокупность СИ и вспо-
могательных устройств, связанных между со-
бой каналами связи и вырабатывающих сигна-
лы ИИ в форме, удобной для автоматической
обработки, передачи и (или) использования в
системах автоматического регулирования.
Радиоизмерительные устройства класси-
фицируют также по видам измеряемых вели-
чин, метрологическим функциям (эталоны, об-
разцовые и рабочие приборы), точности (клас-
сы точности — см. далее), частотному диапа-
зону (НЧ, ВЧ, СВЧ), методам измерения (пря-
мого действия или сравнения), принципам
Глава 14. РАДИОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА. МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
311
ГЛАВА 14
действия (аналоговые, цифровые), способам
отсчета (с непосредственным или управляе-
мым отсчетом), способам представления ИИ
(показывающие, регистрирующие), условиям
эксплуатации (рабочим и предельным), конст-
руктивным особенностям (переносные, стаци-
онарные) и т.п. [1,2].
Метод измерения (МИ) — совокупность и
последовательность приемов использования
физических явлений, на которых основаны из-
мерения и СИ. Метод непосредственной оцен-
ки — МИ, при котором значение измеряемой
величины определяется непосредственно по
отсчетному устройству прибора прямого дей-
ствия (например, измерение тока ампермет-
ром). Метод сравнения с мерой — МИ, при ко-
тором значение измеряемой величины опреде-
ляется сравнением ее с величиной, воспроизво-
димой мерой (ВВМ); например, измерение по-
стоянного напряжения сравнением с ЭДС нор-
мального элемента. Методы сравнения подраз-
деляют на: дифференциальный, при котором
непосредственно оценивают разность между
измеряемой величиной и известной ВВМ; нуле-
вой, когда эту разность сводят к нулю измене-
нием ВВМ; метод замещения, при котором из-
меряемую величину замещают известной
ВВМ; метод совпадения, когда равенство изме-
ряемой величины и ВВМ фиксируют по совпа-
дению отметок шкал или периодических сигна-
лов. При равных точностях оконечных измери-
тельных и отсчетных устройств СИ, основан-
ные на методах сравнения, могут обеспечить
намного большую точность измерений, чем ос-
нованные на методах непосредственной оцен-
ки, хотя последние и более распространены.
Основные характеристики средств изме-
рения’. диапазон (пределы) измерений, точ-
ность измерений (см. далее), чувствитель-
ность (отношение изменения показания СИ к
изменению измеряемой величины), разрешаю-
щая способность (минимальная разность двух
значений измеряемых однородных величин,
различимая с помощью прибора), время уста-
новления показаний (время успокоения), быс-
тродействие (максимальное число измерений
с нормированной погрешностью за единицу
времени), входное сопротивление и т.п. [3—5].
О точности СИ судят по их погрешностям. Аб-
солютная погрешность СИ — разность между
показанием прибора А п и истинным значением
Ао измеряемой величины: Ап = Ап - Ао. Отно-
сительная погрешность СИ — отношение аб-
солютной погрешности к истинному значению
измеренной величины: 6П = АПЛ4О ~АП/ЛП. При-
веденная погрешность СИ— отношение абсо-
лютной погрешности к нормировочному зна-
чению D: у = Ап/£>. Для приборов с равномер-
ной или степенной шкалой и нулевой отметкой
на краю или вне шкалы в качестве величины D
выбирают предел измерений. Основная по-
грешность — это погрешность СИ в нормаль-
ных условиях эксплуатации (нормальные тем-
пература, влажность, атмосферное давление,
напряжение и частота питания и т.п.). Дополни-
тельная погрешность — это погрешность СИ,
вызванная отклонением условий эксплуатации
от нормальных. Класс точности (КТ) — обоб-
щенная характеристика СИ, указывающая пре-
дельные значения допускаемых основных и
дополнительных погрешностей. КТ не опреде-
ляет погрешность конкретного измерения, а
лишь указывает пределы, в которых она может
находиться. Связь между КТ и пределами до-
пустимых погрешностей СИ устанавливается
соответствующими стандартами [1, 3—6].
Порядок изучения статей главы произ-
вольный.
14.1. АНАЛИЗАТОР СПЕКТРОВ — при-
бор, предназначенный для наблюдения и изме-
рения параметров амплитудных (АМС), сред-
ней мощности (СМС) и фазовых (ФС) спект-
ров (см. ст. 19.12, 19.13) сигналов. По методу
аппаратурного спектрального анализа различа-
ют А. с. параллельного (одновременного), по-
следовательного и комбинированного анализа,
а по принципу действия — аналоговые и циф-
ровые. Основными характеристиками А. с. яв-
ляются’. диапазон частот, полоса обзора (мак-
симальная ширина наблюдаемого спектра),
разрешающая способность (минимальная раз-
ность частот двух равных по амплитуде со-
ставляющих спектра, при которой их амплиту-
ды и частоты могут быть измерены с заданной
точностью), чувствительность (минимальный
уровень сигнала на входе прибора, который
может быть исследован с заданной точнос-
тью), динамический диапазон входных сигна-
лов, время анализа (время, затрачиваемое на
один цикл анализа), основные погрешности
измерения частотных интервалов и отношения
амплитуд (мощностей) спектральных компо-
нент и т.п. [3—5, 7]. Аналоговые А. с. могут
быть реализованы на различных принципах
(дисперсионном, рециркуляционном, акусто-
оптическом и др. [7, 8]), хотя на практике наи-
более распространены фильтровые методы па-
раллельного и последовательного анализа.
312
РАДИОТЕХНИКА
14.1. АНАЛИЗАТОР СПЕКТРОВ
Анализатор спектров одновременного
(параллельного) действия — А. с., имеющий
N параллельных каналов (Рис. 14.1), каждый из
которых включает в себя узкополосный анали-
зирующий фильтр (АФ) Ф/ (с вплотную примы-
кающими друг к другу ПП 77J и амплитудный
детектор Д. Выходные напряжения детекторов
последовательно (с помощью электронного
коммутатора ЭК, управляемого ступенчатым
напряжением генератора развертки ГенР) пода-
ются в канал вертикального отклонения осцил-
лографического индикатора, создавая на экране
ЭЛТ спектрограмму АМС (СМС) входного сиг-
нала. Полоса обзора такого А. с. равна сумме
ПП всех АФ:
N
i=\
и, при необходимости, может перемещаться по
диапазону частот путем гетеродинирования.
Разрешающая способность при АЧХ фильтров,
близких к прямоугольным, близка к 77z. Так как
сигнал подается синхронно на все АФ, то вре-
мя анализа определяется временем установле-
ния колебаний в самом инерционном (самом
узкополосном) из них: Za ~ 1/IJi min. А. с. о. д.
пригодны для исследования в реальном мас-
штабе времени периодических и непериодиче-
ских сигналов, но из-за сложности и громозд-
кости систем АФ широкого распространения
не получили.
Анализатор спектров последовательного
действия — А. с., работающий по принципу
последовательной перестройки в полосе обзора
(ПО) одного узкополосного анализирующего
фильтра АФ (или последовательного сдвига пу-
тем гетеродинирования ПО относительно ПП
неперестраиваемого АФ) с синхронным отобра-
жением распределения амплитуд (мощностей)
выходных колебаний АФ на индикаторном уст-
ройстве. А. с. п. д. пригодны преимущественно
для анализа периодических сигналов, причем
наиболее распространен вариант в виде супер-
гетеродинного приемника (см. ст. 17.23) (без
преселектора и АРУ) с осциллографическим
индикатором. В простейшем случае А. с. п. д.
(Рис. 14.2) состоит из входного аттенюатора Ат
(для расширения динамического диапазона),
смесителя См, гетеродина Г, частотно-модули-
рованного пилообразным напряжением генера-
тора развертки ГенР (для синхронной перест-
ройки приемника с разверткой луча ЭЛТ), узко-
полосного УПЧ (в качестве АФ с полосой ПАФ),
амплитудного детектора АД (линейного для ин-
дикации АМС или квадратичного — для СМС),
отсчетного аттенюатора ОАт (для измерения со-
отношения амплитуд (мощностей) составляю-
щих спектра) и генератора частотных меток
ГЧМ (для создания на экране ЭЛТ частотной
шкалы). Отклонение луча по горизонтали, про-
порциональное текущей частоте настройки
приемника, а по вертикали — текущему значе-
нию его выходного сигнала, формирует на экра-
не ЭЛТ спектрограмму АМС или СМС исследу-
емого сигнала.
При условии, что 77аф « 1 /Тс (Тс — пери-
од исследуемого сигнала), спектрограмма
представляет собой последовательность вы-
бросов, имеющих форму АЧХ АФ (или ее ква-
драта) и пропорциональных амплитудам
(средним мощностям) гармоник спектра. В
случае 1/Гс « ПАФ « А/, с (Л/лс — ширина
лепестков спектра) спектрограмма имеет вид
последовательности вертикальных полосок,
не обозначающих уже отдельных гармоник,
но с огибающей, подобной огибающей иссле-
дуемого дискретного спектра. Время анализа
ta > АЕЛ4772аф определяется допустимой ско-
ростью v = AF/Tp АП2аф перестройки. А. с.
в полосе обзора AF = /тах - fmin, при которой
динамическая разрешающая способность [4]
близка к статической А/р д ~ &fp ст = у/7АФ где Тр
— длительность прямого хода развертки; у —
Глава 14. РАДИОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА. МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
313
14.1. АНАЛИЗАТОР СПЕКТРОВ
коэффициент прямоугольности АЧХ АФ; А < 1
— коэффициент, определяемый схемой АФ и
допустимыми динамическими погрешностя-
ми. Лучшие метрологические и эксплуатаци-
онные характеристики имеют А. с. п. д. с мно-
гократным преобразованием частоты. Так,
один из них имеет диапазон частот 0.01...39.6
ГГц, ПО 0.05...2000 МГц, разрешающую спо-
собность 1 кГц, динамический диапазон
50...60 дБ, чувствительность 10-12... 10-10
Вт/кГц, погрешности измерения частоты
(±0.01/+ 1) МГц и уровней — 5%.
Анализатор спектров цифровой — А. с.,
действие которого основано на использовании
методов и техники цифровой обработки сигна-
лов (цифровой фильтрации, микропроцессор-
ного управления функциональными узлами,
непосредственного вычисления дискретного
преобразования Фурье по алгоритму БПФ и
т.п.) [3, 7, 9]. Часто А. с. ц. не только лишены
недостатков, присущих аналоговым А. с., но и
обладают многими новыми свойствами, рас-
ширяющими возможности анализа, измерений
и обработки их результатов. Ввиду ограничен-
ных быстродействия и реальной чувствитель-
ности цифровых устройств А. с. ц. ВЧ и СВЧ
диапазонов выполняются с аналоговыми изби-
рательными системами на входе, т.е. являются
аналого-цифровыми.
14.2. ВАТТМЕТР — прибор, предназначен-
ный для измерения мощности (см. ст. 1.20) эле-
ктрических колебаний (чаще всего — средней
т
Р = (1 / Г)Jw(г)z(г)dt за период Т или пиковой),
о
отдаваемой генератором или потребляемой на-
грузкой. Принципы действия В. зависят от ди-
апазона частот. Так, в В. постоянного тока и
переменного тока промышленной частоты ис-
пользуют электродинамические измеритель-
ные механизмы [9], а в В. НЧ и ВЧ диапазонов
— аналоговые и цифровые умножители мгно-
венных значений напряжений и токов с усред-
нением [3—5, 8].
Наиболее многообразны В. диапазона СВЧ.
По способу включения в тракт их делят на В.
проходящей и поглощаемой мощностей; по из-
меряемому значению — на В. средней и им-
пульсной мощностей; по уровню измеряемых
мощностей — на В. малой (до 10 мВт), сред-
ней (от 10 мВт до 10 Вт) и большой (более
10 Вт) мощностей; по конструкции — на В. с
коаксиальным и волноводным входами; по
способу отсчета — на В. с прямым и косвен-
ным отсчетами; по способу преобразования и
воздействия электромагнитной энергии — на
В. тепловые, пондермоторные (с использова-
нием явления механического давления элект-
ромагнитных волн) и электронные [3, 5].
Для измерения малых и средних мощнос-
тей используют эффект изменения сопротивле-
ния терморезистора при рассеянии в нем элек-
тромагнитной энергии; для измерения средней
и большой мощностей применяют термоэлект-
рический (с использованием явления термо-
ЭДС) и калориметрический (определение
мощности по изменению температуры погло-
щающей нагрузки) методы.
14.3. ВОЛЬТМЕТР ЭЛЕКТРОННЫЙ —
прибор для измерения электрических напряже-
ний, отличающийся от электромеханических
вольтметров использованием электронных уст-
ройств (усилителей, детекторов, калибраторов и
т.п.), улучшающих его метрологические и экс-
плуатационные характеристики. К основным
преимуществам В. э. следует отнести: слабую
зависимость его показаний от частоты измеряе-
мого напряжения в широком диапазоне частот
(например, от 20 Гц до 1 ГГц); большое входное
сопротивление 7?вх и малую входную емкость
Свх (например, 7?вх = 30 МОм; Свх = 6 пФ); вы-
сокую чувствительность при большом диапазо-
не измерений (например, от 30 мкВ до 300 В);
устойчивость к перегрузкам и т.п. [3, 5].
В. э. классифицируют по назначению (по-
стоянного, переменного и импульсного токов,
фазочувствительные, селективные, универ-
сальные), измеряемому значению напряжения
(амплитудному, действующему и среднему по
модулю, т.е. средневыпрямленному значению),
принципу действия (аналоговые и цифровые),
методу измерений (прямого сравнения с мерой
и компенсационные), частотному диапазону
(НЧ, ВЧ, СВЧ и широкодиапазонные) и т.п.
В состав аналоговых В. э. переменного на-
пряжения (Рис. 14.3, а, б) и универсальных
(Рис. 14.3, в) входят: входные устройства ВУ
(аттенюатор для расширения пределов измере-
ний и эмиттерный (истоковый) повторитель с
большим входным сопротивлением); измери-
тельный преобразователь Пр переменного на-
пряжения в постоянное, пропорциональное
амплитуде, действующему или средневыпрям-
ленному значению (пиковый, квадратичный
или линейный двухполупериодный детектор
[3—5, 8] соответственно); усилитель постоян-
ного УПТ или переменного УПерТ тока (на-
пряжения); магнитоэлектрический измери-
314
РАДИОТЕХНИКА
14.5. ДЕВИОМЕТР
тельный прибор МИП. По схеме Рис. 14.3, а
строятся самые широкодиапазонные (до 1
ГГц), а по схеме Рис. 14.3, б — самые чувстви-
тельные (милли- и микровольты) В. э. Наибо-
лее распространены В. э. с пиковым детекто-
ром, отградуированные в действующих значе-
ниях гармонического напряжения Uд =Um /у[2 •
Вольтметр селективный (анализатор гар-
моник) — В. э., снабженный перестраиваемым
узкополосным полосовым фильтром и, благо-
даря этому, измеряющий напряжение в узкой
полосе частот вблизи частоты настройки
(вплоть до отдельных гармоник спектра). Наи-
более совершенны В. с. гетеродинного типа,
отличающиеся от спектроанализаторов (см. ст.
14.1) лишь ручной перестройкой и стрелочной
(или цифровой) индикацией (вместо ЭЛТ) [9].
Вольтметр цифровой — В. э. с цифровым
отсчетом, в котором используются методы и
техника цифровой обработки сигналов (анало-
го-цифровое преобразование, микропроцессор-
ные управление функциональными узлами и
обработка результатов измерений и т.п.). К ос-
новным достоинствам В. ц. относят: большую,
чем у аналоговых В. э., точность; высокую чув-
ствительность при широком диапазоне измере-
ний; автоматический выбор пределов измере-
ний и полярности; удобство регистрации и вво-
да результатов измерений в ЭВМ; возможность
выхода на интерфейсную шину измерительно-
вычислительного комплекса и цифровой от-
счет, свободный от глазомерных ошибок.
В. ц. различают по схемным решениям (с
жесткой логикой и с микропроцессорным про-
граммным управлением) и по методам анало-
го-цифрового преобразования (времяимпульс-
ный, поразрядного кодирования, частотно-им-
пульсный, метод считывания) [3—5]. Совре-
менные В. ц. переменного тока и универсаль-
ные, как правило, сочетают в себе В. ц. посто-
янного тока и высокоточный измерительный
преобразователь переменного напряжения в
постоянное, пропорциональное амплитудному,
действующему или средневыпрямленному
значению измеряемого напряжения.
14.4. ГЕНЕРАТОР СИГНАЛОВ ИЗМЕ-
РИТЕЛЬНЫЙ — экранированный источник
электрических сигналов, дающий возмож-
ность точно устанавливать и регулировать в
широких пределах высокостабильные выход-
ные параметры (частоту, форму, уровень на-
пряжения (мощности), коэффициент модуля-
ции и т.п.) сигналов и содержащий измери-
тельные приборы для их контроля. Г. с. и.
широко используются в качестве источников
испытательных сигналов при исследовании и
регулировке РЭА. Различают: генераторы
сигналов НЧ, ВЧ, СВЧ — источники гармо-
нических немодулированных или модулиро-
ванных сигналов соответствующих диапазо-
нов; генераторы периодически изменяющей-
ся частоты (свип-генераторы) — источники
гармонических сигналов с автоматическим
изменением частоты в заданных пределах; ге-
нераторы импульсов — источники одиноч-
ных и периодических видеоимпульсов пря-
моугольной формы; генераторы сигналов
специальной формы — источники одиночных
и периодических импульсов, форма которых
отличается от прямоугольной; генераторы
шумовых сигналов — источники электричес-
ких шумовых сигналов с известной спект-
ральной плотностью мощности в заданной
полосе частот [1—5]. Г. с. и. могут быть ана-
логовыми или цифровыми и создаваться на
основе синтезаторов частоты [3, 4].
14.5. ДЕВИОМЕТР (измеритель девиа-
ции) — прибор, предназначенный для измере-
ния девиации частоты ЧМ сигналов (см. ст.
19.10) при синусоидальном или ином законе
модуляции. Д. представляет собой калиброван-
ный высококачественный приемник ЧМ сигна-
лов с измерительными приборами для непо-
средственного считывания необходимых вели-
чин. Исследуемый ЧМ сигнал переносится на
ПЧ, усиливается, ограничивается по амплиту-
де и подается на ЧД с ФНЧ, выходное напря-
жение которого измеряется пиковым вольтмет-
ром. При постоянстве выходного напряжения
ограничителя шкала пикового вольтметра мо-
жет быть отградуирована в единицах девиации
(килогерцах, мегагерцах). ЧД и вся измери-
Глава 14. РАДИОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА. МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
315
14.5. ДЕВИОМЕТР
тельная часть прибора проверяются с помо-
щью внутреннего калибратора. Погрешность
измерений составляет ±(5...10)% [2].
14.6. ИЗМЕРИТЕЛИ ПАРАМЕТРОВ
КОМПОНЕНТОВ ЦЕПЕЙ — приборы для
измерения активных сопротивлений, индук-
тивностей и добротностей катушек, емкостей и
тангенса угла потерь конденсаторов, добротно-
стей колебательных контуров и т. п.
Измеритель £, С генераторный — уст-
ройство (Рис. 14.4), состоящее из двух ВЧ гене-
раторов Гь Г2 (с частотозадающими колеба-
тельными контурами ККЬ КК2, образцовым
конденсатором переменной емкости Собр и за-
жимами «£х», «Сх» для подключения измеряе-
мых элементов), а также индикатора равенства
частот ИРЧ (например, по нулевым биениям).
Перед измерением (при минимальном значении
Собр, разомкнутых «Сх» и закороченных
«Lx» зажимах) частоты генераторов уравнива-
ют (например, изменением емкости конденса-
тора Ci). Методика измерения состоит в вос-
становлении равенства частот генераторов,
нарушенного подключением измеряемой ин-
дуктивности Lx (вместо перемычки) или емкос-
ти Сх (при закороченных зажимах «£х»), пу-
тем увеличения емкости Собр на величину
ДСобр = ЬХС2/Ц = CXL2/L} и отсчете Lx или
Сх по соответствующим шкалам образцового
конденсатора. Типовым подобным измерите-
лем является прибор, предназначенный для из-
мерения индуктивности Lx = 0.05... 100 мкГ с
приведенной погрешностью 1.5% и емкости
Сх - 1.. .5000 пФ с погрешностью 0.5% [1, 5, 8].
Измеритель L, С, R мостовой — устрой-
ство, работающее по принципу уравновешива-
ния (приведения к нулевому значению напря-
жения между определенными узлами) мосто-
вой цепи (моста) путем изменения соотноше-
ния между измеренным и образцовым ком-
плексными сопротивлениями, включенными в
мост. Простейший измеритель такого типа
(Рис. 14.5, а) состоит из генератора гармони-
ческого напряжения Г, четырехплечего моста
Z2, Z3, Z4, и индикатора баланса ИБ, напри-
мер, детектора и стрелочного прибора. Приме-
ры мостов для измерения параметров схем за-
мещения катушек индуктивности (Lx, гх) и кон-
денсаторов (Сх, Rx) показаны на Рис. 14.5, б, в.
Из общих условий баланса (Uac = 0) моста
ZXZ3= Z2Z4 следует, что Lx = /?2/?4С3,
R2R4/R3» Сх ~ ^2^3^4, Ъ == R-2^-4^^-39 Т.е.
шкалы соответствующих образцовых потенци-
ометров и конденсаторов переменной емкости
могут быть отградуированы в значениях Lx, гх,
Сх, Rx, а отсчеты по ним — выполняться после
достижения баланса моста. Добротность кату-
шек и тангенс угла потерь конденсаторов опре-
деляются по формулам: QL = = ш7?3С3;
tgS = 1/(со7?хСх) = 1/(соТ?2С2). Пределы измере-
ний изменяют переключением резисторов в чи-
сто активных плечах моста. Баланса моста до-
стигают методом последовательных приближе-
ний, минимизируя отсчет ИБ многократной по-
очередной регулировкой образцовых элементов
Я и С.
Наиболее удобен ИБ с ЭЛТ, упрощающий и
ускоряющий процесс балансировки моста [1,4,
8]. В подобных измерителях применяют также
шестиплечие трансформаторные и двойные Т-
мосты [4, 8]. Самые совершенные автоматичес-
кие (цифровые) мосты [3, 4, 8] позволяют изме-
рять значения L, С, R, tgS в широких пределах за
время меньше 1 с, с погрешностью 0.1.. .0.2%.
Куметр (измеритель добротности, индук-
тивности, емкости) — прибор для измерения на
радиочастотах резонансным методом доброт-
ностей Q и индуктивностей L катушек, емкос-
тей С и тангенса угла потерь tgS конденсаторов,
полных сопротивлений компонентов цепей.
Простейший К. (Рис. 14.6) состоит из диапа-
зонного ВЧ генератора Г (с малым внутренним
сопротивлением ~ 0.01.. .0.05 Ом и регулиру-
емым выходным напряжением) и последова-
тельного колебательного контура (КК), образу-
емого исследуемыми компонентами, подклю-
чаемыми к зажимам «£х», «Сх», и образцовым
конденсатором переменной емкости Собр. Вход-
316
РАДИОТЕХНИКА
14.9. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА СВЧ ДИАПАЗОНА
ное и выходное напряжения КК контролируют-
ся вольтметрами Vx, V2 (V2 — электронный, с
большим входным сопротивлением /?вх). К.
комплектуется также набором образцовых вы-
сокодобротных катушек индуктивности 7обр.
Принцип действия К. и методика измере-
ний основаны на свойствах последовательного
КК и резонанса напряжений в нем (см. ст. 23.2).
Например, при условии резонанса на частоте f0
(достигаемого с помощью конденсатора Собр по
показаниям вольтметра V2) QL ~ 0Кк = а
Lx = l/(27tf0)2Co6p, благодаря чему при
Ux = const шкалу вольтметра V2 можно програ-
дуировать в значениях QL, а приу^ = const шка-
лу Собр — в значениях Lx, делая по ним отсче-
ты при резонансе. Емкость Сх измеряют мето-
дом замещения: Сх = Co6pi - Собр2, где Собр1 и
Собр2 — резонансное значение Собр до и после
присоединения измеряемого конденсатора к
зажимам «Сх» [4, 5, 8].
Омметр (измеритель сопротивлений) — при-
бор для измерения активных сопротивлений [4,8].
14.7. ИЗМЕРИТЕЛИ ХАРАКТЕРИС-
ТИК СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ — при-
боры и устройства для измерений статистичес-
ких параметров и характеристик случайных
сигналов (см. ст. 21.3): начальных и централь-
ных моментов первого и второго порядков (ма-
тематического ожидания, среднего квадрата,
дисперсии), корреляционных функций, спект-
ров мощности, законов распределения вероят-
ностей и плотности вероятности. Наиболее
просто подобные измерения реализуются в
случае стационарных эргодических процессов
(см. ст. 21.3), для которых усреднение по ан-
самблю реализаций может быть заменено ус-
реднением по времени [3, 4, 8]. Такие измери-
тели могут быть аналоговыми, цифровыми или
аналого-цифровыми. Наиболее многофункцио-
нальны и совершенны цифровые измерители с
использованием МП [3].
14.8. ИЗМЕРИТЕЛЬ НЕЛИНЕЙНЫХ
ИСКАЖЕНИЙ — прибор для измерения ко-
эффициента нелинейных искажений (см. ст.
1.2) полигармонических сигналов кн и = (U2 +
+ Uj +...+u\)V2/U, где и=(У2х + и22 +...+и%)т
и UXU2,..., Un — действующие значения напря-
жений исследуемого сигнала и его гармоник
соответственно. Простейший И. н. и. состоит
(Рис. 14.7) из входного аттенюатора Ат, широ-
кополосного усилителя ШУ с регулируемым
усилением, переключателя SA калибровка
(«К») / измерение («И»), перестраиваемого ре-
жекторного фильтра РФ и электронного вольт-
метра ЭВ действующих значений.
Рис. 14.7
Такой И. н. и. работает по принципу подавле-
ния колебаний основной частоты: в режиме «К»
регулировкой усиления (затухания) добиваются
отклонения стрелки ЭВ на всю шкалу; переходя
в режим «И», настройкой РФ на основную часто-
ту минимизируют показания ЭВ и выполняют
отсчет £н.и по его шкале, отградуированной соот-
ветствующим образом (при U = Umax = const). И.
н. и. такого типа позволяет, например, измерять
значения &ни = 0.03... 100% в диапазоне частот
20 Гц...200 кГц и действующие значения напря-
жений 0.3 мВ... 100 В в диапазоне частот
20 Гц... 1МГц [3—5, 8]. И. н. и. может быть про-
градуирован и в значениях коэффициента гармо-
ник (см. ст. 1.2) кг = (U2 + U2 +..ли%)1/2/иь свя-
занного с к нм очевидным соотношением:
=*„„ /д/1+*ни •
14.9. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТ-
ВА СВЧ ДИАПАЗОНА — приборы для изме-
рения параметров и характеристик СВЧ узлов
и трактов, а также элементы СВЧ измеритель-
ных схем (установок): аттенюаторы, направ-
ленные ответвители, фазовращатели, нагрузки,
вентили, циркуляторы, переключатели, детек-
торные головки и т.п. (см. гл. 11).
Измеритель затухания — прибор (уста-
новка) для измерения коэффициента ослабле-
ния (усиления) проходящей мощности СВЧ че-
тырехполюсниками: к3 = Рп.вх/^п.вых или к3 =
— 10 lg(Pп.вх/-^п.вых) [дБ], ГДе Рп вх И Рп.вых
мощности прямых волн на входе и выходе че-
тырехполюсника. Простейший И. з. (Рис. 14.8)
состоит из СВЧ генератора Г, развязывающего
Глава 14. РАДИОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА. МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
317
14.9. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА СВЧ ДИАПАЗОНА
аттенюатора Ат (или СВЧ вентиля), двух иден-
тичных направленных ответвителей НОЬ НО2
с большим переходным затуханием (между от-
ветвителями в СВЧ тракт с согласованной на-
грузкой СН включают исследуемый четырех-
полюсник X), двух идентичных квадратичных
детекторов Дь Д2 (их выходные напряжения
пропорциональны Рп вх и Рп вых) и измерителя
отношений ИО.
Основные источники погрешностей И.з. —
неидеальные направленность и идентичность от-
ветвителей и детекторов, а также неточность ИО.
Панорамный И. з. — прибор для наблюде-
ния (на экране ЭЛТ) и измерения частотных
характеристик затухания СВЧ узлов, отличаю-
щийся от рассмотренного И. з. осциллографи-
ческой индикацией выходного напряжения
ИО, стабилизированным (по уровню выходной
мощности) СВЧ генератором (перестраивае-
мым в полосе частот синхронно с горизонталь-
ной разверткой луча ЭЛТ) и наличием вспомо-
гательных устройств (частотомера, формиро-
вателей частотных меток, электронного визира
для отсчета коэффициента к3 и т.п.) [4, 5, 8].
Существуют также И. з., действие которых ос-
новано на замещении (вручную или автомати-
чески) измеряемого затухания затуханием гра-
дуированного аттенюатора [4].
Измеритель полных сопротивлений —
прибор, предназначенный для измерения модуля
Г и фазы (р коэффициента отражения Г = Ге19 и
определения по этим данным активной 7?н и ре-
активной Хи составляющих комплексного со-
противления СВЧ двухполюсников (нагрузок)
Z = Z0(l + 7)/(1 - Г) = Ян + Л^н, где Zo — вол-
новое сопротивление линии [3—5, 8].
Линия измерительная — устройство для
исследования распределения ЭМП вдоль линии
передачи и измерения на его основе длины вол-
ны в ней, КСВ (КБВ), модуля и фазы коэффици-
ента отражения, полных сопротивлений нагру-
зок, добротностей колебательных систем и т.п.
[1, 3—5, 8]. Л. и. представляет собой отрезок в
несколько длин волн стандартной СВЧ линии
передачи (например, коаксиальной или волно-
водной) с узкой продольной щелью, вдоль кото-
рой с помощью верньера скользит каретка с ук-
репленным на ней зондом с регулируемой глу-
биной погружения в щель. Зонд системой двух
перестраиваемых коаксиальных или объемных
резонаторов связан с кристаллическим детекто-
ром. Ток последнего зависит от напряженности
поля вблизи зонда и регистрируется чувстви-
тельным индикатором (микроамперметром, из-
мерительным усилителем и т.п.). Настройка ре-
зонаторов (по максимуму тока детектора) при
минимальной глубине погружения зонда в ли-
нию обеспечивает максимальную чувствитель-
ность измерения напряженности поля при ми-
нимальном его возмущении зондом.
Л. и. включается в разрыв СВЧ тракта в ме-
сте, где необходимо провести измерения. Дли-
ну волны X в линии измеряют в режиме стоя-
чих или смешанных волн по расстоянию меж-
ду минимумами распределения поля (расстоя-
ние между соседними минимумами равно Х/2),
а КСВ — как max /zmin (при квадратичном
детекторе) или как imax/imin (при линейном детек-
торе), где zmax и /mm — максимальный и мини-
мальный отсчеты индикатора. Методику измере-
ний с помощью Л. и. — см. в [4, 5, 8].
Рефлектометр (измеритель модуля коэффи-
циента отражения) — прибор (установка) для
измерения модуля коэффициента отражения
Г = [Лили КСВ = (1 +Г)/(1 -Г) в СВЧ трак-
тах. Простейший Р. (Рис. 14.9) состоит из тех
же узлов, что и измеритель затухания (см. Рис.
14.8), и отличается от него лишь обратным
включением направленного ответвителя НО2,
благодаря чему измеритель отношения ИО из-
меряет (при условии идентичности ответвите-
лей и квадратичных детекторов) коэффициент
отражения мощности Г2 (от нагрузки или неод-
нородности ZH) и может быть отградуирован в
значениях /"или КСВ. Основные источники по-
грешностей Р. — те же, что и в измерителе за-
тухания.
318
РАДИОТЕХНИКА
14.10. МЕДИЦИНСКАЯ РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА
Панорамный Р. обеспечивает наблюдение (на
экране ЭЛТ) и измерение частотных характерис-
тик Г или КСВ и имеет те же особенности, что и
панорамный измеритель затухания [4, 5, 8]. Бла-
годаря сходству принципов действия Р. и измери-
теля затухания (в особенности панорамных) их,
как правило, объединяют в одном приборе.
14.10. МЕДИЦИНСКАЯ РАДИО-
ЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА — аппара-
тура, предназначенная для диагностики, лече-
ния и ухода за больными. Основной целью
применения М. р. а. является определение со-
стояния организма (диагноза), поэтому самая
важная составляющая М. р. а. — это измери-
тельные электронные диагностические уст-
ройства и системы (ЭДУС).
Жизнедеятельность организма связана с не-
прерывным обменом веществ, энергии и ин-
формацией как в самом организме, так и между
ним и окружающей средой (метаболизм). Этот
процесс приводит к возникновению физичес-
ких полей в организме человека и ближайшей
окружающей среде. Физическая природа этих
полей различна (электрическая, магнитная, эле-
ктромагнитная, тепловая, акустическая, рас-
пределение коэффициентов поглощения и т.п.).
Отклонение метаболизма от нормы (патология)
обусловливает изменение значений параметров
полей организма. Эти параметры могут быть
определены с помощью ЭДУС, что при нали-
чии связи между значениями отклонений и за-
болеваниями дает возможность врачу устано-
вить обоснованный диагноз. При этом, чем
больше число параметров и выше точность их
измерения (при условии представительности
статистики параметров в норме и патологии),
тем выше вероятность точного диагноза.
По методам исследований ЭДУС можно
разбить на две большие группы: пассивные и
активные. Для работы первых не нужно внеш-
нее воздействие на организм (стимул), а вторые
измеряют параметры полей (сигналы), обус-
ловленные (вызванные) внешним стимулом.
Таким стимулом могут быть механическое воз-
действие, инъекция, электрический ток и т.п.
Обобщенная структурная схема ЭДУС изо-
бражена на Рис. 14.10. Датчик-преобразователь
С (сенсор) преобразует параметры электромаг-
нитных, акустических и других полей в элект-
рические сигналы. Предварительная обработка
ПО электрического сигнала состоит в его уси-
лении и предварительной фильтрации с целью
повышения отношения С/П. Диагностическая
обработка ДО сводится к сегментации (выделе-
нию во времени и пространстве составляющих
сигналов, несущих диагностическую информа-
цию), вычислению соотношений между мгно-
венными значениями, амплитудами и фазами и
т.п. (для двухмерных сигналов-образов — оп-
ределению площади фигур, рельефа параметра
на заданной координате и т.п.). Регистрация
сигнала PC происходит на соответствующем
носителе (дисплее, бумаге, магнитном диске и
т.п.). По физической природе сигналов, несу-
щих информацию (и далее преобразующихся в
электрические сигналы радиочастот), ЭДУС
делятся на фонографические (звуковые), эхо-
графические (ультразвуковые), радионуклид-
ные (у-приборы), рентгеновские, электрофизи-
ологические, термодиагностические и др.
Радионуклидное устройство — устройст-
во, используемое в радионуклидной диагнос-
тике. Для этого в организм пациента вводят ра-
диофармацевтические препараты (РФП), кото-
рые выборочно поглощаются исследуемыми
органами. Далее прибор регистрирует статику
или динамику у-излучения от РФП, которые
«раскрасили» соответствующий орган. Блок
преобразования и первичной обработки (ПО
на Рис. 14.10) чаще всего выполняют в виде
ангеровой камеры (эмиссионно-электрическо-
го преобразователя изображений) [10].
Рис. 14.10
Рентгеновское устройство — устройство
с рентгеновским излучением, коэффициент по-
глощения которого различными тканями орга-
низма различен. Поэтому снимок (проекция)
рентгеновского излучения, прошедшего сквозь
тело пациента, отражает размещение и форму
различных органов, а также некоторые патоло-
гии, обусловливающие изменение коэффици-
ента поглощения. Информация регистрируется
на рентгенофотопленке, сцинтилляционном
экране, а в современных устройствах — на эк-
ранах ТВ систем и дисплеях ЭВМ.
Томографическая система — диагности-
ческая система визуализации внутренних
структур организма человека на плоскости, от-
вечающей мысленному разрезу человеческого
Глава 14. РАДИОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА. МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
319
14.10. МЕДИЦИНСКАЯ РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА
тела (томографическая плоскость). Т. с. обяза-
тельно содержит ЭВМ. Современные томогра-
фы, используемые в медицинской практике,
классифицируют по физической природе сигна-
ла—носителя информации таким образом:
рентгеновские томографы; у-томографы; УЗ-то-
мографы; томографы на основе ядерного маг-
нитного резонанса. Проводится разработка им-
педансных и термоакустических томографов.
Структурная схема Т. с. изображена на
Рис. 14.11. Источник 1 излучает параллельный
поток энергии постоянной интенсивности. При
прохождении энергии сквозь тело человека
благодаря ее поглощению тканями (коэффици-
енты поглощения различны для каждого вида
ткани) изменяется интенсивность носителя
вдоль пространственной координаты (прост-
ранственная AM сигнала), регистрируемая де-
тектором 2, преобразующим сигнал-носитель в
электрическое колебание радиотехнических ча-
стот. После первичной обработки ПО этого сиг-
нала (его дискретизации, квантования и т.п.)
образуется проекция, которая заносится в па-
мять ЭВМ. Потом систему источник 1 — детек-
тор 2 поворачивают на угол Д(р, и процесс обра-
зования проекции повторяется.
После полного оборота системы образуется
несколько проекций, по которым на ЭВМ восста-
навливается (реконструируется) картина распре-
деления коэффициентов поглощения (т.е. тканей)
в томографической плоскости. Совокупность ме-
тодов реконструкции образа называется преобра-
зованием Радона [11], математический аппарат
которого пока что разработан недостаточно. По-
этому чаще применяют методы обратной проек-
ции и глобальных частотных преобразований
[12, 13], которые можно считать частными мето-
дами численного решения интеграла Радона.
Фонографическое устройство — устрой-
ство, принцип действия которого основан на
использовании для диагностики естественного
звучания различных органов (сердца, легких,
мышц и т. п.) человека, связанного с их меха-
ническими колебаниями.
Электрофизиологическое устройство —
устройство, принцип действия которого осно-
ван на регистрации биоэлектрических (био-
магнитных) явлений и процессов (естествен-
ных или стимулированных) в различных
структурах (системах, органах, тканях) орга-
низма. Э. у. разделяются по функциональным
назначениям.
Вектор-кардиограф — устройство для ис-
следования электрической активности сердца,
моделируемой вектором в трехмерном прост-
ранстве.
Магнитокардиограф — устройство для ис-
следования естественной магнитной активнос-
ти сердца [14].
Электрокардиограф — устройство для ис-
следования естественной электрической актив-
ности сердца с помощью регистрации колеба-
ний потенциала электрического поля в несколь-
ких точках поверхности тела пациента [14].
Электромиограф — устройство для ис-
следования электрической активности мышц
(естественной или искусственно стимулиро-
ванной) [14].
Электронейромиограф — устройство для
регистрации биоэлектрической активности
мышц и периферических нервных структур [14].
Электроплетизмограф (реограф) — уст-
ройство для исследования свойств тканей и ор-
ганов посредством измерения их электричес-
ких сопротивлений.
Электроэнцефалограф — устройство для
исследования функционального состояния го-
ловного мозга и центральной нервной системы
посредством регистрации электрических по-
тенциалов (естественных или искусственно
стимулированных) в нескольких точках головы
(мозга) пациента [14].
Эхографическое устройство — устройство,
принцип действия которого основан на использо-
вании ультразвуковых (УЗ) сигналов (механичес-
ких колебаний с частотами 2-104.. .2-109 Гц). Эти
колебания излучаются вибратором, находящимся
в контакте с телом человека (акустические со-
противления вибратора и кожи согласуются с по-
мощью специальных паст, что предотвращает от-
ражение УЗ сигналов на границе вибратор—тело
пациента). Скорость распространения УЗ коле-
баний в теле человека почти постоянна (незави-
сима от вида среды, сквозь которую они прохо-
дят: кровь, мышцы, мягкие ткани, внутренние
320
РАДИОТЕХНИКА
14.13. ОСЦИЛЛОГРАФ ЭЛЕКТРОННЫЙ
органы и т.п.) и равна v = 1.5-103 м/с, т.е. пример-
но равна скорости звука в воде.
На границе между различными тканями и
жидкостями происходит отражение УЗ колеба-
ний и возникает эхо. Несмотря на то, что коэф-
фициенты отражения малы (а коэффициенты
поглощения УЗ излучения велики настолько,
что эхо затухает на 40... 120 дБ), именно отра-
жение является основой для получения диагно-
стической информации. Расстояние I от поверх-
ности кожи до границы между акустическими
средами (различными органами, тканями, ве-
ществами) равно / = vAz/2, где v — скорость рас-
пространения УЗ колебаний, А/ — время меж-
ду стимулом и откликом. Иными словами, Э. у.
работает по принципу УЗ локации. При этом
сканирование остро сфокусированного УЗ лу-
ча, объединенное с соответствующей обработ-
кой эхо-сигналов и индикацией, дает возмож-
ность получить изображение внутренних орга-
нов, обнаруживая имеющиеся патологические
изменения.
14.11. МОДУЛОМЕТР — прибор для из-
мерения коэффициента AM радиосигналов
(см. ст. 19.10) т = Ат/Ан, где Ан — амплитуда
несущего колебания; Ат = |Л(Г) - Лн|тах — мак-
симальное отклонение огибающей сигнала
A(t) от уровня Ан за счет AM. Простейший М.
(Рис. 14.12) состоит из входного аттенюатора
Ат, амплитудного детектора АД, ФНЧ, усили-
теля НЧ УНЧ, пикового детектора ПД и маг-
нитоэлектрического индикатора Инд. В поло-
жении «К» (калибровка) переключателя SA
показания индикатора пропорциональны амп-
литуде несущего колебания U\ = к}Аи, а в по-
ложении «т» — амплитуде колебаний огибаю-
щей радиосигнала U2 = к2Ат = (Uik2/ki)m, где
къ к2 — постоянные коэффициенты, ?.е. для
U\ = UK = const шкала индикатора (в режиме
«т») может быть отградуирована в значениях
коэффициента модуляции.
При измерениях сначала в режиме «К» ус-
танавливают (например, с помощью Ат)
Uг = UK, а затем в режиме «т» определяют зна-
чение коэффициента модуляции. Подобный М.
(например, для диапазона несущих частот
0.15...500 МГц и модулирующих частот
0.05.. .50 кГц) измеряет т в пределах 10... 100%
с относительной погрешностью 3...5% [2, 5].
14.12. МУЛЬТИМЕТР — многофункцио-
нальный переносный измерительный прибор,
предназначенный для измерения ряда часто ис-
пользуемых параметров сигналов и компонен-
тов цепей, например, постоянного и перемен-
ного напряжений (токов), частоты, активного
сопротивления, индуктивности, емкости и т.п.
14.13. ОСЦИЛЛОГРАФ ЭЛЕКТРОН-
НЫЙ — прибор, предназначенный для визуа-
лизации (на экране ЭЛТ), регистрации (фото-
графированием или запоминанием осцилло-
грамм) и измерения параметров электрических
колебаний (ЭЛТ — см. ст. 29.17). Структурная
схема О. э. приведена на Рис. 14.13.
Канал вертикального отклонения Y (входной
аттенюатор Ат У, предварительный ПУ У и око-
нечный ОУ У усилители, линия задержки ЛЗ)
обеспечивает регулировку в широких пределах
(ступенчато и плавно) чувствительности ЭЛТ к
Выход «пилы»
Рис. 14.13
Глава 14. РАДИОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА. МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
321
11-2959
14.13. ОСЦИЛЛОГРАФ ЭЛЕКТРОННЫЙ
исследуемому сигналу и симметричное питание
ее пластин. Он имеет большое входное сопро-
тивление, «открытый» (чувствительный к по-
стоянной составляющей сигнала) и «закрытый»
входы, осуществляет задержку исследуемого
сигнала относительно момента запуска ждущей
развертки (для наблюдения фронтов импульсов).
Канал горизонтального отклонения X (уси-
литель УХ, генератор пилообразного напряжения
развертки ГР со схемой синхронизации и запуска
СхС, аттенюатор АтХ) обеспечивает развертку
(движение луча ЭЛТ в горизонтальном направле-
нии) по закону внешнего (со входа X) или, чаще,
внутреннего (от ГР) сигнала развертки. ГР может
работать в непрерывном (автоколебательном)
или ждущем режиме (с принудительным запус-
ком перед приходом исследуемого импульса на
пластины У). Период непрерывной развертки или
длительность прямого хода ждущей развертки
(временной масштаб осциллограммы) регулиру-
ется в широких пределах. Генератор вырабатыва-
ет также импульсы подсветки осциллограммы
при прямом ходе развертки и гашения — при об-
ратном. СхС обеспечивает устойчивость осцил-
лограмм путем синхронизации (запуска) ГР ис-
следуемым сигналом («внутренняя синхрониза-
ция») или внешним, когерентным с ним сигна-
лом («внешняя синхронизация»).
Канал управления яркостью Z (аттенюатор
AtZ и усилитель YZ) обеспечивает возмож-
ность модуляции луча по яркости внешними
сигналами, т.е. получение яркостных меток.
Калибраторы амплитуд КА и длительнос-
тей КД — генераторы эталонных по амплитуде
и частоте колебаний, используемые для калиб-
ровки чувствительности каналов X [мкс/см] и Y
[В/см] перед измерениями. Наличие входов X,
Z, внешней синхронизации, выхода «пилы»
(напряжения внутренней развертки) расширяет
измерительные возможности О. э., облегчая со-
здание на его основе различных измеритель-
ных установок типа характериографов.
Наиболее распространенные О. э. (с ПП кана-
ла У в десятки мегагерц, визуализирующими сиг-
налами длительностью от десятков наносекунд
до десятков секунд и амплитудой от единиц мил-
ливольт до сотен вольт) называются универсаль-
ными и подразделяются на одно-, двух- и много-
лучевые. Одновременное наблюдение несколь-
ких сигналов обеспечивается применением спе-
циальных двух- или многолучевых ЭЛТ или (и)
электронных коммутаторов в каналах У [4, 5, 8].
Осциллограф запоминающий — О. э. со
специальной запоминающей ЭЛТ, хранящей и
воспроизводящей изображение сигнала на эк-
ране после его окончания. Предназначен для
исследования случайных и одноразовых детер-
минированных сигналов [4, 5, 8].
Осциллограф стробоскопический — О.
э., в котором используется стробоскопический
метод трансформации временного масштаба
сигнала [3—5, 8]. Предназначен для исследо-
вания сигналов нано- и пикосекундной дли-
тельностей. Имеет высокую чувствительность
и ПП до 10 ГГц, но пригоден лишь для иссле-
дования периодических сигналов.
Осциллограф скоростной — О. э., пред-
назначенный для исследования в реальном
масштабе времени СВЧ колебаний и одноразо-
вых или редко повторяющихся импульсов дли-
тельностью от долей до единиц наносекунд. В
таких О. э. применяют ЭЛТ с бегущей волной,
их ПП достигает 5 ГГц [4, 5, 8].
Осциллограф цифровой — О. э., принцип
действия которого основан на использовании
методов и техники цифровой обработки сигна-
лов (АЦП, ЗУ, ЦФ, МП, ЦАП и т.п.), сущест-
венным образом расширяющих измеритель-
ные возможности. Так, благодаря внутренней
специальной микроЭВМ О. ц. способен не
только хранить и воспроизводить осцилло-
граммы сигналов, но и рассчитывать и отобра-
жать на экране их статистические характерис-
тики, спектры, КФ и т.п. [3, 4, 8].
14.14. ФАЗОМЕТР — прибор, предназна-
ченный для измерения фазового сдвига
Аф ~ Ф2 ~ Ф1 между двумя непрерывными гар-
моническими сигналами одинаковой частоты.
Наиболее распространены Ф. с преобразовани-
ем Аф во временной интервал t с дальнейшим
измерением его относительного значения Аг/Г
(Т — период сигналов) аналоговым или циф-
ровым способом: Аф = 360°\t/T. Для повыше-
ния точности измерения малых фазовых сдви-
гов используют умножение частоты, а для рас-
ширения частотного диапазона Ф. — гетероди-
нирование. Наиболее совершенны цифровые и
микропроцессорные Ф. [2—5, 8].
14.15. ХАРАКТЕРИОГРАФ (панорамный
измеритель характеристик) — объединяющий
термин, обозначающий автоматические и полу-
автоматические приборы (установки) для наблю-
дения, регистрации и измерения различных
(амплитудных, временных, частотных) характе-
ристику = Т(х) радиоустройств в требуемом ди-
апазоне изменений аргумента х. К X. относятся,
например, измерители ВАХ активных НЭ (дио-
дов, транзисторов и т.п.), измерители переход-
322
РАДИОТЕХНИКА
14.16. ЧАСТОТОМЕР
ных или импульсных характеристик, АЧХ и ФЧХ
четырехполюсников, панорамные измерители
полных сопротивлений и рефлектометры, изме-
рители ДН антенн и т.п. Исследуемая характери-
стика (панорама) отображается на экране ЭЛТ
прибора и может быть зарегистрирована с помо-
щью внешнего самописца. Принцип получения
графика характеристики на экране ЭЛТ (в прямо-
угольной системе координат) состоит в развертке
луча в горизонтальном направлении пропорцио-
нально аргументу x(t), который периодически из-
меняется, а в вертикальном — пропорционально
измеряемой величине y(t) = C[x(t)]. Для измере-
ния параметров исследуемых характеристик X.
оснащаются необходимыми отсчетными и кали-
бровочными устройствами [2, 4, 5, 8].
14.16. ЧАСТОТОМЕР — прибор, пред-
назначенный для измерения частоты периоди-
ческих (чаще — гармонических) сигналов.
Частотомер гетеродинный — Ч., работа-
ющий по принципу сравнения измеряемой ча-
стоты с образцовой (например, с частотой
кварцевого генератора). Применяется в диапа-
зоне 100 кГц... 100 ГГц с относительной по-
грешностью 10 5... 10-6, хорошо дополняя эле-
ктронно-счетные Ч. на СВЧ и в миллиметро-
вом диапазоне волн. Гетеродинные переносчи-
ки частоты снижают измеряемые частоты до
значений, измеряемых цифровыми Ч. [4, 5, 8].
Частотомер конденсаторный — Ч., прин-
цип действия которого основан на измерении
среднего тока разряда или заряда образцового
конденсатора, переключаемого с заряда на раз-
ряд с измеряемой частотой. Измеряет частоты
в диапазоне от 10 Гц до сотен килогерц с отно-
сительной погрешностью 1.5...2% [4, 5, 8].
Частотомер (волномер) резонансный — Ч.
в виде резонансной системы (с сосредоточенны-
ми или распределенными параметрами), осна-
щенной индикатором резонанса и органом наст-
ройки, отградуированным в значениях резонанс-
ной частоты (длины волны). Отличается просто-
той конструкции, применяется в диапазоне час-
тот от 100 кГц до 100 ГГц, измеряет ее с относи-
тельной погрешностью порядка 103. Ч. р. СВЧ
диапазона непосредственно измеряет длину вол-
ны X, которую пересчитывают в частоту по фор-
муле f= vfk9 где v — скорость распространения
электромагнитной волны в системе [4, 5, 8].
Частотомер цифровой (электронно-счет-
ный) — Ч., работающий по принципу дискрет-
ного счета — определения числа периодов изме-
ряемого сигнала на протяжении калиброванного
интервала времени. Это самый точный Ч. (отно-
сительная погрешность составляет 10-3... КГ10),
применяемый в диапазоне частот от единиц герц
до сотен мегагерц (а с гетеродинным переносчи-
ком частот — до сотен гигагерц) и обеспечиваю-
щий дополнительные измерительные возможно-
сти. Кроме частоты гармонических и периоди-
ческих импульсных сигналов он может измерять
их периоды, длительности импульсов, интерва-
лы времени между импульсами, поступающими
от одного или различных источников, отноше-
ния частот, а также использоваться как счетчик
импульсов, делитель частоты, источник напря-
жений стабильных частот. Еще большие возмож-
ности обеспечивают микропроцессорные Ч. [3,
4, 8]. Например, автоматический Ч. на основе
микропроцессорной системы и синтезатора час-
тоты способен измерять частоты в диапазоне от
10 Гц до 32 ГГц с разрешающей способностью
1 Гц. Он состоит из собственно Ч. ц. с диапазо-
ном измерений 1 Гц...300 МГц и переносчика
частоты с гетеродином в виде программирован-
ного СнЧ, управляемого микропроцессорной
системой. Частоты ниже 300 МГц измеряет не-
посредственно Ч. ц., имеющий для этого от-
дельный вход. Сигнал измеряемой частоты (вы-
ше 300 МГц) подают на второй вход прибора,
являющийся входом переносчика частоты. При
этом измерение осуществляется так: микропро-
цессорная система изменяет значение частоты
fCHT выходного сигнала синтезатора до тех пор,
пока разность измеряемой частоты fK3M и п-й
гармоники сигнала синтезатора (Д,зм - и/'нт
или л/^нт“Лзм) не достигнет значения/'р, лежа-
щего в ПП УПЧ. При этом детектор на выходе
УПЧ формирует сигнал — команду на прекра-
щение дальнейшей перестройки гетеродина
(СнЧ). Значение /пР измеряется Ч. ц. и запоми-
нается в системе. Искомое значение измеряемой
частоты вычисляется по одной из двух формул:
г _ j nf?нт + /пр При /изм > nf ;НТ >
У изм — <
[nJснт — 7пр при /изм <nJснт,
где /снт — значение основной частоты выход-
ного сигнала синтезатора, установленное мик-
ропроцессорной системой, aw — номер ис-
пользованной гармоники.
Определение числа п и вида формулы, ис-
пользуемой для дальнейших расчетов, выпол-
няется также автоматически вариацией часто-
ты гетеродина и измерением разностных час-
тот под управлением микропроцессорной сис-
темы по специальной программе [3].
Глава 14. РАДИОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА МЕДИЦИНСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
323
ГЛАВА 14
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Справочник по радиоизмерительным приборам: В 3 т. / Под ред. В.С. Насонова. — М.: Сов.
радио, 1977—1979. — Т. 1. — 230 с.; Т. 2. — 270 с.; Т. 3. — 422 с.
2. Справочник по радиоизмерительным приборам / Ю.С. Гаврилов, А.С. Еременко, Л.Ю. Зу-
билевич и др. — М.: Энергия, 1976. — 622 с.
3. Мирский Г.Я. Электронные измерения. — М.: Радио и связь, 1986. — 440 с.
4. Винокуров В.И., Каплин С.Н., Петелин И.Г. Электрорадиоизмерения. — М.: Высш, шк.,
1986. —351 с.
5. Мирский Г.Я. Радиоэлектронные измерения. — М.: Энергия, 1975. — 600 с.
6. ГОСТ 8.401-80. Классы точности средств измерений. Общие требования.
7. Мартынов В.А., Селихов Ю.И. Панорамные приемники и анализаторы спектра. — М.: Сов.
радио, 1980. — 350 с.
8. Кукуш В.Д. Электрорадиоизмерения. — М.: Радио и связь, 1985. — 368 с.
9. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений. — М.: Мир, 1990.
— 535 с.
10. Физика визуализации изображений в медицине / С. Уебб, Д, Эванс, Б. Суинделл и др. —
М.: Мир, 1991. — Кн. 1. — 470 с.; Кн. 2. — 480 с.
11. Хермен С. Математические методы реконструкции образов: Пер. с англ. — М.: Мир, 1987.
— 470 с.
12. Ахмед Н., Рао К.Р. Ортогональные преобразования при обработке цифровых сигналов:
Пер. с англ. / Под ред. И.Б. Фоменко. — М.: Связь, 1980. — 248 с.
13. Прэтт УК. Цифровая обработка изображений: В 2 кн. — М.: Мир, 1982. — Кн. 1. — 312 с.; Кн.
2. —480 с.
14. Медицинская техника в хирургии/Под ред. А.И. Шалимова, В.П. Хохолы. — К.: Здоровье,
1991. —221 с.
324
РАДИОТЕХНИКА
ГЛДВД 15
РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКАЯ СВЯЗЬ
• Невозможно стать настоящим радиоинженером,
не будучи радиолюбителем, как и невозможно
стать настоящим радиоинженером,
оставшись лишь радиолюбителем.
• Если поздно ночью в городе,который спит,
одиноко светится где-то окно, то можно быть
уверенным, что там, в своем уголке,
работает любитель-коротковолновик.
И он еще долго будет сидеть,
выискивая среди шумов и тресков эфира
едва слышные позывные такого же
энтузиаста, как и он сам.
Э. Т. Кренкель
• И сыну удивлялся он,
Какой из хлопца мастер будет.
Т.Г. Шевченко
• Создание Общества друзей радио
(СССР, 1924 г.).
• Организация международного
радиолюбительского союза
(IARU, 1925 г.).
• Первые радиолюбительские
связи с Арктикой
(Новая Земля, 1927 г.).
• Радиолюбители приняли сигналы с места
катастрофы дирижабля У. Нобиле «Италия»
(СССР, 1928 г.).
• Первые радиолюбительские связи
с Антарктидой (экспедиция Берда
к Южному полюсу, 1930 г.).
• Радиолюбители поддерживали регулярную
радиосвязь с экспедицией Т. Хейердала
на плоту «Кон-Тики» через
Тихий океан (1947 г.).
• Запуск первого радиолюбительского
спутника-маяка
«OSCAR-1» (США, 1961 г.).
Радиолюбительская связь — радиосвязь
между непрофессиональными (любительски-
ми) радиостанциями, осуществляемая в специ-
ально выделенных для этой цели диапазонах
частот; используется также для проведения
технических экспериментов, организации со-
ревнований по радиосвязи, изучения особенно-
стей распространения радиоволн и т.п. В 20-е
годы именно радиолюбители убедительно про-
демонстрировали возможность трансконтинен-
тальной связи на КВ, которые ранее считались
непригодными для этой цели. В мире зарегист-
рировано более 2 миллионов любительских ра-
диостанций. Такие станции установлены на
борту орбитального комплекса «Мир», ими
пользовались в экспедициях Тура Хейердала и
ряде других экспедиций. Во многих странах
они являются важным звеном в национальных
системах аварийного оповещения о стихийных
бедствиях. Радиолюбители первыми восстано-
вили с помощью своих станций прерванную
землетрясением связь с разрушенным Спита-
ком (Армения) и одними из первых прибыли в
Чернобыль. Значителен их вклад в развитие на-
уки, техники, международных контактов и об-
менов. Координацию деятельности националь-
ных радиолюбительских организаций осуще-
ствляет Международный союз радиолюбите-
лей (IARU), который представляет их интересы
в Международном союзе электросвязи (ITU).
Рекомендуется такой порядок изучения
статей раздела: 15.1, 15.2, 15.6, 15.8, 15.9, 15.7,
15.3, 15.4, 15.5, а также [1].
15.1. ВИДЫ РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКОЙ
СВЯЗИ. По большинству классификационных
признаков (видам модуляции, излучений, диа-
пазонам частот и пр.) они совпадают с класси-
фикацией, общепринятой в профессиональной
связи. Тем не менее существует также своя, чи-
сто радиолюбительская классификация. Можно
выделить два основных направления, каждое из
Оива 15. РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКАЯ СВЯЗЬ
325
15.1. ВИДЫ РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКОЙ СВЯЗИ
которых, в свою очередь, подразделяется еще на
несколько видов. Первое — это технические
эксперименты: внедрение в любительскую ра-
диосвязь новых видов излучений, обработки
сигналов, изучение и использование новых ме-
ханизмов распространения радиоволн, создание
устройств, увеличивающих дальность радио-
связи и пр. Здесь радиосвязь — это способ про-
верки полученных результатов. Второе направ-
ление — это радиосвязь, которая осуществляет-
ся с определенной целью и при определенном
техническом оснащении любительских радио-
станций. Здесь, кроме телеграфной и телефон-
ной радиосвязи, можно выделить другие ее ви-
ды и режимы, суть которых раскрывается далее.
«Охота за дипломами» — проведение
радиосвязей с целью получения максималь-
ного числа радиолюбительских дипломов
(см. ст. 15.3).
«Полевой день» — вид технических сорев-
нований по установлению радиосвязей между
любительскими радиостанциями, работающими
в полевых условиях. Соревнования проводятся,
как правило, на УКВ при ограниченной мощно-
сти передатчиков. Их цель — установление ра-
диосвязей на возможно большие расстояния с
максимальным числом корреспондентов.
Радионаблюдения — вид односторонней
радиосвязи, целью которой является прием
сигналов любительских радиостанций и на-
блюдение за их работой. Радионаблюдателъ —
радиолюбитель, который осуществляет радио-
наблюдения и имеет позывной (см. ст. 15.7). Р.
подтверждают QSL-карточками (см. ст. 15.4).
Для радионаблюдателей учрежден ряд дипло-
мов. Существует еще одна категория радио-
наблюдателей, которые осуществляют прием
программ радиовещательных станций. Инфор-
мацию о времени работы, частотах, государст-
венной принадлежности радиостанций переда-
ют в специальных выпусках многие радиове-
щательные станции, печатают ее и в радиолю-
бительских журналах.
Радиосвязь метеорная — радиосвязь на
УКВ с использованием отражения от ионизиро-
ванных слоев атмосферы, образующихся при
вхождении в нее метеорных потоков. Время и
пространственные координаты места вхожде-
ния последних задаются астрономическими
службами, что позволяет использовать эти по-
токи для осуществления дальних (до 2...3 тыс.
км) радиосвязей в любительских диапазонах ча-
стот 144 и 430 МГц. Время существования ме-
теорных «вспышек» с достаточной для проведе-
ния радиосвязей степенью ионизации атмосфе-
ры составляет от долей секунды до нескольких
минут. Прием и передача ведутся циклически (с
повторением информации при передаче) на вы-
сокой скорости — до 2000 буквенно-цифровых
знаков в минуту. Для манипуляции с такой ско-
ростью используют автоматические телеграф-
ные ключи с ЗУ, в которое вводят передаваемую
информацию. Во время приема применяют маг-
нитофонную запись для последующего умень-
шения скорости при слуховом восприятии при-
нятой информации или специальные МП.
Радиосвязь пакетная — радиосвязь меж-
ду ЭВМ, во время которой информация пере-
дается в виде стандартных по длине цифровых
посылок (пакетов). При передаче информация
(текстовая, графическая, программная) вво-
дится и сохраняется в ЗУ ЭВМ, куда заносится
также принятая информация. Благодаря этому
радиообмен может осуществляться при отсут-
ствии оператора, т.е. в автоматическом режи-
ме, например в заданное время или при по-
ступлении адресного вызова. В последнем слу-
чае РПрУ станции должно находиться в режи-
ме дежурного приема. Поскольку на одной и
той же частоте радиообмен между собой могут
вести одновременно несколько радиостанций,
то для устранения взаимных помех разработа-
на специальная процедура проведения Р. п., ко-
торая регулируется протоколом (правилами)
доступа радиостанций в общий радиоканал.
Протокол, позволяющий вести одновременный
обмен информацией большому числу радио-
станций в одном общем канале связи, называ-
ется протоколом множественного доступа в
радиоканал с контролем занятости. Суть его
состоит в том, что передающая станция перио-
дически осуществляет проверку занятости ка-
нала связи и, если он занят, начало передачи
информации откладывается до его освобожде-
ния. Этот процесс регулируется протоколом
АХ.25 или другими [2] и реализуется в пакет-
ном контроллере ПКр (Рис. 15.1), который вы-
полняет следующие функции:
— во время передачи делит непрерывный
информационный поток, поступающий из
ЭВМ, на части (пакеты) одинаковой длины,
дополняет информационные пакеты служеб-
ной информацией, образуя, таким образом, ка-
дры (блоки сообщений), структура которых
приведена в Табл. 15.1;
— во время приема выделяет и анализиру-
ет адресную часть кадра и, в случае совпаде-
ния адресов, выделяет из кадров и объединяет
326
РАДИОТЕХНИКА
15.1. ВИДЫ РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКОЙ СВЯЗИ
в один поток информационные части пакетов,
вводит поток в ЭВМ;
— согласует амплитудные и временные па-
раметры радиоканала и ЭВМ.
Р. п. позволяет вести в эфире обмен тексто-
вой, программной, схемотехнической доку-
ментацией, организовывать и получать доступ
к банкам данных и т.п.
И44
Рис. 15.1
Радиосвязь телетайпная — передача ра-
диосредствами сигналов буквопечатающих
(телетайпных) аппаратов. Телетайпный аппа-
рат — приемопередающее телеграфное уст-
ройство, которое в режиме передачи преобра-
зует буквенно-цифровую информацию, вводи-
мую с помощью клавиатуры, в телеграфные
кодовые посылки постоянного тока, а в режи-
ме приема осуществляет распечатку принятой
информации на бумаге. Р. т. является разновид-
ностью телеграфной связи и при применении
ЧМн имеет высокую помехоустойчивость, при
этом оператор не нуждается в знании азбуки
Морзе. Это незаменимый способ радиосвязи
для операторов, лишенных слуха.
Радиосвязь через Луну — радиосвязь на
УКВ с использованием Луны как пассивного ре-
транслятора. Столь отдаленный отражатель поз-
воляет осуществлять на УКВ трансконтинен-
тальную радиосвязь, которая невозможна при
атмосферном распространении радиоволн
вследствие кривизны Земли. Ослабление на
трассе Земля—Луна—Земля составляет более
250 дБ, поэтому для осуществления ЕМЕ радио-
связи (Earth—Month—Earth) необходимы мало-
шумящие РПрУ и РПдУ с выходной мощностью
0.5.. .2 кВт, а также остронаправленные антенны
или ФАР с устройством наведения и слежения за
Луной. Связь проводится по предварительной
договоренности о времени и рабочей частоте.
Ретранслятор любительский — автоном-
ное приемопередающее устройство с разне-
сенными частотами приема и передачи, пред-
назначенное для увеличения дальности радио-
связи путем ретрансляции (переизлучения) ра-
диосигналов. В Р. л. используют основные
принципы действия ретрансляторов професси-
ональной связи (см. ст. 17.23), но работают в
любительских диапазонах частот (28 МГц и
выше) [3]. Большие возможности имеют Р. л.
космические. В ряде стран уже выведены на
орбиту десятки ИСЗ с Р. л. на борту: серии
«Оскаров» в США, «РС» в бывшем СССР. Раз-
работаны проекты вывода Р. л. на геостацио-
нарную орбиту. Для координации работы в
этом направлении создана Международная ор-
ганизация любительских спутников (AMSAT).
Соревнования по радиосвязи — вид тех-
нических соревнований, целью которых явля-
ется установление максимального числа ра-
диосвязей за определенное время в соответст-
вии с установленными правилами. Националь-
ные и местные С. п. р. носят характер чемпио-
натов. Международные С. п. р. проводят наци-
ональные радиолюбительские организации,
которые разрабатывают условия (правила их
проведения). Продолжительность С. п. р. со-
ставляет 12...48 ч. Наиболее массовые С. п. р.
CQ-WW-DX-Contest (США) считаются неофи-
циальным первенством мира. Во время С. п. р.
передаваемая информация сводится к миниму-
му: участники передают позывные и обмени-
ваются контрольными номерами — буквенно-
цифровыми сообщениями из 4...9 символов,
содержание и структура которых определяют-
ся условиями соревнований.
Телевидение любительское — передача сиг-
налов ТВ изображений в полосе частот любитель-
Таблица 15.1
Название поля Флаг Адрес Управляющее сообщение Информационное сообщение (пакет) Контрольная сумма Флаг
Содержание и назначение информации Обозначение начала кадра Позывные получателя, отправителя, ретрансляторов Номер кадра, подтверждение приема или запрос на повторение передачи Информация, которой обмениваются радиостанции Проверка на наличие ошибок Обозначение конца кадра
Кодовая комбинация или емкость 01111110 14...70 байт 1 байт 128 байт 2 байта 01111110
Глава 15 РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКАЯ СВЯЗЬ
327
15.1. ВИДЫ РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКОЙ СВЯЗИ
ского радиотелефонного канала связи. В Т. л., как
и в обычном, используют принцип последователь-
ной передачи элементов изображений (см. ст.
22.5). Ограничение ширины спектра видеосигна-
ла 3 кГц достигается уменьшением числа элемен-
тов разложения (128x128) и скорости разверток,
поэтому передавать можно неподвижные или ма-
лоподвижные изображения. Структурная схема
приемопередающей системы Т. л. представлена на
Рис. 15.2, а. Последовательное считывание с ми-
шени оптического преобразователя ОПр видеоин-
формации обеспечивается генераторами развер-
ток ГР1 и ГР2, синхронизацию которых от сети пи-
тания (50 или 60 Гц) осуществляет формирова-
тель синхроимпульсов ФСИ (кадровых КСИ и
строчных ССИ). В системе принято частотное уп-
лотнение и разделение видеосигнала ВС и синх-
роимпульсов СИ. Для этого полным видеосигна-
лом (ВС + СИ) осуществляют ЧМ поднесущей
так, что ее спектр приобретает вид, показанный на
Рис. 15.2, б. После фильтрации этот сигнал пода-
ют на вход ОМ РПдУ На приемной стороне демо-
дулированный сигнал с выхода РПрУ подается на
вход SSTV (см. ст. 15.6) монитора — устройства
обработки и отображения ТВ сигнала. В монито-
ре принятый сигнал с помощью селекторных уст-
ройств СУВС и СУСИ разделяется на информаци-
онную и синхронизирующие составляющие, ко-
торые демодулируются соответственно частот-
ным ЧД и амплитудными АД i и АДг детекторами.
Полученным таким образом видеосигналом ВС
модулируют яркость электронно-лучевой трубки
ЭЛТ с продолжительным послесвечением. Гене-
раторы кадровой ГКР и строчной ГСР разверток
осуществляют соответствующие развертки.
Рассмотренная система Т. л. является анало-
говой и при всей своей простоте имеет сущест-
венный недостаток: яркость и контрастность изо-
бражения изменяются в течение кадра, что обус-
ловлено недостаточным временем послесвече-
ния ЭЛТ. Этого недостатка лишены цифровые
системы Т. л. В таких системах принятый анало-
говый видеосигнал преобразуется АЦП в цифро-
вой, заносится в ЗУ и многократно периодически
считывается в течение одного кадра. После об-
ратного преобразования в ЦАП и соответствую-
б)
Рис. 15.2
328
РАДИОТЕХНИКА
15.4. ДОКУМЕНТАЦИЯ ЛЮБИТЕЛЬСКОЙ РАДИОСТАНЦИИ
щей синхронизации частот считывания и развер-
ток изображение можно воспроизводить на экра-
не обычного телевизора или монитора ЭВМ. Ци-
фровые системы Т. л. позволяют обрабатывать
кадры большой длительности, получать изобра-
жение с высокой разрешающей способностью, а
также воспроизводить цветные изображения [4].
DX-связь — это радиосвязь с дальними
или редкими любительскими радиостанциями.
Зная особенности распространения радио-
волн, нетрудно осуществлять радиосвязи с лю-
бительскими радиостанциями США, Японии,
Канады, Бразилии. В то же время более близ-
кие к нам Ватикан, Албания, Афганистан труд-
нодоступны, так как в этих и некоторых дру-
гих странах насчитываются лишь единицы ра-
диолюбителей или их нет совсем. В последнем
случае радиосвязь с такими странами возмож-
на лишь во время визитов туда туристов — ра-
диолюбителей или DX-экспедиций.
DX-экспедиция — специально организо-
ванная и подготовленная для работы в люби-
тельских диапазонах частот экспедиция в
страны и территории мира, не представлен-
ные в радиолюбительском эфире. Цель такой
DX-э. — помощь в выполнении условий полу-
чения отдельных радиолюбительских дипло-
мов, а в некоторых случаях и техническая по-
мощь в организации любительских радио-
станций и подготовке операторов-радиолюби-
телей в этих странах. Продолжительность ра-
боты DX-э. — от нескольких часов или дней
до нескольких месяцев.
QRP-связь — проведение радиосвязей с
максимальным числом корреспондентов (стран)
при малой мощности (до 1.. .5 Вт) передатчика.
15.2. ДИАПАЗОНЫ ЧАСТОТ РАДИО-
ЛЮБИТЕЛЬСКОЙ СВЯЗИ — полосы час-
тот, выделенные на первичной или вторичной
основе для проведения любительских радио-
связей. В Д. ч. р. с., выделенных на первичной
основе, приоритет принадлежит любитель-
ским радиостанциям; в Д. ч. р. с., которые ис-
пользуются совместно с другими службами,
радиолюбители не должны создавать помехи
РЭС этих служб, т.е. должны работать на вто-
ричной основе. Распределение частот по диа-
пазонам приведено в Табл. 15.2.
Д. ч. р. с. условно делят на КВ, УКВ и
СВЧ. Радиолюбителей, которые предпочитают
проводить радиосвязи на КВ или УКВ, назы-
вают соответственно коротковолновиками и
ультракоротковолновиками. Наиболее даль-
ние связи проводятся на КВ, на которых рабо-
Таблица 15.2
Диапазон радиоволн Название радиолюбительских диапазонов Полоса частот
Единица измерения /мин* "/макс
КВ 160- 80- 40- 30- 20- 17- 15- 12- 10- метровый кГц 1830...1930 3500...3650 7000...7100 10100...10150 14000... 14350 18068...18168 21000...21450 24890...24990 28000...29700
УКВ 2-метровый 70-сантиметровый МГц 144...146 430...440
25- 5- 3- сантиме- > тровый 1.26... 1.30 5.65...5.67 10.00...10.50
СВЧ 6- 4- 3- 2- 1- милли- метро- вый ГГц 47.00...47.20 75.50...76.00 110.98...120.02 142.00...140.00 241.00...25000
тает подавляющее большинство любительских
радиостанций. При использовании любитель-
ских ретрансляторов, в том числе спутниковых
(см. ст. 15.1), это возможно также и на УКВ,
которые становятся все более популярными,
так как в этом диапазоне радиоволн не нужны
громоздкие антенные системы и большие
мощности передатчиков. СВЧ диапазоны еще
только начинают осваивать.
15.3. ДИПЛОМ РАДИОЛЮБИ-
ТЕЛЬСКИЙ — свидетельство, которое выда-
ется за проведение радиосвязей в соответствии
с определенными условиями. Как правило, это
художественно оформленный бланк, реже —
вымпел, медаль и пр. К наиболее престижным
принадлежит Д. р. «DXCC Honor Roll», для по-
лучения которого необходимо провести радио-
связи более чем с 300 странами и территория-
ми мира, причем все радиосвязи должны быть
подтверждены QSL-карточками. Выдают Д. р.
национальные и местные радиолюбительские
организации [5].
15.4. ДОКУМЕНТАЦИЯ ЛЮБИ-
ТЕЛЬСКОЙ РАДИОСТАНЦИИ — докумен-
тация, обязательная для операторов любитель-
ских радиостанций.
Журнал аппаратный — журнал для запи-
сей о проведенных радиосвязях, их кратком
Глава /5. РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКАЯ СВЯЗЬ
329
15.4. ДОКУМЕНТАЦИЯ ЛЮБИТЕЛЬСКОЙ РАДИОСТАНЦИИ
содержании. В Ж. а. фиксируют позывной ра-
диостанции, с которой проведена радиосвязь,
дату и время ее проведения, диапазон частот,
вид излучения, оценку громкости, разборчиво-
сти и качества принятого сигнала.
Лицензия — разрешение на право эксплуа-
тации любительской радиостанции и проведение
радиосвязей. В Л. указывают владельца, позыв-
ной, категорию радиостанции, мощность пере-
датчика и классы излучений по диапазонам час-
тот в соответствии с категорией, срок действия
Л. и пр. Выдается по рекомендациям радиолюби-
тельских организаций местными администра-
тивными органами связи после сдачи квалифика-
ционного экзамена по техническому минимуму,
правилам проведения радиосвязей и эксплуата-
ции радиостанции, проверки знания азбуки Мор-
зе и т.п. В большинстве стран существуют возра-
стные ограничения (от 14... 16 лет) на выдачу Л.
Отчет о соревнованиях — документ, в ко-
тором приведены краткие сведения о радио-
связях, проведенных во время соревнований
(см. ст. 15.1).
QSL-карточка — художественная или
специально изготовленная карточка или от-
крытка с позывным радиостанции, которая яв-
ляется документальным подтверждением про-
ведения радиосвязи. В QSL-к. должны быть
приведены сведения о радиосвязи в виде выпи-
ски из аппаратного журнала, а также могут
быть указаны сведения об операторе, техниче-
ские данные аппаратуры и т.д.
15.5. КАТЕГОРИЯ ЛЮБИТЕЛЬСКОЙ
РАДИОСТАНЦИИ устанавливает ее спортив-
но-квалификационный уровень. Число К. л. р.
(разрядов, степеней) и параметры каждой К. л. р.
(максимальная мощность передатчика, классы
излучений, диапазон частот) устанавливают на-
циональные радиолюбительские организации по
согласованию с административными органами
связи. Определенную К. л. р. присваивают по ре-
зультатам сдачи квалификационного экзамена.
15.6. КЛАССЫ ИЗЛУЧЕНИЙ ЛЮБИ-
ТЕЛЬСКИХ РАДИОСТАНЦИЙ — классы из-
лучений, разрешенные для проведения радиолю-
бительских связей. Разрешены такие К. и. л. р.
(в скобках приведены как международные, см.
ст. 1.5, так и радиолюбительские обозначения):
— телеграфная манипуляция несущего ко-
лебания ручным или автоматическим теле-
графным ключом (100НА1 A; CW — Continious
Wave, непрерывные колебания). Ширина спек-
тра — не более 100 Гц. Скорость передачи ин-
формации с помощью двухпозиционного не-
равномерного телеграфного кода (Морзе) со-
ставляет 20... 140 буквенно-цифровых знаков в
минуту. В отдельных случаях (см., например,
ст. 15.1) можно использовать и большие скоро-
сти с регистрирующим приемом. Для передачи
голосовых сообщений разрешены К. и. л. р. с
полосой модулирующих частот 0.3...3 кГц;
— ОМ с частично или полностью подав-
ленной несущей (3KOOR3E, 3K00J3E; SSB —
Single Side Band, одна боковая полоса). Этот
вид модуляции практически полностью вы-
теснил AM, благодаря повышенным энергети-
ческой эффективности и помехоустойчивости.
На частотах до 10 МГц сигнал формируют с
нижней боковой полосой, на более высоких
частотах — с верхней;
— AM (6К00АЗЕ). Этот вид модуляции
применяют в основном начинающие радиолю-
бители в специально отведенных для них уча-
стках любительских диапазонов частот;
— узкополосная ЧМ с шириной спектра до
6 кГц (FM — Frequency Modulation) для исполь-
зования на УКВ и в СВЧ диапазонах. Пользует-
ся большой популярностью (в особенности за
рубежом) благодаря высокой помехоустойчиво-
сти и простоте ее технической реализации;
— ЧМн (F2J) применяют в любительской
документальной радиосвязи (см. ст. 17.22), к
которой относится телетайпная (RTTY —
Radio Teletype, его модификации ASCII,
AMTOR) и пакетная (PR — Packet Radio) ра-
диосвязь (см. ст. 15.1). Для радиотелетайпа и
пакетной связи на КВ разнесение частот равно
170 Гц, для пакетной радиосвязи на УКВ —
1000 Гц. Скорость передачи: 45.45 Бод (RTTY),
100 Бод (AMTOR), 300 и 1200 бит/с (для PR на
КВ и УКВ соответственно). Используемые ко-
ды: равномерный пятипозиционный код Бодо
(RTTY); ASCII и семипозиционный код по
протоколу AMTOR для модификаций RTTY
[6]; NRZI для пакетной радиосвязи. Ведутся
эксперименты по использованию четырехпо-
зиционной относительной фазовой манипуля-
ции (см. ст. 17.22) для пакетной радиосвязи.
В любительском узкополосном ТВ (SSTV
— Slow Scan Television), см. ст. 15.1, исполь-
зуют сложные сигналы с многоступенчатой
модуляцией.
15.7. ПОЗЫВНОЙ ЛЮБИТЕЛЬСКОЙ
РАДИОСТАНЦИИ — буквенно-цифровое со-
четание, которое присваивается любительской
радиостанции (ЛРС) и несет информацию о го-
сударственной принадлежности, владельце ра-
диостанции и другие сведения. Позывные —
330
РАДИОТЕХНИКА
15.8. РЭА РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКАЯ
это «имена» ЛРС, которые не повторяются.
Обычно П. л. р. состоят из 3.. .6 знаков (букв ан-
глийского алфавита и цифр): начальные знаки
(префикс) определяют государственную при-
надлежность, а окончание П. л. р. типа А—Z,
АА—ZZ, ААА—ZZZ присваивают индивиду-
ально каждой станции. В дни национальных и
международных праздников, выставок, сорев-
нований ЛРС, причастным к этим событиям,
выдают специальные позывные, которые по
структуре отличаются от обычных.
15.8. РЭА РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКАЯ —
приемопередающая РЭА, а также вспомогатель-
ное оборудование, которые используются при
проведении любительских радиосвязей и экс-
плуатации любительской радиостанции. По па-
раметрам, определяющим ЭМС (ширина спект-
ра, уровни побочных и паразитных излучений,
стабильность частоты и пр.), любительская РЭА
находится на уровне соответствующей профес-
сиональной. Другие характеристики, как, напри-
мер, чувствительность и избирательность РПрУ,
параметры антенн и прочие, не регламентируют-
ся или носят рекомендательный характер в зави-
симости от категории радиостанции, вида ра-
диосвязи, квалификации оператора.
Антенны любительских радиостанций от-
личаются конструктивным разнообразием [7]. В
диапазонах КВ одно из основных требований —
излучение А. л. р. под малыми углами к горизон-
ту. На частотах 1,8... 10 МГц трудно создать А. л.
р. с пространственно управляемыми ДН из-за их
больших размеров, поэтому используют в ос-
новном ненаправленные и слабонаправленные
антенны: штыревые, проволочные (диполь и его
модификации, горизонтальные рамочные и пр.),
значительно реже — направленные А. л. р. с
пространственно фиксированной ДН (ромбиче-
ские, бегущей волны) и антенные решетки из
двух—шести излучателей и дискретным управ-
лением ДН. Антенны в большинстве своем резо-
нансные, имеют узкую полосу рабочих частот и
являются однодиапазонными. Многодиапазон-
ные А. л. р. питаются от одного фидера и работа-
ют в нескольких диапазонах частот. Это достига-
ется дискретным изменением электрической
или геометрической длины А. л. р. (коммутаци-
ей с помощью реле), параллельным подключе-
нием к общему фидеру нескольких однодиапа-
зонных А. л. р., включением в излучающую
часть А. л. р. заградительных фильтров, настро-
енных на соответствующие частоты. В ВЧ части
коротковолновых диапазонов кроме рассмотрен-
ных широко применяют вращающиеся направ-
ленные одно- и многодиапазонные А. л. р.: вол-
новой канал (см. ст. 2.7) с числом элементов
3...6; двух-, трехэлементные рамочные (см. ст.
2.17, 2.22); логопериодические и др. Основной
тип УКВ А. л. р. — волновой канал (3... 16 эле-
ментов) и ФАР на их основе, СВЧ А. л. р. — спи-
ральные и параболические. Согласование А. л.
р. с фидером осуществляют с помощью уст-
ройств на основе отрезков длинных линий, ши-
рокополосных трансформаторов и контролиру-
ют встроенными или автономными измерителя-
ми КСВ на базе рефлектометров (см. ст. 14.9).
Ключ телеграфный — устройство, пред-
назначенное для телеграфной манипуляции не-
сущего колебания РЦдУ Традиционные механи-
ческие двухпозиционные К. т. используют в ос-
новном начинающие радиолюбители. Двухсто-
ронние трехпозиционные (точка — нейтральное
положение — тире) К. т. — вибромеханические
и электронные (Рис. 15.3) — позволяют осуще-
ствлять манипуляцию с большой скоростью и
регулируемым или стандартным соотношением
продолжительности тире, точек и пауз (3:1:1).
Триггер Тр] обеспечивает соотношение точка —
пауза 1:1, а триггер Тр2 совместно с Тр! — соот-
ношение тире — пауза 3:1. В память К. т. из ЗУ
вводят информацию, часто повторяемую при пе-
редаче. Реже применяют клавиатурные датчики
кода Морзе — устройства, которые осуществля-
ют ввод информации с буквенно-цифровой кла-
виатуры и преобразуют ее в код Морзе.
РПдУ любительские. Максимальное зна-
чение мощности передатчиков (5...2000 Вт)
устанавливают национальные административ-
ные органы связи в зависимости от категории
любительской радиостанции и диапазонов час-
тот. Автономные РПдУ используют в простых
Глава 15 РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКАЯ СВЯЗЬ
331
15.8. РЭА РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКАЯ
телеграфных передатчиках. Так как частоты
любительских диапазонов являются кратными,
то популярны, особенно в СВЧ диапазонах,
схемы с прямым умножением частоты параме-
трического или кварцевого задающего генера-
тора (см. ст. 16.3). Интерполяционные схемы
более характерны для ОМ РПдУ с формирова-
нием ОМ сигнала фильтровым методом (см. ст.
16.11) на фиксированной частоте с последую-
щим переносом в диапазон рабочих частот с
помощью ПрЧ. Для перехода в телеграфный
режим разбалансируют балансный модулятор
или включают отдельный опорный генератор.
Современные многодиапазонные передатчики
являются составной частью трансиверов.
РПрУ любительские в диапазонах КВ вы-
полняют, как правило, по супергетеродинным
схемам с разбивкой на поддиапазоны, границы
которых соответствуют любительским диапазо-
нам частот (см. ст. 15.2). При однократном пре-
образовании частоты с перестраиваемым гете-
родином (см. ст. 17.27) в ФСС ПЧ используют
узкополосные кварцевые фильтры с высокой
(5... 11 МГц) средней частотой, при двухкратном
— также электромеханические фильтры (/пч2 =
500 кГц). Полосу пропускания радиоприемни-
ков дискретно изменяют переключением фильт-
ров соответственно виду работы (телеграф, AM,
ОМ и др.). Стабилизация частоты гетеродина —
параметрическая, в современных промышлен-
ных РПрУ используют синтезаторы частоты.
Двукратное преобразование частоты с перестра-
иваемым трактом первой ПЧ (см. ст. 17.27) из-за
сложности и большого числа диапазонных квар-
цевых резонаторов применяют значительно ре-
же или в одно-, двухдиапазонных приемниках.
Начинающие радиолюбители часто используют
как самодельные, так и промышленные РПрУ
прямого преобразования (см. ст. 17.27).
На УКВ приемники в большинстве своем
однодиапазонные с двухкратным преобразова-
нием частоты. В СВЧ диапазонах применяют
также конвертеры — устройства, которые пре-
образуют частоту СВЧ диапазона в частоту од-
ного из диапазонов КВ или УКВ; выполняют-
ся они в виде дополнительного блока к РПрУ.
Трансивер — приемопередающее устройст-
во, часть функциональных узлов которого явля-
ется общей для приемного и передающего трак-
тов. Наиболее часто совмещают: диапазонный
задающий генератор передатчика с гетеродином
РПрУ, фильтры формирования ОМ сигнала с
ФСС, опорные генераторы формирователей и де-
модуляторов. При таком совмещении перестрой-
ка частоты РПрУ и РПдУ осуществляется одной
ручкой управления, причем частоты приема и пе-
редачи совпадают, а радиосвязь становится бес-
поисковой. В Т. с синтезаторами частоты и мик-
ропроцессорным управлением можно просто ре-
ализовать режимы программной перестройки ча-
стоты, автоматический обзор диапазонов частот
и пр. Переключение «прием/передача» — ручное
или автоматическое при нажатии на телеграф-
ный ключ или с помощью устройства голосового
управления, которое осуществляет автоматичес-
кое переключение при наличии сигнала на выхо-
де модулятора РПдУ, т.е. в начале и в конце голо-
сового сообщения. Максимально совмещают
функции узлов портативных Т.
15.9. «ЯЗЫК» РАДИОЛЮБИТЕЛЬСКОЙ
СВЯЗИ — средство общения между оператора-
ми при проведении радиосвязей. При телефон-
ной связи им может быть любой язык, понят-
ный обоим операторам. Международные радио-
связи проводят, как правило, на английском язы-
ке. В телеграфной радиосвязи для ускорения ра-
диообмена применяют радиолюбительский код
(набор сокращений английских слов, аббревиа-
тур и отдельных условных обозначений), а так-
же Q-код. Последний используется в професси-
ональной связи и имеет вид набора условных
трехбуквенных обозначений, которые начина-
ются с буквы Q и несут определенную смысло-
вую нагрузку, например: QRP — «Уменьшите
мощность передатчика»; QRS? — «Передавать
медленнее?» и пр.
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Бунин С.Г., Яйленко Л.П. Справочник радиолюбителя-коротковолновика. — К.: Техшка,
1984. —264 с.
2. Радио, 1989, № 3.
3. Радио, 1990, № 8.
4. Радио, 1990, № 12.
5. Свиридова В.С. Справочник по радиолюбительским дипломам мира. — М.: ДОСААФ СССР,
1985. —272 с.
6. Радиолюбитель, 1992, № 3.
7. Ротхаммель К. Антенны: Пер. с нем. — М.: Энергия, 1979. — 320 с.
332
РАДИОТЕХНИКА
rnilDI1 1G
РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
• Вопреки логике радиопередатчики
появились позднее радиоприемников.
Исторический факт
• В 1886 г. Г. Герц (Германия) изобрел генератор
электромагнитных волн — вибратор с искровым
промежутком. От изобретения радиопередатчика
это событие отделяло 10 лет.
Такое опоздание в значительной степени
определялось тем, что «отец радиоволн»
Г. Герц, как это ни странно, считал
радиоволны сугубо научным
открытием, которое никогда
не найдет практического
применения.
• Первый радиопередатчик
с искровым разрядником
(А.С. Попов, Россия,
Г. Маркони, Англия, 1896 г.).
• Замена искрового разрядника
в передатчике вольтовой дугой
(Р. Фессенден, Э. Томсон, США, 1902 г.).
• Ламповый генератор небольшой мощности
на триоде (А. Мейснер, Германия, 1913 г.).
• Ламповый модулятор
(Э. Колпитц, Р. Хайсинг, США, 1915 г.).
• Ламповый телеграфный радиопередатчик
мощностью 5 кВт (СССР, 1920 г.).
• Система мощных ступеней радиовещательных
передатчиков в виде генераторно-модуляторных
блоков (А. Минц, СССР, 1931 г.).
• Наращивание мощностей радиовещательных
передатчиков: 1922 г. — 12 кВт, 1929 г. — 100 кВт,
1933 г. — 500 кВт, 1943 г. — 1200 кВт (СССР).
• Применение транзисторов в маломощных
радиопередатчиках (60-е годы, СССР).
Радиопередающее устройство — источник
радиочастотных колебаний, входящий в си-
стему передачи или извлечения информации.
Сообщение с выхода микрофона, телеграфного
аппарата, ТВ камеры и других источников че-
рез модуляторы или манипуляторы управляет
колебаниями НсЧ. Антенна РПдУ преобразует
эти колебания с содержащейся в них информа-
цией в электромагнитные волны, распростра-
няющиеся в окружающем пространстве.
Обобщенная структурная схема РПдУ
представлена на Рис. 16.1. Тракт ВЧ, в котором
создаются и усиливаются до необходимого
уровня колебания НсЧ, состоит из возбудителя
гармонических колебаний одной или несколь-
ких частот, буферного усилителя БУ, несколь-
ких промежуточных и выходного усилителей
мощности УсМ. В некоторых случаях (в диапа-
зонах ОВЧ и УВЧ) в тракт ВЧ включают умно-
жители частоты УЧ. С выходного УсМ через
ФНЧ энергия колебаний ВЧ передается в ан-
тенну А. Управление колебаниями НсЧ может
осуществляться с помощью микрофонов
М1...М3 или телеграфного аппарата Т. При
AM сигналы от микрофона М3 через модуля-
тор AM воздействуют на выходной или проме-
жуточный УсМ; при телеграфной манипуля-
ции телеграфный аппарат Т через манипулятор
Мнп влияет на работу возбудителя; при ЧМ
сигналы от микрофона М2 через усилитель на-
пряжения УН и частотный модулятор ЧМ воз-
действуют на синтезатор частоты СнЧ; при
ОМ сигналы от микрофона Mj через формиро-
ватель однополосного сигнала ФОС управля-
ют колебаниями СнЧ.
Классификация РПдУ осуществляется по
следующим признакам: диапазону рабочих час-
тот, уровню выходной мощности, роду работы,
назначению, условиям эксплуатации. По диапа-
зону рабочих частот (от 3 кГц до 106 ГГц) пере-
датчики разделяются на 10 классов (см. ст. 1.3),
Глава 16. РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
333
ГЛАВА 16
по уровню выходной мощности выделяют
РПдУ очень малой мощности (до 3 Вт), малой
мощности (от 3 до 100 Вт), средней мощности
(от 100 Вт до 3 кВт), большой мощности (от 3 до
100 кВт), сверхмощные (более 100 кВт). По ро-
ду работы различают РПдУ, работающие в теле-
графном, фототелеграфном, телефонном, ТВ,
импульсном режимах. По назначению различа-
ют передатчики: радиосвязи, радиовещания, ра-
диолокации, радионавигации, радиоуправления,
радиопротиводействия, промышленные и меди-
цинские. По условиям эксплуатации — стацио-
нарные и подвижной службы (переносные, во-
зимые, морские, бортовые, космические и др.).
При проработке материала главы рекомен-
дуется следующий порядок изучения статей:
16.2, 16.3, 16.1. 16.9, 16.11. 16.12, 16.5, 16.15,
16.6, 16.7, 16.8, 16.13, 16.10. 16.14, 16.4.
16.1. ВОЗБУДИТЕЛЬ РПдУ — устройст-
во, входящее в РПдУ и предназначенное для
формирования гармонических колебаний с за-
данными частотами. Основными параметрами
возбудителя являются: диапазон выходных час-
тот; характер изменения частоты (плавный или
дискретный); общее число фиксированных час-
тот, или шаг сетки; нестабильность частоты и
фазы; уровень побочных спектральных состав-
ляющих; выходное напряжение на заданном со-
противлении нагрузки. В возбудителе (при не-
обходимости) может осуществляться управле-
ние колебаниями ВЧ (модуляция). Возбудители
выполняются в виде: простого диапазонного ав-
тогенератора (АГ) гармонических колебаний с
невысокой стабильностью частоты; высокоста-
бильного кварцевого генератора с фиксирован-
ной частотой; высокостабильного интерполяци-
онного генератора с плавной или дискретной
перестройкой частоты; высокостабильного син-
тезатора частоты. В РПрУ возбудители выпол-
няют функцию гетеродина (см. ст. 17.15).
Нестабильность частоты возбудителя
абсолютная — отклонение частоты колебаний
на его выходе за определенный промежуток
времени, обусловленное воздействием внеш-
них дестабилизирующих факторов, от уста-
новленной (номинальной) частоты: A f=f - f0.
Нестабильность частоты возбудителя
относительная — отношение абсолютной не-
стабильности частоты к установленной частоте:
Д/%- Нестабильность частоты АГ долговремен-
ная — суммарное отклонение частоты, обуслов-
ленное медленным ее изменением вследствие
старения элементов схемы и воздействием на
АГ внешних дестабилизирующих факторов. Оп-
ределяется за длительное время — час, сутки,
месяц, год. Нестабильность частоты АГ кратко-
временная — отклонение частоты, обусловлен-
ное флуктуациями, вызванными воздействием
шумов элементов схемы. Измеряется за очень
короткие интервалы времени (меньше 1 с).
Автогенератор гармонических колеба-
ний — нелинейное устройство, преобразую-
щее энергию ИП в энергию гармонических ко-
лебаний ВЧ без внешнего воздействия. Про-
стейшие АГ состоят из: АЭ (транзистора, ТД,
ИМС); ИП; одного или двух колебательных
контуров (КК); цепи ОС. Частота генерируе-
мых колебаний АГ определяется, в основном,
собственной частотой КК и может изменяться
в широких пределах. Транзисторные АГ (одно-
и двухконтурные), в зависимости от характера
цепи ОС, выполняются по схеме с индуктив-
ной ОС (индуктивная трехточка) или с емкост-
ной ОС (емкостная трехточка). АГ по схеме
емкостной трехточки имеет несколько боль-
шую стабильность частоты (см. ст. 19.2, [1]).
Автогенератор одноконтурный — две его
схемы при включении БТ по схеме с ОК и ОБ
изображены на Рис. 16.2, а и 16.2, б, соответст-
венно, где к электродам транзистора VT присо-
единяется параллельный КК Г2, С3, С4, С5, С6,
основными элементами которого являются Ь2,
С6. Конденсаторы С3, С4, С5 образуют емкост-
ной делитель для обеспечения положительной
334
РАДИОТЕХНИКА
16.1. ВОЗБУДИТЕЛЬ РПдУ
ОС и частичного присоединения КК к АЭ и на-
грузке. Обе схемы являются емкостными трех-
точками. Перестройка частоты АГ осуществля-
ется конденсатором С6 или варикапом VD при
включении его в КК вместо С6. В последнем
случае частота АГ управляется напряжением,
поступающим на VD с делителя Т?4, R5. В при-
веденных схемах АГ смещение на базы транзи-
сторов поступает от делителя 7?ь R2 и резисто-
ра R3. Дроссели £1? £3 — разделительные по
ВЧ, конденсаторы Сь С2, С7 — блокировочные.
Недостатком одноконтурного АГ является то,
что единственный КК, который определяет ча-
стоту колебаний, служит также элементом свя-
зи с нагрузкой, что является одной из причин
низкой стабильности частоты [1—3].
Автогенератор двухконтурный отличается
от одноконтурного тем, что к АЭ присоединя-
ется два КК, связь между которыми осуществ-
ляется через междуэлектродную емкость АЭ
или через дополнительный конденсатор. В та-
ких АГ один КК определяет частоту колеба-
ний, а другой выполняет функцию согласую-
щего звена (СЗ) с нагрузкой. На Рис. 16.3 пред-
ставлено три варианта упрощенных схем двух-
контурных АГ с общими: эмитирующим элек-
тродом ЭЭ (Рис. 16.3, л), выходным электро-
дом ВЭ (Рис. 16.3, #), управляющим электро-
дом УЭ (Рис. 16.3, в). Система, состоящая из
двух связанных КК (с различными собствен-
ными частотами), обладает двумя резонансны-
ми частотами связи — нижней и верхней сов-
В схеме на Рис. 16.3, а частота автоколебаний
сог близка к сон и собственные частоты КК ле-
жат выше сон, т.е. оба КК обладают индуктив-
ным сопротивлением, что обозначено на схеме
как L\ hL2. Эквивалентная схема такого гене-
ратора является индуктивной трехточкой. В
схеме на Рис. 16.3, б генерируемая частота ко-
лебаний близка к сОв, поэтому один КК имеет
индуктивное сопротивление (L^), а другой —
емкостное (С2). В схемах на Рис. 16.3, л, б соб-
ственные частоты КК, с которыми связана на-
грузка АГ, значительно отличаются от сог; соб-
ственные частоты КК, не связанных с нагруз-
кой, близки к сог, что достигается малыми зна-
чениями емкости конденсатора Эти схемы
используют в АГ диапазонов СЧ и ВЧ. АГ по
схеме Рис. 16.3, в используют в диапазонах
ОВЧ и УВЧ. Двухконтурные АГ обладают бо-
лее высокой стабильностью частоты, чем од-
ноконтурные [4].
Автогенератор кварцевый — высокоста-
бильный генератор гармонических колебаний,
Глава 16. РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
335
16.1. ВОЗБУДИТЕЛЬ РПдУ
частотно-задающим элементом в котором яв-
ляется колебательная система с распределен-
ными параметрами — кварцевый резонатор
(КР). Использование КР вместо L С-контура
значительно (на два-три порядка) повышает
стабильность частоты АГ, при этом КР в АГ
выполняет функцию параллельного или после-
довательного колебательного контура (КК) с
большой запасенной энергией.
Кварцевый резонатор — прямоугольная
или круглая пластинка, линза, брусок, выре-
занные соответствующим образом из природ-
ного или искусственного кристалла кварца, об-
ладающие пьезоэлектрическими свойствами.
Под действием напряжения ВЧ, приложенного
к металлическим обкладкам, нанесенным на
противоположные грани пластинки, возника-
ют упругие механические колебания с очень
малым декрементом затухания. КР как всякий
механический упругий элемент имеет одну
или несколько резонансных частот, определяе-
мых тем линейным размером, вдоль которого
укладывается одна полуволна механических
колебаний или их нечетное число. Связь собст-
венной частоты в килогерцах с размерами пла-
стины определяется выражением /кв = nM/d,
где п = 1,3, 5,... — номер механической гармо-
ники, М = 1500...7500 кГц/мм — частотный
коэффициент (его значение зависит от вида сре-
за пластинки), d — толщина пластинки или
длина бруска в миллиметрах. На частотах в
единицы — десятки килогерц в КР используют
колебания изгиба, на более высоких частотах —
деформацию сжатия-растяжения, сдвига по
толщине и др.
Электрическим аналогом возбужденного
КР является последовательный КК с парамет-
рами: £кв — от десятых долей до тысяч генри;
Скв — от сотых до десятых долей пикофарад;
гкв — от десятков ом до единиц килоом. В не-
возбужденном состоянии КР является конден-
сатором емкостью Со — от единиц до десятков
пикофарад. Добротность КР составляет
104... 107. КР имеет две резонансные частоты:
последовательного резонанса
Юкв = 1/->/^кв^кв
и параллельного резонанса
СОо = 1/V(^кв0<вQ У(Скв +Q ) •
Благодаря большой запасенной энергии
ФЧХ КР вблизи резонансных частот имеет
большую крутизну, что очень важно для пост-
роения высокостабильных АГ. КР имеет также
высокую эталонность собственных частот, ма-
ло зависящих от действия дестабилизирующих
факторов [1, 4, 5].
Автогенератор кварцевый, трехточечная
схема — АГ, у которого частотно-задающим эле-
ментом служит КР, а электрическим эквивалент-
ном последнего является параллельный КК с ре-
зонансной частотой соо. На Рис. 16.4 приведены
два варианта трехточечных схем кварцевого ге-
нератора (ТСКГ). Схема на Рис. 16.4, а — это
двухконтурный АГ на транзисторе, включенном
по схеме с ОК (см. Рис. 16.3, б), где частотно-за-
дающим КК является КР BQ, включенный через
конденсатор С3 между базой и коллектором VT.
КК, с которым связана нагрузка Ь2, С5, включен
между коллектором и эмиттером. Генерируемая
частота АГ незначительно отличается от часто-
ты параллельного резонанса КР (0^ < (Оо). Кон-
тур КР имеет индуктивное сопротивление, а
контур, связанный с нагрузкой — емкостное, что
на схеме обозначено как Lx и С4. Второй вариант
ТСКГ (Рис. 16.4, б) выполнен как одноконтур-
ный АГ на БТ, включенном по схеме с ОБ. Здесь
КР выполняет функцию индуктивности L. Осо-
бенностью этой схемы является то, что в ней от-
сутствуют катушки индуктивности, что дает воз-
336
РАДИОТЕХНИКА
16.1. ВОЗБУДИТЕЛЬ РПдУ
можность выполнения ее на ИС. Такой АГ мо-
жет работать на частотах от 1 до 25 МГц при от-
носительной нестабильности частоты 10~5... 10-6.
Для изменения частоты необходимо только за-
менить КР [1, 2, 5].
Автогенератор кварцевый, фильтровая
схема — одноконтурный АГ с внешней или
внутренней положительной ОС (на транзисто-
ре или ТД), у которого КР используется как уз-
кополосный фильтр, включенный в цепь ОС
или в КК. В фильтровой схеме кварцевого ге-
нератора (ФСКГ) электрическим эквивалентом
КР является последовательный КК с резонанс-
ной частотой сокв. На Рис. 16.5, а приведена
ФСКГ на БТ, включенном по схеме с ОЭ, где
КР включен в цепь ОС. Генерируемая частота
при соответствующей настройке КК с помо-
щью конденсатора С8, будет равной или очень
близкой к исокв (п = 1, 3, 5,...), на которой КР
имеет активное или минимальное комплексное
сопротивление. На основной частоте (п = 1)
АГ может работать до частот 30...50 МГц, на
нечетных гармониках — до 300...400 МГц. В
ФСКГ при работе на частотах, больших
15...20 МГц, из-за уменьшения сопротивления
статической емкости КР Со возможно самовоз-
буждение АГ на частоте, определяемой пара-
метрами КК, а не КР. Для устранения этого яв-
ления емкость Со нейтрализуют с помощью
моста, состоящего из С3, Со, С5, С6. При сба-
лансированном мосте возможность самовоз-
буждения АГ в отсутствие механических коле-
баний КР значительно уменьшается. Такая
ФСКГ хорошо работает как на основной часто-
те, так и на нечетных гармониках [1, 5].
Фильтровая схема кварцевого генератора
на туннельном диоде с КР, включенным после-
довательно в КК, приведена на Рис. 16.5, б.
Возможность создания АГ на ТД обусловлена
наличием спадающего участка на его ВАХ
(при напряжении 0.1...0.3 В), т.е. наличием от-
рицательного дифференциального сопротивле-
ния. ТД имеют более высокую, чем транзис-
тор, температурную и радиационную стабиль-
ности параметров. В приведенной схеме ТД
присоединен параллельно части КК, а КР
включен последовательно в контур АГ (в его
индуктивную ветвь). Генерируемая частота
равна или очень близка к частоте сокв. Напря-
жение питания на ТД поступает от делителя
7?ь R2. Сопротивление R2 должно быть намно-
го больше, чем динамическое активное сопро-
тивление КР гкв, и значительно меньше, чем
реактивное сопротивление его статической ем-
кости Со. Кроме того, на R2 должно выделять-
ся напряжение 0.1...0.2 В [1, 2].
Синтезатор частоты — радиотехническое
устройство, формирующее гармонические ко-
лебания с заданными дискретными частотами
с помощью одного или нескольких опорных
генераторов (ОГ). СнЧ работают в диапазонах
частот от долей герца до десятков гигагерц.
Они широко используются в возбудителях
РПдУ, как гетеродины РПрУ, в измерительных
устройствах, в приборах для физических ис-
следований. ОГ представляет собой кварцевый
АГ, у которого для повышения стабильности
частоты часто применяется система термоста-
тирования. Иногда, при особенно высоких тре-
бованиях к стабильности частоты, роль ОГ вы-
полняет квантовый стандарт частоты. В от-
дельных случаях ОГ синхронизируют сигнала-
ми от специальных РПрУ, которые принимают
одну из высокостабильных частот от передат-
чика службы точного времени и эталонных ча-
стот. СнЧ современных РПдУ и РПрУ, работа-
ющие в диапазонах ВЧ, формируют большое
число дискретных частот с шагом сетки 100 Гц
и менее при относительной нестабильности
частоты IO'7... 10~8 с уровнем выходного на-
пряжения 0.5... 1 В на нагрузке 50...75 Ом. В
последних разработках в СнЧ используют
Глава 16. РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
337
16.1. ВОЗБУДИТЕЛЬ РПдУ
вмонтированные ЭВМ для автоматического
контроля и управления частотой [1].
Сетка рабочих частот — множество ра-
бочих частот, следующих через заданные ин-
тервалы (с заданным шагом).
Шаг сетки рабочих частот — разность
между соседними значениями рабочих частот,
входящих в сетку.
Синтезатор частоты косвенного синтеза
(анализа) — устройство, в котором источни-
ком колебаний рабочей частоты служит управ-
ляемый генератор (УГ), текущая частота кото-
рого непрерывно сопоставляется с эталонны-
ми частотами опорного генератора (ОГ) по ме-
тоду прямого синтеза. Синхронизация частот
УГ (с точностью до постоянной фазовой ошиб-
ки) осуществляется системой ФАПЧ. Струк-
турная схема СнЧ косвенного синтеза приведе-
на на Рис. 16.6, а. Гармонические колебания
ОГ с частотой 1 МГц делятся в делителях час-
тоты ДЧЬ ДЧ2, ДЧ3 с последующим преобра-
зованием их в формирующих устройствах
ФУ1, ФУ2 в импульсные сигналы, управляю-
щие генераторами импульсов rHj и ГИ2. На
выходах последних формируются две шкалы
коротких импульсов с частотами следования
100 и 1 кГц, высшие гармоники которых ис-
пользуются как опорные частоты для синхро-
низации управляемых генераторов УГ i и УГ2 с
помощью колец ФАПЧ, в состав которых вхо-
дят ФДь ФД2, ФНЧЬ ФНЧ2 и УЭЬ УЭ2. На вы-
ходе УГ! образуется грубая сетка эталонных
частот с шагом 100 кГц, а на выходе УГ2 —
точная сетка с шагом 1 кГц. Колебания часто-
ты УГ! подаются на смеситель См, на второй
вход его поступают колебания с выхода УГ3.
ПФ, стоящий на выходе смесителя, выделяет
разностную частоту генераторов УГ3 и УГЬ
близкую к одной из частот УГ2, которая пода-
ется на ФД3, после чего срабатывает третье
кольцо ФАПЧ и осуществляется синхрониза-
ция частоты колебаний УГ3. Сигналы послед-
него являются высокостабильными колебания-
ми дискретного множества частот в диапазоне
от 2 до 30 МГц с шагом 1 кГц. Изменение час-
тоты СнЧ осуществляется перестройкой час-
тот генераторов УГЬ УГ2 и УГ3, а также ПФ.
СнЧ косвенного синтеза обеспечивает лучшую
спектральную чистоту выходного сигнала по
сравнению с СнЧ прямого синтеза [1,4].
Синтезатор частоты прямого синтеза —
устройство, выходные сигналы которого форми-
руются из колебаний опорного генератора (ОГ)
путем умножения, деления, вычитания, сумми-
рования частот, а также фильтрации их с целью
выделения рабочей частоты. Один из вариантов
структурной схемы СнЧ прямого синтеза приве-
ден на Рис. 16.7. Частота ОГ 1 МГц с помощью
Рис. 16.6
338
РАДИОТЕХНИКА
16.2. ГЕНЕРАТОР С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
умножителя частоты УЧ умножается на 10, а с
помощью делителей частоты ДЧ^-.ДЧз триж-
ды делится на 10. В результате на выходах ОГ,
УЧ и ДЧ\... ДЧ3 образуются колебания опорных
частот 1 МГц, 10 МГц, 100 кГц, 10 кГц и 1 кГц
соответственно. Каждое из них поступает на
соответствующий датчик опорных частот
ДОЧр-.ДОЧз, где формируются импульсные
сигналы, из которых селекторами гармоник мо-
гут быть выделены по одной из 10 гармоник
каждой опорной частоты. Любые две частоты с
выходов ДОЧ1...ДОЧ5 могут быть поданы на
соответствующие смесители См^-.Смд, на вы-
ходах которых с помощью полосовых фильтров
ПФр.ЛФд выделяются суммарные частоты.
При переключении выходных частот соответст-
вующих ДОЧ и перестройке ПФ на выходе СнЧ
можно получить любую высокостабильную ча-
стоту в пределах 1...99999 кГц с шагом 1 кГц.
Такие СнЧ называются декадными, так как в
них для синтеза частот используется принцип
идентичных декад [1,4].
Синтезатор частоты цифровой — уст-
ройство, аналогичное СнЧ косвенного синтеза,
построенное, в основном, на элементах цифро-
вой схемотехники. Структурная схема фраг-
мента цифрового СнЧ показана на Рис. 16.6, б,
где аналоговые сигналы опорного генератора
ОГ с частотой/) и сигналы управляемого гене-
ратора УГ с частотой fv формирующими уст-
ройствами ФУ) и ФУ2 преобразуются в после-
довательности импульсов, подаваемые соот-
ветственно на делитель частоты ДЧ] с посто-
янным коэффициентом деления к0 и на дели-
тель ДПКД с переменным управляемым коэф-
фициентом деления ку. С выходов ДЧ) и ДПКД
сигналы поступают на входы импульсно-фазо-
вого детектора ИФД, с помощью которого и
кольца ФАПЧ (ИФД, ФНЧ, УЭ) осуществляет-
ся синхронизация частоты УГ эталонными ча-
стотами fo/kf), при этом f^ky - fo/kQ. Для устой-
чивой работы ДПКД при /г > 100 МГц исполь-
зуется дополнительный делитель ДЧ2 с коэф-
фициентом деления кх, тогда /У(£у&1) = folkQ.
Роль ДПКД выполняют триггерные счетчики с
ОС. Дискретная перестройка выходной часто-
ты fr осуществляется изменением коэффициен-
та деления ДПКД. Цифровые СнЧ по сравне-
нию с другими СнЧ имеют преимущества по
габаритным размерам, надежности, техноло-
гичности и экономичности [1,2].
16.2. ГЕНЕРАТОР С ВНЕШНИМ ВОЗ-
БУЖДЕНИЕМ — преобразователь энергии
ИП в энергию колебаний ВЧ с помощью АЭ, ко-
торым управляет внешний возбуждающий сиг-
нал. Частота выходного сигнала равна или крат-
на частоте входного сигнала, т.е. со вых = п совх,
где п = 1 (если Г. в. в. является усилителем на-
пряжения или мощности) или п = 2, 3... (если
Г. в. в. является умножителем частоты). Упро-
щенная структурная схема Г. в. в. приведена на
Рис. 16.8. В ее состав входят: активный эле-
мент АЭ, источник возбуждения, ИП, входное
и выходное согласующие звенья (СЗ). В каче-
Глава 16. РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
339
16.2. ГЕНЕРАТОР С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
стве АЭ используются: в диапазоне от НЧ до
УВЧ — БТ, ПТ, генераторные лампы; в диапа-
зонах СВЧ, КВЧ — ПТ, клистроны, ЛБВ и др.
В качестве СЗ используются: апериодические
цепи (резисторы и трансформаторы), ПП кото-
рых достигает нескольких октав; реактивные
четырехполюсники Г-, Т-, П-типов и резонанс-
ные колебательные контуры, ПП которых
меньше октавы. Уровни выходных мощностей
БТ и ПТ составляют от 0.1...0.2 Вт до
250...500 Вт при граничных частотах от сотен
килогерц до 10... 18 ГГц. Уровни выходных
мощностей генераторных ламп колеблются в
пределах от единиц ватт до сотен киловатт на
частотах от 20 МГц до 6...8 ГГц. При возбуж-
дении Г. в. в. гармоническим напряжением
i/BX(/) = t/BXcoscor на входных и выходных элек-
тродах АЭ мгновенные значения напряжений
составляют eBX(z) = Есм + (7BXcoscoz и
еВых(0 = Евых ~ UBUXcos(jyt, а выходной ток
*вых(0 — ^вых- + 4ых nCOSAZCO/,
п = 1
где мвх, иВЬ1Х, евх> ^вых — мгновенные значения
входных и выходных напряжений гармоничес-
кой и сложной формы; £7ВХ, (7ВЫХ — амплитуды
входных и выходных напряжений; Евых, Есм —
напряжения ИП выходного электрода и сме-
щения на входном электроде АЭ; /вых, /вых_,
/вых п — мгновенное значение, постоянная со-
ставляющая и амплитуда и-й гармоники токов
выходного электрода АЭ [1].
Динамическая характеристика генерато-
ра с внешним возбуждением — зависимость
мгновенных значений входных и выходных то-
ков АЭ от мгновенных значений напряжений на
его входных и выходных электродах при нали-
чии сопротивления нагрузки. ДХ используют
для оценки взаимодействия токов и напряжений
Г. в. в. в режиме нагрузки. ДХ располагаются на
полях идеализированных (входных, выходных и
проходных) статических характеристик АЭ и
носят соответствующие названия [2, 4].
Нагрузочные характеристики генерато-
ров с внешним возбуждением — зависимости
выходной мощности генератора его КПД Т|г,
коэффициента усиления по мощности КР, а так-
же Рвь1х_ Рра0, /вьн|, /вых_, С/вых от эквивалентно-
го сопротивления нагрузки R3 н, при постоянном
напряжении питания. На Рис. 16.9 представлены
нагрузочные характеристики при условии, что
сопротивление нагрузки чисто активное. Здесь
^вых-= ^выхАых- — мощность, потребляемая вы-
ходным электродом АЭ от ИП; Рг = 0.5 £/вых/вых1
— выходная ВЧ мощность (отдаваемая АЭ в на-
грузку); Ррас = Рвых_ - Ег— мощность, рассеива-
емая на выходном электроде АЭ; Т|г=ЛЛРВых- —
КПД генератора; КР = Р/Рвх — коэффициент
усиления генератора по мощности; Рвх — ВЧ
мощность, подведенная к генератору от преды-
дущего каскада. Из Рис. 16.9 видно, что опти-
мальным режимом, при котором основные энер-
гетические параметры Г. в. в. (Рг, Т|г, Хр) достига-
ют максимального значения, является граничный
режим. При переходе в недонапряженный режим
HP Ррас значительно возрастает, а в перенапря-
женном режиме ПР Рг и КР резко уменьшаются
[1,2,4].
Принципиальная схема генератора с
внешним возбуждением — схема соединения
АЭ, источника возбуждения, ИП и нагрузки,
обеспечивающая эффективную работу Г. в. в. в
заданном диапазоне частот. На Рис. 16.10 изо-
бражены варианты схем подключения источ-
ника возбуждения (через входное СЗ) и источ-
ника смещения ко входным зажимам АЭ, а так-
же нагрузки (через выходное СЗ) и ИП (Евых) к
выходным зажимам АЭ. Схема на Рис. 16.10, а
называется схемой последовательного пита-
ния входной и выходной цепей АЭ, а схема на
Рис. 16.10, б — схемой параллельного пита-
ния. Вспомогательные элементы схемы Ер, Ср
предназначены для разделения путей прохож-
дения переменных и постоянных составляю-
340
РАДИОТЕХНИКА
16.2. ГЕНЕРАТОР С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
щих токов входных и выходных электродов АЭ
(пути прохождения постоянных токов обозна-
чены сплошными стрелками, а переменных —
штриховыми). Конденсатор Сбл блокирует ИП
по ВЧ. Напряжение смещения на АЭ может
подаваться от отдельного ИП через делитель,
автоматически, за счет токов управляющего
или общего электрода, комбинированным спо-
собом или быть равным нулю. Четыре возмож-
ных варианта подачи смещения показаны на
Рис. 16.10. в, а их комбинации приведены в
Табл. 16.1.
Согласующие звенья СЗ в последователь-
ных схемах питания входных и выходных це-
пей АЭ, находясь под напряжением ИП, долж-
Таблица 16.1
Зажимы Варианты подачи смещения
a-e 4 4 2 2 4 4
с-в 1 2 1 4 4 3
ны иметь гальваническую проводимость и
быть изолированными от корпуса на значение
напряжения ИП [2, 4].
Режим работы генератора с внешним
возбуждением определяется уровнями прило-
женных к электродам АЭ напряжений, сопро-
тивлением нагрузки, значениями токов вход-
ных и выходных цепей, а также уровнем мощ-
ности в нагрузке и КПД генератора [1].
Линейный режим усиления (режим А) —
характеризуется тем, что форма выходного то-
ка АЭ повторяет форму напряжения возбужде-
ния и выходной ток является непрерывной
функцией времени. Режим А применяют в ма-
ломощных широкополосных каскадах РПдУ, у
которых на входе и выходе АЭ используются
апериодические СЗ.
Нелинейный режим работы (режимы АВ,
В, С) — при нем форма выходного тока АЭ не
повторяет форму входного напряжения и
4ых(0 является прерывистой функцией време-
ни (периодической последовательностью им-
б)
в)
Рис. 16.10
Глава 16. РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
341
16.2. ГЕНЕРАТОР С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
пульсов). Форма мвых повторяет /вых при апери-
одическом характере нагрузки АЭ и соответст-
вует wBX при резонансной нагрузке. В нелиней-
ном режиме Г. в. в. работает с отсечкой выход-
ного тока.
Угол отсечки выходного тока Г. в. в. явля-
ется половиной отрезка времени, в течение
которого существует /вых, и выражается в гра-
дусах. Режимы В (0 = 90°) и С (0 < 90°) ис-
пользуют в усилителях средней и большой
мощности, у которых СЗ выполняются в виде
реактивных четырехполюсников или резо-
нансных контуров. Режим С (0 < 90°) исполь-
зуют в умножителях частоты. При гармониче-
ском характере wBX и работе АЭ Г. в. в. с от-
сечкой выходного тока (режимы В и Q разли-
чают три основных режима по напряженнос-
ти, определяемых уровнями приложенных к
АЭ напряжений и сопротивлением нагрузки:
недонапряженный режим, при котором вы-
ходной ток АЭ /вых является периодической
последовательностью косинусоидальных им-
пульсов, уровень которых значительно мень-
ше максимально возможных значений; пере-
напряженный режим, при котором в импуль-
сах *вых появляются значительные искажения
вершин (провалы), а уровни входного тока zBX
соизмеримы с ZBblx; граничный режим (ГрР),
при котором импульсы ZBbIX имеют максималь-
ную высоту и незначительное уплощение
вершин. ГрР является промежуточным между
недонапряженным и перенапряженным режи-
мами [2].
Оптимальный режим работы Г. в. в. — ре-
жим наиболее эффективного преобразования
энергии ИП в энергию колебаний необходимой
частоты. Эффективность преобразования энер-
гии оценивается уровнем выходной мощности
Рг, КПД генератора Т|г и коэффициентом уси-
ления по мощности КР. Оптимальному режиму
усилителя мощности соответствует ГрР и угол
отсечки выходного тока 0 = 70.. .90° (режим С).
Оптимальные углы отсечки выходного тока
умножителя частоты составляют 60° (для удво-
ителей частоты) и 40° (для утроителей), что со-
ответствует максимальной амплитуде второй и
третьей гармоник ZBblx
Методика проектирования Г. в. в. (расчеты
оптимальных режимов работы АЭ и парамет-
ров согласующих звеньев в широком диапазо-
не частот) приведена в [3, 5, 6].
Сложение мощностей генераторов с
внешним возбуждением РПдУ — способы
наращивания мощности РПдУ с помощью: па-
раллельного соединения нескольких однотип-
ных АЭ; последовательного (двухтактного) со-
единения их; мостовых схем сложения мощно-
стей Г. в. в. или блоков РПдУ; сложения мощ-
ностей РПдУ в пространстве.
Параллельное соединение АЭ в Г. в. в. — од-
ноименные электроды двух-трех однотипных
АЭ соединяют между собой по ВЧ и к ним
подключают необходимые ИП и общую на-
грузку. На входе каждого АЭ действует син-
фазное напряжение, и через нагрузку проходит
суммарный ток всех АЭ. На Рис. 16.11, а пред-
ставлена схема параллельного соединения
двух электронных ламп — триодов, анодные и
сеточные цепи которых питаются по парал-
лельной схеме (см. Рис. 16.10, б). ИП анодов
общий, смещение на сетки подается раздель-
но, что позволяет выровнять режимы работы
ламп. При параллельном соединении двух АЭ
выходная мощность Г. в. в. возрастает прибли-
зительно в два раза, сопротивление нагрузки
уменьшается вдвое, все междуэлектродные ем-
кости суммируются. Параллельное соединение
ламп в Г. в. в. большой мощности используют
на НЧ, СЧ и, реже, на ВЧ. Транзисторы (из-за
значительного разброса их параметров) в схе-
мы параллельного соединения почти не вклю-
чаются. На Рис. 16.11, а стрелками показаны
пути протекания постоянных и переменных
составляющих анодных токов ламп [1, 2, 4].
Двухтактное (последовательное) соедине-
ние АЭ в Г. в. в. — входные и выходные элект-
роды двух однотипных АЭ по постоянному то-
Рис. 16.11
342
РАДИОТЕХНИКА
16.2. ГЕНЕРАТОР С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
ку соединяют параллельно, возбуждение пода-
ется противофазно, а нагрузки обоих АЭ вклю-
чены последовательно. На Рис. 16.11, б изобра-
жена двухтактная схема соединения транзис-
торного Г. в. в. с параллельным питанием цепей
базы и коллектора (см. Рис. 16.10, б). На входе
и выходе функции СЗ выполняют трансформа-
торы 7Vb TV2 с ферритовыми сердечниками.
По первым и другим нечетным гармоникам
входных и выходных токов оба транзистора и
соответствующие трансформаторы включены
последовательно. Четные гармоники коллек-
торных токов в трансформаторе TV2 компенси-
руются, что значительно ослабляет их уровень
в нагрузке. На схеме показаны пути протекания
постоянных токов (сплошные стрелки) и токов
первой гармоники (штриховые стрелки). Фор-
ма выходного напряжения при работе АЭ в ре-
жиме В (0 = 90°) приближается к синусоиде;
сопротивление нагрузки двух АЭ и выходное
напряжение возрастают в два раза.
Двухтактная схема соединения АЭ широко
используется в транзисторных Г. в. в. В мощ-
ных транзисторных генераторах трансформа-
торы TVX и TV2 выполняют в виде трансформа-
торов типа длинных линий (ТДЛ). Недостатка-
ми схем параллельного и двухтактного соеди-
нений АЭ является то, что при выходе из строя
одного из них выходная мощность Г. в. в.
уменьшается более чем в два раза, так как ре-
жим работы оставшегося АЭ нарушается, что
может привести к его выходу из строя [1,2, 4].
Сложение и деление мощностей в Г. в. в. с
помощью мостовых схем — способ наращива-
ния и деления мощностей отдельных генерато-
ров ВЧ или модулей РПдУ, при котором осуще-
ствляется их независимая работа на общую на-
грузку, вследствие чего обеспечивается повы-
шенная надежность. Выход из строя одного из
генераторов не нарушает режим работы друго-
го, а уменьшается только выходная мощность
РПдУ. Широкое распространение в системах
сложения и деления мощностей, почти во всех
диапазонах частот получили Т-образные мос-
ты. В состав последних входят такие основные
элементы: резонансные контуры, П-образные
четырехполюсники, трансформаторы с ферри-
товым сердечником, ТДЛ.
На Рис. 16.12 приведены варианты схем сло-
жения мощностей генераторов П и Г2. В первом
случае (Рис. 16.12, а) мост состоит из двух П-об-
разных четырехполюсников, сопротивления на-
грузки RH и балластного резистора 7?б. При син-
фазной работе генераторов их токи в RH сумми-
руются, а в R6 — вычитаются (мощность на 7?б
не выделяется). Максимальная ПП моста при
коэффициенте передачи Кпер = 1.2... 1.4 обеспе-
чивается при |АЦ = |ХС|, Ян = &г2 = 2Rh = Rq^2.
Если на четырехполюсник возложить дополни-
тельную функцию трансформатора сопротивле-
ний, то ПП уменьшится.
На Рис. 16.12, б элементами моста служат
ферритовые трансформаторы 7% и TV2 с ко-
эффициентами трансформации 1:1 и два ре-
зистора Ян = ЯГ1 /2 = 7?г2/2 и R5 = 2Rrl = 2Rr2.
На Рис. 16.12, в изображена мостовая схема
сложения мощностей с помощью ТДЛ, где
ЯГ1 = ^г2 = р, Rh = р/2, Яб = 2р, а р — волно-
вое сопротивление линии. ПП трансформа-
торных мостов сложения мощностей состав-
ляет несколько октав. Такие схемы широко
используются для сложения мощностей тран-
зисторных генераторов.
Мостовые схемы сложения мощностей ма-
ло чувствительны к нарушению синфазности
токов (напряжений) генераторов. Так, если амп-
литуды токов генераторов отличаются на 20%,
а разность фаз достигает 40°, то только 10%
суммарной мощности выделится на балластном
резисторе 7?б, т.е. КПД моста составит 90%.
Глава 16. РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
343
16.2. ГЕНЕРАТОР С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
При отключении одного из генераторов режим
работы второго не изменится, а отдаваемая им
мощность разделится поровну между резисто-
рами RH и 7?б. Приведенные схемы можно ис-
пользовать для деления мощности, для чего
вместо резистора RH следует включить генера-
тор, а вместо генераторов Г\ и Г2 — нагрузки
*н1 И ^н2 [2—4].
Сложение мощностей РПдУ в простран-
стве — способ наращивания мощности, при
котором два или более автономных РПдУ ра-
ботают на одной частоте от одного возбудите-
ля, каждый на свою антенну. При этом в прост-
ранстве суммируются ЭМП, создаваемые ан-
теннами РПдУ. Для ослабления связей между
РПдУ их антенны следует располагать на рас-
стоянии не меньше (3/4)Х. Антенны должны
питаться синфазными токами. В диапазоне НЧ
и СЧ при таком способе наращивания мощнос-
тей используют не более двух-трех РПдУ [2].
В диапазонах УВЧ и СВЧ суммируются мощ-
ности нескольких десятков генераторов. Вве-
дением специальных фазовращателей в цепи
питания антенн можно формировать в прост-
ранстве узкую ДН, вращающуюся в широких
пределах. Такие устройства называются фази-
рованными антенными решетками (см. ст. 2.4).
Согласующие звенья активных элемен-
тов генераторов с внешним возбуждением с
возбудителем и нагрузкой — совокупность
элементов схемы, предназначенных для транс-
формации собственного сопротивления нагруз-
ки Г. в. в. в требуемое сопротивление нагрузки
АЭ или входного сопротивления АЭ в требуемое
сопротивление источника возбуждения. Роль
трансформаторов сопротивлений выполняют:
резистивные делители; трансформаторы с маг-
нитной связью между обмотками или трансфор-
маторы типа длинных линий (ТДЛ); реактивные
четырехполюсники; ФНЧ-трансформаторы; ре-
зонансные колебательные контуры [1,4].
Апериодические согласующие звенья, к ко-
торым относятся резистивные делители и
трансформаторы, имеют широкую ПП. Резис-
тивные делители просты в реализации, но име-
ют низкий КПД. Их применяют только в мало-
мощных каскадах РПдУ. Трансформаторы с
магнитной связью используют на частотах до
30 МГц для трансформации сопротивлений от
50 Ом до 2 кОм, что также осуществляется в
каскадах малой мощности. Используя такие со-
гласующие звенья, можно получить любые ко-
эффициенты трансформации. Для трансформа-
ции сопротивлений меньше 50 Ом, что встре-
чается в транзисторных Г. в. в. значительной
мощности, используют трансформаторы в виде
отрезков двухпроводных, коаксиальных или
полосковых линий с низким волновым сопро-
тивлением. Для расширения ПП отрезки линий
длиной Z < А.н/8 (где А.н — нижняя длина волны)
наматывают на ферритовый сердечник (в боль-
шинстве торроидальный) с магнитной прони-
цаемостью 60...600. Такие ТДЛ используются
на частотах 1... 1000 МГц.
На Рис. 16.13 приведены примеры исполь-
зования ТДЛ для согласования генератора с на-
грузкой. Отрезок линии (Рис. 16.13, а) длиной
Z, намотанной на ферритовый сердечник ФС,
имеет волновое сопротивление р. Ко входу ли-
нии подключен генератор Г с внутренним со-
противлением 7?г, а к выходу — нагрузка 7?н.
При согласовании линии по входу и выходу
Rr = р = энергия генератора передается в на-
грузку почти без потерь в* широком диапазоне
частот. Такой трансформатор имеет коэффици-
ент трансформации п = 1:1 и поворачивает фазу
напряжения на 180°. При рассогласовании ли-
нии (Rr Ф р, RH Ф р) коэффициент трансформации
отличается от 1 и зависит от частоты. Для полу-
чения коэффициента трансформации отличного
от 1 (при сохранении условия Rr = р = 7?н) ис-
пользуют несколько линий, включая их парал-
344
РАДИОТЕХНИКА
16.2. ГЕНЕРАТОР С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
лельно или последовательно по входу и выходу
На Рис. 16.13, б две линии с одинаковым волно-
вым сопротивлением р подключены к генерато-
ру Г параллельно, а к нагрузке 7?н — последова-
тельно. При таком включении 7?г = р/2, 7?н = 2р,
откуда RH = 4Rr, т.е. коэффициент трансформа-
ции сопротивлений п = 1: 4. При этом нижняя
линия оказывается закороченной с обеих концов
и ее можно исключить из схемы (Рис. 16.13, в).
Если использовать вместо двух линий три, то
получим п = 1: 9. Поменяв местами генератор и
нагрузку, получим п = 4:1 или п = 9:1. При ис-
пользовании каскадного включения нескольких
ТДЛ можно получить другие коэффициенты
трансформации, в том числе и дробные.
С помощью ТДЛ к несимметричному гене-
ратору можно подключить симметричную на-
грузку (Рис. 16.13, г) и наоборот. ТДЛ исполь-
зуют в качестве СЗ в широкополосных транзи-
сторных РПдУ средней мощности. В выход-
ных каскадах их используют совместно с реак-
тивными четырехполюсниками или ФНЧ
трансформаторами [1, 4—6].
Резонансные согласующие звенья — транс-
форматоры сопротивлений, выполненные в ви-
де резонансных контуров на сосредоточенных
LC-элементах (до частот 300 МГц) или в виде
отрезков длинных линий (в основном полоско-
вых) — на более высоких частотах. Резонанс-
ные СЗ имеют узкую ПП и при изменении рабо-
чей частоты их необходимо перестраивать, что
является недостатком. Достоинством резонанс-
ных СЗ является высокий уровень Подавления
побочных частот (высших гармоник). Для
трансформирования собственного сопротивле-
ния нагрузки в необходимое сопротивление на-
грузки АЭ используют полное или частичное
подключение контура к АЭ или к нагрузке, что
позволяет получить требуемые коэффициенты
трансформации.
Для лучшего подавления побочных частот
в нагрузке АЭ необходимо подключать к ем-
костной ветви контура, а нагрузку — к индук-
тивной. Этим требованиям отвечает П-кон-
тур, аналогичный ФНЧ П-типа (Рис. 16.14, а).
При работе в диапазоне частот П-контур пере-
страивают изменением индуктивности. Коэф-
фициент трансформации П-контура зависит
только от соотношения емкостей конденсато-
ров Ci и С2 (с учетом паразитных емкостей
АЭ и нагрузки). В широкодиапазонных РПдУ
емкости П-контура перестраивают или пере-
ключают. При высоких требованиях по филь-
трации побочных частот в выходных каскадах
РПдУ применяют два-три связанных П-конту-
ра [1, 4, 7].
Узкополосные согласующие звенья —
трансформаторы сопротивлений., состоящие из
ГС-элементов в виде Г-, Т-, П-образных четы-
рехполюсников. Схемы узкополосных четы-
рехполюсников с ПП до 20...30% приведены
на Рис. 16.14. Такие четырехполюсники явля-
ются простейшими ФНЧ, в продольных вет-
вях которых включены индуктивности, а в по-
перечных — емкости, которые на частотах до
300 МГц выполняют на сосредоточенных эле-
ментах, а на более высоких частотах — на поло-
сковых линиях. Г-образный четырехполюсник
(Рис. 16.14, б) трансформирует сопротивление г
в R при условии, что R » г. Эквивалентная
добротность Г-звена Q = v(R/r) - 1 составля-
етот 2 до 20. Если Q < 2, следует вместо Г-зве-
на использовать П- или Т-звено. Если Q > 20
используют два или более Г-звеньев, соеди-
ненных последовательно. Чем меньше Q, тем
шире ПП СЗ и больше КПД и наоборот. Реак-
тивные элементы Г-звеньев определяются
формулами XL = Qr, Хс = R /Q. Значения L и С
определяют на максимальной частоте ПП.
П- и Т-образные четырехполюсники, со-
ставленные из двух Г-образных, соединенных
последовательно (Рис. 16.14, а, в), допускают
произвольное соотношение сопротивлений:
> R2 и Г] < > г2. Так, в П-образном четырех-
полюснике правое Г-звено трансформирует R2
в г0 (ПРИ ^2 >:> г0), а левое — г0 в Rx (при R\
» г0). Добротность звеньев Q\ = \Z(Rx/r0)- 1 и
02 = V(T?2/r0) - 1 • Аналогичные соотношения
можно получить для Т-образного четырехпо-
люсника.
Глава 16. РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
345
16.2. ГЕНЕРАТОР С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
В зависимости от соотношения согласую-
щих сопротивлений, требований по фильтра-
ции побочных частот и ПП реактивные четы-
рехполюсники могут состоять из нескольких
Г-, П-, Т-звеньев и переключаться в диапазоне
частот. При значениях коэффициента передачи
5 > Кпер >1.3 для трансформации сопротивлений
в заданной полосе частот применяют ФНЧ-
трансформаторы, при этом число реактивных
элементов в СЗ значительно возрастает [1, 5, 6].
16.3. КАСКАДЫ УСИЛЕНИЯ КОЛЕБА-
НИЙ ВЧ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТО-
ТЫ РПдУ осуществляют усиление колебаний
возбудителя по напряжению и мощности, а
также (при необходимости) умножение его ча-
стоты. Последний каскад передатчика является
выходным усилителем мощности (УсМ). Кас-
кады, расположенные между возбудителем и
выходным УсМ, называются промежуточными
УсМ или умножителями частоты (УЧ).
Выходной каскад — генератор с внеш-
ним возбуждением (ГВВ) РПдУ, нагрузкой
которого является антенна или фидер. В. к.
является самым мощным ГВВ, определяю-
щим большинство технических характерис-
тик РПдУ. Основные из них — обеспечение
заданной мощности в антенне, подавление
внеполосных гармонических излучений, а
также обеспечение основной энергетической
характеристики — КПД РПдУ. В В. к. малой
и отчасти средней мощности функцию АЭ
выполняют транзисторы, в В. к. большой
мощности — электронные лампы и другие
ЭВП. Антенна к АЭ подключается через со-
гласующие звенья (СЗ). В зависимости от вы-
ходной мощности, диапазона рабочих частот
функцию СЗ в В. к. выполняют: реактивные
четырехполюсники Г- и П-типа или ФНЧ-
трансформаторы, резонансные колебатель-
ные контуры (КК) — одиночные или связан-
ные. В диапазонных передатчиках средней и
большой мощности антенна, в большинстве
случаев, присоединяется к АЭ через КК. Схе-
ма В. к. с СЗ, выполненным в виде одиночно-
го КК и присоединенной к нему антенны, на-
зывается простой, а схема В. к. с СЗ, состоя-
щим из системы связанных контуров, —
сложной. В простой схеме В. к. даже при вы-
ходной мощности передатчика до 1 Вт очень
трудно обеспечить необходимое подавление
побочных частот, поэтому она почти не нахо-
дит применения [2, 4].
Выходной каскад сложной схемы — В. к., у
которого антенна присоединяется к АЭ через
систему двух или более связанных между со-
бой КК. Тот КК, в состав которого входит ан-
тенна, называют антенным контуром (АК), а
контуры, расположенные между АК и АЭ, —
промежуточными контурами (ПК). Связь меж-
ду АК и ПК может быть трансформаторной,
автотрансформаторной, емкостной. Если ан-
тенна с АК располагается на значительном
расстоянии от ПК, тогда между ними включа-
ют фидер (коаксиальный или двухпроводный).
На Рис. 16.15 изображены два варианта слож-
ной схемы В. к., где СЗ между антенной и АЭ
выполнено в виде двух связанных КК: с транс-
форматорной (Рис. 16.15, а) и с емкостной
(Рис. 16.15, б) связями между контурами. На-
стройка КК осуществляется изменением их
емкости или индуктивности. При необходимо-
сти связь между АК и ПК может быть регули-
руемой. О назначении вспомогательных эле-
ментов схемы см. ст. 16.2.
Энергетические соотношения в сложной
схеме В. к. определяют связь между мощностью
ВЧ колебаний, подводимой к зажимам антенны
РА, и мощностью, отдаваемой АЭ. Энергия ВЧ,
создаваемая АЭ, передается в антенну через СЗ
(ПК и АК), в которых часть ее теряется
346
РАДИОТЕХНИКА
16.3. КАСКАДЫ УСИЛЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ ВЧ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ РПдУ
Рд = 0.5 /д2 Гд = Рг Т|сз,
где /А — амплитуда тока в антенне; гА — ее ак-
тивное сопротивление; Т|сз = Лик Лф Лак —
КПД системы, связанных между собой КК и
фидера (если он есть).
Мощность, отдаваемая АЭ,
Р= 0.5 ^вых-^вых1»
где (/вых, 4ых1 — амплитуды напряжения и
первой гармоники тока выходного электрода
АЭ соответственно.
КПД промежуточного контура
Л ПК = ^АК /Рг = Гвн /(ГПК + гвн)>
где РАК = 0.5 /д2 гАК — мощность, подводимая
к антенному контуру; гПк — собственное со-
противление потерь в ПК; гАК = гА + гпот —
полное сопротивление АК с учетом собствен-
ных потерь; гвн = хсв2/^ак — вносимое сопро-
тивление из АК в ПК; хсв — реактивное сопро-
тивление связи между АК и ПК.
КПД антенного контура Лак ~ г а /гАк-
Оптимальный режим работы В. к. сложной
схемы — режим, при котором в АК или антен-
ну передается максимальная мощность при
фиксированном значении Рг. Максимальное
значение Рг достигается при работе каскада в
граничном режиме (ГрР) — см. ст. 16.2. На
Рис. 16.16 приведены зависимости нормиро-
ванной мощности, отдаваемой АЭ,
К = Р/Рг.гр,
а также нормированной мощности, передавае-
мой в АК, А = РАК /Рггр = УЛпк от нормирован-
ного сопротивления нагрузки АЭ
— Рэ ПКн /^э.гр,
где Рг — текущая мощность, развиваемая АЭ;
Рггр — мощность, отдаваемая АЭ в ГрР;
R, ПКн = Рпк2 /Опк + гвн) — эквивалентное
сопротивление нагруженного ПК; 7?эгр =
= ^выХ/4ых1 — сопротивление нагрузки АЭ в
ГрР; к = p2R3 пко/^э гр — коэффициент нагруз-
ки ПК; Дэпко = Рпк2/ гпк — эквивалентное
сопротивление ненагруженного ПК; рПк и
Лпк = 1 ~ Х/к — волновое сопротивление и
КПД ПК соответственно; р — коэффициент
включения ПК к АЭ. Зависимость Y = \|/(Л) яв-
ляется нагрузочной характеристикой ГВВ (см.
Рис. 16.9). Из Рис. 16.16 следует, что макси-
мум функции А = ф(Л) соответствует работе В.
к. не в ГрР, а в недонапряженном режиме (HP),
когда X < 1. (ПР — перенапряженный режим).
Таким образом, оптимальным режимом
работы сложной схемы В. к. является HP, при
этом уменьшение коэффициента нагрузки к
приводит к уменьшению Лпк и РАК- Для до-
стижения Лпк = 0.9...0.93 необходимо иметь
к = 10... 15. Для получения максимальной мощ-
ности в антенне ПК должен иметь высокие
значения R3 Пко и Лпк- Граничный режим дол-
жен обеспечиваться при минимальном значе-
нии R3 гр; при этом КПД АК должен быть мак-
симальным. Такие требования трудновыпол-
нимы в ламповых В. к., особенно в диапазонах
ОВЧ и УВЧ, даже при р = 1. В транзисторных
В. к. из-за малых значений R3 [р коэффициент
нагрузки к » 15, что требует использования
ПК ср < 1 [1,2, 4].
Подавление побочных частот в выходных
каскадах сложной схемы — способность вы-
ходных цепей РПдУ ослаблять колебания по-
бочных частот (высших гармоник колебаний
ВЧ), что необходимо для снижения уровня по-
мех другим каналам связи и радиовещания.
Согласно [8—12] допустимый уровень мощно-
сти побочных излучений РПдУ колеблется от
2.5 мкВт (для передатчиков малой мощности)
до 50 мВт (для передатчиков средней и боль-
шой мощности). Подавление высших гармо-
ник в В. к. происходит, в основном, благодаря
избирательным свойствам резонансных КК,
правильному подбору их числа и соответству-
ющему присоединению к ним антенны. В
мощных РПдУ применяют также дополнитель-
ные заградительные фильтры, настроенные на
высшие гармоники.
Выполнение норм побочных излучений
оценивается уровнем мощности n-й гармоники
в антенне
Глава 16. РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
347
16.3. КАСКАДЫ УСИЛЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ ВЧ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ РПдУ
Ра„ = Ра (<Vai Фе)2
где РА„ = 0.5 /А„2 гА„; аь а„ — коэффициенты
1-й и /i-й гармоник разложения импульсов вы-
ходного тока АЭ; ФЕ = ФПк Фак — общий ко-
эффициент фильтрации системы связанных
контуров.
Расчетные значения коэффициентов фильт-
рации КК для схемы В. к., изображенной на
Рис. 16.15, а, имеют вид:
Фпк = бпкн (и2 “ 1)> Фак = £?ак (л2 “ ^Уп 2>
где 2пкн = Рпк Д'*пк + гвн) = £?пко (1 ~ Лпк) —
добротность нагруженного ПК; 0АК — доб-
ротность АК; бпко — добротность ненагру-
женного ПК; п — номер гармоники.
Для схемы Рис. 16.15,0
Фпк = £?пкн(и2 - 1), Фак = £?ак (и2 - 1).
Увеличение бпко, £?ак и числа ПК, а также
числа емкостных связей (с АЭ и между ПК) су-
щественно повышает коэффициент подавле-
ния побочных частот, а увеличение КПД ПК
приводит к его понижению [1,4].
Промежуточные каскады — каскады,
расположенные между возбудителем и выход-
ным усилителем мощности (УсМ) передатчика
и предназначенные для последовательного
усиления колебаний возбудителя по напряже-
нию и мощности, а также (при необходимости)
для умножения частоты этих колебаний. В П. к.
может осуществляться управление колебания-
ми ВЧ с целью передачи информации.
Промежуточный усилитель мощности —
П. к., предназначенный для усиления мощности
колебаний одной или многих частот. Основное
требование к каскаду УсМ — обеспечение мак-
симального коэффициента усиления по мощнос-
ти, что способствует уменьшению числа П. к. в
РПдУ, улучшению его энергетических характе-
ристик и повышению надежности работы. В
УсМ с выходной мощностью до 500 Вт функцию
АЭ выполняют транзисторы, в более мощных —
электронные лампы. В щирокодиапазонных П.
к. на входе и выходе АЭ для междукаскадного
согласования используют апериодические цепи
(резистивные делители и трансформаторы), в уз-
кодиапазонных каскадах — реактивные четы-
рехполюсники и резонансные контуры. Первый
после возбудителя П. к. должен иметь большое
входное сопротивление и слабую связь с возбу-
дителем, что уменьшает влияние последующих
каскадов на режим работы и частоту возбудите-
ля. Все П. к. должны работать в режиме, близком
к граничному, с постоянной амплитудой выход-
ных колебаний в диапазоне частот [1,4].
Умножитель частоты (УЧ) — П. к., пред-
назначенный для преобразования частоты ко-
лебаний из низшей в более высокую, кратную.
УЧ используют в РПдУ диапазонов ОВЧ, УВЧ,
СВЧ для понижения рабочей частоты возбуди-
теля и увеличения девиации частоты при ЧМ
(см. Рис. 16.1). УЧ являются, как правило, ма-
ломощными каскадами, работающими с выде-
лением на выходе колебаний второй или треть-
ей гармоники. В качестве АЭ в УЧ использу-
ются транзисторы, а согласующие звенья (СЗ)
на выходе АЭ — ПФ или резонансные конту-
ры, настроенные на нужную гармонику. КПД
транзисторного УЧ не превышает 30...40%. В
диапазоне СВЧ наряду с транзисторами в УЧ
используют варакторы. Коэффициент умноже-
ния варакторных УЧ достигает 8, а КПД при п
= 2...3 составляет 70...80% при значительных
уровнях выходной мощности. Варакторные
УЧ часто являются выходными каскадами
РПдУ диапазона СВЧ [1, 3, 4].
16.4. ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ — генератор элект-
ромагнитных колебаний оптического диапазона
частот (ОДЧ). Линии ОДЧ работают открытым
световым лучом или используют распростране-
ние электромагнитных колебаний по оптичес-
ким световодам. Работоспособность линии свя-
зи первого вида существенно зависит от про-
зрачности среды, и она может эффективно при-
меняться только в космическом пространстве.
Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС)
широко используются в земных условиях для
передачи большого объема информации с высо-
кой скоростью. Генерирование колебаний ОДЧ
осуществляется лазерами различных типов.
В состав передатчика ОДЧ входят: источ-
ник когерентного излучения — лазер с гене-
ратором накачки; модулятор; оптическое уст-
ройство для формирования луча и введения
его в ВОЛС. В лазерных передатчиках приме-
няют те же виды модуляции, что и в радиоди-
апазоне (AM, разные виды ИМ, а также ЧМ и
ФМ). Наиболее эффективным способом мо-
дуляции когерентного излучения является
ИМ, особенно ИКМ. Когерентное излучение
лазера модулируется двумя способами: непо-
средственно сообщением или с помощью
ПНсЧ (в несколько гигагерц), модулируемой
сообщением [1, 2].
348
РАДИОТЕХНИКА
16.5. ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО РАДИОВЕЩАНИЯ
16.5. ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
РАДИОВЕЩАНИЯ — устройство, предназ-
наченное для передачи речевых и музыкаль-
ных программ, принимаемых большим чис-
лом радиослушателей с помощью РПрУ
(см. ст. 13.4). Согласно [12] для радиовещания
отведены следующие полосы частот: 150.. .285 и
525.. .1605 кГц в диапазонах НЧ, СЧ; 4.. .26 МГц
в диапазоне ВЧ; 66...74 и 100... 108 МГц в ди-
апазоне ОВЧ. Выходная мощность передатчи-
ков: от 1 до 1200 кВт в диапазонах НЧ и СЧ; от
1 до 15 кВт в диапазоне ОВЧ. РПдУ НЧ, СЧ и
ВЧ работают в классе радиоизлучения АЗЕ
(см. ст. 1.5) с полосой модулируемых частот
50... 10000 Гц и максимальным коэффициентом
модуляции 100%, допустимой нестабильностью
частоты ±1 Гц; РПдУ ОВЧ — в классе радиоиз-
лучения F3E с девиацией частоты ±50 кГц, по-
лосой модулируемых частот 30... 15000 Гц и
допустимой нестабильностью частоты ±50 Гц.
Общий (промышленный) КПД радиовещатель-
ных передатчиков составляет 50...70%, время
непрерывной работы — 24 ч.
Структурная схема типового радиовеща-
тельного передатчика с AM, который работает
в диапазоне частот 4...26 МГц с выходной
мощностью (в несущем режиме) 100 кВт при
относительной нестабильности частоты 10~7,
изображена на Рис. 16.17, а. Возбудителем пе-
редатчика может служить один из шести квар-
цевых автогенераторов Г или синтезатор час-
тоты СнЧ с дискретной сеткой частот и шагом
100 Гц. Тракт усиления ВЧ состоит из трех
широкополосных усилителей ШПУ и трех ре-
зонансных каскадов усилителей мощности
УсМ. С выходного УсМ через фильтр гармо-
ник ФНЧ энергия ВЧ колебаний поступает в
двухпроводный фидер и антенну. В передатчи-
ке применена тройная модуляция на два по-
следних каскада (см. ст. 16.9). Модуляционное
устройство — шестикаскадное, четыре
каскада двухтактные.
Структурная схема радиовещательного ЧМ
передатчика диапазона ОВЧ, работающего на
одной из фиксированных частот диапазона
66...74 МГц, представлена на Рис. 16.17, б.
Для повышения надежности тракт ВЧ состоит
из двух ЧМ возбудителей (рабочего и резерв-
ного) и двух полукомплектов генераторов с
внешним возбуждением, каждый из которых
включает два умножителя частоты УЧ! (УЧ2) и
три усилителя мощности УсМ! (УсМ2). Выход-
ная мощность каждого полукомплекта состав-
ляет 7.5 кВт. Питание полукомплектов и возбу-
дителей раздельное. Мощность полу комплек-
тов суммируется в мосте сложения мощностей
МСМ, после чего энергия ВЧ через раздели-
тельный фильтр РзФ поступает в коаксиаль-
ный фидер и антенну. В аварийном режиме вы-
полняется автоматическое переключение воз-
будителей или подключение работающего по-
лукомплекта к фидеру в обход МСМ. Через
РзФ к фидеру возможно присоединение других
передатчиков диапазона ОВЧ. Антенны РПдУ
располагают на башне вместе с антеннами
станций ТВ [4, 6].
Глава /6. РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
349
16.6. ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО РАДИОСВЯЗИ
16.6. ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
РАДИОСВЯЗИ — устройство, являющееся
составной частью радиотехнической системы
передачи информации (см. ст. 1.17, 18.4).
Передающее устройство магистраль-
ной связи — устройство, предназначенное
для передачи большого количества разнооб-
разной информации на значительные расстоя-
ния [8]. П. у. м. с. работают в диапазоне час-
тот 1.5...30 МГц и имеют ряд номинальных
мощностей: 1, 5, 20, 100 кВт. Введение ин-
формации и управление такими устройства-
ми осуществляется дистанционно с расстоя-
ния до 60 км. Круглосуточная эксплуатация
устройств и смена потребителей информации
требуют частой смены рабочих частот. Возбу-
дители П. у. м. с. обеспечивают их работу в
диапазоне дискретного множества частот с
шагом 100 Гц и менее при относительной не-
стабильности частоты 10-7.. .5-10-8. Число на-
перед заданных частот, на которые устройст-
во перестраивается автоматически в течение
1.5...3 мин, равняется 10. Нагрузкой П. у. м. с.
является одна из нескольких направленных
антенн. Средняя мощность допустимых по-
бочных излучений не превышает 50 мВт.
Промышленный (общий) КПД составляет
35...45%.
Структурная схема типового П. у. м. с., ра-
ботающего в диапазоне частот 3...30 МГц с
выходной мощностью 20 кВт, представлена
на Рис. 16.18. В состав возбудителя входят
синтезатор частоты СнЧ, обеспечивающий
работу РПдУ в заданном диапазоне частот с
шагом сетки 10 Гц, и формирователь видов
работы ФВР, формирующий следующие клас-
сы радиоизлучения: А1А, FIB, F7B, R3E, R8E,
ИЗЕ, J3E, Л В, R7B, B9W, АЗС, F\C (см. ст.
1.5). Тракт усиления сигналов возбудителя со-
стоит из трех каскадов широкополосного ли-
нейного усиления ШПУ и двух резонансных
усилителей мощности УсМ (на лампах — тет-
родах). К выходу последнего УсМ через со-
Рис. 16.18
гласующее звено, ФНЧ и коммутатор антенн
КА присоединяется одна из пяти антенн. Ав-
томатическая система управления АСУ позво-
ляет дистанционно управлять режимом рабо-
ты передатчика: включать ИП каскадов, осу-
ществлять автоматическую настройку конту-
ров УсМ, контролировать мощность в фидере
и др. Аналогичные структурные схемы имеют
другие П. у. м. с. [4, 6].
Передающее устройство подвижной
службы — устройство, обслуживающее мо-
бильные линии двухсторонней радиосвязи, к
которым относятся линии сухопутной, мор-
ской и воздушной служб. Передатчики этой ка-
тегории, в большинстве случаев, входят в со-
став радиостанций (PC) и комплектуются сов-
местно с РПрУ, что необходимо в основном
для оперативного обмена информацией. PC по-
движной службы работают в симплексном и
дуплексном режимах (см. ст. 18.14).
Передающее устройство сухопутной по-
движной службы с ОМ — устройство, предназ-
наченное для связи с подвижными объектами
(автомобилями, поездами, пешеходами) [9].
РПдУ этой категории в составе PC работают в
диапазоне частот 1.6.. .30 МГц, при этом каждой
PC отводится 1.. .5 фиксированных частот. Неко-
торые PC снабжаются синтезаторами частоты и
работают на многих фиксированных частотах.
Нестабильность частоты возбудителей составля-
ет 20... 50 Гц. Пиковая мощность передатчиков
колеблется от 0.5 Вт для носимых PC до 150 Вт
для возимых. Во всех PC в качестве АЭ исполь-
зуются транзисторы и ИС. Классы радиоизлуче-
ния: J3E, НЗЕ, J2B (см. ст. 1.5, [2, 6]).
Передающее устройство подвижной
службы с ЧМ и ФМ — устройство, которое в
составе PC обеспечивает оперативную связь
следующих служб: государственных, производ-
ственных, коммерческих линий связи; связи с
автомобильным и железнодорожным транспор-
том [10]; сотовых структур связи между двумя
любыми точками территории с возможностью
выхода на городские телефонные линии. Диа-
пазон частот PC — от 30...40 МГц до 1 ГГц.
Выходные мощности передатчиков: стационар-
ных — 20.. .60 Вт; возимых — 5... 15 Вт; носи-
мых — 0.5...2 Вт. Во всех PC используются
транзисторы и ИМС. Число фиксированных ча-
стот — от 1.. .3 до многих десятков. Разнос ча-
стот между соседними каналами — 25 кГц. До-
пустимая нестабильность.частоты не превыша-
ет Ю^.Л-Ю-6. Классы радиоизлучения: F3E,
G3E — см. ст. 1.5, [1,2].
350
РАДИОТЕХНИКА
16.7. ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО РАДИОРЕЛЕЙНОЙ ЛИНИИ КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
Передающее устройство подвижной служ-
бы судовое — устройство, предназначенное для
связи береговых служб с речными, морскими
судами или между судами [11]. Диапазон рабо-
чих частот передатчиков — 0.4.. .26 МГц. Допу-
стимая нестабильность частоты не более
10.. .50 Гц. Пиковая выходная мощность состав-
ляет 150... 1500 Вт. В качестве АЭ используют-
ся транзисторы и лампы (в выходных каскадах).
Классы радиоизлучения: А1А, A2A, Н2А, НЗЕ,
R3E, J3E, Л В, F1B (см. ст. 1.5). Морские РПдУ
работают с дискретной сеткой частот. Режимы
работы — симплексный и дуплексный.
Передающее устройство воздушной служ-
бы — наземное или самолетное устройство,
предназначенное для связи экипажа самолета с
пунктами управления, а также с экипажами дру-
гих самолетов. В зависимости от дальности свя-
зи на борту самолета имеются PC дальней и
ближней связи. PC дальней связи (связные) име-
ют радиус действия до 2...6 тыс. км, выходная
мощность передатчиков 20...400 Вт, диапазоны
рабочих частот 0.2... 1.5 МГц и 2...30 МГц. PC
ближней связи (командные) работают на часто-
тах 118... 136 и 220.. .400 МГц с выходной мощ-
ностью передатчиков 5...20 Вт. Все бортовые
РПдУ оснащены СнЧ с шагом сетки: 100 Гц (в
диапазоне 2...30 МГц); 25 кГц (в диапазоне
118... 136 МГц); 50 кГц (в диапазоне 220...400
МГц). Допустимая нестабильность частоты СнЧ
составляет 1О-5...21О-7. Классы радиоизлуче-
ния: передатчиков дальней связи — НЗЕ, R3E,
А1А, A IB, F1A; ближней связи — АЗЕ. Режимы
работы — симплексный и дуплексный.
16.7. ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
РАДИОРЕЛЕЙНОЙ ЛИНИИ КОСМИ-
ни информации от передатчика к приемнику,
расположенных на Земле, через ретрансляторы
(РТр), расположенные на ИСЗ (см. ст. 18.14).
Связь через ИСЗ в основном аналогична связи
с помощью наземных РРЛ с тем отличием, что
для передачи информации на расстояние
16... 18 тыс. км число промежуточных актив-
ных РТр составляет всего один-два. Через
спутниковые линии связи передают програм-
мы ТВ и радиовещания, телефонные и теле-
графные сообщения, а также изображения га-
зетных полос фототелеграфным способом. Для
систем спутниковой связи используется диа-
пазон частот 4... 15 ГГц. Частоты для передачи
сигналов по линии Земля — ИСЗ существенно
отличаются от частот ИСЗ — Земля. При пе-
редаче программ ТВ и радиовещания линия
ИСЗ — Земля обеспечивает прием сигналов от
одного ИСЗ большим числом приемных пунк-
тов. Мощность РПдУ наземных станций со-
ставляет единицы—десятки киловатт, борто-
вых РТр — десятки—сотни ватт. Структурная
схема РПдУ наземной станции космической
связи через РТр аналогична структурной схеме
передатчика РРЛ наземной связи (см. ст. 16.8 и
Рис. 16.20) с дополнением на выходе каскада
усилителя мощности УсМ на клистроне, а так-
же системы автоматического слежения за спут-
ником и регулированием мощности передатчи-
ка в зависимости от расстояния ИСЗ — Земля.
Передатчик имеет параболическую антенну
диаметром 12 м с раствором главного лепестка
0.2° и коэффициентом усиления 56 дБ.
На Рис. 16.19 приведен один из вариантов
структурной схемы передающей части борто-
вого РТр, работающего на частотах 6/4 ГГц
Глава 16 РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
351
16.7. ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО РАДИОРЕЛЕЙНОЙ ЛИНИИ КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
шириной ДН 22...30° и коэффициентом усиле-
ния 26 дБ, через разветвитель Рзв и раздели-
тельный фильтр РзФ] поступают к РПрУ]. На
вход передатчика сообщение (групповой теле-
фонный сигнал, программа ТВ или радиовеща-
ния) поступают от УПЧ приемника на частоте
90 МГц. С помощью гетеродина СВЧ (ГСВЧ),
преобразователя частоты ПрЧ и полосового
фильтра ПФ формируются сигналы частоты
передатчика, которые после усилителей мощ-
ности УсМ15 УсМ2 на ЛБВ с коэффициентом
усиления 50...75 дБ через РзФ2 и Рзв поступа-
ют в антенну (ФрВ — ферритовый вентиль).
Для обеспечения высокой надежности на РТр
предусмотрено тройное резервирование при-
емника, передатчика и двойное — антенной
системы. Прием сигналов спутникового РТр
осуществляется наземными станциями типа
«Орбита» [2, 6].
16.8. ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
РАДИОРЕЛЕЙНОЙ ЛИНИИ НАЗЕМНОЙ
СВЯЗИ — устройство, предназначенное для
передачи информации на расстояние 40.. .50 км
с последующей ретрансляцией (см. ст. 18.14).
РРЛ используют для передачи многоканальных
телефонных и телеграфных сигналов, про-
грамм радиовещания и ТВ. Они работают в
диапазоне частот 0.4... 15 ГГц. Выходная мощ-
ность передатчиков составляет 0.2... 10 Вт. В
РРЛ малой емкости (с числом телефонных ка-
налов до 60) используется временное уплотне-
ние каналов при ВИМ или ИКМ, а при числе
телефонных каналов больше 600 — частотное
уплотнение каналов (предусматривается также
передача ТВ программ).
Структурная схема передатчика РРЛ (ко-
нечной станции большой емкости) изображена
на Рис. 16.20. Возбудитель передатчика состо-
ит из кварцевого автогенератора (АГ) на 85
МГц, буферного усилителя БУ, умножителя ча-
стоты на 3 УЧ], каскадов усиления напряжения
частотой 255 МГц УН], трехкаскадного варак-
торного умножителя частоты на 24 УЧ2 и филь-
тра ПФ], после которого сигналы возбудителя с
частотой 6.12 ГГц мощностью 0.25 Вт поступа-
ют на преобразователь частоты ПрЧ. На второй
вход ПрЧ после усиления в УПЧ поступают
сигналы от АГ с ПЧ 70 МГц. АГ модулируется
по частоте групповым телефонным или ТВ сиг-
налом. С выхода ПрЧ после ферритового вен-
тиля ФрВ], ПФ2 и ФрВ2 сигналы суммарной
частоты подаются в УсМ СВЧ на ЛБВ или мно-
гокаскадный транзисторный усилитель. Выход-
ной сигнал мощностью от 3 до 10 Вт после
ФрВ3 поступает в антенну [2, 3, 6, 7].
16.9. ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
СИГНАЛОВ С AM — устройство, в котором
сообщения управляют амплитудой ВЧ колеба-
ний при неизменной их частоте. AM осуществ-
ляется во всех радиовещательных передатчи-
ках диапазона НЧ, СЧ и ВЧ, в некоторых пере-
датчиках подвижной радиосвязи и в ряде дру-
гих РТС. Различают следующие способы осу-
ществления AM: изменением напряжения сме-
щения на управляющем электроде АЭ, измене-
нием напряжения питания выходного электро-
да АЭ, одновременным изменением напряже-
ний на нескольких его электродах.
Энергетические соотношения при AM ус-
танавливают связь между напряжениями, тока-
ми и мощностями модулируемого каскада. Ес-
ли модулирующий сигнал
Рис. 16.20
352
РАДИОТЕХНИКА
16.9. ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО СИГНАЛОВ С AM
Wq (0 = COsQ/,
а модулируемый (несущий)
WH (0 = Um0 COSCO/,
где UmQ — амплитуда несущей (индекс «0» оз-
начает принадлежность к несущему колеба-
нию, режиму работы при отсутствии модуля-
ции), то мгновенное значение AM колебаний
выразится так:
Мам (t) = Umcos(nt = (UmQ + (7qCOsQ/)cosco/ =
= Um0 (1 + m cosQ/) coscoz,
где коэффициент амплитудной модуляции
т = U& /UmQ. При этом мгновенное значение
тока в антенне передатчика составит
1А = *А (0 = /ао(1 + /ЯССЖП/) COSCO/.
Максимальное значение тока в антенне
/дтах = /аоО + тУ Мощность, передаваемая в
антенну при отсутствии модуляции РА0 =
= 0.5 /А02 гА; максимальная (пиковая) мощ-
ность в антенне
/^Атах -0.5 /Атах ^А “ -^АоО w) •
Мощность в антенне, усредненная за пери-
од модулирующей частоты,
^Аср=^А0(1 +0.5W2).
AM на выходной электрод активного
элемента — управление колебаниями ВЧ,
при котором по закону передаваемого сооб-
щения изменяется напряжение питания вы-
ходного электрода АЭ (коллектора, анода).
Источник сообщения включается последова-
тельно с ИП выходного электрода. Модулиру-
ющим фактором является сумма напряжений
£вых (0 “ £вых 0 + ^£2 COsQ/ — £Вых.о( 1 +
+ mcosQ/).
Зависимости /выхЬ /вых_, /вх_ от £вых> где
/вых1 — амплитуда первой гармоники выходно-
го тока; /вых_, 4х- — постоянные составляющие
выходного и входного токов, £вых — напряже-
ние питания выходного электрода, при неиз-
менных других напряжениях являются статиче-
скими модуляционными характеристиками
(СтМХ) при AM на выходные электроды АЭ.
При уменьшении £вых токи /вых1 и /вых_ умень-
шаются до нуля, а входные токи /вх1, /вх_ резко
возрастают, что приводит к увеличению вход-
ной мощности Рвх, уменьшению коэффициента
усиления по мощности Кр и переходу модули-
руемого каскада в перенапряженный режим.
Ослабить эти явления и улучшить линей-
ность статической модуляционной характерис-
тики можно, применив дополнительное авто-
смещение в цепи входного электрода АЭ. При
этом осуществится неглубокая автоматическая
модуляция смещением. Еще лучшей линейнос-
ти СтМХ можно добиться при дополнительной
модуляции предыдущего каскада. Использова-
ние третьего модулирующего фактора (подмо-
дуляции возбуждением) позволяет поддержи-
вать на всем протяжении СтМХ режим генера-
тора, близкий к граничному. Такой способ AM
носит название тройной модуляции на выход-
ной электрод. Тройная AM используется в вы-
ходных каскадах РПдУ.
AM на выходные электроды АЭ является
высокоэффективным способом модуляции.
КПД модулируемого каскада не изменяется в
процессе модуляции и остается высоким
(70...75%). Недостатком этого способа моду-
ляции является необходимость иметь мощное
модуляционное устройство с = 0.5 т2
/’вых о- « 0.7 Рг0, где Рвых о— — мощность, по-
требляемая выходными электродами АЭ каска-
дов ВЧ от ИП с напряжением £вых0. а Рг0 —
мощность, отдаваемая в нагрузку АЭ каскада-
ми ВЧ при отсутствии модуляции. Модулиру-
ющее устройство при AM на выходной элект-
род является многокаскадным У34. Суммар-
ный КПД генератора и модулятора при этом
составляет 50...60% [1, 2, 4].
AM анодно-экранная — комбинированная
AM, при которой в ламповых усилителях
мощности на тетродах и пентодах одновре-
менно изменяются напряжения питания ано-
да и экранирующей сетки при синфазном
воздействии модулирующего сигнала на оба
электрода. Модулирующими факторами в це-
пях анода и экранирующей сетки являются
£А (0 = Еао + t/At2cosfh и ЕС2 (0 = ЕС2о +
+ ^/C2qCOsQ/. Токи /А1, /а_, /С2_ при увеличе-
нии £а и £С2 растут. Режим работы каскада
сохраняется неизменным, близким к гранич-
ному, а его КПД немного меньше, чем при
модуляции на анод. Мощность модулятора
Pq = 0.5аи2(Рвых о- + Рего-) [2, 4].
AM на управляющий электрод активно-
го элемента — управление колебаниями ВЧ,
Глава 16. РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
353
12-2959
16.9. ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО СИГНАЛОВ С AM
при котором по закону сообщения изменяется
напряжение смещения (или возбуждения) на ба-
зе транзистора или управляющей сетке лампы.
AM изменением смещения на управляющем
электроде АЭ — модуляция, при которой сооб-
щение подают последовательно с источником
смещения на базу транзистора или управляю-
щую сетку лампы. Суммарное напряжение сме-
щения на электроде £см(/) = £Смо + CfocosQ/, а
ток выходного электрода АЭ определятся по
СтМХ /вых1, /вых- = Ф(^см)- Максимуму значения
токов соответствуют £см max = £смо + и рабо-
та модулируемого каскада в граничном режиме.
Другие точки СтМХ соответствуют недонапря-
женному режиму. Недостатком модуляции сме-
щением на управляющий электрод является
трудность обеспечения высокой линейности
СтМХ, а также низкий КПД каскада [1,2].
AM изменением напряжения возбуждения
— управление колебаниями ВЧ, при котором
по закону сообщения изменяется напряжение
возбуждения мвозб = (/возб0 (1 + jhcosQ/)cosco/,
что возможно, если в одном из предыдущих ка-
скадов выполняется первичная модуляция, на-
пример, смещением. Такой способ модуляции
называется усилением модулируемых колеба-
ний. Коэффициент AM на выходе зависит от
выбора угла отсечки выходного тока [1]. КПД
модулируемых каскадов при модуляции на уп-
равляющий электрод (смещением и возбужде-
нием) изменяется от нуля (при /вых1 = 0) до
70...75% (при максимальном значении /вых1).
Среднее значение КПД за период cosQ/ со-
ставляет 30.. .40%, что является существенным
недостатком этих способов AM. Преимущест-
во AM на управляющий электрод — неболь-
шая мощность, потребляемая от источника со-
общения [1,2].
Амплитудная манипуляция — частный
случай AM, при котором амплитуда колебаний
ВЧ изменяется скачком по специальному теле-
графному коду. АМн в большинстве случаев
осуществляют изменением напряжения смеще-
ния на управляющем электроде маломощных
каскадов так, чтобы во время передачи инфор-
мации обеспечивался оптимальный режим ра-
боты АЭ, а в паузе он был закрыт. Полоса час-
тот РПдУ при АМн зависит от скорости теле-
графирования и значительно уже, чем при AM,
что повышает помехоустойчивость канала свя-
зи (см. ст. 17.22). Однако при большой скорости
манипуляции помехоустойчивость ухудшается.
Амплитудный модулятор — выходной ка-
скад тракта УЗЧ, на входе которого включен
микрофон или другой источник сообщения.
А. м. обеспечивает на нагрузке напряжение и
мощность, достаточные для осуществления
AM. Для обеспечения высокого КПД выходные
и предвыходные каскады УЗЧ выполняют по
двухтактной схеме при работе АЭ в режиме В.
В А. м. современных РПдУ используют также
ключевой режим, что существенно повышает
КПД. Искажения сообщений при AM опреде-
ляются в основном трактом УЗЧ. ВЧ тракт их
почти не вносит. Для получения минимальных
нелинейных искажений и требуемой частотной
характеристики в модуляторах применяют глу-
бокую ООС [1,2].
Модуляционные характеристики при
AM — зависимости модулированных параме-
тров от модулирующих. Статические модуля-
ционные характеристики (СтМХ) — зависи-
мости амплитуд первой гармоники и постоян-
ных составляющих выходного тока АЭ от мо-
дулирующего фактора (напряжения питания
соответствующего электрода). Амплитудная
динамическая модуляционная характеристика
(ДнМХ) — зависимость коэффициента AM
от амплитуды модулирующего напряжения
т = ф((/о) при F = const. Частотная ДнМХ —
зависимость т = \|/(£) при = const. По сте-
пени отклонения СтМХ и ДнМХ от линейнос-
ти можно судить о нелинейных и частотных
искажениях сигнала [4].
16.10. ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
СИГНАЛОВ С ИМПУЛЬСНО-АНАЛОГО-
ВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ — устройство, в кото-
ром модуляцию НсЧ осуществляют последо-
вательностью видеоимпульсов. При этом ан-
тенна РПдУ излучает последовательность ра-
диоимпульсов, параметры которых функцио-
нально связаны с передаваемым аналоговым
сообщением. ИМ применяется в многоканаль-
ных РРЛ и других радиоимпульсных устройст-
вах, работающих в диапазонах УВЧ и СВЧ. В
зависимости от того, какой параметр видеоим-
пульсов изменяется по закону сообщения, раз-
личают такие виды ИМ: АИМ, ШИМ, ВИМ,
ИКМ. Подробнее о методах осуществления
ИМ см. ст. 17.21 и [1,2].
16.11. ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
СИГНАЛОВ С ОДНОПОЛОСНОЙ МОДУ-
ЛЯЦИЕЙ — устройство, в котором передат-
чиком излучается только одна боковая полоса
(ОБП) частот AM колебаний, вторая боковая
полоса колебаний и НсЧ подавляются в про-
цессе формирования ОМ сигнала (см. ст.
19.10). При AM с коэффициентом модуляции
354
РАДИОТЕХНИКА
16.11. ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО СИГНАЛОВ С ОДНОПОЛОСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
т = 1 на долю колебаний НсЧ приходится 67%
общей мощности РПдУ, а на одну боковую по-
лосу частот, содержащую полезную информа-
цию, — только около 17%. При среднем значе-
нии т = 0.4...0.5 на долю ОБП приходится
только 4...6% всей мощности РПдУ. При ис-
ключении из спектра AM колебаний НсЧ и пе-
редаче только одной боковой полосы сужается
спектр излучения передатчика, ослабляется
эффект селективного замирания сигнала. Бла-
годаря этому при переходе от AM к ОМ воз-
можно уменьшение мощности передатчика в
8... 12 раз при фиксированной чувствительнос-
ти приемника. Такой энергетический выигрыш
является существенным достоинством ОМ по
сравнению с AM. Недостатком ОМ является
усложнение схемы возбудителя и необходи-
мость повышения стабильности его частоты, а
также усложнение схемы РПрУ. ОМ широко
используется в системах магистральной и по-
движной связи диапазонов СЧ, ВЧ и частично
ОВЧ (см. ст. 17.18). Существует несколько спо-
собов формирования ОМ сигнала: фильтро-
вый, фазокомпенсационный, фазофильтровый
и др. Наибольшее распространение получил
фильтровый способ.
Усилитель ОМ колебаний — многокас-
кадный линейный тракт усиления колебаний
РПдУ с ОМ. К таким усилителям предъявля-
ются жесткие требования по коэффициенту не-
линейных искажений, возникающих из-за не-
линейности характеристик АЭ. Высокая ли-
нейность статической модуляционной характе-
ристики обеспечивается только при работе
усилителя в режиме А, который из-за малого
КПД применяют только в маломощных каска-
дах. В усилителях ОМ колебаний допускается
применение и режима В при использовании
АЭ со специальной ВАХ. В усилителях сред-
ней и большой мощности используются тран-
зисторы и лампы — тетроды с нижним изги-
бом ВАХ параболической формы. Ламповые
усилители работают без сеточных токов при
использовании ламп по мощности на 60.. .80%.
Использование транзисторов по мощности со-
ставляет 30...50%. КПД линейных усилителей
при максимальной выходной мощности дости-
гает 70%. Средний КПД усилителей ОМ коле-
баний составляет 30...40% [2, 4].
Фильтровый способ формирования ОМ
сигнала — способ получения ОМ колебаний
последовательными преобразованиями: подав-
лением колебаний НсЧ с помощью балансных
модуляторов (БМ) и выделением одной боковой
полосы частот с помощью ПФ. Формирование
ОМ колебаний осуществляется в возбудителях
РПдУ, все последующие каскады работают в ре-
жиме усиления модулированных колебаний.
На Рис. 16.21 приведен вариант структур-
ной схемы возбудителя ОМ колебаний, содер-
жащий два независимых канала для передачи
телефонных (ТФ) и телеграфных (ТГ) сообще-
ний со спектрами ХЕТФ и ХЕТГ соответственно.
Синтезатор частоты СнЧ является источником
высокостабильных колебаний: фиксированных
ПНсЧ= 200...500 кГц и/2 = 2...3 МГц, а так-
же дискретной сетки частот/3 = 8...30 МГц.
Сигналы сообщений со спектрами ХЕТФ и
SFTr после усилителей напряжения УН/ и
УН/' поступают на балансные модуляторы
БМ/ и БМ/'. На вторые входы модуляторов
поступают сигналы фиксированной частоты
от СнЧ. На выходах БМ/ и БМ/' создаются по
две боковые полосы (БП) без НсЧ f\ ±LFTO и
/1 ±EFTr, поступающие на фильтры ПФ]' и
ПФ/'. После ПФ образуются две БП с незави-
симыми сигналами сообщений J\ + ХГТФ и
/1 - SFTr, которые через УН2 подаются на БМ2,
на второй вход БМ2 поступает сигнал ПНсЧ
f2 от СнЧ. Фильтр ПФ2 пропускает верхнюю
БП/г + (fi + £Ртф) и/2 + (fi - S-Ftf)- Получен-
ные сигналы БП после усиления УН3 поступа-
ют на БМ3, на второй вход которого подаются
сигналы частоты fa от СнЧ. Фильтр ПФ3 от-
Глава 16. РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
355
16.11. ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО СИГНАЛОВ С ОДНОПОЛОСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
фильтровывает верхнюю или нижнюю БП так,
что на выходе возбудителя образуются незави-
симые БП частот с двумя различными сообще-
ниями/о + 2^ТФ и/о - ^Гтг, где/0 =/з - (/2 +/1)
является НсЧ возбудителя.
Функции БМ выполняют кольцевые диод-
ные модуляторы; ПФ/ и ПФ/'— высокодоб-
ротные электромеханические фильтры (при
fi = 500 кГц); ПФ2, ПФ3 — фильтры на сосре-
доточенных ZC-элементах. При необходимос-
ти неполного (частичного) подавления НсЧ
ослабленный сигнал ПНсЧ f через аттенюа-
тор Ат подается на БМ2, после чего одновре-
менно с сигналами БП формируется остаток
сигнала НсЧ /0, уровень которого регулирует-
ся Ат. Выходная мощность возбудителя ОМ
сигнала составляет 1...5 мВт [2, 4].
Балансный модулятор — ПрЧ (или смеси-
тель), у которого в процессе AM подавляется
НсЧ. В состав БМ входят нелинейные АЭ —
транзисторы или диоды, включенные по мос-
товой или кольцевой схеме. На Рис. 16.22 изо-
бражена схема кольцевого БМ, выполненного
на четырех диодах, которую можно рассматри-
вать как параллельное соединение двух БМ:
первого — на VDX и ГО2, второго — на VD3 и
VD4. Колебания НсЧ Uo на обе группы диодов
поступают через трансформатор TV2 и конден-
саторы Сь С2 в фазе, а колебания сообщения
— через трансформатор TV\ в противофазе.
Последовательно с диодами включены резис-
торы для уменьшения нагрузки на ис-
точники напряжений U&. Резистор Rs слу-
жит для балансировки схемы. При отсутствии
схема сбалансирована и на выходе TV3 на-
пряжение отсутствует (£7Юо = 0). При появле-
нии U& схема разбалансируется, на выходе TV3
появляется напряжение и^±п-
Кольцевой БМ обеспечивает на выходе до-
статочно чистый спектр частот БП (с малым чис-
лом комбинационных составляющих). Для полу-
чения малых нелинейных искажений напряже-
ние (7Юо должно быть в 15...20 раз больше U&.
Уровень подавления НсЧ в кольцевых БМ со-
ставляет 35...40 дБ. Кольцевые БМ выполняют-
ся также на ИС (К235МП1, К14ОМА1 и др.) [4].
16.12. ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
СИГНАЛОВ С УГЛОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
— устройство, в котором сигналы сообщения
воздействуют на полный фазовый угол гармо-
нических колебаний ВЧ. При этом напряжение
модулированных колебаний изменяется по за-
кону u(t) = (УсозФ = (7cos(ov + VmSinQ/), гДе
(Оо — средняя частота ВЧ колебаний; =
= Дсо^/Q — индекс модуляции; Дсош — девиа-
ция частоты. Понятие УМ объединяет как ЧМ,
так и ФМ, так как мгновенная частота (О и пол-
ная фаза Ф связаны соотношением
d& f
(О = —— И Ф = J (Ot/t
dt о
Косвенный способ ЧМ — способ УМ, при
котором в тракте усиления колебаний высоко-
стабильного автогенератора осуществляется
ФМ, которая с помощью корректирующего
фильтра (интегрирующей цепи), включенного в
цепь модулирующего сигнала, преобразуется в
ЧМ. Функцию фазового модулятора выполняет
варикап, включенный в колебательный контур
маломощного усилителя напряжения. При ФМ
не удается получить девиацию фазы больше
0.5... 1 рад, что соответствует малым значениям
девиации частоты Д(0ш. Для увеличения Дсош в
последующих каскадах применяют умножение
частоты, при котором повышается как средняя
частота, так и ее девиация. Кратность умноже-
ния зависит от необходимого значения девиа-
ции частоты на выходе РПдУ. При косвенном
способе ЧМ модуляция осуществляется вне
возбудителя, что способствует получению вы-
сокой стабильности частоты передатчика [1,4].
Прямой способ ЧМ — способ УМ, при ко-
тором по закону модулирующего сигнала изме-
няется частота автогенератора (АГ). Управле-
ние последней осуществляется при помощи ча-
стотного модулятора, функцию которого вы-
полняет варикап, включенный в колебательный
контур АГ. При П. с. ЧМ в бескварцевом АГ
можно получить значительные уровни девиа-
ции частоты, однако относительная нестабиль-
ность средней частоты при этом будет хуже,
чем 10 ...КГ4. Для уменьшения нестабильно-
сти частоты используют АПЧ АГ, что усложня-
ет схему возбудителя. П. с. ЧМ можно осущест-
356
РАДИОТЕХНИКА
16.15. ТЕЛЕВИЗИОННАЯ ПЕРЕДАЮЩАЯ СТАНЦИЯ
вить и в кварцевом АГ, изменяя его частоту так-
же с помощью варикапа, что позволяет значи-
тельно снизить нестабильность частоты АГ. В
таком АГ при рабочей частоте выше 107 Гц
можно получить относительную девиацию час-
тоты порядка 103, что достаточно для передат-
чиков радиосвязи. Стабильность частоты моду-
лируемого кварцевого АГ несколько хуже, чем
немодулируемого. Дополнительную неста-
бильность вносят варикап из-за непостоянства
его емкости, а также колебательный контур из-
за непостоянства его индуктивности. При этом
из-за нелинейности характеристик варикапа
увеличиваются и нелинейные искажения [2, 4].
Фазовая манипуляция — частный случай
ФМ, при которой в тракте усиления колебаний
ВЧ их фаза изменяется скачком соответственно
телеграфному коду. Полоса частот при ФМн
приблизительно в два раза уже, чем при ЧМн.
ФМн осуществляется в .макомощных усилите-
лях передатчиков с помощью простых диод-
ных коммутаторов [2, 4, 5].
Фазовая модуляция — см. ст. 19.7.
Частотная манипуляция — частный слу-
чай ЧМ, при котором частота АГ изменяется
скачком соответственно телеграфному коду.
Сдвиг частоты при переходе от посылки к пау-
зе составляет 200.. .1000 Гц. Полоса частот, за-
нимаемая РПдУ при скоростной ЧМн, в два ра-
за меньше, чем при АМн, что обеспечивает вы-
сокую помехоустойчивость канала связи. ЧМн
широко используют в линиях магистральной
связи. Способ ее осуществления аналогичен
ЧМ. Для получения необходимого сдвига час-
тоты скачком изменяется напряжение смеще-
ния на варикапе [4, 7J.
Частотная модуляция — см. ст. 17.19,19.7.
16.13. ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
ТРОПОСФЕРНОЙ СВЯЗИ — устройство,
аналогичное передатчикам РРЛ наземной свя-
зи, с тем отличием, что вместо активного рет-
ранслятора используется йассивный — ниж-
ние слои атмосферы (ТроЦосферы) и эффект
рассеивания электромагнитных волн (ЭМВ)
диапазона УВЧ на диэлектрических неодно-
родностях этих слоев (см. ст. 18.4, 28.32). Для
тропосферной связи выделен диапазон частот
0.8... 1 ГГц. Мощность РПдУ составляет еди-
ницы — десятки киловатт, что зависит от
дальности связи, достигающей 2500 км. Для
тропосферных линий характерно большое ос-
лабление сигнала на пути распространения
ЭМВ и значительное изменение напряженно-
сти поля в месте приема, в связи с чем они ис-
пользуются только для многоканальной теле-
фонной и телеграфной связи. Структурная
схема передатчика аналогична схеме передат-
чика РРЛ наземной связи (см. Рис. 16.20), ко-
торая дополняется выходным усилителем
мощности на клистроне. Антенна РПдУ име-
ет размеры полотна около 30X30 м и коэффи-
циент усиления 40...45 дБ [2].
16.14. РАДИОЛОКАЦИОННОЕ ПЕРЕ-
ДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО — составная
часть РЛС, предназначенная для обнаружения
различных объектов, измерения координат и
параметров движения, а также оценки свойств
объектов с помощью отраженных от них ра-
диоволн. Радиолокационные передатчики ра-
ботают в импульсном, квазиимпульсном и не-
прерывном режимах. Мощность РПдУ зависит
от дальности действия и составляет сотни ки-
ловатт — единицы мегаватт в импульсном ре-
жиме при длительности импульсов от сотых
долей микросекунды до сотен микросекунд, а
в непрерывном режиме — от единиц ватт до
единиц киловатт. Диапазон рабочих частот
1... 15 ГГц, дальность действия 200.. .1000 км
(см. ст. 17.23, 18.8 и [1,7]).
16.15. ТЕЛЕВИЗИОННАЯ ПЕРЕДАЮ-
ЩАЯ СТАНЦИЯ — совокупность устройств,
предназначенных для передачи ТВ изображе-
ния и звукового сопровождения (см. ст. 22.7).
ТВ вещание ведется на ОВЧ и УВЧ в пяти час-
тотных диапазонах [13]: I — от 48.5 до 66 МГц
(каналы 1, 2); II — от 76 до 100 МГц (каналы
3...5); III — от 174 до 230 МГц (каналы 6... 12);
IV — от 472 до 580 МГц (каналы 21.. .34); V —
от 582 до 790 МГц (каналы 35...60). ТВ пере-
дающая станция состоит из двух самостоя-
тельных передатчиков — изображения (ПИ) и
звукового сопровождения (ПЗС). Каждый ТВ
канал обслуживается отдельной станцией.
Мощность ТВ станций составляет 1.5.. .50 кВт.
При этом пиковая мощность ПИ в 3... 5 раз пре-
вышает мощность ПЗС. Модуляция в ПИ одно-
полосная (Л5С), в ПЗС — частотная (F3E). НсЧ
ПЗС выше НсЧ ПИ на 6.5 МГц ±500 Гц. Абсо-
лютная нестабильность НсЧ ПИ составляет
±100 Гц, а НсЧ ПЗС не превышает ±50 Гц. Сум-
марная полоса частот ПИ и ПЗС равна 8 МГц.
Структурная схема типовой ТВ передаю-
щей станции диапазона ОВЧ представлена на
Рис. 16.23. Для повышения надежности рабо-
ты ПИ и ПЗС состоят из двух полукомплектов
с двумя возбудителями. Суммарная пиковая
мощность ПИ составляет 50 кВт, а ПЗС — 15
кВт. Суммирование мощностей полукомплек-
Глава 16. РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
357
16.15. ТЕЛЕВИЗИОННАЯ ПЕРЕДАЮЩАЯ СТАНЦИЯ
Рис. 16.23
тов выполняется в мостах сложения МСМ. Оба торая подключается к ним через фидер и разде-
передатчика нагружены на общую антенну, ко- лительный фильтр РзФ [2, 4, 6].
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Радиопередающие устройства / Под ред. М.В. Благовещенского, Г.М. Уткина. — М.: Радио
и связь, 1982. — 408 с.
2. Радиопередающие устройства / Под ред. В.В. Шахгильдяна. — М.: Радио и связь, 1990. —
328 с.
3. Радиопередающие устройства (проектирование радиоэлектронной аппаратуры СВЧ на инте-
гральных схемах) / Под ред. О.А Челнокова. — М.: Радио и связь, 1982. — 256 с.
4. Муравьев О.Л. Радиопередающие устройства связи и вещания. — М.: Радио и связь, 1983. —
352 с.
5. Шумилин М.С., Козырев В.Б., Власов В.А. Проектирование транзисторных каскадов пере-
датчиков. — М.: Радио и связь, 1987. — 320 с.
6. Проектирование радиопередающих устройств / Под ред. В.В. Шахгильдяна. — М.: Радио и
связь, 1993. — 512 с.
7. Вамберский М.В., Казанцев В.И., Шелухин С.А. Передающие устройства СВЧ. — М.:
Высш, шк., 1984. — 448 с.
8. ГОСТ 13420-79. Передатчики для магистральной радиосвязи.
9. ГОСТ 22579-86. Радиостанции с однополосной модуляцией сухопутной подвижной службы.
10. ГОСТ 12252-86. Радиостанции с угловой модуляцией сухопутной подвижной службы.
11. ГОСТ 26897-86. Радиостанции с однополосной модуляцией морской подвижной службы.
12. ГОСТ 13924-80. Передатчики радиовещательные стационарные.
13. ГОСТ 20532-83. Радиопередатчики телевизионные I—V диапазонов.
358
РАДИОТЕХНИКА
======^ ГЛАВА 17
РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
• Радиоприем не является изобретением
какого-либо одного человека.
Это результат громадного труда многих
теоретиков и экспериментаторов
второй половины XIX — начала XX века:
Дж. К. Максвелла, Дж. Г. Пойнтинга,
О. Хевисайда, Дж.А. Флеминга (Англия);
Т.А. Эдисона, Лиде Фореста,
Э.Г. Армстронга (США); Г. Герца,
Ф. Брауна (Германия); Э. Бранли (Франция);
ГА. Лоренца (Нидерланды). Первую
радиотелеграфную передачу в 1897 г.
осуществили А.С. Попов (Россия) и Г. Маркони
(Англия), а первую радиотелефонную
передачу, речевую и музыкальную —
Р. Фессенден (США, 1906 г.).
• 25 апреля 1895 г. на заседании Российского
физико-химического общества А.С. Попов
сделал сообщение «О влиянии металлических
порошков на электрические колебания».
При этом докладчик продемонстрировал
прибор для регистрации колебаний
в атмосферном электричестве — по существу,
первое радиоприемное устройство.
• Первые попытки радиотелеграфирования
на расстоянии нескольких километров —
1896-1897гг.
• Первая трансатлантическая радиосвязь — 1901 г.
• Приемники прямого усиления — 20-е годы.
• Приемники регенеративный,
суперрегенеративный, супергетеродинный
(Э.Г. Армстронг, США, 1912-1918 гг.).
• Приемник сигналов с ОМ
(Дж. Карсон, США, 1915 г.).
• Приемник сигналов с ЧМ
(Э.Г. Армстронг, США, 1930 г.).
• Приемники на транзисторах — начало 50-х годов.
• Приемники на интегральных схемах — начало
60-х годов.
• Первая космическая связь с человеком на Луне
на расстоянии 385 тыс. км. — 1969 г.
• Рекорд дальности связи — связь с космическим
аппаратом «Вояджер», запущенным в 1977 г. и
находящимся за пределами Солнечной
системы на расстоянии свыше 5 млрд км.
Радиоприемное устройство — радиоэлек-
тронное устройство, предназначенное для при-
ема радиосигналов и выделения сообщений, в
них содержащихся. Является составной частью
радиосистем, которые по назначению можно
разделить на три класса: системы передачи ин-
формации, извлечения информации и противо-
действия (см. ст. 1.17). Основные функции
РПрУ: преобразование с помощью приемной
антенны энергии ЭМП в энергию электричес-
ких колебаний; додетекторная обработка этих
колебаний с целью выделения сигнала из сме-
си сигнала и помехи, а также усиление сигнала
до уровня, необходимого для качественной ра-
боты детектора и помехоподавляющих уст-
ройств; демодуляция принятого сигнала для
выделения содержащегося в нем сообщения;
последетекторная обработка с целью дальней-
шего ослабления помехи и усиления сообще-
ния до уровня, необходимого для качественной
работы оконечного устройства (акустической
системы, электронно-лучевого прибора, испол-
нительного механизма и т.п.).
Во время проработки материала главы ре-
комендуется такой порядок изучения основных
статей: 17.27, 17.31, 17.10, 17.13, 17.14, 17.32,
17.11, 17.12, 17.5, 17.30, 17.15, 17.29, 17.7, 17.8,
17.17, 17.18, 17.19, 17.20, 17.21, 17.22, 17.26,
17.23, 17.28, 17.1, 17.2, 17.3, 17.24, 17.25.
17.1. АВТОМАТИЧЕСКАЯ ПОДСТ-
РОЙКА ЧАСТОТЫ — способ обеспечения
требуемой точности настройки приемника, ко-
торый устраняет необходимость его ручной
подстройки. Система АПЧ как система с ООС
уменьшает отклонение ПЧ относительно сере-
дины полосы пропускания линейного тракта
приема, обусловленное нестабильностью час-
тоты сигнала и гетеродина: /Пч “Л ~ Л- Эта не-
стабильность вызвана влиянием ряда дестаби-
лизирующих факторов, таких, как изменение
температуры, влажности, давления, напряже-
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
359
17.1. АВТОМАТИЧЕСКАЯ ПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ
ния питания, взаимное перемещение приемни-
ка и передатчика и т.д. Применение АПЧ целе-
сообразно при существенных нестабильностях
частот передатчика и гетеродина, которые вы-
нуждают расширять ПП линейного тракта при-
ема относительно оптимального значения, что
снижает помехоустойчивость РПрУ.
Структурная схема системы АПЧ изобра-
жена на Рис. 17.1. Дискриминатор Д после
сравнения колебаний ПЧ /пч с частотой коле-
баний опорного генератора ОГ или с собствен-
ной частотой колебательных контуров у^чо вы-
рабатывает сигнал ошибки Uc o Управляющий
элемент УЭ под влиянием Uc o изменяет часто-
ту управляемого генератора УГ так, чтобы
компенсировать начальную расстройку Д/н,
обусловленную нестабильностью частот гете-
родина и сигнала.
В зависимости от признака, по которому
дискриминатор формирует сигнал ошибки
Uc о, системы АПЧ можно разделить на два
класса: частотной АПЧ (ЧАПЧ) и фазовой
АПЧ (ФАПЧ), а в зависимости от способа их
реализации — на аналоговые и цифровые. Ра-
боту АПЧ оценивают с помощью таких показа-
телей: коэффициента автоподстройки к^т =
Д/н/Д/ост, где Д/н — начальная расстройка
(ошибка) ПЧ относительно номинального зна-
чения при выключенной АПЧ, Д£>ст — оста-
точная расстройка при включенной АПЧ; по-
лосы захвата Д/з — интервала отклонения ПЧ
от номинального значения, при котором систе-
ма АПЧ осуществляет эффективную подстрой-
ку, если перед этим она не находилась в режи-
ме подстройки; полосы удерживания Д/у — то
же, что Д/3, но при условии, что система АПЧ
ранее находилась в режиме подстройки. Поло-
са захвата приблизительно соответствует ПП
приемника. Основным недостатком системы
АПЧ является возможность захвата настройки
РПрУ сильным мешающим сигналом, в связи с
чем предусматривают возможность отключе-
ния системы с помощью выключателя SA (см.
Рис. 17.1).
Аналоговая система фазовой АПЧ — си-
стема АПЧ, в которой сигнал ошибки непре-
рывно вырабатывается в зависимости от от-
клонения фазы колебаний ПЧ фПч относитель-
но фазы опорного (эталонного) генератора
фпчо- Принцип действия ФАПЧ аналогичен
рассматриваемому далее принципу действия
ЧАПЧ, но как дискриминатор тут используют
не ЧД, а ФД (см. ст. 24.5). Характеристика ре-
гулирования ФАПЧ изображена на Рис. 17.2, а.
При ФАПЧ в пределах полосы удерживания
устанавливается равенство частот/Пч =Ло- Та-
ким образом, ФАПЧ имеет нулевую статичес-
кую ошибку регулирования по частоте при на-
личии статической ошибки регулирования по
фазе. Точность подстройки в этом случае вы-
ше, чем при ЧАПЧ, благодаря использованию
более чувствительного признака формирова-
ния сигнала ошибки; кроме того, вместо пас-
сивного эталона (колебательного контура) ис-
пользуют более стабильный активный эталон
360
РАДИОТЕХНИКА
17.1. АВТОМАТИЧЕСКАЯ ПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ
(ОГ). За пределами полосы удерживания сис-
тема ФАПЧ переходит в режим биений. Как
правило, полоса захвата ФАПЧ меньше, чем у
ЧАПЧ. Исходя из этого, иногда комбинируют
эти две системы, при этом ФАПЧ начинает ра-
ботать тогда, когда ЧАПЧ введет частоту, кото-
рая регулируется, в область захвата.
Система ФАПЧ широко используется в
РПрУ. Кроме рассмотренной задачи подстрой-
ки частоты, она применяется для выделения
НсЧ в радиолиниях передачи информации,
синхронизации приемного коммутатора кана-
лов радиотелеметрических систем, в узкопо-
лосных следящих фильтрах и т.д. [1,2].
Аналоговая система частотной АПЧ —
система АПЧ, в которой сигнал ошибки пред-
ставляет собой непрерывно изменяющуюся
величину, вырабатывающуюся в зависимости
от отклонения ПЧ /Пч = fг ~ fс относительно
опорной частоты /пчсь, которая соответствует
середине ПП тракта УПЧ. Структура системы
ЧАПЧ показана на Рис. 17.1. Как дискримина-
тор тут используют ЧД (см. ст. 24.6), как УЭ —
электронный или электромеханический эле-
мент перестройки, опорный генератор отсут-
ствует. Принцип действия ЧАПЧ поясняют:
Рис. 17.3, а — S-образная характеристика ЧД,
Рис. 17.3, б — вольт-фарадная характеристика
УЭ (варикапа), Рис. 17*3, в — зависимость ча-
стоты гетеродина от емкости варикапа. Благо-
даря автоподстройке отклонение преобразо-
ванной частоты уменьшается на Afr, откуда
Д/пч = Д/н - Д/г-
Характеристика регулирования, являюща-
яся зависимостью отклонения ПЧ приемника
Д/пч = /пч -./пчо от отклонения частоты гете-
родина и сигнала, которое равно начальной
расстройке А/н, изображена на Рис. 17.2, б.
При увеличении Д/н в пределах полосы удер-
живания &fy отклонение преобразованной час-
тоты Д/пч = Д/ост растет существенно меньше
(в десятки раз). При дальнейшем увеличении
A/H (точки а, а') напряжение управления на
выходе уменьшается и система скачком пере-
ходит в новое состояние, при котором А/пч
приобретает значение, которое отвечает отсут-
ствию АПЧ (точки b, ЬУ Д/пЧ = Д/д. При
уменьшении A/H (точки с, с') на выходе ЧД по-
является управляющее напряжение, благодаря
чему система скачком переходит в режим са-
мозахвата (точки d, dy При этом &f3 « Д/^.
Как следует из характеристики регулирования,
особенностью системы ЧАПЧ является нали-
чие статической ошибки регулирования по ча-
стоте. Вместе с тем эти системы характеризу-
ются широкой полосой захвата. Следует отме-
тить неустойчивость ЧАПЧ в условиях зами-
раний сигналов или при временных перерывах
передачи [1,2].
АПЧ приемников импульсных сигналов
— быстродействующая АПЧ, при которой под-
стройка гетеродина происходит за время дей-
ствия одного импульса. В промежутках между
импульсами система АПЧ разомкнута; при
этом она должна сохранять настройку гетеро-
дина, установленную во время воздействия
импульсного сигнала [1].
АПЧ приемников ЧМ сигналов — систе-
ма АПЧ, быстродействие которой ограничено
требованием отсутствия демодуляции полез-
ного ЧМ сигнала. Постоянную времени ФНЧ
необходимо выбирать достаточно большой,
чтобы убрать медленное паразитное измене-
ние ПЧ и не отслеживать изменение частоты,
обусловленное ЧМ сигнала.
Поисковая система АПЧ — система
АПЧ, работающая в двух режимах: поиска ра-
диостанции и подстройки частоты. Использу-
ется при больших и частых отклонениях пре-
образованной частоты /пч, например, в РЛС
сантиметрового диапазона с магнетронными
передатчиками и клистронными гетеродинами.
Структурная схема П. с. АПЧ подобна схеме
Рис. 17.1 с тем отличием, что УПТ при отсут-
ствии внешнего воздействия работает как гене-
ратор поиска, который формирует напряжение,
перестраивающее УГ в широком диапазоне ча-
стот. При обнаружении радиостанции выход-
ное напряжение дискриминатора срывает авто-
колебания генератора поиска и переводит его в
режим УПТ, а систему — в режим АПЧ.
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
361
17.1. АВТОМАТИЧЕСКАЯ ПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ
Функциональные узлы системы АПЧ
показаны на Рис. 17.1. Управляющие элементы
УЭ подразделяют на электронные и электроме-
ханические. Наиболее распространенными яв-
ляются электронные УЭ (варикапы и реактив-
ные транзисторы, см. ст. 29.9), которые харак-
теризуются небольшими размерами, малой по-
требляемой мощностью, высокой механичес-
кой стойкостью, отсутствием микрофонного
эффекта, но, как правило, не позволяют пере-
страивать гетеродин в широких пределах.
Этим качеством обладают электромеханичес-
кие приборы, но они чрезвычайно инерцион-
ны. Как исполнительный механизм в электро-
механических системах АПЧ используют элек-
тродвигатель с редуктором, который передви-
гает орган перестройки: ротор конденсатора
переменной емкости или вариометра, подстра-
иваемый плунжер объемного резонатора, ко-
роткозамыкающий мост резонатора на отрез-
ках длинных линий и т.п.
Частотные и фазовые детекторы рассмот-
рены в ст. 24.6, 24.5. В отличие от ЧД сигналь-
ного тракта здесь основные требования предъ-
являются к крутизне S-образной характеристи-
ки (см. Рис. 17.3, а), определяющей чувстви-
тельность системы АПЧ, и ее раствору А/чд,
который определяет полосу захвата. В РПрУ
средней сложности как детектор АПЧ исполь-
зуют ЧД сигнального тракта.
ФНЧ предназначен для подавления флук-
туаций в цепи управления частотой гетероди-
на. С этой целью используют однозвенную ин-
тегрирующую 7?С-цепь. Увеличение постоян-
ной времени тФНч позволяет уменьшить неус-
тойчивость АПЧ, связанную с замиранием сиг-
нала, но при этом система становится нечувст-
вительной к относительно быстрым изменени-
ям частоты.
17.2. АВТОМАТИЧЕСКАЯ РЕГУЛИ-
РОВКА УСИЛЕНИЯ — способ автоматичес-
кого поддержания выходного напряжения при-
емника ивых в определенных пределах при из-
менении уровня входного сигнала UBX. Причи-
ны изменения последнего разнообразны, и
полностью их устранить невозможно. Такими
причинами являются изменения расстояния
между приемником и передатчиком, взаимной
направленности передающей и приемной ан-
тенн, условий распространения и интерферен-
ции радиоволн, а также перестройка РПрУ с
одной станции на другую. В радиолокации к
этому добавляются флуктуации эффективной
отражающей поверхности цели, смена цели и
др. В радиосвязи и радиовещании напряжение
UBX может изменяться до 60 дБ, а в радиолока-
ции до 100 дБ; при этом выходное напряжение
не должно изменяться больше чем на единицы
децибел. Это обеспечивает оптимальный ре-
жим работы оконечного устройства и устраня-
ет перегрузку каскадов РПрУ во время приема
сильного сигнала, которая может вызвать не-
линейные, перекрестные и интермодуляцион-
ные искажения.
Эффективность АРУ оценивают отноше-
нием выходных напряжений £>вых =
— 201 g(t/BbIX тах/^вых min) — ^вых тз при задан-
ном отношении входных напряжений DBX -
= 201g(t/BX max/UBX min) = const. Кроме этого
АРУ должна обеспечивать необходимую быст-
роту воздействия — в противном случае воз-
можно блокирование слабого сигнала сильной
помехой; количественно она оценивается вре-
менем установления туст.
Принцип действия АРУ заключается в ав-
томатическом изменении коэффициента усиле-
ния отдельных каскадов при изменении уровня
входного сигнала UBX . Система АРУ имеет два
блока (Рис. 17.4, а, 6): регулируемые каскады
усиления РКУ, или делители напряжения, и
цепь регулирования ЦР, которая вырабатывает
регулирующее напряжение Uper. Как правило,
ЦР содержит АД и ФНЧ, а при повышенных
Рис. 17.4
362
РАДИОТЕХНИКА
17.2. АВТОМАТИЧЕСКАЯ РЕГУЛИРОВКА УСИЛЕНИЯ
требованиях к АРУ — еще и дополнительный
У ПТ. ОС, которая возникает в цепи обратного
регулирования, не должна нарушать стабиль-
ности работы РПрУ.
Аналоговая система АРУ — система, ре-
гулирующее напряжение которой является не-
прерывно изменяющейся величиной. По
структуре АРУ делят на прямую, обратную и
комбинированную. Структурная схема об-
ратной АРУ изображена на Рис. 17.4, а. В этой.
схеме ЦР работает от выходного напряжения
УПЧ ^Вых, АД и ФНЧ создают инерционное
регулирующее напряжение £/рег как средневы-
прямленное за довольно продолжительный
промежуток времени и отфильтровывают со-
ставляющие частот модуляции. Напряжение
t/per поступает на регулируемый усилитель
(УСЧ, УПЧ), в котором могут использоваться
разные способы регулирования (они будут рас-
смотрены далее).
Система АРУ, ЦР которой состоит из АД и
ФНЧ, называется простой. Ее АХ показана на
Рис. 17.5, а, кривая 5. Для сравнения линией 1
изображена АХ системы без АРУ. Недостаток
простой системы АРУ — слишком большая
крутизна АХ и соответственно низкий коэффи-
циент усиления Ко на малых уровнях входного
сигнала, когда перегрузки УПЧ отсутствуют и
регулирование усиления не требуется. Для ус-
транения этого недостатка используют систе-
му задержанной АРУ (кривая 2), начинающую
действовать при превышении порогового уров-
ня С7ВХ > (7пор = (2 - 3)£Ар, где £А.Р. — реаль-
ная чувствительность РПрУ. При наличии уси-
лителя система АРУ называется усиленной
(кривая 3), причем усилитель может включать-
ся как до, так и после АД. В первом случае это
УПЧ АРУ, во втором — УПТ, которые показа-
ны на Рис. 17.4, а штриховыми линиями. При
этом достигается большая глубина регулиров-
ки усиления, АХ становится менее крутой и
приближается к идеальной (АХ 4, Рис. 17.5, а).
Принципиальным недостатком обратной АРУ
является то, что она не позволяет достигнуть
идеальной АХ системы; ее преимущество со-
стоит в простоте и экономичности, поскольку
основное усиление сигнала АРУ происходит в
сигнальном тракте РПрУ.
Структурная схема прямой АРУ изображе-
на на Рис. 17.4, б, где ЦР, присоединенная ко
входу приемника, является отдельным трактом
АРУ. В зависимости от коэффициента усиления
Хцр могут быть получены различные АХ, пока-
занные на Рис. 17.5, б, в том числе идеальная
АХ Х'цр. Схема имеет высокое быстродейст-
вие. К ее принципиальным недостаткам нужно
отнести нестабильность работы и сложность.
АРУ бесшумная — задержанная АРУ, у
которой в случае приема слабых сигналов бло-
кируется вход УЗЧ. Это позволяет устранить
внешние и внутренние шумы, сильно выра-
женные при максимальном коэффициенте пе-
редачи РПрУ. В случае превышения входным
сигналом порогового уровня выпрямленное
напряжение АД АРУ снимает блокирование.
АРУ приемников импульсных сигналов
в зависимости от назначения приемника может
быть инерционной или малоинерционной.
Первую используют, когда период повторения
импульсов намного меньше, чем период AM
импульсной последовательности и времени пе-
реходных процессов. Такая система аналогич-
на системе АРУ приемников непрерывных сиг-
налов. Наиболее распространенными в прием-
никах импульсных сигналов являются системы
АРУ с высоким временным разрешением. Ес-
ли последнее недостаточно, то слабый сигнал,
который приходит через малый интервал вре-
мени после сильного сигнала или мощной по-
мехи, не будет принят, поскольку установлен-
ное регулирующее напряжение задает малое
усиление тракта. Такая ситуация характерна
для приемников РЛС, когда отражение от зем-
ли или местных предметов может маскировать
слабый, отраженный от цели, сигнал.
Разрешение импульсных сигналов может
быть обеспечено тремя способами. Быстро-
действующая АРУ (БАРУ) — система с малой
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
363
17.2. АВТОМАТИЧЕСКАЯ РЕГУЛИРОВКА УСИЛЕНИЯ
постоянной времени ФНЧ АРУ тБару =
= (2... 10)тимп. Поскольку при этом может по-
явиться положительная ОС, систему БАРУ
строят по цепочечной схеме, при которой каж-
дая петля обратного регулирования (АД, УПТ,
ФНЧ) охватывает только один или два каскада
с относительно малым коэффициентом усиле-
ния. АРУ с временной селективностью (ВАРУ)
— система АРУ, в цепь которой введен каскад,
открывающийся стробирующим импульсом на
время воздействия полезного сигнала. Про-
граммная АРУ (ПАРУ) — система АРУ, регули-
рующее напряжение которой изменяется по за-
ранее заданной программе. В интервале време-
ни между двумя зондирующими импульсами
напряжение регулирования уменьшается, а
чувствительность приемника соответственно
улучшается. Такое распределение чувстви-
тельности во времени улучшает условия при-
ема слабых сигналов [1, 3].
АРУ приемников ЧМ сигналов использу-
ют для устранения перегрузок в линейном ЧМ
тракте РПрУ. Поскольку при ЧМ информация
определяется изменением частоты сигнала, по-
стоянную времени АРУ можно выбрать срав-
нительно малой, что приводит к ОС по мгно-
венным значениям огибающей, содействуя по-
давлению паразитной AM. В ряде радиовеща-
тельных приемников (при достаточной эффек-
тивности ограничения) АРУ в ЧМ тракте не
применяют.
Функциональные узлы системы АРУ
изображены на Рис. 17.6, а, в. В качестве де-
текторов системы АРУ наиболее часто исполь-
зуют диодные и транзисторные АД (см. ст.
24.4). Постоянное напряжение на выходе де-
тектора АРУ должно быть пропорционально
значению того параметра сигнала, который во
время передачи информации остается неиз-
менным. Так, во время приема сигналов с AM
оно должно быть пропорционально амплитуде
несущего колебания, во время приема сигна-
лов с ИМ — среднему значению амплитуды
последовательности радиоимпульсов, а во вре-
мя приема ТВ сигналов — амплитуде импуль-
сов синхронизации. Следует отметить, что де-
тектор АРУ часто совмещают с сигнальным
детектором (Рис. 17.6, а).
Регулируемым называют усилитель, каска-
ды которого охвачены цепью регулирования.
Требования, предъявляемые к регулируемому
усилителю: глубина регулирования коэффици-
ента усиления — ориентировочно 20 дБ на кас-
кад; нелинейные искажения сообщения, изме-
нения АЧХ, ФЧХ и коэффициента шума, кото-
рые возникают при* {Регулировании, не должны
превышать допустимых. Основные способы ре-
гулирования: режимное регулирование — изме-
нение усилительного параметра АЭ (крутизны
S, см. Рис. 17.6, а, 6); использование регулируе-
мых делителей напряжения (Рис. 17.6, в); при-
менение управляемых цепей ООС; изменение
нагрузочных сопротивлений усилительных кас-
кадов с использованием варисторов, диодов, БТ
и ПТ. Регулируемыми каскадами, как правило,
являются каскады УПЧ и УСЧ; их число зави-
сит от нужной эффективности АРУ. Чаще дру-
гих регулируют каскады, которые усиливают
сигналы достаточно малого уровня и имеют из-
бирательную нагрузку.
364
РАДИОТЕХНИКА
17.3. АДАПТИВНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА
ФНЧ в системе АРУ используют для
фильтрации напряжения ПЧ и составляющих
сигнала с частотами модуляции. Как прави-
ло, ФНЧ выполняют по схеме однозвенного
ЯС-фильтра (Рис. 17.6, а), постоянную вре-
мени которого выбирают исходя из условия:
7дм < Тфнч < Лам , где Там — период AM,
Гзам — период замираний сигнала.
17.3. АДАПТИВНАЯ АНТЕННАЯ РЕ-
ШЕТКА — система пространственно-частот-
ной фильтрации, предназначенная для улучше-
ния качества приема: обнаружения сигналов
или оценивания принятой информации. К пре-
имуществам А. а. р. следует отнести возмож-
ность быстрого формирования и смены в широ-
ких пределах ДН, благодаря чему такие системы
нашли применение в связи, радио- и гидролока-
ции, радиоастрономии, сейсмологии и других
областях. А. а. р. является частным случаем си-
стемы пространственно-временной обработки
сигналов, которая позволяет увеличить помехо-
устойчивость относительно флуктуационных и
сосредоточенных во времени или по спектру по-
мех. Возрастающее использование А. а. р. связа-
но с появлением мини-ЭВМ, которые позволя-
ют реализовать алгоритм самонастройки.
Структура А. а. р. показана на Рис. 17.7.
Антенная решетка АР (см. ст. 2.4) состоит из N
антенных элементов АнтЭ, размещенных так,
чтобы обеспечить формирование ДН в задан-
ных пространственных и частотных областях.
Выходные сигналы после линейного тракта
приема ЛТП направляются к диаграммообра-
зующей схеме ДОС, где они сначала умножа-
ются на комплексные весовые коэффициенты
(ВК) Wh после чего образуют сумму
= (1)
Выражение (1) можно записать в более
удобной — матричной форме y(t) = WTx - xTW,
где Т обозначает операцию транспонирова-
ния, а векторы WT и хт определяются как
WT=[WX W2... WN], хт = [х,х2
Адаптивный процессор АП, который со-
стоит из устройства управления весовыми ко-
эффициентами УУВК и сигнального процес-
сора СПр, работает в реальном масштабе вре-
мени и осуществляет автоматическое управле-
ние весовыми коэффициентами с целью оп-
тимизации выходного продукта y(t) в соответ-
ствии с выбранным критерием, например,
(СП)ВЫХ =(СП)выхтах
Алгоритмы управления могут быть выпол-
нены как в аналоговой, так и в цифровой фор-
ме [4]. Конкретный алгоритм выбирают с уче-
том многих факторов: характеристик сигнала и
помехи; параметров системы, которые оптими-
зируются; наличия априорной информации;
необходимой скорости адаптации АП; сложно-
сти процесса и пр. Чем меньше имеется апри-
орной информации о сигналах и помехах, тем
большее значение приобретает выбор алгорит-
ма управления.
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
365
17.3. АДАПТИВНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА
Алгоритм случайного поиска — алго-
ритм управления весовыми коэффициентами
А. а. р. (см. Рис. 17.7), при котором в начале
каждой итерации (к + 1) к весовому вектору
Wk прибавляют некоторое случайное прира-
щение ДИ* и определяют соответствующее из-
менение критерия эффективности системы
Ag = к) ~Q(Wk + &%)• Далее весовой век-
тор изменяют пропорционально произведе-
нию AQAWk:
Wk+l=Wk+[kAQAWk,
где ц — шаговая постоянная, которая характе-
ризует сходимость и устойчивость системы.
Сходимость обеспечивается благодаря то-
му, что «благоприятные» шаги подкрепляются
соответствующим приращением весового век-
тора. А. с. п. относительно прост в реализации,
требует малого объема априорной информа-
ции. Главным недостатком А. с. п. является то,
что в нем не используется информация преды-
дущих шагов, вследствие чего он имеет замед-
ленную сходимость.
Алгоритм Уидроу — алгоритм управле-
ния весовыми коэффициентами А. а. р. (см.
Рис. 17.7), при котором в режиме формирова-
ния ДН на основе априорной информации на
вход системы «замешивают» опорный сигнал
d(t) и задают направление его поступления 0
(направление наблюдения). При этом сигнал
ошибки £(z) = d(t) - y(t) = d(t) - WTx(t), где вы-
ходной продукт ХО определяется реальной по-
меховой обстановкой, опорным сигналом и ма-
трицей весовых коэффициентов (ВК). Как кри-
терий эффективности выбирают минимальную
среднеквадратическую ошибку
£2(Z) = min£2(Z) .
к}
Процедура формирования ДН — итератив-
ная, используется градиентный алгоритм
формирования ВК
^+1=*ц-№ (2)
где Wik — значение z-ro ВК на к-м шаге адап-
тации; ц — скалярная величина, которая харак-
теризует сходимость и устойчивость системы;
V*(£) — оценка градиента функции ошибки
£2 W на к-м шаге итерации относительно весо-
вого вектора Wi k.
Рекурентное соотношение (2) может быть
сведено к рабочему виду Witk+i = Wi.k ~
- 2ji(RxxFKi k- rxd, где корреляционные матрицы
fxd =
*1©*1©
*2©*1©
xx (t)dt
x2 (t)dt
*1(0*2© ••• *1(0*Лг(0
*2(0*2© ••• *2©*W©
xN (0*1(0
*W©*2© ••• xN(t)xN(t)
xN(t)dt_
Процесс формирования ДН системы про-
иллюстрирован на Рис. 17.8, где С — направ-
ление наблюдения, П — направление поступ-
ления локальной помехи, N— число итераций.
После формирования ДН система выходит на
рабочий режим. Для этого нужно снять опор-
ный сигнал, оставив его копию d(t) для сравне-
ния, и начать обработку входного воздействия
в направлении наблюдения. Когда это направ-
ление исследовано, переходят к следующему в
той же последовательности.
Диаграммообразующая схема — устрой-
ство формирования ДН, обобщенная структура
которого изображена на Рис. 17.7. Вид ДН за-
висит от конкретного входного воздействия.
При узкополосной помехе с частотой соп опера-
ция комплексного управляемого взвешивания,
которая дает возможность получить итоговую
ДН с нулем в направлении помехи, выполняет-
ся с помощью устройства с квадратурными ка-
налами. Структура такого канала для z-ro эле-
мента А. а. р. показана на Рис. 17.9, а. Квадра-
турную составляющую получают с помощью
366
РАДИОТЕХНИКА
17.5. ВХОДНОЕ УСТРОЙСТВО РПрУ
фазосдвигающего устройства ФС, со сдвигом
фазы примерно на 90°. При широкополосной
помехе со спектром частот АсОп нужно обеспе-
чить ее подавление на ряде частот этой полосы.
При этом фазосдвигатель ФС, заменяют лини-
ей задержки ЛЗ, с М отводами (Рис. 17.9, б),
расстояние А между которыми определяется
исходя из условия Асоп < 1/Д. Если это расстоя-
ние очень мало, а элементов А. а. а. очень мно-
го, то такая система приближается к идеально-
му пространственно-частотному фильтру.
17.4. ВТОРИЧНАЯ ОБРАБОТКА — сис-
тема последетекторной обработки, которая
применяется для повышения качества обнару-
жения (различения) сигнала или для оценки па-
раметров принятого сообщения. Систему В. о.
чаще всего размещают перед оконечным уст-
ройством и реализуют с помощью ЭВМ. Эта
система работает на базе дополнительной ин-
формации, которая накапливается на протяже-
нии многих циклов обзора, логического сопос-
тавления (идентификации) полученных дан-
ных со статистическим материалом, заложен-
ным в память системы. Так, при трассовой об-
работке в радио- и гидролокации [5] по дан-
ным предыдущего наблюдения рассчитывают
предполагаемое положение цели на следую-
щих циклах обзора и сравнивают его с апосте-
риорными данными. При этом вероятность по-
падания помехи в рассчитанную область срав-
нительно мала в отличие от сигнала цели, кото-
рая движется относительно закономерно. Ана-
логичный подход к различению статистичес-
ких характеристик сигнала и помехи использу-
ют при накоплении данных по способу «К из N»
[5], согласно которому правильное обнаруже-
ние (ПрО) цели регистрируется только при за-
данном числе обнаружений К из N опытов. Та-
кой подход позволяет существенно снизить по-
ток ложных тревог и соответственно выиграть
в вероятности ПрО (см. ст. 17.28). При В. о. ти-
па декодирования для повышения помехоус-
тойчивости применяют предварительно вве-
денную избыточность сообщения (см. ст. 6.8).
17.5. ВХОДНОЕ УСТРОЙСТВО РПрУ —
часть приемника, которая связывает антенно-
фидерную систему со входом первого УСЧ или
ПрЧ. Структура входного устройства (ВУ) по-
казана на Рис. 17.10. Антенна как линейная си-
стема может быть представлена эквивалент-
ным генератором ЕА = Лде с внутренним сопро-
тивлением ZA = гА + jXA, где йд — действую-
щая высота антенны, е — напряженность поля
в месте приема. ВУ представляет собой пассив-
ный линейный четырехполюсник, который со-
держит избирательную систему, настроенную
на фиксированнную частоту или перестраивае-
мую в границах заданного диапазона частот, а
также два согласующих звена связи с антенной
и нагрузкой ZH (ZH — в общем случае комплекс-
ное сопротивление, которое в основном опре-
деляется входным сопротивлением АЭ).
В зависимости от вида антенны ВУ класси-
фицируют на работающие с настроенной и не-
настроенной антенной. По диапазону волн раз-
личают ВУ километрового — метрового диа-
пазонов (ДВ — УКВ), в которых используют
контуры с сосредоточенными параметрами, и
ВУ дециметрового — миллиметрового диапа-
зонов, где применяют коаксиальные, полоско-
вые, микрополосковые и объемные резонато-
ры. По числу избирательных элементов ВУ де-
лят на одно- и двухконтурные, по способу свя-
зи колебательной системы с антенной и на-
грузкой — на ВУ с непосредственной, транс-
форматорной (автотрансформаторной), емко-
стной и комбинированной связями.
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
367
17.5. ВХОДНОЕ УСТРОЙСТВО РПрУ
Требования, которые предъявляются к ВУ,
обусловлены назначением и группой сложнос-
ти приемника. Диапазон рабочих частот харак-
теризуют коэффициентом перекрытия £пер =
=/max//min ^пер.ТЗ- ВУ ДОЛЖНО ИМвТЬ ДОСТЯ-
точно высокую избирательность, чтобы обес-
печить заданное ослабление по зеркальному
О3 к > Фз.к.тз по прямому (по ПЧ) Опч — ^пч тз
каналам приема, а также уменьшить возмож-
ность возникновения комбинационных и пере-
крестных помех, обусловленных нелинейнос-
тью первого усилительного элемента. При
этом ослабление на границах полосы пропус-
кания не должно быть больше допустимого:
ап ап тз-
Реальная чувствительность приемника £А р
ограничивается внутренними шумами, в зна-
чительной мере — шумами ВУ; поэтому коэф-
фициент шума Шву < Шву тз. Резонансный ко-
эффициент передачи KQ = изых0/Е^р > КОтз, где
^выхо — выходное напряжение ВУ при его на-
стройке на частоту сигнала. В случае приема
на магнитную антенну Ко = t/BbIx0/e. Желатель-
но обеспечить достаточно малое изменение ре-
зонансного коэффициента передачи ВУ (пресе-
лектора при наличии УСЧ) в диапазоне рабо-
чих частот. Возможная нестабильность пара-
метров антенны и нагрузки не должна приво-
дить к изменению полосы пропускания ВУ и
расстройке входного контура больше допусти-
мых значений.
Входное устройство приемников метро-
вых волн — ВУ, которое, как правило, работа-
ет с настроенной антенной и известным актив-
ным сопротивлением на фиксированной часто-
те или в узком частотном диапазоне (профес-
сиональная связь, ТВ, РЛС и пр.). Исходя из
этого ВУ не перестраивают, а выбор вида свя-
зи с антенной принципиального значения не
имеет. Для обеспечения режима бегущей вол-
ны в фидере используют различные согласую-
щие устройства: трансформаторы, автотранс-
форматоры, делители («А, «н).
Универсальная схема ВУ с трансформатор-
ной связью с антенным симметричным фиде-
ром изображена на Рис. 17.11, а. Близкая к ней
схема с двойной автотрансформаторной свя-
зью с антенной (Рис. 17.11, б) — одна из наи-
более распространенных и экономичных. При-
меняется на частотах до 300 МГц при исполь-
зовании несимметричного фидера. Схему с
двойной внутриемкостной связью, показанную
на Рис. 17.11, в, применяют тогда, когда нужно
повысить резонансную частоту ВУ.
Входное устройство приемников умерен-
но высоких частот работает, как правило, с
ненастроенной антенной, сопротивление кото-
рой комплексное, а параметры заранее неизве-
стны, что характерно для радиовещательных
РПрУ Типовые схемы ВУ, нагруженных на ПТ
и БТ, показаны на Рис. 17.12, а, б соответст-
венно. Разница между ними состоит в связи
колебательного контура с антенной и нагруз-
кой: ПТ включают в контур полностью, а БТ,
который имеет большую входную проводи-
мость, связывают с контуром частично. Изби-
рательность по зеркальному (ЗКП) и прямому
(ПрКП) каналам приема обеспечивают с помо-
щью контура Гк, СНСТ5 Спс, который перестраи-
вают конденсатором переменной емкости Снст
(см. ст. 17.30). Конденсатор Спс предназначен
для компенсации разброса емкости схемы,
конденсаторы Ср и СрА используют как разде-
лительные. Дополнительную избирательность
по ПЧ осуществляют с помощью режекгорно-
го фильтра ГПч , Спч — последовательного
(Рис. 17.12, б), параллельного или мостового
(Рис. 17.12, а).
На Рис. 17.12 изображены различные ви-
ды связи контура ВУ с антенной, где Ск — об-
щая емкость контура. Наиболее универсаль-
ной является схема с трансформаторной свя-
зью (см. Рис. 17.12, а), которая путем измене-
ния собственной частоты антенного контура
/ао = l/(2nVrcBCA),rae СА — эквивалентная
емкость антенны, позволяет получить любой
характер зависимости резонансного коэффи-
циента передачи от частоты настройки
368
РАДИОТЕХНИКА
17.6. ГРОЗООТМЕТЧИК А.С. ПОПОВА
Проще других схема с внешнеемкостной
связью (см. Рис. 17.12, б), которая обеспечи-
вает большой коэффициент передачи. Ее
применение ограничивается значительной
неравномерностью KQ(j) в диапазоне частот,
из-за чего она рекомендуется для приемни-
ков невысокого качества или приемников с
растянутыми поддиапазонами частот, а так-
же для приемников с индуктивной настрой-
кой ВУ. Схему с внутриемкостной связью
(Рис. 17.12, в) используют при работе с ан-
теннами, которые имеют малую емкость (на-
пример, штыревыми), где Ry — резистор
утечки. На Рис. 17.12, г показана схема с
комбинированной связью. Благодаря совме-
стному действию обоих видов связи может
быть достигнут высокий коэффициент пере-
дачи Kq(J) при малой его неравномерности.
Связь с нагрузкой выполняют трансформа-
торной, автотрансформаторной (Рис. 17.12,
д) или емкостной (см. Рис. 17.12, б, е).
Чтобы уменьшить зависимость резонанс-
ного коэффициента передачи от частоты наст-
ройки, необходимо выбрать виды связи с ан-
тенной и нагрузкой или слабо зависящими от
частоты (см. Рис. 17.12, а), или с противопо-
ложным характером этой зависимости (см.
Рис. 17.12, б). Для получения пространствен-
ной избирательности применяют ВУ с маг-
нитной антенной. В качестве последней ис-
пользуют контурную катушку индуктивности
(см. Рис. 17.12, е), выполненную на феррито-
вом сердечнике ФА с высокой магнитной про-
ницаемостью, которая работает как концент-
ратор ЭМП. Это дает возможность реализо-
вать внутреннюю антенну на длинных, сред-
них и коротких волнах при достаточно малых
ее размерах.
Входное устройство СВЧ приемников —
см. ст. 11.5, 11.7.
Согласование избирательной системы
ВУ с антенной и нагрузкой — выбор связей
«А, «н (см. Рис. 17.10) производят в зависимо-
сти от вида приемника, исходя из следующих
критериев [2]: согласование по максимуму вы-
ходной мощности в нагрузке (СВЧ приемники,
приемники низкой сложности); согласование,
обеспечивающее выполнение требований к из-
бирательности по зеркальному каналу приема
при заданной неравномерности АЧХ в грани-
цах установленной ПП (приемники средней
группы сложности); согласование по миниму-
му шумов (приемники высоких групп сложно-
сти); согласование по допустимым расстрой-
кам контура ВУ вследствие разброса парамет-
ров антенны и нагрузки (радиовещательные
приемники). В случае необходимости при вы-
боре согласования идут на компромисс.
17.6. ГРОЗООТМЕТЧИК А.С. ПОПОВА
— прибор, сконструированный А.С. Поповым
в 1895 г. для регистрации грозовых разрядов.
Является первым РПрУ, в котором были реали-
зованы все принципиально необходимые для
приема сообщений элементы (см. ст. 17.27):
антенна, детектор (когерер), оконечное устрой-
ство (звонок).
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
369
17.7. ДЕТЕКТОР ПРИЕМНИКОВ СИГНАЛОВ С AM
17.7. ДЕТЕКТОР ПРИЕМНИКОВ СИГ-
НАЛОВ С AM — устройство, которое осуще-
ствляет извлечение сообщения из AM сигнала и
подавление колебаний НсЧ. Эта операция мо-
жет быть реализована или путем использования
цепей с периодически изменяющимися параме-
трами (синхронный АД), или с помощью нели-
нейных элементов. Последнее значительно про-
ще, благодаря чему АД с НЭ нашли широкое
применение. Традиционные виды АД (диодные
и транзисторные детекторы) рассмотрены в ст.
24.4 и 19.7, где приведены также основные ха-
рактеристики АД и требования к нему.
Амплитудный детектор в интегральном
исполнении изготовляется на основе ИС. Ос-
новные недостатки применяемых диодных и
транзисторных АД — необходимость подведе-
ния достаточно больших входных напряжений
и возникновение нелинейных искажений. Для
их уменьшения нужно перейти к более слож-
ным схемам детектирования. Наиболее часто
для этого используют многофункциональные
ИС, а также специальную схемотехнику. Так,
схема АД на ОУ с коэффициентом усиления К
и нелинейной ОС обеспечивает уменьшение
порогового напряжения в К раз и малые нели-
нейные искажения. Благодаря уменьшению
внутреннего сопротивления АД снижаются и
частотные искажения. Еще большие возможно-
сти обеспечивает реализация синхронного де-
тектора на ИС с применением системы ФАПЧ
[2, 6, 7].
Амплитудный детектор приемников им-
пульсных сигналов используют для решения
задач импульсного и пикового детектирования
(Рис. 17.13). В первом случае с помощью де-
тектора радиоимпульсов (ДРИ) получают ви-
деоимпульсы (Рис. 17.13, б), которые несут ин-
формацию, заложенную в длительности или
временном положении импульсов. Для этого
нужно, чтобы постоянная времени нагрузочной
цепи детектора То « тн = RHCH « Tif где То —
период несущего колебания, т, — длительность
импульса.
Пиковые детекторы, которые работают в
системах АРУ и АПЧ, восстанавливают закон
изменения амплитуд последовательности ра-
диоимпульсов (Рис. 17.13, а). Эта задача может
быть решена путем одно- или двукратного де-
тектирования. При первом способе применяют
пиковый детектор радиоимпульсов (ПДРИ), на
выходе которого сразу получают необходимое
выходное напряжение (Рис. 17.13, в). Постоян-
ная времени ПДРИ должна быть увеличена на
несколько порядков относительно постоянной
времени ДРИ: Т« тн = ЛНСН « Гм, где Т— пе-
риод повторения импульсов, Тм — период их
модуляции. При двухкратном детектировании
сигнал первоначально превращается с помо-
щью ДРИ в видеоимпульсы, которые после ви-
деоусилителя поступают на пиковый детектор
видеоимпульсов (ПДВИ), выделяющий их оги-
бающую (Рис. 17.13, г). Двухкратное детекти-
рование позволяет получить дополнительное
370
РАДИОТЕХНИКА
17.7. ДЕТЕКТОР ПРИЕМНИКОВ СИГНАЛОВ С AM
усиление сигнала с помощью видеоусилителя,
а также реализовать необходимую избиратель-
ность.
Наибольшее распространение получили
диодные ДРИ последовательного типа без де-
ления нагрузки, поскольку их малые внутрен-
нее сопротивление и инерционность позволя-
ют уменьшить искажения формы импульсов.
Для ПДРИ характерно деление нагрузки: RH -
= RH\ + Rh2- Это обусловлено тем, что для пи-
кового детектирования нужно иметь большую
постоянную времени нагрузочной цепи и в то
же время для неискаженного воспроизведения
огибающей следует выдержать допустимое от-
ношение нагрузок АД по постоянному и пере-
менному токам Ян_/Ян~ ~ 1- ЦДВИ чаще вы-
полняют по схеме параллельного АД, парамет-
ры нагрузки которого задает пиковый режим
детектирования при условии безынерционнос-
ти по огибающей. Схемы диодных АД после-
довательного и параллельного типов рассмот-
рены в ст. 24.4.
Амплитудный детектор приемников шу-
мовых сигналов позволяет выделить инфор-
мационные признаки принятого случайного
процесса. Детектор мгновенных значений
(ДМ3) — безынерционный АД, схема которого
показана на Рис. 17.14, а. Безынерционность
здесь достигается исключением емкости на-
грузки. Как следует из Рис. 17.14, в, г постоян-
ная составляющая выходного напряжения
здесь не выделяется и детектирование проис-
ходит с углом отсечки 0 = 90°. Для увеличения
статистической представительности процесса
часто применяют схему двухтактного ДМ3.
Последовательность сигналов m3(Z) используют
для выделения необходимых характеристик
случайного процесса. В качестве такой харак-
теристики в трактах обнаружения и измери-
тельных трактах часто используют постоян-
ную составляющую u3(t) на интервале наблю-
дения Т (Рис. 17.14, г). АД, который выделяет
постоянную составляющую, называют детек-
тором средних значений (ДСЗ). Последний яв-
ляется совокупностью ДМ3 и интегратора:
т
u4(T)=(l/T)JuJ(0<*.
о
Одна из возможных реализаций идеального
интегратора — коммутируемая ЯС-цепочка —
изображена на Рис.17.14, б. Интервал комму-
тации цепочки принимают равным Т При
ДИСИ » Т частотные и переходные характерис-
тики 7?С-цепи и идеального интегратора совпа-
дают с точностью до постоянного множителя
[8]. Существенное упрощение схемы дает пере-
ход к некоммутируемой ЯС-цепи, выходное на-
пряжение которой отслеживает постоянную со-
ставляющую с флуктуациями (Рис. 17.14, д).
Детектирование в режиме сильных сиг-
налов — детектирование, при котором ВАХ
диода может быть аппроксимирована линейно-
ломаной функцией
при Мд > 0;
при мд < 0,
где S — крутизна характеристики диода VD, мд
— приложенное к нему напряжение (Рис.
17.15, б). Диаграмма работы диодного АД при
детектировании немодулированного сильного
сигнала показана на Рис. 17.15, а. В этом режи-
ме угол отсечки диодного тока 0 не зависит от
амплитуды входного сигнала и определяется
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
371
17.7. ДЕТЕКТОР ПРИЕМНИКОВ СИГНАЛОВ С AM
только параметрами схемы: 0=^Зтс/(5Ян) .
Постоянство угла отсечки 0 определяет линей-
ность детекторной характеристики С/вых = U_ =
= C/wcos0 и постоянство параметров схе-
мы: входного сопротивления R3X д = я/[5(0 -
-sin0cosO)] и коэффициента передачи Кд =
= UJUm = cos0.
Детектирование в режиме слабых сиг-
налов — детектирование малых напряжений
(Um < 0.2 В), при котором ВАХ диода аппрок-
симируется экспонентой: /д = /0[ехр(удид) - 1],
где i0—ток сильно обратносмещенногор-я-пе-
рехода; уд — коэффициент, который зависит
от типа диода; мд — приложенное к диоду на-
пряжение. Детектирование в этом режиме
происходит без отсечки тока диода. При пода-
че на вход АД синусоидального сигнала бла-
годаря экспоненциальности ВАХ диода пло-
щадь верхней полуволны тока оказывается
больше нижней, вследствие чего появляется
приращение постоянной составляющей тока,
которое зависит от амплитуды входного сиг-
нала, что и определяет эффект детектирова-
ния. В этом режиме детекторная характерис-
тика квадратична: мвых = 0.5m(5/5)£rw, что со-
провождается существенными нелинейными
искажениями (кг ~ т/4, где т — коэффициент
AM). Кроме того, АД имеет низкое входное
сопротивление 7?вхд = 1/5 и малый коэффици-
ент передачи Кд= 0.5(5IS)Um. Вследствие пе-
речисленных недостатков работа АД в этом
режиме нежелательна.
Квадратичный детектор — АД, у которо-
го связь между входным воздействием и откли-
ком определяется соотношением
^вых(0 Const U вх (/).
(1)
Применяется в измерительных системах и
приемных трактах обнаружителей [8]. К.д. мо-
жет быть реализован в режиме детектирования
слабых сигналов (см. ранее) или при использо-
вании квадратичной диодной цепочки.
Нелинейные искажения при детектиро-
вании AM сигналов — искажения формы
огибающей, т.е. неправильное воспроизведе-
ние закона модуляции. По причинам возникно-
вения нелинейные искажения (НИ) можно под-
разделить на три вида [2]. НИ первого вида
обусловлены нелинейностью детекторной ха-
рактеристики. Для их уменьшения нужно уве-
личивать параметр схемы SRH и обеспечить ус-
ловие минимально допустимой амплитуды
сигнала на входе АД
min — пор /(1 ^тах)?
(2)
где Ua ПОр — граница нелинейного (квадратич-
ного) участка детекторной характеристики,
выше которого начинается детектирование в
режиме сильных сигналов (для полупроводни-
ковых диодов составляет 0.1.. .0.2 В).
НИ второго вида имеют характер «затяги-
вания» огибающей и вызваны инерционнос-
тью нагрузочной цепи, вследствие чего выход-
ное напряжение не успевает отслеживать изме-
нение амплитуды входного сигнала. Условие
ИХ отсутствия /?НСН /("’тахЦпах)>
где Qmax — максимальная частота модуляции.
НИ третьего вида имеют характер отсечки
огибающей и обусловлены влиянием раздели-
тельной цепи Ср, R3X учм (см. Рис. 17.6, а) Ус-
ловием их отсутствия является приблизитель-
ное равенство нагрузок АД по постоянному и
переменному токам RH /RH~ ~ 1, где RH - RHf а
Rn~- ^н^вх.учм/(^н + Явх.УЧмЬ ^вх УЧМ-ВХОД-
ное сопротивление усилителя частоты модуля-
ции (УЗЧ).
Синхронный детектор — частный случай
преобразователя частоты, при котором частота
гетеродина равна НсЧ сигнала. При этом их
разностная частота (ПЧ) равна нулю, из-за че-
го ФПЧ заменяют ФНЧ (Рис. 17.16). При нали-
372
РАДИОТЕХНИКА
17.8. ДЕТЕКТОР ПРИЕМНИКОВ СИГНАЛОВ С ЧМ
а)
б)
Рис. 17.17
чии на входе ПрЧ AM сигнала uc(t) = £7С(1+
+ mcos£lf)cos(wct + фс) и сигнала гетеродина
мг(0 = C/rcos(oV + Фг) ток ПрЧ
'ця =Л«с(О«г(О =
= 0.5А(/с(/г(1 + wcosQ)cos(9c -фг) +
+0.5AUcUr(14-wcosQr)cos(2cocz 4-фс 4-фг ),
где Л — режимный множитель.
ФНЧ выделяет первое слагаемое гПрч, амп-
литуда которого изменяется по закону модуля-
ции. Максимум полезного сигнала на выходе
С. д. соответствует равенству фс = фг. К основ-
ным преимуществам С. д. относятся: малые не-
линейные искажения благодаря работе ПрЧ
при достаточно большом напряжении гетеро-
дина (в режиме сильных сигналов); высокая
избирательность вследствие использования
ФНЧ; отсутствие подавления слабого сигнала
сильной помехой, что также объясняется нали-
чием сильного сигнала гетеродина. Указанные
преимущества реализуются только при усло-
вии точной синхронизации гетеродина с несу-
щим колебанием сигнала, что требует введения
достаточно сложных цепей синхронизации.
17.8. ДЕТЕКТОР ПРИЕМНИКОВ СИГ-
НАЛОВ С ЧМ — устройство, которое осуще-
ствляет извлечение сообщения из ЧМ сигнала
и подавление колебаний НсЧ. Основные виды
ЧД рассмотрены в ст. 24.6. Там же приведены
основные характеристики ЧД и требования к
нему.
Частотный детектор аналоговых сигна-
лов (см. ст. 24.6) работает в два этапа: первич-
ное преобразование вида модуляции (ПВМ) к
виду, удобному для детектирования, и собст-
венно детектирование. По ПВМ частотные де-
текторы делят на четыре группы: частотно-
амплитудные, частотно-фазовые, частотно-им-
пульсные, а также ЧД на базе ФАПЧ. Широко
используют частотно-амплитудные ЧД, клас-
сификационная схема которых изображена на
Рис. 17.17, а. Из них следует выделить частот-
ные дискриминаторы (ЧДс) и дробные детек-
торы (ДрД), наиболее распространенные в
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
373
17.8. ДЕТЕКТОР ПРИЕМНИКОВ СИГНАЛОВ С ЧМ
профессиональной и бытовой РЭА соответст-
венно. Применение ДрД целесообразно благо-
даря внутреннему ограничению AM и низкому
пороговому уровню входного сигнала, тогда
как для ЧДс нужно иметь дополнительный ог-
раничитель. ДрД обеспечивает подавление AM
на уровне 20...30 дБ, что достаточно для ра-
диовещания и ТВ. В случае более высоких тре-
бований желательно использовать систему ог-
раничитель амплитуды — частотный дискри-
минатор.
В последнее время ДрД вытесняются более
простыми и менее критичными в настройке ча-
стотно-фазовыми детекторами, классификаци-
онная схема которых показана на Рис. 17.17, б.
Частотно-импульсные детекторы и ЧД на базе
ФАПЧ обеспечивают более высокое качество
детектирования, но они сложнее и требуют
больших уровней входного сигнала. Эти детек-
торы перспективны в связи с тем, что хорошо
согласуются с интегральной технологией.
Частотный детектор импульсных сигна-
лов может быть построен на основе схем, опи-
санных в ст. 24.6. Так, при детектировании ча-
стотно-манипулированных сигналов, которые
благодаря своей помехоустойчивости широко
применяются при передаче дискретных (циф-
ровых) сообщений, самое большое распрост-
ранение получил ЧДс с взаимно расстроенны-
ми контурами. Такой дискриминатор вместо
одиночных контуров (см. ст. 24.6) имеет слож-
ные избирательные системы, в том числе квар-
цевые фильтры, для лучшего разделения коле-
баний с частотами f\ и/2. Широко используют
также частотно-импульсные детекторы.
Частотный детектор в интегральном ис-
полнении изготовляется на основе ИС. Обыч-
но ЧД входят в состав многофункциональных
ИС, которые содержат также усилитель-огра-
ничитель. На ИС реализуют частотно-фазовые,
частотно-импульсные детекторы и ЧД с коль-
цом ФАПЧ.
Помеха — см. ст. 1.10.
Помехозащищенность — см. ст. 1.11.
17.9. ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТЬ
РПрУ ОТ ИНДУСТРИАЛЬНЫХ ПОМЕХ
(ИнП) — способность приемника противо-
стоять воздействию ИнП — активных, внеш-
них, искусственных, но не преднамеренных.
Защита от ИнП может осуществляться как в
РПрУ, так и в месте их возникновения. Ис-
точником ИнП в приемнике является излуче-
ние гетеродина РПрУ через антенну или эле-
менты конструкции. Для его уменьшения
следует использовать гетеродины малой
мощности и обеспечить развязку гетеродин-
ных и входных цепей (см. ст. 17.15). Относи-
тельно большой уровень ИнП создают теле-
визоры из-за коротких мощных импульсов
тока в цепях развертки, поэтому их нужно
тщательно экранировать.
Предельно допустимые уровни ИнП регла-
ментированы государственными нормами, ус-
тановленными для каждого типа источника по-
мех. ИнП в РПрУ поступают или через прием-
ную антенну, или через цепь питания. Проник-
новение ИнП в антенну часто вызывается ее
емкостной связью с проводами электросети.
Поэтому значительный выигрыш в помехоза-
щищенности дает применение магнитных ан-
тенн с электростатическим экранированием.
Для уменьшения влияния ИнП от электросети
напряжение питания подают через ВЧ загради-
тельный фильтр, а в трансформаторах питания
вводят электростатические экраны между се-
тевыми и вторичными обмотками.
Помехоустойчивость — см. ст. 1.12.
17.10. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РА-
ДИОПРИЕМА — помехоустойчивость при-
емной части радиосистемы (см. ст. 1.12). Обес-
печение П. р. является типичной статистичес-
кой задачей. Для ее решения увеличивают из-
бирательность приемника — частотную, про-
странственную, амплитудную, фазовую, вре-
менную, поляризационную, функциональную;
уменьшают внутренние шумы; улучшают ли-
нейность тракта; применяют специальную об-
работку смеси сигнала и помехи, направлен-
ную на выделение сигнала и ослабление поме-
хи за счет использования их особенностей и
различий.
17.11. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РПрУ
ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНЫХ ПО-
МЕХ (ИмП) — способность приемника проти-
востоять воздействию ИмП. Последние в об-
щем случае являются случайной последова-
тельностью импульсов, длительность которых
тп намного меньше интервала следования Г,
который, в свою очередь, намного больше про-
должительности переходных процессов в трак-
те РПрУ. Основные характеристики ИмП рас-
смотрены в ст. 1.10. Основные способы борь-
бы с ИмП можно подразделить на три группы:
частотная, амплитудная, амплитудно-частот-
ная, временная избирательность; компенсация
помех; специальные способы их подавления.
Укажем, что теоретически возможно полно-
стью устранить ИмП.
374
РАДИОТЕХНИКА
17.11. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РПрУ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ
Избирательность амплитудная — способ
увеличения помехоустойчивости РПрУ благо-
даря его способности выделить сигнал из сме-
си сигнала и помехи, различающихся по амп-
литуде; реализуется с помощью ограничителя
мгновенных значений (см. ст. 24.16). Если амп-
литуда помехи превышает амплитуду сигнала
(Unm > Ucm), что обычно имеет место, то может
быть введено ограничение по максимуму; при
< Ucm — ограничение по минимуму (Рис.
17.18, а и б соответственно). Как следует из
Рис. 17.18, л, при выборе £огр = Ucm ограничи-
тель срезает амплитуду помехи до уровня по-
лезного сигнала, обеспечивая отношение
(С/П)тах = 1. На Рис. 17.18, б помеха полно-
стью подавлена.
Избирательность амплитудно-частотная
— способ увеличения помехоустойчивости
РПрУ благодаря его способности выделить
сигнал из смеси сигнала и помехи, различаю-
щихся по амплитуде и спектрально-частотным
характеристикам. Для увеличения отношения
(С/П)2 по сравнению с рассмотренным ранее
способом следует перейти к структуре Рис.
17.19, где кроме ограничителей О-max и O-min
введены ШПУ и УПУ — широкополосный и
узкополосный усилители соответственно (схе-
Рис. 17.18
ма ШОУ). Система работает на основе априор-
ной информации о том, что ИмП более мощ-
ная, но имеет меньшую продолжительность
относительно сигнала:
^пт » 1*п « (1)
ШПУ предназначен для усиления сигнала
до уровня эффективного ограничения; при этом
его полоса пропускания Пш должна быть доста-
точно большой, чтобы не допустить «растяги-
вания» ИмП во времени: туст ш = const/IIm < тп.
Полосу пропускания УПУ выбирают мини-
мально возможной (Пу « Пш) с таким расче-
том, чтобы обеспечить полное нарастание по-
лезного сигнала: туст у = const/ny = тс. При
этом ИмП с учетом (1) не успевает нарасти, по-
этому на выходе УПУ Unm « Ucm, что позволя-
ет ввести ограничение по минимуму (см. Рис.
17.18, б и 17.19). Можно показать, что (С/П)4 =
= const(Tc/Tn) = const(nm/ny). Расширение поло-
сы Пш ограничивается снижением помехоус-
тойчивости РПрУ относительно флуктуацион-
ных и сосредоточенных по спектру помех.
Избирательность временная — способ
увеличения помехоустойчивости РПрУ за счет
его способности разделить сигнал и помеху по
временным характеристикам: времени поступ-
ления, длительности импульсов, периоду их
повторения. В качестве примера на Рис. 17.20,
а показана структура устройства с И. в. по дли-
тельности импульсов т/0> где ДЦ — дифферен-
цирующая цепь, ЛЗ — линия задержки на тю,
ФИ — фазоинвертор на 180°, О — ограничи-
тель амплитуд по минимуму. На Рис. 17.20, б
изображены импульсы сигнала и помехи в ука-
занных точках схемы. И. в. по импульсным по-
мехам реализуют также в системах с вре-
менной и программной АРУ (см. ст. 17.2), а
также в системах со стробированием.
Избирательность частотная — способ
увеличения помехоустойчивости РПрУ благо-
даря его способности выделить сигнал из сме-
си сигнала и помехи, различающихся по спек-
трально-частотным характеристикам. Под воз-
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
375
17.11. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РПрУ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ
действием ИмП линейный тракт приема (ЛТП)
ударно возбуждается на собственной частоте
Ип.выхСО= t/n(z)cos(co0 + 9о)> где огибающая за-
тухающего колебания Un(f) зависит от вида из-
бирательной системы ЛТП. Рассмотрим три
характерных вида таких систем, охватываю-
щих все возможные их варианты: идеальный
ПФ (ИПФ), моделирующий ЛТП с фильтром
сосредоточенной селекции, а также гаус-
совский ПФ (ГПФ) и одиночный резонансный
контур (ОРК), которые адекватны приемному
тракту с большим и малым числом простых из-
бирательных систем соответственно.
Для ИПФ:
. .. _ \ К о при /о - °-5П эф f fo + °-5П эф;
А. (у ) — <
[О при другом значении f;
Un (0 = Un max [sin(nn Эф0]/(дП Эф0>
max — 250К0Пэф, Пэф = П,
циент передачи; (7птах — максимальная ампли-
туда помехи в момент возбуждения колебаний;
Пэф — эффективная (шумовая, энергетичес-
кая) ПП; П — полоса пропускания при нерав-
номерности АЧХ оп = 0.707.
Как видно из (2)—(4), амплитуда помехи
Ц]шах на выходе избирательной системы про-
порциональна эффективной ПП, откуда следу-
ет, что для уменьшения влияния ИмП должна
быть применена минимально возможная поло-
са. Вместе с тем из (2)—(4) можно заключить,
что при сужении ПП из-за увеличения инерци-
онности системы скорость спада огибающей
затухающих колебаний, обусловленных воз-
действием помехи, уменьшается. Таким обра-
зом, при выборе ПП избирательной системы
РПрУ необходимо принимать компромиссное
решение.
Компенсационный способ подавления
импульсных помех базируется на том, что кро-
ме основного канала ОК в РПрУ вводят допол-
нительный канал формирования помехи КФП,
где искусственно воссоздают помеху, которая в
вычитающем устройстве ВУ компенсирует по-
меху основного канала (Рис. 17.21, а). КФП мо-
жет быть организован с помощью частотного
или пространственного разделения сигнала С и
помехи П. В первом случае формирование по-
мехи в КФП основывается на том, что ее амп-
литудный и фазовый спектры на частоте сигна-
ла однозначно связаны с амплитудным и фазо-
(2)
для ГПФ:
K(f) = Ко ехр{-О.5тг[(/-/о)/пэф]2};'
U п (О ~ max ®ХР[—2^(ПэфО ],
^птах = 2л/25оЛГоПэф, Пэф =1.06511
(3)
для ОРК:
K(f)=Ко/;
^п(0 max ®хр( 2Пэф/),
^птах — эф ’ эф — (я/2)П
,(4)
где 50 — спектральная плотность амплитуд по-
мехи на частоте f0; Ко — резонансный коэффи-
Рис. 17.21
376
РАДИОТЕХНИКА
17.13. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РПрУ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ССП
вым спектрами на другой частоте, свободной от
сигнала. Наиболее распространенная структур-
ная схема устройства с компенсацией помехи
по огибающей изображена на Рис. 17.21, б, где
/сн =/с,/о2 =/с + П, а П — полоса пропускания
полосовых фильтров ГЬ и П2. Более полное по-
давление ИмП возможно в более сложных уст-
ройствах компенсации помехи по ее мгновен-
ным значениям до детектора [3]. Основной не-
достаток компенсационного способа — нали-
чие двух каналов приема, что ухудшает помехо-
устойчивость РПрУ по флуктуационным и со-
средоточенным по спектру помехам.
Подавители импульсных помех с блан-
кированием — широкий класс специальных
подавителей ИмП. Структурная схема такого
подавителя показана на Рис. 17.21, в, где ШПУ
и УПУ — широкополосный и узкополосный
усилители соответственно. Прерыватель Пр
обеспечивает прерывание процесса на время
воздействия помехи; для управления им обра-
зована цепь, составленная из селектора помехи
СлП и устройства управления прерывателем
УПр. Селектор помехи может работать по лю-
бому из признаков, по которому помеха отли-
чается от сигнала (например, по статистичес-
кой разности крутизны фронтов нарастания
сигнала и помехи 5фрп » 5фр с). УПУ предназ-
начен для сглаживания провалов прерываний.
17.12. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ
РПрУ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПАССИВНЫХ
ПОМЕХ (ПсП) — способность приемника
противостоять воздействию ПсП. Внешние
ПсП (см. ст. 1.10) обусловлены изменениями
условий распространения радиоволн в канале
из-за неоднородности среды и свойств отража-
ющих объектов, внутренние ПсП — изменени-
ем параметров элементов приемника.
Разнесенный прием — способ увеличе-
ния помехоустойчивости систем связи на КВ,
ионосферной и тропосферной связи относи-
тельно замираний благодаря приему несколь-
ких сигналов, которые несут одно и то же сооб-
щение. Системы Р. п. строят таким образом,
чтобы замирание разнесенных сигналов, по-
ступающих в параллельные каналы приема,
происходило по возможности некоррелирова-
но. При этом вероятность одновременного за-
мирания всех сигналов существенным образом
уменьшается.
Известны разные средства Р. п. Так, при
разнесении сигналов по частоте сообщения пе-
редают несколькими модулированными сигна-
лами на разных НсЧ, а при разнесении во вре-
мени одно и то же сообщение передают не-
сколько раз. Преимущество отдают приему на
разнесенные антенны. В этом случае передают
один сигнал, а параллельные каналы получают
благодаря приему на разные антенны: или раз-
несенные в пространстве (пространственно
разнесенный прием с расстоянием между ан-
теннами более чем 10 длин волн), или с разной
поляризацией (поляризационно-разнесенный
прием), или с разными ДН (разнесение по углу
прихода луча).
В общем случае сигналы отдельных кана-
лов суммируют, образуя групповой сигнал
y(t)=[ц* хк (0 +п к( 0],
к=\
где q — кратность разнесения; хк, пк — сигнал
и помеха £-го канала; Ek, — весовой коэффи-
циент и коэффициент усиления £-го канала.
Способы формирования у(0: до-и последе-
текторное линейное сложение (tk = 1); взве-
шенное сложение (гк ^1), при котором весовой
коэффициент гк зависит от отношения уровней
сигнала и помехи; автоматический выбор кана-
ла, наименее пораженного помехой [9].
Селекция движущихся целей — способ
улучшения помехоустойчивости радиолока-
ционных систем, который позволяет выде-
лить движущуюся цель на фоне ПсП различ-
ного происхождения; базируется на использо-
вании разности скоростей движения полез-
ных и мешающих целей. С. д. ц. применяют
для обнаружения самолетов на фоне движу-
щихся облаков, танков и автомашин на фоне
отражения от земли и т.п. По принципу дейст-
вия С. д. ц. разделяют на когерентную и неко-
герентную. В первой используют сравнение
по фазе отраженного и опорного сигналов.
Движение цели вследствие эффекта Доплера
обуславливает разность фаз, которую выделя-
ют с помощью ФД. При некогерентной С. д. ц.
применяют не фазовые отличия, а смещение
огибающей сигнала на протяжении значи-
тельного отрезка времени или другие эффек-
ты движения [10].
17.13. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ
РПрУ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СОСРЕДОТО-
ЧЕННЫХ ПО СПЕКТРУ ПОМЕХ (ССП) —
способность приемника противостоять воздей-
ствию ССП. Последние являются гармоничес-
кими или квазигармоническими колебаниями,
создаваемыми радиотехническими устройст-
вами, энергия которых сосредоточена в узком
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
377
17.13. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РПрУ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ССП
частотном интервале (см. ст. 1.10). ССП могут
непосредственно проходить по соседнему и
побочному каналам приема (СКП, ПбКП —
см. ст. 17.31) и вызывать в приемнике нежела-
тельные нелинейные эффекты: интерференци-
онные, интермодуляционные и перекрестные
искажения, блокирование.
Исходя из этого способы борьбы с ССП
можно свести к двум группам:
— обеспечению избирательности по СКП
и ПбКП (при этом избирательность может
быть реализована по любому признаку, по ко-
торому сигнал отличается от помехи: частоте,
фазе, пространственному положению, поляри-
зации; основной способ борьбы с ССП — час-
тотная избирательность);
— уменьшению нелинейных эффектов,
что, в свою очередь, предусматривает включе-
ние избирательных цепей до НЭ (транзисторов
или ИС), чтобы подавить ССП до того, как она
«замешается» на этом элементе с сигналом, а
также создание мощных линейных трактов,
нечувствительных к ССП, даже если они попа-
дают на вход усилителя — см. далее выраже-
ние (3).
Блокирование — нелинейный эффект, ко-
торый состоит в изменении усиления полезно-
го сигнала при наличии помехи. Пусть на вход
усилительного каскада воздействуют полез-
ный сигнал uc(t) = C/ccosgv на частоте наст-
ройки усилителя соо и помеха un(f) = t/ncosconz
на частоте соп Ф соо. Как следует из уравнения
колебательной характеристики (2), приведен-
ной далее, амплитуда выходного тока усилите-
ля, который выделяется его избирательной си-
стемой,
/га| =(а+1.5с{7„ ){7С+0.75с(73,
где а, с — постоянные коэффициенты ряда, ап-
проксимирующего ВАХ АЭ (1), зависит от
амплитуды достаточно мощной помехи Un.
Если рабочую точку АЭ выбрать так, чтобы
с < 0, то напряжение сигнала на выходе прием-
ника при увеличении напряжения помехи на
его входе уменьшается, что и определяет эф-
фект Б. Последний оценивают коэффициен-
том блокирования (см. ст. 17.31)
£бл = const (c/a)U3-
Для устранения Б. следует уменьшить Un с
помощью частотной избирательности и вы-
брать рабочую точку АЭ так, чтобы с > 0.
Заметим, что под Б. понимают также эф-
фект перегрузки приемного тракта сильной по-
мехой, вследствие чего уменьшается усиление
полезного сигнала.
Избирательность поляризационная —
способность приемника выделить полезный
сигнал из смеси сигнала и помехи, различных
по поляризации их ЭМП. При этом антенная
система работает как поляризационный селек-
тор, а мощность выделенных колебаний зави-
сит от степени совпадения поляризационной
характеристики антенны с поляризацией коле-
баний, которые принимаются [2]. Применение
И. п. на декаметровых и более длинных волнах
затрудняется из-за сложности реализации.
Избирательность пространственная —
способность приемника выделить полезный
сигнал из смеси сигнала и помехи, различаю-
щихся по направлению прихода. И. п. основы-
вается на использовании антенны с ДН задан-
ной формы и ориентации, а также на функцио-
нальной обработке сигналов, которые поступа-
ют от нескольких антенн. И. п. применяют, на-
чиная от умеренно высоких частот и выше;
при этом более полно И. п. реализуется в диа-
пазоне СВЧ. Формирование ДН различной
формы и управление их положением в прост-
ранстве становится особенно гибким при ис-
пользовании адаптивных антенных решеток
(см. ст. 17.3).
Избирательность фазовая — способ-
ность приемника выделить полезный сигнал из
смеси сигнала и помехи, которые отличаются
между собою по фазе. Применяется в случае
перекрытия спектров сигнала и помехи. И. ф.
может быть реализована в синхронном детек-
торе (см. ст. 17.7), выходное напряжение кото-
рого изых = const cos(<pc - (рг) максимально при
фг = Фс, что обеспечивается цепями синхрони-
зации. При воздействии помехи с той же часто-
той, что и сигнал, но с другой фазой выходное
напряжение уменьшается, поскольку фаза ге-
теродина (рг не равна фазе помехи.
Избирательность частотная — способ-
ность приемника выделить полезный сигнал из
смеси сигнала и помехи, различающихся по
частоте. Является основным видом избира-
тельности, которая обеспечивает подавление
сосредоточенных по спектру помех. Примени-
тельно к супергетеродинному приемнику раз-
личают избирательность по соседнему каналу
приема (СКП — канал наиболее близко распо-
ложенной мешающей радиостанции) и избира-
тельность по побочным каналам приема
378
РАДИОТЕХНИКА
17.13. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РПрУ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ССП
(ПбКП), в том числе по зеркальному (ЗКП) и
прямому (ПрКП) каналам (см. ст. 17.15). Пер-
вая обеспечивается УПЧ, который работает на
фиксированной ПЧ, что позволяет применять
избирательные системы с коэффициентом пря-
моугольности АЧХ £пр —> 1 (см. ст. 17.29). Из-
бирательность по ПбКП достигается с помо-
щью перестраиваемого преселектора, работа-
ющего на достаточно высокой сигнальной час-
тоте, что заставляет использовать более про-
стые и соответственно менее эффективные из-
бирательные системы (см. ст. 17.30). Следует
отметить важность избирательности до перво-
го НЭ (транзистора или ИС УСЧ), которая реа-
лизуется с помощью входного устройства. Она
обеспечивает подавление ССП до того, как по-
следние, взаимодействуя с сигналом или меж-
ду собой создадут нелинейный продукт, устра-
нение которого затруднено или вообще невоз-
можно. С этой точки зрения фильтрующие эле-
менты должны быть расположены как можно
ближе к входу приемника.
Интермодуляционные искажения — не-
линейный эффект, который возникает при про-
хождении через преселектор двух и более по-
мех с амплитудами несущих Un2 и часто-
тами /п1,/п2? которые лежат за пределами ПП
приемника, но на НЭ радиотракта создают ко-
лебания с комбинационными частотами, кото-
рые попадают в ПП: (± mfnl ± nfп2) € П. Интер-
модуляционные искажения оценивают коэф-
фициентом интермодуляции (см. ст. 17.31)
£инм = const (c/a)(U2nlUn2/Uc),
где с, а — коэффициенты ряда, аппроксимиру-
ющего ВАХ АЭ (1). При условии, что (7п1 =
= ип2 = ис,
£икм = const (с/а) и2п.
Для уменьшения влияния И. и. следует по-
вышать частотную избирательность преселек-
тора и линеаризировать радиочастотный тракт,
уменьшая параметр нелинейности АЭ 0Н (см.
далее).
Интерференционные искажения — не-
линейный эффект, который возникает под воз-
действием мешающего сигнала, близкого по
частоте к полезному сигналу, если разность
частот их лежит в границах 34, которые вос-
производятся приемником. Проявляются как
биения (интерференционные свисты) с часто-
той /с -fn = F е П. Уменьшить интенсивность
свиста повышением избирательности по со-
седнему каналу приема невозможно, посколь-
ку мешающая частота столь близка к полез-
ной, что ее не удается эффективно отфильтро-
вать. Тем не менее, поскольку И. и. могут воз-
никать не только по сигнальной частоте, но и
по ПбКП, ослабить их можно, уменьшив вли-
яние ПбКП (см. ст. 17.15).
Линейность тракта — его способность ра-
ботать в линейном режиме, при котором мате-
матической моделью тракта является система
линейных уравнений. Реализуется при малых
уровнях сигналов и помех. Если уровень по-
следних значительный, то следует применить
специальные меры. Аппроксимируем ВАХ
усилительного прибора степенным рядом [11]
i = аи + Ьи2 4-см3, (1)
где а, Ъ, с — постоянные коэффициенты.
Пусть на вход усилительного каскада со
средней частотой избирательной системы соо
воздействует смесь сигнала и помехи u(t) =
= (7ccosgv + t/ncosconz, где сос = соо, соп Ф соо. По-
сле подстановки выражения u(t) в (1) и сумми-
рования амплитуд компонентов с частотой сос,
которые выделяет избирательная система, на-
строенная на частоту сигнала, получим
/т1 =(a+1.5e(73)t7c+О.75с[/С3. (2)
Уравнение (2) называется колебательной
характеристикой. Как видим, амплитуда Imi
первой гармоники частоты сигнала зависит от
напряжения помехи £7П, что приводит к таким
нелинейным эффектам, как перекрестные ис-
кажения, блокирование и пр. Для их устране-
ния могут быть предложены две группы спосо-
бов. К первой относятся меры, которые обес-
печивают подавление помехи до НЭ благодаря
избирательности преселектора; ко второй —
меры, повышающие линейность усилителя.
Для этого ВАХ (1) должна иметь вид квадра-
тичной параболы
i =аи +bu2, с=0, I тХ =aUc. (3)
ВАХ вида i = аи исключает возможность
организации режимного АРУ и потому не при-
меняется. Нелинейность ВАХ количественно
оценивают параметром нелинейности актив-
ного элемента 0Н = (с/а); в ряде работ его ана-
лог, который базируется на другой аппрокси-
мации ВАХ, выражают через отношение вто-
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
379
17.13. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РПрУ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ССП
(4)
рой производной крутизны к крутизне харак-
теристики выходного тока АЭ в рабочей точке
Он = (S'7S) [11, 12]. Реализация ВАХ (3) требу-
ет подбора мощного ПТ (менее желателен БТ),
выбора сильноточного режима его работы, оп-
тимизации сопротивлений источника и нагруз-
ки по минимуму нелинейных искажений. Со-
здание мощных линейных трактов, линеариза-
ция ВАХ благодаря применению специальной
элементной базы характерны для последних
моделей приемников высокой сложности. Пла-
той за это является увеличение потребления
энергии, что препятствует внедрению этих ме-
тодов в модели переносных приемников. Эф-
фективным способом линеаризации ВАХ яв-
ляется также введение отрицательной ОС.
Перекрестные искажения — нелинейные
искажения, обусловленные тем, что полезный
сигнал модулируется сообщением, которое пе-
редается мешающим внеполосным сигналом.
Пусть амплитуды сигнала и помехи промоду-
лированы сообщениями звуковой частоты Ос
и Qn с глубиной модуляци тс и тп соответст-
венно:
и с ={/c0(l+wccosQcO;
Un =^no(l+wncosQnr)
Подставив (4) в уравнение колебательной
характеристики (2), можно рассчитать коэффи-
циент П. и. как отношение амплитуд компонен-
тов частот модуляции помехи и сигнала [11]:
^п.и ~ = 3(с/я)(шп/ШсХ7п0 ’ (5)
где а, с — коэффициенты ряда, аппроксимиру-
ющего ВАХ АЭ (1).
Как видим, для уменьшения П. и. следу-
ет подавить помеху (7п0, повышая избира-
тельность преселектора, и лианеализировать
ВЧ тракт, уменьшая параметр нелинейности
АЭ 0Н, т.е. употребляя активные приборы с
ВАХ (3).
Побочный канал приема — см. ст. 17.15.
Соседний канал приема — см. ст. 17.29.
17.14 ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ
РПрУ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ФЛУКТУАЦИ-
ОННЫХ ПОМЕХ (ФП) — способность при-
емника противостоять воздействию ФП. По-
следние являются непрерывным во времени
случайным процессом (см. ст. 1.10), наиболее
распространенным и принципиально неустра-
нимым видом помех. Следует подчеркнуть,
что далее рассматривается только помехоус-
тойчивость первичной обработки сигнала —
выделение элементов сообщения (например,
видеоимпульсов) без учета их последующего
декодирования (см. ст. 6.8), трассовой обработ-
ки (см. ст. 17.4) и т.п.
Основные способы борьбы с ФП можно
подразделить на три группы, расположенные в
порядке возрастания сложности их реализа-
ции, вследствие чего каждый следующий вид
обработки нужно применять лишь тогда, когда
предыдущий не позволяет решить поставлен-
ную задачу:
1. Частотная фильтрация состоит в ис-
пользовании типовых приемных трактов, в
том числе типового тракта обнаружения (ТТО,
см. ст. 17.28), квазиоптимальной и оптималь-
ной (согласованной) фильтрации (см. ст. 21.2).
Отметим, что в отличие от импульсных помех,
выходное напряжение которых пропорцио-
нально эффективному значению ПП линейно-
го тракта приема (ЛТП), выходное эффектив-
ное напряжение ФП пропорционально корню
из ПП. Так, эффективное напряжение ФП,
приведенное к входу ЛТП, ^»x„=7G(/o)n эф >
где G(f0) — спектральная плотность мощнос-
ти шума на средней частоте тракта; Пэф — эф-
фективная ПП тракта (см. ст. 17.31).
2. Применение оптимальных приемников
(ОПр) — РПрУ, которые по заданному крите-
рию оптимальности позволяют наилучшим об-
разом выделить сообщение из смеси сигнала и
помехи, воздействующей на вход приемника.
ОПр принципиально отличаются от оптималь-
ных фильтров объектом выделения: задача по-
следних состоит в оптимальном выделении не
сообщения, а сигнала (в отдельных случаях
оба вида оптимальной обработки совпадают).
Отметим, что понятие оптимального приема
касается лишь конкретной сигнально-помехо-
вой обстановки. Исходя из этого ОПр по назна-
чению разделяют на приемники обнаружения,
различения (бинарного или многоальтернатив-
ного), оценки параметров сигнала, оценки не-
прерывного сообщения, разрешения сигналов
(см. ст. 21.1).
По критерию оптимизации различают сле-
дующие ОПр, перечисленные по степени
уменьшения общности подхода: байесовские
приемники; приемники, которые работают по
максимуму правдоподобия или по минимуму
среднеквадратической ошибки; взаимокорре-
ляционные приемники; автокорреляционные
приемники. По уровню априорной неопреде-
380
РАДИОТЕХНИКА
17.14. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РПрУ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ФЛУКТУАЦИОННЫХ ПОМЕХ
ленности выделяют ОПр, работающие в усло-
виях полной априорной информации (напри-
мер, ОПр сигналов, известных точно), в усло-
виях частичной априорной неопределенности
(например, ОПр сигналов с неизвестной на-
чальной фазой) и в условиях существенной ап-
риорной неопределенности. В последнем слу-
чае необходимо применять специальные мето-
ды по преодолению априорной неопределен-
ности, например, использовать адаптивные
квазиоптимальные приемники (см. ст. 21.4).
По способу реализации различают ОПр с опти-
мальным фильтром и коррелятором.
3. Использование накопителей сигналов
различного вида (см. далее).
Адаптивный приемник обнаружения и
различения сигналов — см. ст. 21.4.
Априорная неопределенность — см. ст.
21.4.
Байесовский оптимальный приемник —
приемник, который из многих возможных ре-
шений (структур) и(х) выбирает такое, которое
минимизирует средний риск
{«}
где R — математическое ожидание функции
потерь, являющееся априорной оценкой воз-
можных следствий принятого решения. Мини-
мальный средний риск — критерий, который
имеет высокий уровень обобщения, но практи-
ческое его использование сопряжено с сущест-
венными трудностями, связанными с большим
количеством необходимой априорной инфор-
мации (см. ст. 21.5).
Накопитель сигналов — частный случай
оптимального фильтра, который независимо от
формы сигнала реализуют с помощью сумма-
тора для дискретных или интегратора для ана-
логовых периодически повторяющихся сигна-
лов. Суть метода накопления состоит в том,
что решение о наличии сигнала принимают не
сразу после его поступления, а спустя некото-
рое время Гн, необходимое для накопления
сигналов. Значение Тц выбирают так, чтобы
обнаружились статистические свойства поме-
хи, но при этом не должны существенным об-
разом изменяться определенные параметры
сигнала.
Рассмотрим накопление N видеоимпульсов
на фоне шума £(/) с помощью сумматора. Если
интервалы между соседними импульсами сиг-
нала превышают интервал корреляции помехи
тк, то на выходе сумматора получим
^вых=^с+&,
:=1
где £,• — значение £ (/) в момент фиксации z-ro
импульса.
Шумовая компонента характеризуется дис-
персией Оп • Поскольку накопленные сигналы
являются когерентными и суммируются ариф-
метически, а шумы суммируются геометричес-
ки, отношение мощностей сигнала и помехи на
выходе Н. с.
(С/П)вых = (М/С)2/(Л^) =
= N(U2/а2) = N(C/H)Bx,
т.е. имеем выигрыш в N раз. При использова-
нии интегратора эквивалентом N является от-
ношение Тн/тк.
Принцип накопления сигналов поясняет
структурная схема (Рис. 17.22, а) синхронного
весового некогерентного Н. с. с петлей поло-
жительной ОС (рециркулятора). Выходным
продуктом Н. с. является
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
381
17.14. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РПрУ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ФЛУКТУАЦИОННЫХ ПОМЕХ
z(0 =
*=0 А=0
где Р — коэффициент передачи; Тп — период
повторения сигналов.
По соображениям устойчивости Н. с. при-
нимают Р < 1. Формирование импульсов в Н. с.
показано на Рис. 17.22, б.
Оптимальный приемник аналоговых
сигналов (сигналов с непрерывным во време-
ни сообщением) — приемник, который из по-
лученного на интервале наблюдения Т колеба-
ния x\t, w(z)] восстанавливает переданное со-
общение u(t) с наибольшей точностью. Если
вид модуляции задан, то сообщению u(t) одно-
значно отвечает сигнал s(t, и). Тем не менее
вследствие воздействия помехи принятое ко-
лебание отличается от него: x(z) = s(t, и) + n(t).
Уровень совпадения x(t) и s(t, и) на интервале
наблюдения Т можно оценить с помощью
функции правдоподобия Цх), которая имеет
максимум при наибольшем совпадении и
уменьшается по мере расхождения между x(t)
и s(t, и) (см. ст. 21.5).
Поскольку в реальной ситуации сообщение
точно неизвестно, а на основании априорных
данных можно только предположить область
его возможных значений {«(/)}, О. п. а. с. вы-
бирает такую реализацию выходного сообще-
ния K(z) из этой области, которая обеспечивает
максимум функции правдоподобия
L(x)=L(x)max;l
И(Ое {«(<)} J
(1)
Область {«(/)} определяют на основании
неполной априорной информации о сообще-
нии и сигнале (НсЧ, вид модуляции, ширина
спектра, распределение мгновенных значений
сообщения и т.п.). Если реализации сообщения
V(t) равновероятны, а соответствующие сигна-
лы s(t, V) имеют одинаковую энергию, то мак-
симум функции (1) отвечает максимуму функ-
ции взаимной корреляции между принятым и
ожидаемым сигналами
т
R(V)=2jx(t)s(t,V)dt. (2)
О
Таким образом, О. п. а. с. может вычислить
функцию корреляции и вывести на выход ту
реализацию K(z), для которой функция (2) име-
ет максимальное значение. Этот алгоритм мо-
жет быть реализован двояко: с помощью при-
емника со следящим коррелятором (Рис.
17.23, а) или приемника со следящим фильт-
ром (Рис. 17.23, б), где Г — гетеродин, Д — де-
тектор, УЭ — управляющий элемент, Ум —
умножитель, ОФ — согласованный (опти-
мальный) фильтр (см. ст. 21.2). В обоих случа-
ях выходное напряжение K(z) является управ-
ляющим, которое в схеме на Рис. 17.23, а из-
меняет модулирующий параметр, а в схеме на
Рис. 17.23, б — параметры оптимального
фильтра и таким образом обеспечивает макси-
мальный эффект (2).
При разных видах модуляции принцип
следящего приема остается неизменным —
изменяется лишь тот параметр, по которому
осуществляется слежение. Выигрыш в поме-
хоустойчивости В, полученный в О. п. а. с., за-
висит от вида и индекса модуляции а так-
же отношения ПП приемника до и после де-
тектора Пс/Пм (Табл. 17.1). Данные по поме-
хоустойчивости О. п. а. с. для разных видов
модуляции при воздействии слабых помех
приведены в ст. 21.5.
Таблица 17.1.
Вид модуляции М = Пс/Пм В = (С/П),и,/(СЛ1)м
AM 1 0.65 М
ОМ 0.5 2М
ЧМ зм3
ФМ м3
382
РАДИОТЕХНИКА
17.14. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РПрУ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ФЛУКТУАЦИОННЫХ ПОМЕХ
Оптимальный приемник бинарного раз-
личения дискретных сигналов, известных
точно, в аддитивном гауссовском белом шуме
— приемник, который после обработки приня-
той реализации x(t) на интервале времени Т
выносит решение о присутствии одного из
двух сигналов, т.е. наилучшим образом опре-
деляет принадлежность реализации к смеси
первого или второго рода:
IS1 (г) = $1 (0 + n(t) -> Нх;
(3)
где 51(7), -^(О — детерминированные сигналы,
которые передаются; n(t) — шумовая помеха;
Нх и Н2 — гипотезы о наличии первого или
второго сигнала соответственно.
Алгоритм работы О. п. б. р. состоит в вы-
числении отношения правдоподобия Х(х) и
сравнении его с порогом Р:
X(x) = ^(x|E1)/PF(x|X2) |р. (4)
Выражение (4) означает, если Х(х) > Р, при-
нимается гипотеза если Х(х) < Р, принимает-
ся гипотеза Н2, a FT(x|Zi) означает, что в априор-
но известное распределение плотности вероят-
ности смеси первого рода подставляются
апостериорно полученные данные массива {х};
аналогичное содержание имеет 1Г(х|£2).
Области применения О. п. б. р. — системы
передачи информации.
Алгоритм (4) имеет высокий уровень обоб-
щения, но он слишком сложен для практической
реализации. При условии, что гауссовский шум
имеет равномерную спектральную плотность
мощности (Gn = Go = const), а сигналы обладают
т т
одинаковой энергией: = $sf(t)dt, отно-
0 о
шение правдоподобия (4) может быть сведено
к отношению корреляций
т
| х(?)5] (t)dt н
XW=r------------ДР’ (5)
|х(ф2(0^
о
где 5i(z) и s2(t) — априорно известные детерми-
нированные копии ожидаемых сигналов, а по-
рог Р зависит от принятого критерия опти-
мальности (см. ст. 21.5).
В простейшем случае Р = 1
Таким образом, О. п. б. р. регистрирует тот
из двух сигналов, который больше коррелиро-
ван с принятым колебанием.
Алгоритм (5) может быть реализован двоя-
ко: с помощью взаимокорреляционного прием-
ника (Рис. 17.24, а), который работает непо-
средственно по приведенному алгоритму, и с
помощью приемника с оптимальными фильт-
рами, адекватными операции интегрирования
(Рис. 17.24, б), где ОФ1 — согласованный (оп-
тимальный) фильтр для априорно известного с
точностью до фазы сигнала s^t) (см. ст. 21.2);
ОФ2 — такой же фильтр для сигнала s2(t); РУ
— решающее (пороговое) устройство (элемен-
ты АД1, АД2, показанные штриховыми линия-
ми, здесь не рассматриваются). С выходов
фильтров напряжения у 1(/) иу2(/) подводятся к
РУ, которое сравнивает их в момент времени Т:
Селективные усилители СУ, построенные
на базе имеющейся априорной информации,
осуществляют предварительную селекцию и
поднимают уровень входного сигнала wBX(Z) до
уровня x(t), необходимого для качественной
работы рассмотренных алгоритмов.
Оптимальный приемник бинарного раз-
личения дискретных сигналов с неизвестной
начальной фазой в аддитивном гауссовском бе-
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
383
17.14. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РПрУ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ФЛУКТУАЦИОННЫХ ПОМЕХ
лом шуме — приемник, который принимает ре-
шение о том, какой из двух сигналов присутству-
ет. Его структурная схема аналогична схеме Рис.
17.24, б с различием, обусловленным фазовой
неопределенностью сигналов. Простейшим яв-
ляется решение о переходе к некогерентному
приему, для чего после фильтров включают амп-
литудные детекторы огибающей АД! и АД2, по-
казанные на Рис. 17.24, б штриховыми линиями.
Оптимальный приемник многоальтер-
нативного различения дискретных сигна-
лов, известных точно, в аддитивном гауссов-
ском белом шуме — приемник, который при-
нимает решение о том, какой из N сигналов
присутствует. Его структурная схема анало-
гична схеме Рис. 17.24, а с тем различием, что
вместо двух применяют N каналов, формиру-
ющих N взаимокорреляционных функций
т
Jx(O5f(O^, которые подводятся к решающему
о
устройству РУ, фиксирующему канал с макси-
мальным выходом. О. п. м. р. используют в мно-
гопозиционной локации, системах связи и т.п.
Оптимальный приемник обнаружения
сигналов, известных точно, в аддитивном га-
уссовском белом шуме — приемник, который
после обработки принятой реализации х(г) на
интервале времени Т выносит решение о том,
присутствует ли в поле наблюдения сигнал, т.е.
наилучшим образом определяет принадлеж-
ность реализации смеси сигнала и помехи или
только помехе:
р(О+я(О->я,;
x(t) =<
(6)
где s(t) — детерминированный сигнал; n(t) —
шумовая помеха; — гипотеза о том, что
принятое колебание содержит смесь сигнала и
помехи; Но — гипотеза о том, что принята
лишь помеха.
Алгоритм работы О. п. о. с. состоит в вы-
числении отношения правдоподобия Х(х) (см.
ст. 21.5) и сравнении его с порогом
я,
A.(x) = fF(x|X)/»r(x|n) й р,
(7)
вестное распределение плотности вероятности
помехи W(ri) подставляют данные массива {х};
Р — порог, который определяется принятым
критерием оптимальности (см. ст. 21.5).
Алгоритм (7) имеет высокий уровень обоб-
щения но, как правило, непосредственно не ис-
пользуется. Для гауссовского шума с равномер-
ной спектральной плотностью мощности (70 и
рядом других допущений О. п. о. с. может быть
сведен к взаимокорреляционному приемнику
(Рис. 17.25, а), который работает по алгоритму
(2/Со)|х(ф(Ол|р, (8)
где s(t) — копия ожидаемого детерминирован-
ного сигнала.
Операция интегрирования (8) может быть
выполнена также с помощью оптимального
фильтра. Схема такого обнаружителя показана
на Рис. 17.25, б, где ОФ — согласованный (оп-
тимальный) фильтр для априорно известного с
точностью до фазы сигнала s(t) — см. ст. 21.2.
Обнаружитель работает по алгоритму
н0
Реализация О. п. о. с. связана с рядом прин-
ципиальных трудностей. Копия s(t) для взаи-
мокорреляционного приемника может быть
получена непосредственно от передатчика, ес-
ли он пространственно совмещен с приемни-
ком (радиолокация). В случае их пространст-
венного разнесения (системы связи) необходи-
мо переходить к квазикогерентному приему,
при котором опорный сигнал не является точ-
ной копией s(t). Первый способ такого приема
— применение высокостабильного генератора
а)
где FF(x|E) означает, что в априорно известное
распределение плотности вероятности смеси
сигнала и помехи №(£) подставляют апостери-
орно полученные данные массива {х}; соответ-
ственно при вычислении 1F(x|m) в априорно из-
Рис. 17.25
384
РАДИОТЕХНИКА
17.14. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РПрУ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ФЛУКТУАЦИОННЫХ ПОМЕХ
б)
лз в)
Рис. 17.26
опорного сигнала с его периодическим коррек-
тированием по каналу синхронизации. Второй
способ — выделение опорного сигнала из
входной смеси фильтрацией с отслеживанием
типа ФАПЧ; при этом опорный сигнал содер-
жит остаточные шумы, что ухудшает качество
обработки. Третий способ — переход к авто-
корреляционному приему (см. далее).
В качестве корреляторов широко использу-
ются конвольверы на ПАВ (см. ст. 26.11).
Оптимальный приемник обнаружения
сигналов с неизвестной начальной фазой в
аддитивном гауссовском белом шуме — прием-
ник, который выносит решение о присутствии
в поле наблюдения сигнала. Его структурная
схема аналогична схеме Рис. 17.25, б. Посколь-
ку случайная начальная фаза полезной инфор-
мации не несет, осуществляют переход к неко-
герентному приему (Рис. 17.26, л); поэтому по-
сле оптимального фильтра ОФ включен ампли-
тудный детектор АД для выделения огибающей
Такой приемник называют амплитудным
обнаружителем. Незнание начальной фазы
сигнала требует работы с большим отношени-
ем (С/П)вх, чем в случае приема сигнала, изве-
стного точно.
При использовании взаимокорреляционно-
го приема необходимо сформировать два квад-
ратурных канала, фазы опорных напряжений
которых различаются на 90° (Рис. 17.26, б).
Возведение в квадрат (КВ) и суммирование
сигналов в каналах исключает влияние случай-
ной начальной фазы входного колебания на ре-
зультат сравнения выходного напряжения z(t) с
порогом.
На Рис. 17.26, в показана структурная схе-
ма О. п. о. с. автокорреляционного типа. Здесь
отсутствует генератор s(t), функцию которого
выполняет входной сигнал, подаваемый на ум-
ножитель через ЛЗ. Если время задержки т вы-
брать из условия ти > т > тк ш, где ти — продол-
жительность сигнального импульса, тк ш — ин-
тервал корреляции шума, то при появлении
входного сигнала корреляция существенным
образом возрастает, что и является признаком
его регистрации. Автокорреляционный обна-
ружитель работает хуже, чем приемник взаи-
мокорреляционного типа, поскольку копия
сигнала x(t - т) зашумлена.
Оптимальный приемник оценивания па-
раметров сигнала — приемник, который в
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
385
13-2959
17.14. ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ РПрУ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ФЛУКТУАЦИОННЫХ ПОМЕХ
конце интервала наблюдения Т выдает макси-
мально правдоподобную оценку параметра сиг-
нала, причем этот параметр на интервале на-
блюдения считается неизменным. О. п. о. п. с.
используются для измерения амплитуды, часто-
ты, фазы, времени задержки радиоимпульсов;
рассмотрены в [1].
Оптимальный приемник разрешения
сигналов — приемник, который работает с со-
вокупностью N сигналов. При этом возможны
три задачи: обнаружить в отдельности каждый
из N сигналов (разрешение — обнаружение);
различить каждый из N сигналов (разрешение
— различение); измерить параметры каждого
из N сигналов (разрешение — оценивание). О.
п. р. с. рассмотрен в [1].
17.15. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
СУПЕРГЕТЕРОДИННОГО ПРИЕМНИКА
— устройство, производящее линейный пере-
нос спектра колебаний сигнальной частоты в
область ПЧ /пч, удобную для обработки, с со-
хранением закона модуляции (см. ст. 19.7). ПрЧ
(Рис. 17.27) содержит смеситель См (преобра-
зующий элемент), гетеродин Г, фильтр ПЧ
ФПЧ, а также звенья их согласования — ЗСС,
ЗСГ, ЗСФ соответственно. В РПрУ низкой слож-
ности допускается совмещение функций См и Г
на одном АЭ. Входной сигнал ПрЧ поступает от
преселектора ПрС, выходной подается на УПЧ.
Схемы ПрЧ, их параметры и принцип
действия рассмотрены в ст. 24.19, откуда сле-
дует, что преобразование частоты может
быть выполнено на основе нелинейного пре-
образования колебаний сигнала uc(t) и гете-
родина ur(t) или перемножением uc(t) и wr(Z),
а также с помощью параметрического эффек-
та в реактивном элементе смесителя. Во всех
трех случаях вследствие взаимодействия сиг-
нала и колебаний гетеродина на выходе сме-
сителя возникает множество комбинацион-
ных составляющих
/к =±7П/Г +/1Д, (О
где m и п — целые действительные числа.
ФПЧ предназначен для выделения той со-
ставляющей, частота которой равна ПЧ прием-
ника /пчо- При простом преобразовании обыч-
но выбирают
/г ~fc =/пч =/пчо- (2)
Требования к ПрЧ приемника: воспроизве-
дение закона модуляции с искажениями не
больше заданных, при AM оценивают коэффи-
циентом гармоник огибающей &гПрч ^гпРч тз
(это требование является основным, посколь-
ку возникающие нелинейные искажения не
могут быть устранены в последующих частях
тракта); минимум побочных каналов приема
(ПбКП); минимум комбинационных свистов;
выполнение соотношения для коэффициента
передачи АПрчо = UBbIxn4o/UBX с - КПрчо тз- Из-
бирательность по соседнему каналу приема
(СКП) и ослабление на границах полосы про-
пускания П оценивают теми же показателя-
ми, что и у избирательного усилителя, т.е.
<?скп - <*скп тз, <*п - тз, что определяется
свойствами нагруженного ФПЧ. Поскольку
уровень сигнала на входе ПрЧ достаточно
мал, важно, чтобы его коэффициент шума
ШПрч - Шпрч тз- Стабильность частоты гете-
родина должна быть не хуже установленного
значения, т.е. bfr < 5fr тз; проникновение коле-
баний гетеродина в антенну и тракт ПЧ долж-
но быть минимально допустимым, а настрой-
ка сигнального и гетеродинного контуров —
сопряженной.
В качестве смесительных приборов в диа-
пазоне умеренно высоких частот часто исполь-
зуют БТ и ПТ (в частности, двухзатворные
ПТ). Применению ПТ отдают предпочтение: у
них меньше проявляются нелинейные эффек-
Рис. 17.27
386
РАДИОТЕХНИКА
17.15. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ СУПЕРГЕТЕРОДИННОГО ПРИЕМНИКА
ты, больший динамический диапазон, практи-
чески отсутствует обратное преобразование,
обуславливающее повышенное потребление
мощности сигнала во входных цепях и неста-
бильность работы ПрЧ. Поскольку смеситель
должен иметь высокую крутизну преобразова-
ния и малый коэффициент шума, его выполня-
ют на тех же транзисторах, что и УСЧ.
Возможны два режима работы ПрЧ: без от-
сечки (29 = 180°) и с отсечкой коллекторного
тока zK. Первый режим проиллюстрирован
Рис. 17.28, а. Для получения максимальной
крутизны преобразования при минимальном
уровне гармоник, что соответствует наиболь-
шему усилению по основному каналу и наи-
меньшему по ПбКП, следует работать на ли-
нейном участке кривой 5(£/бэ)> используя по
возможности весь ее размах. При этом смеще-
ние Eq — ОА/2, 5ПрЧ — 8т\/^ ~ ^тах/4, ГДС б^ах
наибольшая крутизна преобразования, получа-
емая в усилительном режиме. Для ПрЧ на БТ
выбирают zK~ 1мА, UT = 50...200 мВ.
Дальнейшее наращивание крутизны преоб-
разования повышением напряжения Ur сопро-
вождается отсечкой коллекторного тока zK и по-
явлением гармоник. ЗСС и ЗСГ должны обес-
печивать достаточно слабую связь смесителя с
преселектором ПрС и гетеродином Г, с тем
чтобы: уменьшить взаимозависимость настро-
ек сигнальных и гетеродинных контуров, ме-
шающую их регулировке; повысить стабиль-
ность частоты гетеродина за счет уменьшения
влияния менее стабильной сигнальной цепи;
сократить проникновение колебаний гетероди-
на в антенну. ЗСФ обеспечивает необходимое
ослабление соседнего канала приема и задан-
ную неравномерность АЧХ в границах уста-
новленной ПП — см. согласование избира-
тельной системы УСЧ (ст. 17.30). При этом по-
лагают, ЧТО #22Пр ~ ^22, О22Пр ~ (0.6...0.7)<722,
где G22, В22, 622пР> ^22пР — реактивные и ак-
тивные проводимости смесителя в системе
У-параметров в режиме усиления и преобразо-
вания частоты соответственно.
Гетеродин — генератор малой мощности,
использующийся в супергетеродинном прием-
нике для преобразования частоты. Простые Г.
— это однокаскадные автогенераторы на тран-
зисторах, применяемые в радиовещательных
приемниках и телевизорах, а также в профес-
сиональных приемниках низких групп сложно-
сти. Сюда же можно отнести клистронные ге-
нераторы и Г. на генераторных диодах. Недо-
статком таких Г. является низкая стабильность
частоты. Так, при использовании элементов
контура с малыми температурными коэффици-
ентами нестабильности параметров, термоком-
пенсации и стабилизации питающих напряже-
Глава 17 РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
387
17.15. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ СУПЕРГЕТЕРОДИННОГО ПРИЕМНИКА
ний можно обеспечить стабильность 8 = Af/fQ =
= КГ4. В профессиональной аппаратуре
применяют более сложные схемы Г. с кварце-
вой стабилизацией частоты (8 = 10-5... КГ6),
синтезаторы частоты с опорным кварцевым
генератором (8 = 10 7...10 8), синтезаторы ча-
стоты с опорным молекулярным генератором
(8 = 10 9... 101 ’). Схемы Г. рассмотрены в ст.
16.1,24.19.
Проникновение колебаний Г. в антенну и
тракт ПЧ показано на Рис. 17.27 штриховыми
линиями. Первое приводит к паразитному из-
лучению, которое ухудшает ЭМС; второе
вследствие относительно высокой мощности
Г. может привести к блокированию УПЧ. Для
устранения этих явлений используют слабые
связи в ЗСГ и ЗСФ, сигнальное и гетеродин-
ное напряжения подают на разные электроды
смесителя, применяют двухзатворные ПТ, ба-
лансные и кольцевые смесители. Значитель-
ное уменьшение проникновения колебаний Г.
дает их фильтрация сигнальными цепями пре-
селектора.
Комбинационный свист — нелинейный
эффект в ПрЧ, состоящий в том, что одна из
комбинационных составляющих (1) образует с
полезным колебанием ПЧ (основным каналом)
биения (свисты), частота которых лежит в гра-
ницах полосы частот, воспроизводимых УПЧ и
УЗЧ приемника:
±А±/пчеП.
К. с. возникают без воздействия внешних
помех или самовозбуждения. Рассмотрим че-
тыре группы комбинационных частот, получа-
емые в смесителе при больших уровнях сигна-
ла и гетеродина:
Ai =mjr +ntfc; fK2 =m2fr +njc;
fn = mJr +n2f^ =mlfr + nlT>
где ДИ], И] = ±(1, 3, 5,...); ди2, и2 = ±(0, 2, 4,...).
Для ослабления (устранения) К. с. следует
выбирать режим работы ПрЧ, минимизирую-
щий число гармоник смесителя (Рис. 17.28),
избегать перегрузок по сигналу, а также ис-
пользовать смесители специальных типов. Так,
применение балансного смесителя устраняет
комбинационные частоты 3-й и 4-й групп,
кольцевого — 2-й, 3-й и 4-й групп (см. ст.
24.19). Как следует из определения, К. с. могут
быть выведены за границы ПП правильным
выбором ПЧ.
Нелинейные эффекты в ПрЧ типа собст-
венных нелинейных искажений и искажений,
возникающих под воздействием внешних по-
мех, имеют общую природу с нелинейными эф-
фектами в УСЧ, рассматриваемыми в ст. 17.13,
17.30, и описываются формулами, аналогичны-
ми формулам для коэффициентов гармоник, пе-
рекрестных искажений, интермодуляции, бло-
кирования. Различие заключается лишь в зна-
чениях параметра нелинейности активного эле-
мента 0Н. В формулах для УСЧ 0Н = S'7S выра-
жается через отношение второй производной
крутизны к крутизне характеристики выходно-
го тока АЭ в рабочей точке. В формулах для
ПрЧ крутизна характеристики в рабочей точке
уже не является постоянной величиной, а изме-
няется во времени с частотой гетеродина. При
этом параметр нелинейности 0Н = S"m\/Sm\
представляет отношение амплитуд первых гар-
моник, содержащихся в функциях S(t) и S'\t)
которые представлены в виде ряда Фурье. Пер-
вые гармоники выделены потому, что только
они влияют на значение тока ПЧ в нагрузке
преобразователя [11, 12].
Кроме рассмотренных нелинейных эффек-
тов в ПрЧ возникают побочные каналы приема
(ПбКП) — см. далее.
Как следует из приведенных выражений,
для уменьшения нелинейных искажений ПрЧ,
так же как и для ослабления Н. э. УСЧ, есть два
пути: нужно уменьшать отношение
т.е. применять активные приборы с ВАХ типа
квадратичной параболы (ПТ), и снижать уро-
вень сигналов и помех на входе смесителя до
таких значений, при которых нелинейность его
характеристики не проявляется. Последнее до-
стигается фильтрацией помех избирательной
системой преселектора и ограничением уровня
сигнала, подающегося на вход смесителя:
СМ ВХ — ^-/см.вхдоп (4)
Для профессиональной аппаратуры:
(1000 мкВ для БТ;
^см.вхдоп.-|10000м1е
Дополнительные возможности повышения
линейности ПрЧ включают:
— использование балансных ПрЧ (см. ст.
24.19), подавляющих нежелательные продукты
нелинейного преобразования частоты (3), что
дает возможность значительно повысить допу-
стимый порог (5). В диодных ПрЧ применяют
388
РАДИОТЕХНИКА
17.15. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ СУПЕРГЕТЕРОДИННОГО ПРИЕМНИКА
диоды Шоттки, в транзисторных — БТ и ПТ с
граничными частотами в области ДМВ. Эф-
фективность балансных ПрЧ зависит от совпа-
дения характеристик полупроводниковых ком-
понентов; поэтому целесообразно формиро-
вать их на одном кристалле;
— применение ключевых ПрЧ, которые в
профессиональной и высококачественной ра-
диовещательной аппаратуре часто выполняют
по двойной балансной схеме с меандровыми
колебаниями гетеродина [6,13].
Побочный канал приема (ПбКП) — па-
разитный канал приема с полосой частот, ле-
жащей за пределами частот основного канала,
но в которой помеха может проходить на выход
РПрУ. ПбКП возникают потому, что при задан-
ной частоте гетеродина колебания /пч могут
образоваться вследствие' воздействия различ-
ных частот на сигнальный вХод, причем из них
только одна является сигнальной частотой ос-
новного канала (2), а остальные — частотами
побочных каналов
+mfr ±mfa6 =/ПЧ, (6)
где т, п = 0, 1,2, 3,... — целые действительные
числа.
Подавление ПбКП может быть осуществ-
лено за счет избирательности преселектора, а
также благодаря правильному выбору режима
работы гетеродина (см. Рис. 17.28, выбор пара-
метров Urm, Ео) и смесителя — см. условие (4).
Побочный канал по промежуточной час-
тоте (прямой канал приема, ПрКП) — част-
ный случай ПбКП (6); образуется внешней по-
мехой с частотой, равной ПЧ приемника (т = О,
п = 1 ,Хб =/пч), которая проходит без преобра-
зования в тракт УПЧ (см. Рис. 17.28, б). ПрКП
может образоваться также при интермодуляци-
онном взаимовоздействии двух внешних помех
с частотами/п1 и/п2, если ± ± Nfa =fm,
где Nx, N2 — целые числа.
Побочный канал по зеркальной частоте
(зеркальный канал приема, ЗКП) — частный
случай ПбКП (6); образуется внешней помехой
на частоте mfr ±/зкп =/пч, откуда /зкп = mfr ±
±/пч- При простом (2) преобразовании /ЗКп =
=fr =fc + 2/пч- В случае нижнего распо-
ложения частоты гетеродина /^кп = fc - 2/Пч-
При выходе напряжения гетеродина за грани-
цы линёйного участка 5((7бэ) (см. Рис. 17.28, а)
возникают гармоники крутизны гетеродина
£г (0=7^ cos may, каждой из которых со-
т=1
ответствует своя пара ЗКП —/зкп™ и/зкп™
(см. Рис. 17.28, б).
Преобразователь частоты в интеграль-
ном исполнении выполняется на ИС. Такие
ПрЧ, как правило, содержат двухтранзистор-
ные каскады с эмиттерной связью или трех-
транзисторные дифференциальные каскады
(Рис. 17.29). Последние включают аналоговой
умножитель, работающий по методу «пере-
менной крутизны» 5, т.е. на основе зависимос-
ти крутизны смесителя См от тока эмиттера /,
который, в свою очередь, определяется напря-
жением гетеродина Г. При этом С7ВЫХ = SUCRH =
= constUcUr, где С7с, С4 — напряжения сигнала
и гетеродина соответственно. Линейность, по-
мехоустойчивость, ЭМС, частотный диапазон
ПрЧ на ИС существенно лучше, чем у одно-
транзисторных ПрЧ с совмещенным гетероди-
ном, что обусловлено балансными свойствами
дифференциального смесителя и ООС по це-
пям гетеродина. Часто используются универ-
сальные ИС и микросборки, которые содержат
УСЧ, ПрЧ, УПЧ, АРУ
Преобразователь частоты комбинацион-
ный осуществляет сложное преобразование
±аи/г ±fc =/пч Применение П. ч. к. позволяет
снизить частоту гетеродина, что облегчает ус-
ловия его автовозбуждения, повышает ста-
бильность частоты. За счет увеличения разно-
са частот сигнала и основных колебаний гете-
родина уменьшается проникновение послед-
них в антенну. Недостаток П. ч. к. — снижение
крутизны преобразования частоты. П. ч. к. ис-
пользуют в приемниках УКВ.
Преобразователь частоты СВЧ прием-
ников — см. ст. 11.6.
Промежуточная частота — заданная час-
тота, в которую должна быть преобразована
НсЧ сигнала, принимаемая супергетеродинным
Глава 17 РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
389
17.15. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ СУПЕРГЕТЕРОДИННОГО ПРИЕМНИКА
приемником. Выбор ПЧ осуществляют на осно-
ве следующих соображений: она должна быть
достаточно удалена от диапазона принимаемых
частот; высокая ПЧ повышает избирательность
по зеркальному каналу приема (ЗКП), поскольку
Узкп =fc ± 2/гтч удаляется от частоты сигнала, что
позволяет применять более простые преселек-
торы, уменьшает влияние других ПбКП. Кроме
того, высокая ПЧ упрощает разделение НсЧ и
частоты модуляции в детекторе, а благодаря
разнесению частот гетеродина и сигнала fr -fc =
=fm уменьшается взаимосвязь между их цепя-
ми и улучшается фильтрация колебаний гетеро-
дина избирательной системой преселектора.
Выбор низкой ПЧ повышает избирательность
по соседнему каналу приема (СКП), поскольку
Пекл определяется обобщенной расстройкой
х = Низкая ПЧ позволяет более
простыми средствами реализовать высокие доб-
ротность, усиление, устойчивость УПЧ. С це-
лью унификации следует использовать стан-
дартные ПЧ: для радиовещательных приемни-
ков — 0.465...6.5...8.4... 10.7...24.975 МГц; для
канала изображения ТВ приемников — 38 МГц
(частота канала звукового сопровождения от-
стоит на 6.5 МГц от частоты канала изображе-
ния); для локационных приемников в зависимо-
сти от ПП/пч= 15... 100 МГц.
Сопряжение настроек гетеродина и пре-
селектора — способ настройки приемника с
помощью одной регулировки, обеспечиваю-
щий постоянство разности собственных частот
контуров преселектора и гетеродина:
/г -/с =/пч = const при/г >/с;
/с-/г=/пЧ = const при/с>/г. 1 >
Задача сопряжения возникает вследствие
того, что коэффициенты перекрытия диапазо-
на по частоте сигнала &пер с и гетеродина &пер.г
различны, тогда как из конструктивно-техно-
логических соображений коэффициенты пере-
крытия по емкости сигнального и гетеродин-
ного конденсаторов переменной емкости
должны быть одинаковы. Так, для типового
случая fr>fc имеем
^пер г Угтах/Угтт
(Ус max +/пч)/(Ат1„+/пч)<А max/Ус min ^пер с
Сопряжение достигается уменьшением ко-
эффициента перекрытия по емкости гетеро-
динного контура с помощью двух дополни-
тельных конденсаторов Ci и С2, включенных
параллельно и последовательно относительно
конденсатора переменной емкости. При этом
точное сопряжение обеспечивается только в
трех точках диапазона — по числу элементов
подстройки контура гетеродина (Сь С2, £г). В
других точках диапазона сопряжение (7) обес-
печивается неточно, что приводит к расстрой-
ке контуров преселектора относительно сигна-
ла. Чтобы избежать возникающих при этом ис-
кажений, нужно дополнительно увеличивать
ПП преселектора. При относительно неболь-
шом коэффициенте £пер с удовлетворительные
результаты дает точное сопряжение в двух точ-
ках диапазона с помощью одного дополнитель-
ного конденсатора.
17.16. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕН-
НАЯ ОБРАБОТКА — обработка поля сигна-
ла и помехи = Ec(t, х, у, z, X) + Еп(/, х, у, z),
принятого в некотором ограниченном объеме
пространства х, у, z 6 V и времени t 6 Г, с по-
мощью совокупности антенно-фидерного уст-
ройства и приемника. На основе такой обра-
ботки принимают решение D = D(k\ связан-
ное с сообщением X. Рис. 17.30 иллюстрирует
два возможных метода синтеза системы, необ-
ходимой для приема и обработки поля В
первом случае используют традиционную по-
следовательность независимых операций: при-
ем поля Е^ с помощью антенны А, спроектиро-
ванной на основе теории антенн, и оптималь-
ную временную обработку в РПрУ колебаний
x(t) на базе временных статистических харак-
теристик. Очевидно, что лучшие результаты
можно получить, если оптимизировать не при-
емник, а совокупность антенно-фидерного ус-
тройства и приемника (выделена штриховыми
линиями), т.е. временную обработку произво-
дить в элементах антенной системы. При этом
существенно усложняется как математическая
постановка задачи, так и ее решение.
Пространственно-временные распределе-
ния смеси радиолокационного сигнала и адди-
тивных гауссовских шумов позволяют опреде-
лить структуру оптимальной П. в. о. на основе
теории оптимальной фильтрации, аналогичной
теории, разработанной для временной обра-
ботки (см. ст. 17.14). Благодаря подобию про-
Рис. 17.30
390
РАДИОТЕХНИКА
17.17. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ С AM
странственных и временных характеристик,
которые используют для описания входного
сигнала как функции пространства и времени,
оптимальный приемник П.в.о., работающий по
критерию максимального правдоподобия,
представляется как пространственно-времен-
ной согласованный фильтр или коррелятор.
При этом оптимальный приемник должен рас-
полагать априорными статистическими харак-
теристиками не случайного временного про-
цесса х(7), а случайного пространственно-вре-
менного процесса Е (/, х, у, z), которые чаще
всего отсутствуют. Это заставляет обращаться
к адаптивным методам (см. ст. 21.4).
Введение П. в. о. оправданно при неодно-
родных пространственно-временных полях,
широкополосных и сверхширокополосных
сигналах. П. в. о. наиболее часто используется
в радио- и гидролокации, радионавигации, ра-
диоуправлении. Самый распространенный
случай пространственно-временной обработки
(с помощью адаптивных антенных решеток)
рассмотрен в ст. 17.3.
17.17. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТ-
ВО АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ С AM
предназначено для приема сигналов, у которых
сообщение модулирует амплитуду колебаний
НсЧ. Радиоприемник AM сигналов — истори-
чески первый и самый распространенный вид
РПрУ; используется в радиовещании, ТВ, сис-
темах связи, радионавигации, радиоуправле-
нии, телеметрии и других областях. Его пре-
имуществом является простота реализации и
узкополосность, которую оценивают парамет-
ром М = AFC /(2AFM) = 1, где AFC = 2 Fmax —
полоса частот AM сигнала, AFM — полоса час-
тот сообщения. Недостаток — низкая помехо-
устойчивость по сравнению с угловой, баланс-
ной и однополосной модуляциями.
Искажения AM сигналов в линейном
тракте РПрУ проявляются в виде линейных и
нелинейных искажений огибающей. Возника-
ют во время прохождения AM сигнала через
избирательную систему преселектора и УПЧ,
которые имеют АЧХ Дсо) и ФЧХ ср(со) (Рис.
17.31). Для упрощения остановимся на случае
однотональной модуляции сигнала
“вх (0 =ит0 (1 +mcos£2t)cos«V =
=Um0cosa\>t+0.5mUm0cos(a\)+Q.)t+ (1)
+Q.5mUm0 cos(co^ — Q)t,
где UmQ, coo — амплитуда и частота несущей;
т, Q — глубина и частота модуляции.
Спектр AM сигнала содержит составляю-
щие на несущей и боковых частотах. Напряже-
ние на выходе избирательного линейного трак-
та приема (ЛТП)
“вых(0=^О^тоСО»«Ь' +
+0.5mK(at) +Q)cos[(a)b +£2)z - <р(а>, +Q)]+ (2)
+О.5/и.К(соь -Q)cos[(cob -Q)/+<p((jOb +Q)].
Выражение (2) можно записать в форме,
удобной для анализа
“вых (О =[/шОвых [1 +'”вых COSQ(Z ~t0 )]COS<B0f. (3)
Сравнение выражений (1) — (3) показыва-
ет, что после прохождения AM сигнала через
ЛТП повышается уровень несущей С^овых =
= KQUmQ, изменяется глубина модуляции дивых =
= диДсОо ± GtyK-o и возникает запаздывание
огибающей т0 = cp(Q)/Q, т.е. появляются час-
тотные и фазовые искажения (см. Рис. 17.31. л,
где для наглядности принято KQ = 1). Типичные
частотные искажения проявляются в «завале»
характеристики верности РПрУ в области
верхних частот модуляции (см. ст. 17.31). В об-
щем случае в зависимости от формы АЧХ воз-
можно как уменьшение, так и увеличение глу-
бины модуляции (последнее показано на Рис.
17.31, л штриховыми линиями). Для уменьше-
ния частотных искажений огибающей необхо-
димо использовать АЧХ типа идеального ПФ
(пунктирные линии на Рис. 17.31, а). Фазовые
искажения не страшны для радиовещания (не
воспринимаются ухом), но опасны для ТВ, свя-
зи и ряда других применений. При линейной
ФЧХ все составляющие спектра сообщения
смещаются на одно и то же время группового
запаздывания т0 = ф(£2)/£2, так что форма сооб-
щения остается без изменений.
Глава 17 РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
391
17.17. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ С AM
При неточной настройке избирательного
линейного тракта приема на НсЧ AM сигнала
аЦро * (Оо (Рис. 17.31, б) спектры амплитуд и
фаз выходного сигнала становятся асимметрич-
ными, вследствие чего возможно полное подав-
ление одной боковой составляющей. В резуль-
тате огибающая выходного напряжения изме-
няется не по синусоидальному закону, что по-
сле нелинейной операции детектирования при-
водит к нелинейным искажениям сообщения.
Нелинейные эффекты во время приема
AM сигналов включают нелинейные искаже-
ния и нелинейные эффекты, которые возника-
ют при воздействии внешних помех. Нелиней-
ные искажения в линейном тракте приема
(ЛТП) принципиально отличаются от нели-
нейных искажений в тракте 34: это искажения
формы огибающей модулированных колеба-
ний и только после нелинейной операции де-
тектирования они превращаются в нелиней-
ные искажения мгновенных значений напря-
жения с частотой модуляции (сообщения). Не-
линейные искажения огибающей возникают в
ЛТП вследствие двух причин: рассмотренной
ранее неточной настройки избирательного
тракта на НсЧ сигнала, а также из-за нелиней-
ности ВАХ усилительных и преобразователь-
ных приборов при большом уровне входного
сигнала (см. ст. 17.30). Нелинейные искаже-
ния, возникающие при детектировании AM
сигналов, связаны с нелинейностью детектор-
ной характеристики, избыточностью постоян-
ной времени нагрузочной цепи и разностью
нагрузок детектора по постоянному и пере-
менному токам (см. ст. 17.7).
Кроме того, во время приема сигнала в ус-
ловиях воздействия помех возникает ряд нели-
нейных эффектов, которые искажают полезное
сообщение: перекрестные, интермодуляцион-
ные, интерференционные искажения, блокиро-
вание (см. ст. 17.13, 17.30, 17.31).
Полоса пропускания линейного тракта
радиоприемника AM сигналов должна обес-
печивать качественный прием AM сигналов.
Определяется по формулам (1) и (2), приведен-
ным в ст. 17.31, где полоса сигнала AFC =
= 2Fmax, a Fmax — верхняя частота модуляции.
Помехоустойчивость радиоприемника
AM сигналов — свойство РПрУ противосто-
ять воздействию помех во время приема AM
сигнала. Воздействие помехи, которая попада-
ет в ПП приемника, проявляется двояко:
— на выходе АД появляется колебание с
частотой биения несущих частот сигнала и по-
мехи С/п вых *= С/со^адП + 0.25(t/nO/L/cO)2], где
С7с0, ^по — напряжения несущих сигнала и по-
мехи, Кдд — коэффициент передачи АД. По-
скольку НсЧ передатчиков высокостабильны,
биения довольно легко отфильтровываются.
Биения, обусловленные боковыми составляю-
щими, выражены намного слабее и поэтому не
учитываются;
— помеха возникает на частоте модуляции
мешающего сигнала вследствие его прямого
детектирования. При этом происходит подав-
ление помехи сильным сигналом: (С/П)вых =
= 0.5(С/сО/С7по)2(^с/аИп)5 где тс, тп — глубина
модуляции сигнала и помехи соответственно.
Это свойство амплитудной избирательности
АД является важным при близости частот сиг-
нала и помехи, когда избирательность линей-
ного тракта может 'быть недостаточной.
Структура радиоприемника AM сигна-
лов может быть оптимальной, квазиоптималь-
ной и типовой; последняя по сути является эв-
ристической структурой, построенной на осно-
вании большого числа независимых экспери-
ментов. Оптимальная структура при воздейст-
вии флуктуационных помех типа белого шума
является корреляционным приемником (см. ст.
17.14), на умножитель которого подают приня-
тую реализацию с выхода УПЧ и опорное коле-
бание t/mcos(co0^ + фо), причем его частота ©о и
начальная фаза ср0 должны быть априорно изве-
стны. Этот случай является идеализированным,
поскольку начальная фаза, как правило, неизве-
стна, так как является случайной величиной
вследствие прохождения радиоволн через ка-
нал связи. Поэтому используют квазиоптималь-
ную структуру, которая также является корре-
ляционным приемником, на опорный вход ко-
торого, в отличие от оптимального приемника,
подают напряжение гетеродина, синхронизиру-
емое через петлю ФАПЧ входным сигналом.
Очевидно, что опорное напряжение при этом
не является точной копией полезного сигнала.
Типовой структурой радиоприемника AM
сигналов является некогерентный приемник, в
котором в качестве демодулятора применяют
АД, выделяющий огибающую сигнала и шума
(см. супергетеродинный приемник в ст. 17.27).
Выигрыш в помехоустойчивости оптимального
приемника (см. ст. 17.14) относительно типового
Q = (С/П)вых.опт/(С/П)вых.тип = 2 {[ 1/(С/П)^] + 1};
при (С/П)вх » 1 выигрыш Q = 2, при порого-
вых сигналах (С/П)вх « 1 выигрыш сущест-
венным образом возрастает. Исходя из этого,
необходимо выбирать структуру приемника.
392
РАДИОТЕХНИКА
17.18. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ С ОМ
17.18. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТ-
ВО АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ С ОМ —
РПрУ, предназначенное для приема сигналов с
ОМ, при которой передают не полный спектр
AM колебаний, а лишь одну боковую полосу
частот AFC = Fmax. Таким образом, ОМ являет-
ся частным случаем AM, использование ОМ
позволяет при той же мощности передатчика
примерно на порядок увеличить мощность ин-
формационного сигнала и этим ослабить влия-
ние помех. Преимуществом ОМ является ма-
лая широкополосность сигнала, которую оце-
нивают параметром М - = 0.5, где
AFM — полоса частот сообщения. Благодаря
этому можно вдвое увеличить пропускную
способность линии связи (число каналов), а
также существенным образом выиграть в по-
мехоустойчивости, сузив ПП приемника вдвое.
При этом напряжение флуктуационных помех
на выходе линейного тракта приема уменьша-
ется в V2, а импульсных — в 2 раза (см. ст.
17.14, 17.11).
Создание приемников аналоговых сигна-
лов с ОМ требует решения трех основных за-
дач: восстановления несущего колебания, час-
тота которого должна точно совпадать с НсЧ,
подавленной в передатчике; уменьшения спе-
цифических нелинейных искажений, возника-
ющих при детектировании сигнала с ОМ; орга-
низации системы АРУ, отличной от АРУ в AM
приемнике, работающей от уровня несущего
колебания. Приемники сигналов с ОМ широко
используют в радиосвязи и радиотелеметрии.
В радиовещании, начиная с 1990 г., осуществ-
ляется программа внедрения ОМ на КВ, рас-
считанная на 15 лет.
Детектор сигналов с ОМ — детектор, ха-
рактерным признаком которого является опе-
рация восстановления колебаний НсЧ. Обоб-
щенная структурная схема Д. с. ОМ показана
на Рис. 17.32, л, где БВН — блок восстановле-
ния колебаний НсЧ, СхС — схема синхрониза-
ции, Г — гетеродин, ФП — функциональный
преобразователь. СхС предназначена для син-
хронизации частоты Г с НсЧ сигнала, работает
от пилот-сигнала, в качестве которого может
использоваться или подавленная (обычно до
10%) несущая, или специальные колебания,
причем расстройка последних относительно
частоты соо строго регламентирована. Возмож-
на реализация разных видов синхронизации: с
усилением, с захватом частоты, по схеме срав-
нения (с кольцом ФАПЧ). В зависимости от ви-
да функционального преобразователя могут
быть предложены три схемы Д. с. ОМ, предус-
матривающие: детектирование на биениях, ко-
торые возникают вследствие сложения сигнала
uc(t) с ОМ и напряжения гетеродина ur(t) =
= C7rcosov (при этом ФП включает линейный
сумматор и АД с временной диаграммой де-
тектирования, показанной на Рис. 17.32, б); де-
тектирование с преобразованием частоты, где
ФП является смесителем, а /г = /с (см. прием-
ник прямого преобразования в ст. 17.27); де-
тектирование с умножением (см. синхронный
детектор в ст. 17.7).
Как видно из Рис. 17.32, б, при детектиро-
вании сигнала с ОМ возникают характерные
нелинейные искажения, связанные с отличием
формы верхней и нижней полуволны проде-
тектированного напряжения мВых(0; ПРИ этом
коэффициент гармоник кг = 0.25Umo/UmQ. От-
сюда следует, что нелинейные искажения мо-
гут быть уменьшены при увеличении ампли-
туды колебаний гетеродина Um0. Кроме того,
возникают искажения, связанные с неточным
восстановлением НсЧ гетеродина. При этом
все частоты модуляции смещаются на одина-
ковую частоту ±AF. Допустимая разность для
связных приемников AF < 50...80 Гц, для вы-
сокого уровня воспроизведения сообщений
AF< 1...2 Гц.
Структура радиоприемника сигналов с
ОМ и пилот-сигналом показана на Рис. 17.33,
где ВУ — входное устройство, См — смеси-
тель; ФБП — фильтр боковой полосы, ФПС —
фильтр пилот-сигнала, П и Г2 — гетеродины,
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
393
17.18. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ С ОМ
ДОМ — детектор ОМ. Несущую восстанавли-
вает гетеродин Г2, который синхронизируют с
помощью пилот-сигнала, выделяемого узкопо-
лосным ФПС. Поскольку НсЧ должна восста-
навливаться с высокой точностью, для авто-
подстройки гетеродина Г2 используют ФАПЧ,
тогда как для автоподстройки гетеродина П
достаточно системы ЧАПЧ. Управляющее на-
пряжение АРУ формируют, выпрямляя уси-
ленный пилот-сигнал. Если передаются не те-
лефонные аналоговые сигналы, а сигналы с
постоянной амплитудой (например, телеграф-
ные), то управляющее напряжение АРУ фор-
мируют из них, а не из пилот-сигнала.
В многоканальных радиолиниях при высо-
кой стабильности задающего генератора пере-
датчика и гетеродина приемника используют
структуру без пилот-сигнала, в которой восста-
новление НсЧ осуществляют автономными ге-
теродинами, построенными на основе СнЧ.
17.19. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТ-
ВО АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ С ЧМ —
РПрУ, предназначенное для приема сигналов,
у которых сообщение модулирует мгновенную
частоту колебаний. Приемники аналоговых
сигналов с ЧМ имеют ряд существенных пре-
имуществ по сравнению с приемниками сигна-
лов с AM: лучшую помехоустойчивость, более
высокое качество воспроизведения сообще-
ний, лучшее использование мощности пере-
датчика. Благодаря этому ЧМ приемники нахо-
дят широкое применение в высококачествен-
ном УКВ-ЧМ радиовещании, звуковом сопро-
вождении ТВ, радиосвязи, радиотелеметрии и
т.п. Для гармонической ЧМ с частотой Q = 2tiF
мгновенная частота co(z) = сон + AcowcosQz, где
сон — НсЧ, Асош — девиация (наибольшее от-
клонение) частоты относительно несущей. От-
сюда фаза
t
<p(Z) = J = coHZ + (Аш/77 /Q)sin(Qz)
о
и напряжение ЧМ сигнала
u(t) = Um coscp(Z) = Um cos(coHz + sinQz), (1)
где = Acow /О — индекс ЧМ.
Как следует из (1), спектр ЧМ сигнала при
модуляции гармоническим колебанием дис-
кретный и состоит из несущего колебания с ча-
стотой сон и симметрично расположенных бо-
ковых колебаний с частотами сон ± п£1 и ампли-
тудами JnCVm)Um, где ЛСР/и) — функции Бес-
селя первого рода и-го порядка от аргумента
(см. ст. 19.6). Теоретически ширина такого
спектра бесконечна, но практически она огра-
ничена, поскольку функции ^„(Т^), начиная с
определенного номера п, быстро убывают. Ес-
ли учитывать составляющие с амплитудами не
менее чем 1.. .3% от амплитуды НсЧ, то
A^2Fmax(4>m+l), (2)
т.е. широкополосность ЧМ сигнала определя-
ется параметром М = AFc/(2AFM) = %„+1, где
AFM — полоса сообщения, которая при ЧМ
шире, чем при AM. Различают широкополос-
ную ЧМ с большим индексом модуляции (вы-
сококачественное радиовещание) > 1, AFC«
« 2Afm и узкополосную ЧМ с малым индексом
модуляции (радиосвязь) < 1, AFC ~ 2Fmax.
Подстановка реальных значений в выражение
(2) показывает, что такие широкополосные
сигналы могут быть размещены только в диа-
пазоне СВЧ.
Искажения ЧМ сигналов в линейном
тракте РПрУ возникают вследствие того, что
ПП тракта конечна, а полоса спектра AFC бес-
конечна. Выходное напряжение линейного
тракта приема (ЛТП), рассчитанное по методу
мгновенной частоты (см. ст. 19.6)
WBbIx(O~
= Um A7[co(r)] cos {сон (z)+4/w sin Qz+cp[co(z)]}.
Формирование АЧХ, F(coz) и ФЧХ, cp[co(Z)]
ЛТП показано на Рис. 17.34.
Сравнение выражений (1) и (3) позволяет
выявить различие между входным и выходным
напряжениями, т.е. определить искажения ЧМ
сигнала при его прохождении через ЛТП. По-
394
РАДИОТЕХНИКА
17.19. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ С ЧМ
скольку значение ЛГ[со(/)] изменяется с удвоен-
ной частотой модуляции 2Q, с такой же часто-
той происходит изменение амплитуд выходного
напряжения t/w[a>(7)]. Следовательно, на выхо-
де ЛТП возникает сопутствующая AM, которая
должна быть ликвидирована с помощью огра-
ничителя амплитуды. Кроме того, вследствие
временных изменений ф[со(0] в ЛТП появляет-
ся паразитная ФМ. Из-за того, что ФЧХ ЛТП
нелинейна, фаза сигнала изменяется не по гар-
моническому закону; как нечетную непериоди-
ческую функцию ее можно представить рядом
Фурье ф(/) = ф^оаП/ + фзСоаЗП/ + ... . Измене-
ние фазы обуславливает приращение частоты
выходного напряжения, вследствие чего мгно-
венная частота ЧМ сигнала на выходе тракта
совых(0 = wh + AcowcosQz +
+ AcojsinQ/ + Aco3sin3Q/,
т.е. отличается от частоты входного ЧМ сигна-
ла со(0 = сон + AcowcosQ/.
Таким образом, нелинейность ФЧХ ЛТП
является причиной нарушения закона модуля-
ции, что после нелинейной операции частотно-
го детектирования приводит к нелинейным ис-
кажениям выходного напряжения (сообще-
ния). Особенно опасными являются искажения
по третьей гармонике, которые оценивают ко-
эффициентом гармоник кг3 = &(П3/А(йт. Для их
уменьшения необходимо линеаризировать
ФЧХ ЛТП, что обеспечивается выбором типа
селективной системы тракта и расширением
его ПП. Последнюю устанавливают по допус-
тимому значению кг3, при этом для достиже-
ния высокого качества воспроизведения сооб-
щения ПП должна существенно превышать уд-
военную девиацию ЧМ сигнала. Изложенное
иллюстрирует Рис. 17.35, на котором показаны
нелинейные искажения, обусловленные недо-
пустимым сужением ПП линейного тракта
приема П, где 1 — S-образная детекторная ха-
рактеристика ЧД; 2 — АЧХ ЛТП; 3 — детек-
торная характеристика, приведенная ко входу
приемника, которая формируется умножением
ординат кривых 1 и 2; 4 — продетектованное
выходное напряжение с четко выраженной тре-
тьей гармоникой. Причиной нелинейных иска-
жений может быть также нелинейность рабо-
чего участка АВ детекторной S-образной ха-
рактеристики ЧД (кривой 1), а также неточная
настройка приемника на НсЧ сигнала.
Полоса пропускания линейного тракта
РПрУ ЧМ сигналов должна обеспечивать
качественный прием ЧМ сигналов. Опреде-
ляется по формулам (1) и (2), приведенным в
ст. 17.31, где полоса спектра сигнала AFC =
= 2Fmax(l+Tw).
Помехоустойчивость РПрУ ЧМ сигна-
лов — способность РПрУ противостоять воз-
действию помех во время приема ЧМ сигна-
лов. Выигрыш в помехоустойчивости по срав-
нению с AM связан с тем, что при ЧМ ампли-
туда сигнала не несет полезной информации и
поэтому может быть введено ограничение по
уровню. При этом воздействие помехи прояв-
ляется только в паразитной ЧМ сигнала, кото-
рое выражено намного слабее, чем влияние по-
мехи на амплитуду сигнала в AM приемнике.
На Рис. 17.36, а изображена векторная диа-
грамма, которая характеризует влияние сосре-
доточенной по спектру (гармонической) поме-
Глава 17 РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
395
17.19. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ С ЧМ
хи Un£. Вследствие ограничения уровня син-
фазная составляющая Un CH устраняется, а воз-
действие помехи сводится к ортогональной со-
ставляющей Un, последняя вместе с сигналь-
ным вектором Uc формирует суммарный век-
тор Uz, угол отклонения которого от Uc являет-
ся индексом (углом) паразитной модуляции
сигнала помехой
Отношение (С/П)вых может быть получено
по главному признаку, на который реагирует
ЧМ приемник, т. е. как отношение девиаций
частот сигнала и помехи (С/П)вых = А/^с/А/^п,
откуда после ряда преобразований выигрыш в
помехоустойчивости ЧМ приемника для сосре-
доточенной по спектру помехи при достаточно
сильных сигналах
В =(С/П)ВЫХ/(С/П)вх =2Уис/(/„ -/«)• (4)
Поскольку во время прохождения сигнала
и помехи через AM приемник и линейный АД
отношение С/П не изменяется, ВАМ= 1, т.е. вы-
игрыш (4) одновременно является выигрышем
в помехоустойчивости ЧМ приемника относи-
тельно AM приемника. Как следует из (4), вы-
игрыш тем меньше, чем больше разница меж-
ду частотами сигнала и помехи.
На Рис. 17.36, б показано воздействие
флуктуационной помехи, которую можно
представить как суперпозицию малых случай-
ных помех Uni и заменить одной квазигармо-
нической помехой, т.е. свести к предыдущему
случаю. При воздействии на вход ЧМ прием-
ника флуктуационной помехи с равномерной
спектральной плотностью мощности (Ри<£
17.36, в) напряжение шумовых компонент уве-
личивается с ростом Fn. При этом выигрыш в
помехоустойчивости при воздействии флукту-
ационной помехи
В((И=73‘РИ. (5)
Как видим, для подавления наиболее опас-
ных компонент помехи на выходе ЧД необходи-
мо установить ФНЧ с коэффициентом передачи
Кфнч ,
где т — постоянная времени фильтра. С целью
компенсации его воздействия по сигналу (для
выравнивания сквозной кривой верности ра-
диоканала) перед модулятором передатчика
включают ФВЧ с той же постоянной времени,
которая для радиовещания регламентирована
(т = 50 мкс). Рассмотренная система частотных
предыскажений (деэмфазиса) дает возмож-
ность повысить помехоустойчивость ЧМ при-
емника до 6 дБ.
Воздействие импульсных помех зависит от
их структуры и интенсивности, характеристик
приемника, а также от мгновенного значения
сигнала во время воздействия помехи. Выиг-
рыш в помехоустойчивости ЧМ приемника от-
носительно импульсных помех больше, чем
относительно флуктуационных
Вимп =2TW (6)
Это объясняется особенностью структуры
ЧМ приемника, который содержит широкопо-
лосный додетекторный усилительный тракт,
ограничитель амплитуды и относительно узко-
полосный последетекторный тракт, что соот-
ветствует системе ШОУ, которая эффективно
подавляет импульсные помехи (см. ст. 17.11).
Как следует из (3)—(6), помехоустойчи-
вость РПрУ для помех всех видов пропорцио-
нальна индексу ЧМ что понятно: чем боль-
ший индекс ЧМ полезного сигнала (Т^ » Т^п),
тем меньше ощущается паразитное «качание»
суммарного вектора Uz (см. Рис. 17.36, а).
Этим обуславливается необходимость исполь-
зования широкополосной ЧМ для качественно-
го радиовещания — см. (2). В то же время рас-
ширение ПП снижает помехоустойчивость
РПрУ относительно флуктуационных и сосре-
доточенных по спектру помех. Поэтому суще-
ствует оптимальное значение опт: так, для
396
РАДИОТЕХНИКА
17.20. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ
УКВ-ЧМ радиовещания при (7П < Uc имеем
Ч'люпт^ 3...5, что и регламентировано соответ-
ствующими стандартами.
Как следует из (4), (С/П)вых = [Д/ЙЛЛ. -
-/с)](С/П)вх, т.е. при сильной помехе, когда
(С/П)вх < 1, последняя подавляет сигнал, что
свидетельствует о наличии в ЧМ приемнике
пороговых свойств; высокая помехоустойчи-
вость сохраняется лишь в пределах условия
Un < Uc. Это свойство присуще всем видам мо-
дуляции, высокая помехоустойчивость кото-
рых достигается расширением полосы частот
спектра сигнала.
Следящий прием ЧМ сигналов — способ
повышения помехоустойчивости ЧМ приемни-
ка за счет перемещения суженной ПП линейно-
го тракта приема, благодаря чему уменьшается
напряжение шума. Суть способа состоит в том,
что активный участок спектра выделяется с по-
мощью узкополосного фильтра, резонансная
частота которого автоматически отслеживает
изменение мгновенной частоты сигнала.
Структура РПрУ ЧМ сигналов может
быть оптимальной (когерентный приемник),
квазиоптимальной и типовой (некогерентный
приемник). Супергетеродинная схема послед-
него показана на Рис. 17.37, где ВУ — входное
устройство, См — смеситель, Г — гетеродин,
а также УЭ и УСЧ образуют блок УКВ. Ли-
нейный тракт приема (ЛТП) выполняют на ос-
нове тех же принципов, что и тракт приемни-
ка AM сигналов с учетом большей ширины
спектра ЧМ сигнала (2). Основное отличие от
приемника AM сигналов состоит в том, что
АД здесь заменен на ЧД, а перед ним включен
ограничитель амплитуд ОА, который устраня-
ет сопутствующую AM, возникающую вслед-
ствие прохождения ЧМ сигнала через избира-
тельные цепи, а также паразитную AM, появ-
ляющуюся из-за воздействия внешних помех.
Для обеспечения высококачественного при-
ема избирательные цепи должны иметь прак-
тически линейную ФЧХ в пределах ПП ЛТП,
с тем чтобы неравномерность группового вре-
мени задержки не превышала допустимого
значения (0.1 мкс). Ограничитель амплитуд
должен обеспечивать значительное подавле-
ние AM (20...40 дБ). ЧД должен иметь малую
нелинейность детекторной характеристики
(0.1...0.2%) в широком диапазоне частот (для
радиовещательного приемника не менее чем
1.. .2 МГц). После ЧД включают ФНЧ системы
частотных предыскажений СЧПИ, рассмот-
ренной ранее.
Благодаря наличию ОА в приемниках ЧМ
сигналов часто не используют систему АРУ,
которую применяют только при большом дина-
мическом диапазоне входного сигнала (на Рис.
17.37 обозначена штриховой линией). Гетеро-
дин работает на более высоких частотах, чем в
AM приемниках, и потому имеет большую аб-
солютную нестабильность частоты, что требу-
ет дополнительного расширения ПП ЛТП и
введения АПЧ. При этом в качестве дискрими-
натора используют ЧД основного канала, кото-
рый выделяет сигнал ошибки Uc o.
Оптимальной структурой РПрУ при воз-
действии флуктуационных помех является
корреляционный приемник, который состоит
из ЛТП и канала обработки. Последний содер-
жит перемножитель (ФД), усилитель и интег-
ратор, а также сложную схему ФАПЧ, создаю-
щую опорный сигнал для перемножителя [1];
похожую структурную схему — см. на Рис.
17.33. Квазикогерентный приемник — это
РПрУ со следящим приемом ЧМ сигналов
(см. ранее). Структура ЧМ тракта радиовеща-
тельного приемника подробно рассмотрена в
ст. 13.7.
17.20. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТ-
ВО ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ — РПрУ,
предназначенное для приема дискретных сиг-
налов с длительностью меньшей или соизмери-
мой со временем установления ту (временем
переходных процессов входных цепей прием-
ника). Огибающая радиоимпульсов имеет вид
видеоимпульса, который используется для амп-
литудной модуляции генератора ВЧ колебаний
передатчика. По виду принимаемых сигналов
РПрУ делят на приемники одиночных импуль-
сов и их последовательностей, которые исполь-
зуются в радиолокации и радионавигации, а
также на приемники импульсно-дискретных и
приемники импульсно-аналоговых сигналов,
которые применяют в связи и телеметрии (см.
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
397
17.20. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ
ст. 17.21, 17.22). Импульсные сигналы исполь-
зуют преимущественно в диапазоне СВЧ, по-
скольку их длительность тимп = 0.1... 100 мкс, а
эффективная ширина спектра AFC = Л/тимп, где
коэффициент А зависит от формы импульса
(А ~ 1). Приемники импульсных сигналов име-
ют более высокую помехоустойчивость в срав-
нении с приемниками аналоговых сигналов.
Динамический диапазон линейного
тракта РПрУ импульсных сигналов D =
= 201g(UBX max/^А.р) — СМ. ст. 17.31. Из-за недо-
статочного динамического диапазона тракта
внешние помехи могут вызывать его перегруз-
ку, при этом полезные сигналы могут подав-
ляться или маскироваться. Для расширения ди-
намического диапазона тракта улучшают его
реальную чувствительность (см. ст. 17.31), по-
вышают максимально допустимый уровень
входного сигнала (см. ст. 17.15), используют
различные системы АРУ (БАРУ, ПАРУ — см.
ст. 17.2), а также логарифмические УПЧ (см.
ст. 17.29). Последние применяют, если система
БАРУ не обеспечивает достаточно быстрой ре-
акции на изменение уровня помехи.
Искажения импульсных сигналов в ли-
нейном тракте РПрУ — искажения, обуслов-
ленные переходными процессами, которые
возникают при скачкообразном изменении
амплитуды, частоты или фазы напряжения на
входе РПрУ (см. ст. 19.6). Так, при воздействии
на вход линейного тракта приема радиоим-
пульса длительностью тимп вх с прямоугольной
огибающей UBxm(t) происходят два переходных
процесса: первый — в момент появления, вто-
рой — в момент окончания импульса. Вследст-
вие этого форма огибающей UBblxm(t) отличает-
ся от UBxm(t). Возникающие искажения оцени-
вают временем установления ту, запаздывания
т3, и спада тсп амплитуд переходного колеба-
тельного процесса (Рис. 17.38, где С/Выхшо —
установившееся значение амплитуды выходно-
го напряжения). Характер искажений зависит
от АЧХ тракта и формы входного импульса.
Это объясняется тем, что ширина спектра ра-
диоимпульса теоретически бесконечна, а ПП
радиотракта ограничена. Следовательно, тракт
пропускает не все составляющие спектра ра-
диоимпульса, что и обусловливает различие
огибающих на входе и выходе ЛТП.
Для уменьшения искажений радиоимпуль-
са на выходе радиотракта необходимо расши-
рять его полосу пропускания П. Если АЧХ ра-
диотракта имеет прямоугольную форму, то
время установления
ту =0.86/П,
(1)
а в огибающей выходного напряжения появля-
ются характерные всплески, вызванные резким
спадом АЧХ на границе ПП, как показано на
Рис. 17.38. При радиолокационном приеме это
может привести к фиксации ложных целей, из-
за чего АЧХ локационных трактов не делают
близкими к характеристикам идеального ПФ.
Необходимо отметить два обстоятельства: ког-
да длительность входного импульса больше
времени установления (тимп вх > ту), амплитуда
выходного напряжения достигает максималь-
ного значения и не зависит от длительности им-
пульса, выходной импульс имеет трапециевид-
ную форму, а тимп вх ~ тимп вых, при тимп вх < ту
амплитуда возрастает с увеличением длитель-
ности входного импульса, но не успевает нара-
сти до максимального значения, форма огибаю-
щей выходного импульса близка к треугольной.
Полоса пропускания линейного тракта
РПрУ импульсных сигналов должна обеспе-
чивать их качественный прием. ПП линейного
тракта приема (ЛТП) является основным пара-
метром, определяющим искажения импульс-
ных сигналов и помехоустойчивость; она вы-
бирается в зависимости от назначения РПрУ.
Поскольку с расширением полосы пропуска-
ния мощность шума возрастает быстрее мощ-
ности сигнала, существует оптимальное значе-
398
РАДИОТЕХНИКА
17.20. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ
ние ПП, при котором отношение С/П =
= (С/П)тах. В случае прямоугольного радиоим-
пульса и идеального ПФ, моделирующего
тракт, содержащий ФСС,
П0ПТ=1.37/тимп. (2)
Для гауссовского ПФ, который соответст-
вует приемному тракту с большим числом про-
стых избирательных систем,
Попт = 0.72/тимп. (3)
Для одиночного резонансного контура, мо-
делирующего тракт с малым числом простых
избирательных систем,
Попт=0.4/тимп. (4)
Такое согласование полосы УПЧ с сигна-
лом используют в РЛС дальнего действия, об-
наружителях слабых сигналов, приемниках те-
леграфных сигналов. Однако при этом огиба-
ющая импульса на выходе ЛТП искажается:
передний фронт «ложится», огибающая при-
обретает треугольную форму. Поэтому, когда
нужно точно зафиксировать время поступле-
ния импульсного сигнала (РЛС точного наве-
дения или сопровождения, прием многока-
нальных импульсных сигналов с временным
уплотнением), стремятся сохранить форму
огибающей — сократить время установления.
Исходя из (1) для идеального полосового
фильтра П = 0.86/ту. Задавая допустимое вре-
мя установления ту = (0.15...0.3)тимп, получим
П = (3...6)/тимп. (5)
Таким образом, для того чтобы обеспечить
высокую крутизну фронта импульса, применя-
ют более широкополосные системы, несколько
теряя в отношении С/П. После выбора ПП в
соответствии с (2)—(5) расчет усилителя им-
пульсных сигналов не отличается от расчета
усилителя аналоговых сигналов. Необходимо
помнить, что ПП линейного тракта приема, как
правило, выбирают большей, чем установлено
в (2)—(5), учитывая возможные доплеровские
сдвиги частоты сигнала и нестабильности [см.
(1), (2) в ст. 17.31].
Помехоустойчивость РПрУ импульсных
сигналов — способность РПрУ противостоять
воздействию помех во время приема импульс-
ных сигналов. Поскольку эти сигналы широко-
полосны, их, как правило, используют в диапа-
зоне СВЧ, где помехи имеют преимуществен-
но флуктуационный характер. Это обусловле-
но тем, что спектральная плотность мощности
импульсной помехи падает при увеличении ча-
стоты (см. ст. 1.10), а число мешающих СВЧ
станций относительно мало (см. ст. 13.4). По-
мехоустойчивость РПрУ импульсных сигналов
относительно флуктуационных помех рассмат-
ривается в ст. 17.14.
Рассмотрим помехоустойчивость приемни-
ков РЛС в зависимости от вида зондирующего
сигнала. В простейшем случае применения
одиночных радиоимпульсов оптимальные (со-
гласованные) и квазиоптимальные фильтры
строят на основе одиночного резонансного
контура (см. ст. 21.2, 17.14). Лучшая помехоус-
тойчивость обеспечивается при использовании
конечных последовательностей (пачек) коге-
рентных радиоимпульсов. Согласованным
фильтром, соответствующим спектру такой
последовательности, является гребенчатый
фильтр, зубцы которого настраивают на часто-
ты, расположенные на расстоянии 1/Г, где Т —
период повторения импульсов в пачке. Гребен-
чатый фильтр улучшает отношение С/П благо-
даря узкополосной фильтрации каждой спект-
ральной составляющей. Полученный при та-
ком когерентном накоплении выигрыш про-
порционален числу импульсов в пачке. Такие
фильтры строят в виде рециркуляторов с за-
держанной ОС, трансверсальных фильтров на
ЛЗ с ответвлениями и весовым суммировани-
ем, а также как систему многоканальных филь-
тров, настроенных на разные частоты. Совре-
менная технология позволяет реализовать их в
микроэлектронном исполнении. Сложность
когерентного накопления состоит в том, что
суммирование сигналов с точностью до фазы
предъявляет жесткие требования к стабильно-
сти элементов фильтра. Поэтому используют
также некогерентное накопление, когда ВЧ
сигналы сначала детектируют, а потом накап-
ливают (см. ст. 17.14).
Рассмотренные здесь простые импульсные
сигналы не позволяют в системах извлечения
информации устранить противоречие между
высоким разрешением по дальности, которое
требует уменьшения длительности импульсов,
и максимально возможной дальностью обна-
ружения, требующей ее увеличения с целью
обеспечения лучших энергетических характе-
ристик сигнала. Указанное противоречие мож-
но преодолеть с помощью сложных, например
Глава 17 РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
399
17.20. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ
ЛЧМ, сигналов (см. ст. 21.2). В системах пере-
дачи информации применяют сложные шумо-
подобные сигналы. К ним относят дискретные
кодированные сигналы (ДКС) в виде последо-
вательности N радиоимпульсов, один из пара-
метров которых (амплитуду, фазу или частоту)
модулируют в соответствии с определенным
кодом. Самыми распространенными ДКС яв-
ляются фазокодоманипулированные (ФКМ)
сигналы, сигналы со ступенчатой ЧМ и их ана-
лог — сигналы с ЛЧМ. Использование ФКМ
сигналов при согласованной фильтрации обес-
печивает выигрыш в отношении С/П примерно
в У/N раз. Выходной сигнал с ЛЧМ после оп-
тимальной обработки имеет вид функции
sin(x)/x; при этом коэффициент сжатия, равный
отношению длительностей входного и выход-
ного сигналов, задающий разрешение по рас-
стоянию, определяется произведением дли-
тельности входного сигнала и девиации его ча-
стоты. Согласованные фильтры для сложных
сигналов строят на основе ЛЗ с ответвлениями,
ультразвуковых ЛЗ, длинных линий СВЧ,
фильтров на ПАВ (см. ст. 26.2).
Пороговая чувствительность РПрУ им-
пульсных сигналов — чувствительность при-
емника, ограниченная шумами (реальная чув-
ствительность — см. ст. 17.31), при которой от-
ношение (С/Ш)вых = 1. Пороговая чувствитель-
ность определяется выражением
пор = Пэф, (6)
где РА.пор — мощность в ваттах; к =
= 1.3810~23Дж/К — постоянная Больцмана;
Тш — шумовая температура приемника, при-
веденная ко входу антенны (см. ст. 17.32);
Пэф — эффективная (шумовая) полоса
П — для идеального
полосового фильтра (ИПФ),
1.065 П — для гауссовского
полосового фильтра (ГПФ),
(л/2)П —для одиночного
резонансного контура (ОРК).
Здесь ИПФ, ГПФ, ОРК отображают моде-
ли избирательной системы линейного тракта
приемника (см. ст. 17.11), П — ПП тракта при
оп = -3 дБ. Применительно к приемнику РЛС
Ли =ЛиА + Ли.ВУ (£“1)+Л11 МШУ^+Лл.см^р» (7)
Пэф
где Тш А, ву, Тш МШу, Ли См — шумовые тем-
пературы антенны, входного устройства (ВУ)
вместе с разрядником защиты приемника,
МШУ и смесителя, отнесенные ко входу соот-
ветствующих устройств; L — потери сигнала
на входе приемника, которые включают потери
в антенне, переключателе, разряднике и огра-
ничительном диоде защиты приемника, ферри-
товом циркуляторе; Кр — коэффициент усиле-
ния МШУ по мощности.
Шумовая температура и коэффициент шу-
ма четырехполюсника связаны между собой
соотношением Тш = Т0(Ш - 1), где То = 300 К.
Как следует из (6) и (7), для улучшения чувст-
вительности приемника необходимо умень-
шать потери сигнала L во входной цепи и при-
менять МШУ с малой шумовой температурой
Лш.мшу и большим коэффициентом усиления
Кр. Ориентировочные значения рассмотрен-
ных параметров в 3-см диапазоне волн состав-
ляют: L = 2...2.5 дБ; для неохлаждаемых уси-
лителей на ПТ с барьером Шоттки Шмшу =
= 0.6...3 дБ, Тш.мшу = 50... 300К, Кр = 5... 15 дБ
на каскад, где нижняя граница по шумам соот-
ветствует транзисторам с высокой подвижнос-
тью электронов (НЕМТ).
Как следует из формулы (7), для того что-
бы отсечь шумы смесителя (для диодных ба-
лансных смесителей с барьером Шоттки Шсм =
= 3...8 дБ), нужно иметь Кр > 30 дБ, т.е. ис-
пользовать двух- или трехкаскадный МШУ.
Для получения лучших результатов необхо-
димо применить охлаждаемые усилители
(см. ст. 17.30, 11.6).
Структура РПрУ импульсных сигналов
может быть выполнена как типовая эвристиче-
ская или оптимальная; при этом последняя
сложнее в реализации и потому ее следует ис-
пользовать только тогда, когда первая не позво-
ляет решить поставленную задачу. Типовым
трактом обнаружения (ТТО) является некоге-
рентный приемник, структуру которого строят
по схеме: фильтр Ф! — детектор Д — фильтр
Ф2 — пороговое устройство ПУ (см. ст. 17.28).
Оптимальный приемник импульсных сигна-
лов (Рис. 17.39) состоит из двух частей: широ-
кополосного линейного тракта Ф! и устройства
Рис. 17.39
400
РАДИОТЕХНИКА
17.21. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНО-АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ
оптимальной обработки УОО, которое работает
на оконечное устройство ОУ. Широкополосная
часть предварительно фильтрует сигнал и уси-
ливает его до уровня, необходимого для качест-
венной работы УОО. Блок Ф] в общем случае
является активным фильтром, который может
содержать линейный тракт супергетеродинного
приемника. УОО выполняют в зависимости от
поставленной задачи: оптимальные приемники
обнаружения и различения импульсных сигна-
лов рассмотрены в ст. 17.14; оптимальные при-
емники измерения амплитуды, частоты или фа-
зы импульсных сигналов — см. [1].
17.21. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТ-
ВО ИМПУЛЬСНО-АНАЛОГОВЫХ СИГ-
НАЛОВ (НАС) — РПрУ, предназначенное для
приема сигналов, имеющих вид последова-
тельности радиоимпульсов, параметры кото-
рых функционально связаны с передающимся
аналоговым сообщением. Использование ИМ
при передаче аналоговых сообщений позволя-
ет реализовать многоканальную передачу и по-
высить помехоустойчивость систем связи. Раз-
новидности первичной модуляции в однока-
нальной системе связи показаны на Рис. 17.40,
где изображены амплитудно-импульсная моду-
ляция (АИМ, Рис. 17.40, в), времяимпульсная
модуляция (ВИМ, Рис. 17.40, г), широтно-им-
пульсная модуляция (ШИМ, Рис. 17.40, д) пе-
риодической последовательности видеоим-
пульсов (Рис. 17.40, а) в функциональной за-
висимости от передающегося сообщения u\(t)
(Рис. 17.40, б). Если дискретные значения со-
общения квантуются по амплитуде, кодируют-
ся и передаются кодовой группой видеоим-
пульсов, то такая первичная модуляция назы-
вается импульсно-кодовой (ИКМ).
Для того чтобы обеспечить возможность
воспроизведения непрерывных сообщений
wx(0, период дискретизации выбирают в соот-
ветствии с теоремой Котельникова А/ =
= l/(|iFmax), где Fmax — максимальная частота
сообщения; ц = 2...3 — коэффициент дискре-
тизации (см. ст. 19.3). Полученные видеоим-
пульсы используют для вторичной модуляции
несущего колебания РПдУ по амплитуде, час-
тоте или фазе. Разнообразные сочетания пер-
вичной и вторичной модуляции образуют раз-
личные виды двукратной модуляции ПАС:
АИМ-АМ, АИМ-ЧМ, АИМ-ФМ, ШИМ-АМ
(Рис. 17.40, е), ШИМ-ЧМ и др. Отметим, что
после вторичной AM радиосигнал сохраняет
импульсный характер, а после ЧМ или ФМ
становится непрерывным.
Многоканальные импульсно-аналоговые
сигналы с временным уплотнением широко ис-
пользуются в радиосвязи и телеметрии при от-
носительно небольшом числе каналов (не-
сколько десятков). Передача информации от
нескольких источников возможна благодаря
использованию свободных временных интер-
валов между импульсами. На Рис. 17.41 пока-
зан групповой сигнал первичной АИМ
г/дИм(0> в котором сообщение от отдельных
источников Aq(O, 1г(0 дискретизировано во
времени. При этом видеоимпульсы различных
каналов следуют поочередно с защитным ин-
тервалом тзщ, а видеоимпульсы одного и того
же канала — с интервалом дискретизации А/.
Значение тзщ выбирают в зависимости от за-
данного уровня помех между каналами. Штри-
хами на Рис. 17.41 выделен тактовый (маркер-
ный) импульс. Полученный групповой сигнал
используют для вторичной модуляции несу-
щей РПдУ.
Для размещения нескольких десятков кана-
лов при интервале дискретизации А/ =
= l/(|iFmax) и типичных значениях частоты
Fmax длительность импульса тимп должна со-
Глава 17 РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
401
17.21. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНО-АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ
ставлять от долей микросекунды до сотен ми-
кросекунд, что в соответствии с (5) из ст. 17.20
требует ПП порядка единиц мегагерц. Широ-
кополосность ПАС ограничивает дальнейшее
увеличение числа каналов. Очевидно, что пе-
редача сигналов с таким спектром может быть
реализована только в диапазоне СВЧ. На Рис.
17.42 изображена структурная схема многока-
нального приемника ПАС, характерной осо-
бенностью которого является двухступенчатая
демодуляция. На схеме введены такие обозна-
чения: ЛТП — линейный тракт приема; ДГС
— детектор группового сигнала; СлК - селек-
тор каналов; СхС — схема синхронизации;
ДМ/ — демодулятор z-ro канала. В линейном
тракте приема, который выполняют, как прави-
ло, по супергетеродинной схеме, усиливают
входной сигнал до уровня, необходимого для
качественной работы демодуляторов.
В зависимости от вида вторичной модуля-
ции ДГС является АД, ЧД или ФД. Для того
чтобы детектор подавлял НсЧ /с = 1/7"с (см.
Рис. 17.40, е) и вместе с этим существенным
образом не искажал форму импульсов, посто-
янная времени его нагрузочной цепи тн долж-
на находиться в пределах Тс« тн« тимп. По-
лученные после детектирования видеоим-
пульсы с помощью СлК поступают на вход
соответствующих каналов. СлК представляет
собой переключатель, выполняющий за один
цикл столько переключений, сколько импуль-
сов или кодовых комбинаций содержится в
каждом такте, начало которого определяет
тактовый импульс. Для обеспечения высоких
скорости работы и надежности СлК выполня-
ют в виде системы электронных ключей или
специального электронно-лучевого устройст-
ва. Тип демодулятора определяется видом
первичной модуляции.
Демодуляция сигналов с АИМ и ШИМ —
первичная демодуляция последовательности ви-
деоимпульсов с АИМ или ШИМ, которых объе-
диняет то, что изменение площади видеоимпуль-
сов за период дискретизации А/ повторяет закон
изменения сообщения u^(t) (см. Рис. 17.40). По-
этому в качестве демодулятора может быть ис-
пользован интегратор, для реализации которого
применяют ФНЧ. В спектральной трактовке это
означает, что спектры АИМ и ШИМ содержат
сильно выраженные составляющие частот моду-
ляции, которые может выделить ФНЧ. При этом
частоту среза фильтра выбирают так, чтобы она
была равна или немного выше максимальной ча-
стоты модуляции Fmax. Если скважность импуль-
сов велика (А//тимп » 1), то составляющие час-
тот модуляции малы и необходимо использовать
пиковый детектор видеоимпульсов (см. ст. 17.7).
Чтобы работать в пиковом режиме детектирова-
ния и вместе с тем не вносить искажений в выде-
ленное сообщение, постоянная времени нагруз-
ки детектора тн должна удовлетворять двойному
неравенству А/« тн « 1/Fmax.
Демодуляция сигналов с ВИМ — пер-
вичная демодуляция последовательности ви-
деоимпульсов с ВИМ. В отличие от АИМ и
ШИМ в спектре сигнала с ВИМ составляю-
щие частоты модуляции выражены незначи-
тельно и, кроме того, их уровень падает с
уменьшением частоты F. Поэтому способ не-
посредственного выделения сообщения с по-
мощью ФНЧ становится неэффективным,
вследствие чего последовательность импуль-
сов с ВИМ предварительно преобразовывают
в сигнал с ШИМ или (реже) с АИМ. Преобра-
зование ВИМ—ШИМ в z-м канале проводят
следующим образом. Схема синхронизации
вырабатывает селекторные импульсы (СИ),
длительность которых соответствует вре-
менному окну z-ro канала А/, в пределах кото-
рого может перемещаться рабочий канальный
импульс. Фронт этого импульса запускает
триггер, а срез СИ возвращает его в предыду-
щее состояние. Таким образом полученные на
выходе триггера импульсы оказываются про-
модулированными по ширине, которая линей-
но связана с фазой канального импульса. По-
следующая демодуляция сигналов с ШИМ вы-
полняется с помощью ФНЧ.
402
РАДИОТЕХНИКА
17.21. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНО-АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ
Демодуляция сигналов с ВИМ кванто-
ванных — двухступенчатая квазикогерентная
демодуляция квантованной последовательнос-
ти радиоимпульсов с ВИМ для извлечения со-
общения А,(7). Квантование радиоимпульсов —
способ повышения помехоустойчивости путем
введения дополнительной априорной информа-
ции: известных уровней квантования неизвест-
ного принимаемого сигнала. В этих условиях
задачу оценки неизвестных параметров зашум-
ленного сигнала можно рассматривать как зада-
чу многопозиционного различения с помощью
многоканального коррелятора (см. ст. 17.14).
Демодуляция сигналов с ИКМ — первич-
ная демодуляция последовательности видеоим-
пульсов с ИКМ для извлечения содержащегося
в них сообщения. После детектирования радио-
сигналов (см. Рис. 17.42) выполняются их раз-
личение и регенерация видеоимпульсов при
двоичной ИКМ сигналов Как показа-
но в ст. 17.14, задача оптимального различения
бинарных сигналов на фоне гауссовского шума
решается с помощью двухканального корреля-
тора; последний на каждом такте передачи при-
нимает решение о том, какой из двух символов
был передан в данный момент. Опорный сигнал
для коррелятора образуется из принятого сигна-
ла с помощью системы ФАПЧ. Преобразование
кодовых сигналов в квантованный сигнал с
АИМ может быть выполнено различными спо-
собами. Один из самых распространенных со-
стоит в том, что импульсы слова накапливаются
в форме заряда в 7?С-цепи. Постоянную време-
ни цепи разряда конденсатора С подбирают так,
чтобы за период прохождения импульсов слова
напряжение на конденсаторе уменьшилось
вдвое. При этом в конце трехзнакового слова
(Табл. 17.2) мВых(О = O.25Aw(tfj + 1а2 + 22я3),
где Ли — приращение напряжения на конденса-
торе от одного импульса; а2, а3 — коэффици-
енты, которые отображают наличие или отсут-
ствие импульса в z-й тактовой точке сообщения.
Так, для слова с кодом 101 имеем пятый уро-
вень квантования. Из восстановленного таким
способом квантованного сигнала с АИМ на-
чальное сообщение выделяется с помощью
ФНЧ с частотой среза Fmax. Ошибочные кодо-
вые комбинации, обусловленные воздействием
помех, воспринимаются декодирующим уст-
ройством как сигналы с неверной амплитудой.
Таблица 17.2
Уровень квантования 0 1 2 3 4 5 6 7
Код ООО 100 010 но 001 101 011 111
Полоса пропускания линейного тракта
РПрУ импульсно-аналоговых сигналов (НАС)
должна обеспечивать их качественный прием.
ПП линейного тракта приема (ЛТП) в основном
определяется длительностью элементарного им-
пульса тимп. Как показано в ст. 17.20, для обес-
печения помехоустойчивости С/П = (С/П)тах не-
обходимо выбирать оптимальное значение ПП
Попт (0.4... 1 -4)/тИмп • (1)
Качественно обоснование оптимизации
ПП поясняет Рис. 17.43, где сплошной линией
показано изменение огибающей сигнала С на
выходе ЛТП, штриховкой — эффективное зна-
чение шумовой помехи Ш для трех значений
полосы П Попт. При П > Попт (Рис. 17.43, б)
сигнал сохраняет свое установившееся значе-
ние, а при П < Попт (Рис. 17.43, в) падает в
П/Попт раз, тогда как шумы пропорциональны
Vn. Как следует из Рис. 17.43, а, при П = Попт
существейно уменьшается крутизна фронтов
импульсов. Поэтому, когда важно сохранить
форму импульсов и точно фиксировать время
их поступления (ВИМ), ПП расширяют в не-
сколько раз относительно Попт. ПП ЛТП необ-
ходимо принимать шире оптимального значе-
ния также из-за учета нестабильности частот
сигнала и гетеродина, отклонения средней час-
тоты тракта ПЧ, возможной неточности его на-
стройки. Расширение ПП повышает пропуск-
ную способность канала I = niog2(l + Л/Ли), а
также уменьшает перекрестные искажения
между каналами. Последнее объясняется тем,
что при расширении ПП быстрее проходят на-
растание и спад каждого импульса, вследствие
чего «хвост» кривой переходного процесса не
попадает в соседний канал. Регламентирован-
ная норма подавления перекрестных помех в
профессиональной радиоаппаратуре составля-
ет 60 дБ.
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
403
17.21. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНО-АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ
Наибольшую длительность импульса и со-
ответственно самую малую ПП при заданном
числе каналов т и интервале дискретизации А/
имеют приемники сигналов с АИМ, где, как
следует из Рис. 17.41, А/ = (тимп + тзщ)ди. В при-
емниках с ВИМ необходимо предусматривать
возможность перемещения рабочих импульсов
в пределах временного окна, что приводит к
уменьшению длительности импульса и расши-
рению ПП. То же касается приемников сигна-
лов с ИКМ. Поскольку во время кодирования
одиночный импульс превращается в кодовую
комбинацию из п импульсов, его длительность
должна быть уменьшена в п раз и во столько
же раз расширена ПП.
Помехоустойчивость РПрУ импульсно-
аналоговых сигналов (НАС) — способность
РПрУ противостоять воздействию помехи во
время приема НАС. Основным способом, поз-
воляющим повысить помехоустойчивость во
время приема НАС (за исключением АИМ),
является регенерация, т.е. восстановление фор-
мы импульсов, для чего вводят двухстороннее
ограничение импульсов на уровнях, близких к
половине максимального значения напряжения
смеси сигнала и помехи (7ВХШ. На Рис. 17.44
показаны входные импульсы мвх(/), поражен-
ные помехами, и выходные импульсы мвых(0
после ограничения и усиления. Если отноше-
ние С/П больше порогового значения, то фор-
ма импульсов практически полностью восста-
навливается. Регенерация импульсов на проме-
жуточных станциях РРЛ связи предотвращает
накопление ошибок.
Наименьшую помехоустойчивость РПрУ
НАС имеют системы с АИМ, где невозможно
ввести ограничение. В системах с ВИМ воздей-
ствие помех сдвигает фронт импульса, положе-
ние которого определяет передающуюся инфор-
мацию. Отношение
(С/П)8ЫХ =цесД^П2(С/П)вх, (2)
Рис. 17.44
где \tm — Максимальный сдвиг (девиация) сиг-
нального импульса; П — полоса линейного
тракта приема; Qc — скважность импульсной
последовательности.
Как следует из (2), для повышения помехо-
устойчивости необходимо увеличивать девиа-
цию A/w, которая не может быть больше, чем
А//(2и), а также расширять ПП, что увеличива-
ет крутизну фронта и среза импульсов. По-
скольку шумы пропорциональны л/п, расши-
рение ПП целесообразно до определенного
предела, при котором нарастание крутизны
фронта импульса уже не компенсирует воздей-
ствие помех. Что касается возможности увели-
чения скважности Qc, то она ограничена допу-
стимым уменьшением длительности тимп до
десятых — сотых долей микросекунды. Даль-
нейшее уменьшение тимп приводит к нереаль-
но большой широкополосности системы.
Выражение (2) теряет смысл при увеличе-
нии мощности помех, когда они начинают ска-
зываться на качестве регенерации, обуславли-
вая ошибки первого и второго родов: пропуск
сигнального импульса при подавлении его
сильной и противоположной по знаку помехой
и появление ложного импульса, когда помеха
превышает порог ограничения. Вследствие
этого при (С/П)вх < (С/П)вх пор отношение
(С/П)вых резко падает, что и определяет порог
помехоустойчивости.
Помехоустойчивость систем с ШИМ не-
сколько ниже помехоустойчивости систем с
ВИМ при одинаковой средней мощности, из-за
чего последним отдают предпочтение. Причина
состоит в том, что при ШИМ длительность им-
пульса колеблется в пределах тимп min.. ,тимп тах,
тогда как степень искажений, обусловленных
смещением фронтов импульса помехой, от уве-
личения длительности посылок не уменьшает-
ся. Таким образом, энергия на формирование
импульсов с длительностью большей, чем
тИмп min? расходуется зря. Относительно пере-
крестных помех системы с ВИМ и ШИМ так-
же предпочтительнее, чем система с АИМ,
причем для обеспечения малых перекрестных
искажений необходимо руководствоваться те-
ми же соображениями, что и при расчете поме-
хоустойчивости (2).
Наибольшую помехоустойчивость в мно-
гоканальных системах передачи информации
обеспечивают сигналы с ИКМ, что достига-
ется благодаря квантованию, которое позво-
ляет использовать квазиоптимальную обра-
ботку и кодирование (см. ст. 6.8). Так, в при-
404
РАДИОТЕХНИКА
17.22. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНО-ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ
емнике квантованных сигналов с ВИМ поло-
са П = N/At, а в системе с ИКМ и неизбыточ-
ными кодами П = log(A7A0, где N — число
уровней квантования. При этом благодаря
уменьшению мощности помех, которые попа-
дают в ПП, можно упростить линейный тракт
приема и улучшить реальную чувствитель-
ность приемника. Среди преимуществ систем
с ИКМ необходимо указать также удобство
связи с ЭВМ, а среди недостатков — относи-
тельную сложность приемной аппаратуры.
17.22. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТ-
ВО ИМПУЛЬСНО-ДИСКРЕТНЫХ СИГ-
НАЛОВ (ИДС) — РПрУ, предназначенное для
приема сигналов, имеющих вид дискретных
последовательностей, которые соответствуют
конечному множеству символов, отображаю-
щих передаваемое сообщение (например, пе-
чатный текст, телеграфное, телетайпное, фото-
телеграфное сообщение, систему телеметриче-
ских данных). Для передачи сообщения по ра-
диоканалу несущее колебание модулируют из-
менением одного из его параметров. В двоич-
ной системе модулируемый параметр прини-
мает одно из двух возможных значений; такая
модуляция называется манипуляцией.
Таблица 17.3
Вид двоичных манипуляций им ад) t
АМн [/siiKOot 0 0<КЦ
ЧМн [/sincOjt [/sinciV Тоже
ФМн [/siiKOot [/sin((iV + rc) -II-
В зависимости от параметра, который ма-
нипулируется, различают амплитудно-, час-
тотно- и фазоманипулированные сигналы
(Табл. 17.3 и Рис. 17.45, где т0 — длитель-
ность посылки). Важным параметром теле-
графных систем является скорость их работы
v = 1/т0, которая определяется числом посылок
телеграфного сигнала за одну секунду, выра-
жается в бодах и количественно равна такто-
вой частоте FT = 1/т0. Так, скорость работы те-
летайпов ориентировочно равна 50бод. Для
оценки спектральных характеристик телеграф-
ного сигнала вводят понятие частоты манипу-
ляции FM = 1/(2т0)= v/2, равной частоте первой
гармоники периодической последовательнос-
ти двоичных посылок.
Обобщенная структурная схема РПрУ дво-
ичных дискретных сигналов изображена на
Рис. 17.46. В линейном тракте приема ЛТП,
который, как правило, выполняется по супер-
гетеродинной схеме, смесь сигнала и помехи
переносят в удобный для обработки диапазон
частот, фильтруют и усиливают до уровня, не-
обходимого для нормальной работы демодуля-
тора ДМ. Последний преобразовывает радио-
сигналы в видеосигналы, которые подаются на
решающее (пороговое) устройство РУ, оно и
определяет, какой из известных символов был
передан на протяжении заданного интервала
времени. Для фиксации тактовых интервалов
используют схемы синхронизации СхС — син-
хронные и стартстопные. Первые основывают-
ся на периодической передаче специальных
сигналов; вторые используют систему переда-
чи, у которой в начале каждой кодовой комби-
нации передаются стартовые, а в конце — сто-
повые посылки.
Демодулятор (детектор) импульсно-
дискретных сигналов — устройство, пред-
назначенное для преобразования дискретных
радиосигналов в видеосигналы, которые по-
ступают на решающее устройство. В зависи-
мости от объема априорной информации
применяют когерентные, квазикогерентные и
некогерентные детекторы. Если все парамет-
ры принимаемого сигнала, в том числе и на-
чальная фаза, известны точно, то используют
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
405
17.22. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНО-ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ
когерентный детектор, который строят по
корреляционной схеме (см. ст. 17.14). Этот
вариант обеспечивает потенциальную поме-
хоустойчивость, и по сути является идеали-
зированным, поскольку на практике обычно
известна точно только НсЧ сигналов wcl(Z) и
wc2(0, а начальная фаза известна с некоторой
погрешностью, которая определяется систе-
мой ФАПЧ, необходимой для восстановле-
ния опорного сигнала из смеси сигнала и по-
мехи. Детектор, содержащий коррелятор с
искусственно восстанавливаемым опорным
сигналом, называют квазикогерентным. Не-
когерентные детекторы применяют тогда,
когда оценка начальной фазы принятого сиг-
нала неизвестна. Обработку сигналов по оги-
бающей реализуют по одно- или двухканаль-
ной схеме. При использовании полосового
фильтра с согласованной ПП осуществляется
квазиоптимальный некогерентный прием (в
отличие от оптимального, при котором со-
гласование достигается не только по полосе,
а используется вся характеристика фильтра
— см. ст. 21.2). Оптимальный некогерентный
прием сигналов обеспечивает самую луч-
шую помехоустойчивость при неизвестной
фазе. При переходе от когерентного к квази-
когерентному и некогерентному детекторам
вследствие потери априорной информации
последовательно проигрывают в помехоус-
тойчивости приемника.
Искажения импульсно-дискретных сиг-
налов в РПрУ включают искажения в линей-
ном тракте приема, рассмотренные в ст. 17.20,
и искажения формы посылок в НЧ тракте, обус-
ловленные неизбежным ограничением его ПП.
Отличие выходного сигнала по амплитуде и
длительности от входного называют амплитуд-
ными и временными преобладаниями соответ-
ственно. Амплитудные преобладания не угро-
жают стабильному телеграфному приему, по-
скольку могут быть устранены двусторонним
ограничением. Временные преобладания, кото-
рые являются причиной изменения длительно-
сти, смещения фронтов импульсов, изменения
их знака — сбоев, могут привести к ошибочной
регистрации переданного знака. Эти инерцион-
ные искажения выражаются тем сильнее, чем
меньше произведение НЧ полосы пропускания
Пй на длительность посылки т0> а при т0По <
0.5 прием становится практически невозмож-
ным. Кроме того, различают дробление посы-
лок, проявляющееся в резком изменении уров-
ня или знака посылки на временном интервале,
меньшем длительности т0. Дробление имеет
нерегулярный характер и может быть обуслов-
лено замираниями сигнала, кратковременными
прерываниями связи и другими факторами.
Оно предотвращается узкополосной фильтра-
цией с nQ = FM, что вынуждает принимать ком-
промиссные решения при выборе ПП. Макси-
мальное значение отношения временных пре-
обладаний | Ат01 тах/'Со» ПРИ котором в оконеч-
ном устройстве еще не возникают ошибки ре-
гистрации знака, называют исправительной
способностью аппаратуры. В качестве примера
назовем приемные распределители телеграф-
ных аппаратов, которые оценивают знак посыл-
ки не на всем ее интервале, а только в средней
части, наименее пораженной искажениями. В
реальных условиях исправительная способ-
ность составляет примерно 40% при синхрон-
ной и 20% при стартстопной синхронизациях.
Полоса пропускания линейного тракта
РПрУ импульсно-дискретных сигналов
должна обеспечивать качественный прием
ИДС. ПП линейного тракта приема (ЛТП) зави-
сит от вида манипуляции принимаемых сигна-
лов. Энергетический спектр ИДС с АМн слу-
чайной последовательности посылок изобра-
жен на Рис. 17.47 (кривая 1), где f0 — НсЧ. Ес-
ли манипуляция осуществляется периодичес-
кой последовательностью импульсов, то спектр
становится дискретным и имеет вид, показан-
ный линиями 2. Здесь рассматривается наибо-
лее широкополосный вариант манипуляции —
последовательностью телеграфных точек, при
нем ПП ЛТП, в границах которой сосредоточе-
но около 90% мощности сигнала, не может быть
меньше 2FM. Прием сигналов с минимально
возможной полосой 2FM называют узкополос-
ным режимом амплитудной телеграфии, обес-
печивающим эффективное снижение помех
(при скорости передачи 50 бод П = 50...75 Гц).
Однако при этом огибающая телеграфного сиг-
нала вследствие фильтрации верхних боковых
частот теряет прямоугольную форму и стано-
вится скругленной, что усложняет работу теле-
графной аппаратуры. Для снижения межсим-
вольных искажений необходимо пропускать
спектр, содержащий три — пять гармоник час-
тоты манипуляции. Поэтому ПП при отсутст-
вии регенерации расширяют в kn = 3...5 раз по
сравнению с минимально допустимым значени-
ем. Кроме того, необходимо учитывать частот-
ную нестабильность А/нСТ передатчика, гетеро-
дина, тракта ПЧ, а также возможность неточной
настройки приемника (см. ст. 17.31):
406
РАДИОТЕХНИКА
17.22. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНО-ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ
Спектр сигнала с ЧМн зависит как от час-
тоты манипуляции FM, так и от девиации час-
тоты А/т = (/I -где/] и/2 — частоты от-
жатия и нажатия соответственно. Как прави-
ло, девиацию частоты выбирают в пределах
1.5FM < &fm < 3.4FM. Вид энергетического спе-
ктра сигналов с ЧМн аналогичен показанному
на Рис. 17.47 (кривая 1), но при частотной те-
леграфии амплитуды составляющих боковых
колебаний с большими номерами убывают бы-
стрее, чем при амплитудной телеграфии (АТ).
Поэтому, хотя спектр сигналов с ЧМн теорети-
чески бесконечен, можно принять
^ЧМн ~ 2.6A/„+l.lFM+A/HCT, (2)
что значительно меньше ПП при АТ.
Структура спектра сигналов с ФМн в ос-
новном совпадает со структурой спектра АТ.
Отличие состоит в перераспределении энергии
между компонентами спектра: так, при фазо-
вой манипуляции ±л несущее колебание пол-
ностью исчезает, а уровень боковых составля-
ющих возрастает вдвое. Поэтому ПП ПФМн
также выбирают в соответствии с (1).
В фототелеграфных (ФтТ) системах во
время передачи черно-белых изображений
сигналы тоже являются дискретными двоич-
ными посылками. Максимальная частота, с
которой изменяется фототелеграфный сигнал,
Гф = 7/(2б7тст), где I — длина строки; d — диа-
метр светового пятна, определяющего разре-
шающую способность; тст = 1/пб — время пе-
редачи одной строки; пб — частота вращения
барабана, на котором нанесено изображение.
Частота как и частота манипуляции FM в
телеграфных системах, определяет ширину
спектра сигнала. Так, при передаче ФтТ мето-
дом ЧМ несущей передатчика
nOTT=2Afm+1.5Fo+AfHCT. (3)
Помехоустойчивость РПрУ импульсно-
дискретных сигналов — способность РПрУ
противостоять воздействию помех во время
приема ИДС. В зависимости от соотношения
между временем поступления сигнала и поме-
хи последние можно подразделить на: интер-
вальные, которые возникают в промежутках
между активными посылками (0); сигнальные,
действующие в момент активной посылки (1);
краевые, попадающие на край сигнального им-
пульса (Рис. 17.48). Помехоустойчивость при-
емников ИДС количественно оценивают веро-
ятностью ошибки (error) ре, которая зависит от
способа манипуляции, вида демодулятора, от-
ношения (С/П)вх и вида помех. Сосредоточен-
ные по спектру и импульсные помехи могут
быть существенным образом подавлены при
использовании способов, рассмотренных в ст.
17.11, 17.13), поэтому главное внимание уделя-
ют воздействию флуктуационных помех. Наи-
меньшую помехоустойчивость имеют прием-
ники сигналов с АМн (АТ — амплитудная те-
леграфия). Как следует из Рис. 17.48, сигналь-
ные помехи могут являться причиной пропус-
ка сигнала wE(Z) = uc(t) + un(t) < С7пор, интер-
вальные — причиной возникновения ложного
сигнала un(t) > Unop, где uc(t), un(t), uz(t) — на-
пряжения сигнала, помехи и смеси соответст-
венно; (7пор — пороговое напряжение. При
увеличении последнего повышается вероят-
ность искажения посылки 1, а при уменьше-
нии — вероятность поражения элемента 0. Ис-
ходя из этого определяют оптимальный поро-
говый уровень, который обеспечивает макси-
мальную помехоустойчивость. При сильных
сигналах Unop onT = 0.5 Uc.
Существенно большую помехоустойчи-
вость имеют приемники сигналов с ЧМн (ЧТ —
частотная телеграфия). Это объясняется тем,
что погрешность воспроизведения сигнала воз-
никает только тогда, когда сумма напряжений
Глава 17 РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
407
17.22. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНО-ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ
помехи и сигнала в рабочем канале станет
меньше напряжения помехи в нерабочем кана-
ле. Вероятность такого события меньше, чем
вероятность возникновения ошибки при АТ
благодаря компенсации помехи в каналах при-
емника сигналов с ЧМн (см. ст. 17.11). Кроме
того, помехоустойчивость при ЧТ повышается
за счет более узкой, чем при АТ, ПП линейного
тракта приема (ЛТП), а также вследствие амп-
литудного ограничения сигналов. При квазиоп-
тимальном некогерентном приеме оптимизиру-
ют полосу пропускания Пф фильтров демодуля-
тора, исходя из таких противоречивых обстоя-
тельств: при уменьшении Пф снижается уро-
вень флуктуационных шумов, но повышается
уровень межсимвольных искажений. Опти-
мальное значение ПП при высокой прямоуголь-
ное™ АЧХ фильтра определяют как Пф опт =
= 2/т0- Для повышения помехоустойчивости
приема сигналов с ЧМн дополнительно вводят
последетекторную обработку сигналов. При ис-
пользовании интегратора (ФНЧ) выигрыш в по-
мехоустойчивости В = (С/П)ВЫХ/(С/П)ВХ = т0Пф.
Приемники сигналов с ФМн (ФТ — фазо-
вая телеграфия) обеспечивают наиболее высо-
кую из всех приемников ИДС помехоустойчи-
вость. Они отличаются всеми преимущества-
ми работы с активной паузой, как и РПрУ ЧТ,
и вместе с этим имеют меньшую мощность
шумов на входе детектора. Последнее объясня-
ется тем, что при ФТ в отличие от ЧТ излуча-
ются колебания только одной частоты, благо-
даря чему можно соответственно уменьшить
ПП ЛТП.
Сравнительная количественная оценка по-
мехоустойчивости приемников ИДС дана в
Табл. 17.4 и на Рис. 17.49, где зависимости ве-
роятности ошибки pe(q) соответствуют некоге-
рентным оптимальным приемникам сигналов с
АМн (кривая 1), ЧМн (кривая 2) и относитель-
ной ФМн (кривая 3), a q = E/Go = Пфт0(Рс/^ш)-
Здесь Е — энергия сигнала на интервале дли-
тельности посылки т0; Go — спектральная
плотность мощности белого шума; Рс, Рш —
мощности сигнала и шума на выходе согласо-
ванных фильтров. Как следует из Рис. 17.49,
наибольшую помехоустойчивость обеспечива-
ет приемник сигналов с относительной ФМн,
по сравнению с которым приемник сигналов с
ЧМн имеет двойной энергетический проиг-
рыш. Приемник сигналов с АМн характеризу-
ется наименьшей помехоустойчивостью. При
квазиоптимальном приеме сигналов все рас-
смотренные РПрУ в два раза проигрывают по
мощности оптимальным приемникам.
РПрУ импульсно-дискретных сигналов
с АМн предназначено для приема радиотеле-
графных сигналов с АМн. Как следует из
Таблица 17.4
Вид приема и принимаемых сигналов Вероятность ошибки ре Я Допущения
Когерентный; сигналы с АМн 1-Ф(У?/2) vc2W Оптимальный порог
Когерентный; сигналы с ЧМн 1 -Ф(А/?) E/Go Прием сигналов с одинаковой энергией
Когерентный; сигналы с относительной ФМн 2(1- Ф(А/ад] Тоже Независимость ошибок
Некогерентный оптимальный; сигналы с АМн 0.5ехр(н?/4) t$p, Оптимальный порог
Некогерентный оптимальный; сигналы с ЧМн 0.5ехр(-^) рл Отношение мощностей на выходе согласованных фильтров такое же, как на входе ЧД
Некогерентный оптимальный; сигналы с относительной ФМн Тоже EtG0 фазовые соотношения между соседними элементами не изменяются
Ф(х)=_7== fexp(-z2/2)<fe V2jti
408
РАДИОТЕХНИКА
17.22. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНО-ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ
Рис. 17.50, такой приемник состоит из двух ос-
новных блоков: линейного тракта приема ЛТП
и демодулятора ДМ, который осуществляет
преобразование телеграфного сигнала к виду,
необходимому для использования в оконечном
устройстве ОУ. ЛТП принципиально не отлича-
ется от ЛТП супергетеродинных приемников
других типов того же частотного диапазона; его
особенность — сравнительно узкая (порядка
сотен герц) ПП и связанное с этим требование
высокой стабильности частоты гетеродина.
Главное отличие приемников заключается
в схеме демодуляторов. Вследствие низкой по-
мехоустойчивости систем с АМн прием сигна-
лов в сетях низовой связи и сейчас осуществ-
ляется на слух. Это позволяет улучшить поме-
хоустойчивость за счет свойства уха человека
выделять слабые сигналы на фоне шума. Для
слухового приема сигналов используют преоб-
разование телеграфных посылок (см. Рис.
17.45) в колебания 34, при этом длительность
колебаний на выходе приемника соответствует
длительности посылки. При применении мето-
да гетеродинного детектирования на ампли-
тудный детектор АД (см. Рис. 17.50) подают
два напряжения: сигнал ПЧ/пч с АМн и напря-
жение телеграфного гетеродина ТлГ с часто-
той /г, которая отличается от ПЧ на частоту то-
на F= 800.. .1200 Гц. Во время детектирования
биений образуются колебания с разностной
звуковой частотой F=fr-fm. После АД вклю-
чают манипуляционный фильтр нижних час-
тот МнФ и УЗЧ. Преимуществом метода явля-
ется его простота и возможность регулирова-
ния частоты тона.
Значительно реже для преобразования те-
леграфных посылок в колебания 34 использу-
ют методы модуляции телеграфных сигналов и
дополнительного преобразования [2]. Квазико-
герентный демодулятор двоичных сигналов с
АМн и пассивной паузой строят по корреляци-
онной схеме [1].
РПрУ импульсно-дискретных сигналов
с ФМн предназначено для приема телеграф-
ных сигналов с ФМн. Приемники сигналов с
ФМн имеют максимальную помехоустойчи-
вость и, несмотря на определенную сложность
в реализации, все чаще применяются в высоко-
эффективых системах связи, в частности спут-
никовых. Поскольку при фазовой телеграфии
(ФТ) информация передается изменением фа-
зы, при демодуляции сигналы с ФМн необхо-
димо сравнивать с опорным напряжением
(ОН) известной фазы, т.е. использовать квази-
когерентный метод приема (Рис. 17.51, а). Де-
модуляция выполняется фазовым детектором
ФД, для которого ОН формируют из самого
сигнала. Генератор опорного напряжения ГОН
состоит из удвоителя частоты (двухполупери-
одного детектора), фильтра и делителя частоты
пополам. Продетектированное напряжение по-
ступает на манипуляционный фильтр МнФ и
далее на формирующее устройство ФУ. Диа-
граммы, объясняющие работу ГОН, приведены
на Рис. 17.51, б.
Основной недостаток ФТ — «обратная ра-
бота» при случайном скачке фазы ОН вследст-
вие воздействия помехи. При этом на выходе
ФД вместо положительной отображается отри-
цательная посылка и наоборот. Для борьбы с
этим явлением используется переход к относи-
тельной ФМн (ОФМн). В основе этого спосо-
ба лежит сравнение фазы следующей посылки
с фазой предыдущей, которая выполняет функ-
цию ОН. Уменьшение разнесения во времени
сравниваемых посылок приводит к уменьше-
нию вероятности их искажения при воздейст-
вии помех и существенному выигрышу в поме-
хоустойчивости. Существуют два способа де-
модуляции во время приема сигналов с относи-
тельной ФМн. По первому оценка знака по-
сылки выполняется непосредственным сравне-
нием фаз (Рис. 17.51, в). Второй способ (Рис.
17.51, г) основывается на сравнении полярнос-
ти принятых элементарных сигналов: сначала
выполняют фазовое детектирование, потом —
сравнение данной посылки с предыдущей.
Первый способ проще, второй — более поме-
хоустойчивый. Оптимальный фильтр для сиг-
налов с ФМн рассматривается в ст. 21.2.
РПрУ импульсно-дискретных сигналов
фототелеграфных (ФтТ) предназначено для
приема ИДС, которые несут информацию о не-
подвижном изображении: фотографии, графи-
ческом материале, рукописном и печатном тек-
сте и пр. Приемник ФтТ сигналов представля-
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
409
17.22. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНО-ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ
ет собой РПрУ двоичных сигналов с ЧМн и
ПП до 10... 15 кГц (см. ранее), оснащенный
ФтТ приставкой. Оконечное устройство явля-
ется безынерционным источником света, кото-
рый модулируется видеоимпульсами. На блан-
ке пользователя, размещенном на приемном
барабане, образуется изображение модулиро-
ванного светового пятна, с помощью которого
в принимаемом документе записывают эле-
мент за элементом.
РПрУ импульсно-дискретных сигналов
с ЧМн предназначено для приема телеграф-
ных сигналов с ЧМн. Последняя часто приме-
няется на магистральных линиях радиосвязи
благодаря более высокой, сравнительно с АМн,
помехоустойчивости и ряду эксплуатационных
преимуществ, в частности, не нужно устанав-
ливать оптимальный порог ограничения, что
существенно облегчает работу АРУ. Существу-
ют три способа выделения сигналов нажатия
(+,/]) и отжатия (-,/2)’ прием по огибающей,
прием по мгновенным значениям частоты и
корреляционный прием.
Структурная схема РПрУ, которая соответ-
ствует первому, самому распространенному
способу, изображена на Рис. 17.52, а. После ог-
раничителя амплитуд ОА сигнал подается на
частотный детектор ЧД фильтрового типа.
Фильтр Ф! настроен на частоту нажатия /ь
фильтр Ф2 — на частоту отжатия/^. Фильтры
— узкополосные, они могут быть реализованы
на пьезоэлектрических резонаторах. Отфильт-
рованные напряжения поступают на АД (де-
текторы огибающей), диоды VDX, VD2 которых
включены встречно: (7ВЫХ = LLX - LL2. В каж-
дый момент времени на входе линейного трак-
та приема действует сигнал только одной час-
тоты (fi или^>), к которому добавляется поме-
ха. Поскольку собственные частоты фильтров
близки, происходит взаимная компенсация
действия помехи (см. ст. 17.11). Разнесение ча-
стоты A/w = f2 - f\ выбирают компромиссно:
410
РАДИОТЕХНИКА
17.23. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
чем оно больше, тем лучше фильтрация, но ху-
же компенсация помехи. Напряжение (7ВЫХ
пропускают через манипуляционный фильтр
МнФ, ПП которого выбирают в 1.5...2 раза
больше частоты FM. В качестве формирующе-
го устройства ФУ используют триггер, генери-
рующий телеграфные посылки прямоугольной
формы. Последние могут непосредственно ис-
пользоваться для управления оконечным уст-
ройством. В случае его размещения на боль-
шом расстоянии от приемного центра приме-
няют тонманипулятор ТМ; в нем колебание то-
нальной частоты манипулируется амплитуд-
ными посылками постоянного тока. Получен-
ный сигнал направляется в линию, на конце ко-
торой он усиливается и выпрямляется.
При приеме по способу мгновенной часто-
ты в качестве ЧД используют частотный дис-
криминатор, детекторная характеристика кото-
рого показана на Рис. 17.52, б. Квазикогерент-
ный демодулятор двоичных сигналов с ЧМн
строят по корреляционной схеме [1].
РПрУ импульсно-дискретных сигналов
широкополосных предназначено для помехо-
устойчивого приема сигналов с базой \FCT>> 1,
где AFC и Г — ширина спектра и длительность
сигнала соответственно. В большинстве своем
широкополосный сигнал (ШПС) — это после-
довательность N элементарных сигналов S(t)
длительностью т0 = 1/АГс, где N = Т/т0 = TAFC.
В простейшем случае элементарные сигналы
выбирают одинаковыми, а их знаки чередуют-
ся по определенному закону. При этом ШПС
/V-1
t/(O = XvW5i<r-/:xo)> 0<г<г,
к=0
где v(t) — функция, которая принимает на ин-
тервале т0 значения ±1 и описывает последова-
тельность чередования знаков элементарных
сигналов.
Прием ШПС, как правило, осуществляется
корреляционными методами. Использование
ШПС позволяет активно бороться с импульс-
ными и сосредоточенными по спектру помеха-
ми. Так, при воздействии импульсной помехи
вследствие широкой ПП приемника ее дли-
тельность близка к длительности элемента
ШПС т0. Поэтому применение ОА дает воз-
можность свести действие импульсной помехи
к искажению ШПС только на коротком интер-
вале т0, что в N раз меньше длительности все-
го сигнала. Аналогично при воздействии гар-
монической помехи поражается только малая
часть спектра принятого сигнала.
17.23. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙ-
СТВА РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ суще-
ственным образом различаются несмотря на
общность принципов работы и структуры
трактов приема. Основные особенности РПрУ
различного назначения обусловлены разным
характером сигналов и помех, отличающимися
оконечными устройствами, условиями эксплу-
атации и необходимым уровнем надежности.
Вместе с тем из всего разнообразия РПрУ
можно выделить несколько характерных ви-
дов, рассмотрению которых посвящена настоя-
щая статья. Другие РПрУ или приближаются к
ним, или применяются сравнительно редко.
Приемник измерительный — РПрУ,
предназначенное для измерения различных ха-
рактеристик радиосигналов и помех (см. ст.
14.3). Основной тип П. и. — измеритель напря-
жений и мощностей ВЧ сигналов и помех; при
известных параметрах приемной антенны ра-
ботает как измеритель напряженности поля.
Представляет собой специальный супергетеро-
динный приемник с измерительным прибором
на выходе, который имеет высокие чувстви-
тельность (до 10 15 Вт) и избирательность
(50...60 дБ). П. и., как правило, является мно-
годиапазонным приемником с регулированием
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
411
17.23. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
ПП по ПЧ; линейный тракт приема работает на
линейный и квадратичный АД с различными
постоянными времени нагрузочной цепи, что
дает возможность измерять средневыпрямлен-
ное, эффективное, пиковое значения гармони-
ческих и шумовых сигналов.
Приемник панорамный — частный слу-
чай измерительного приемника; предназначен
для наблюдения за радиоизлучением в опреде-
ленной полосе рабочих частот (определения за-
грузки диапазона, паразитных излучений, кон-
троль за работой радиотехнических устройств).
Структурно П. п. представляет собой су-
пергетеродинный приемник с двумя ступеня-
ми преобразования частоты (Рис. 17.53, а),
где ПрС — преселектор; Гь Г2 — гетеродины;
Смь См2 — смесители; Ин — индикатор;
ГР — генератор развертки; СхС — схема син-
хронизации. Первая ступень с фиксированной
частотой гетеродина frl усиливает сигнал и пе-
реносит его спектр в частотную область, удоб-
ную для анализа (как правило, Атч1 <<:А)- Ос"
новная избирательность реализуется во вто-
рой ступени (П2 « nj, работу которой объяс-
няет Рис. 17.53, б: при изменении частоты
второго гетеродина/г2тт </г2 </г2тах ПрОИСХО-
дит последовательное сканирование спектра
/пЧ1 ~/г2 = АпЧ1 ~f"v2 =УпЧ2 = COnSt уЗКОПО-
лосным фильтром УПЧ2. Аналогичную струк-
турную схему имеет анализатор спектра — из-
мерительный приемник, предназначенный для
исследования спектрального состава процес-
сов (см. ст. 14.1).
Приемник радиовещательный — см. ст.
13.1.
Приемник радиолокационный — РПрУ,
предназначенное для работы в составе РЛС с
целью обнаружения и определения координат,
а также других характеристик подвижных и
неподвижных объектов (см. ст. 18.8). По виду
зондирующих сигналов различают приемники
импульсных и непрерывных сигналов.
Приемник РЛС с непрерывным излучением
применяют в доплеровских измерителях ско-
рости объекта. Частоту зондирующего сигнала
fo сравнивают с частотой- отраженного сигнала
/отР = А + Ап, где доплеровский сдвиг Ап =
= Iv/q/c, vr — радиальная скорость перемеще-
ния объекта относительно РЛС, с = 3-105 км/с —
скорость распространения радиоволн. С помо-
щью преобразователя выделяют сигнал с раз-
ностной доплеровской частотой Ап, который
подается на УЗЧ, а затем на измеритель часто-
ты и индикатор скорости.
Структурная схема приемника импульсной
РЛС с визуальным определением дистанции и
угловых координат объекта показана на Рис.
17.54, где А — антенна; АП — антенный пере-
ключатель; ВУ — входное устройство; УЗП —
устройство защиты приемника; Смь См2 —
смесители; УПЗК — устройство подавления
зеркального канала; БАРУ — быстродейству-
ющая АРУ; ПАРУ — программная АРУ; ДРИ
— детектор радиоимпульсов; ВдУ — видео-
усилитель; ОМ — ответвитель мощности; ДМ
— делитель мощности; Дс АПЧ — дискрими-
натор АПЧ; УЭ АПЧ — управляющий элемент
АПЧ; Г — гетеродин; Д — двигатель; ГРД —
генератор развертки дистанции; ГКР — гене-
ратор круговой развертки; ИУ — индикатор
угла; ИД — индикатор дистанции; СГ — синх-
рогенератор. Передатчик и приемник пооче-
редно подключаются к общей антенне А с по-
мощью быстродействующих АП. Различают
коммутационные и ферритовые АП, действие
последних основывается на невзаимных свой-
ствах четырехплечевого ферритового циркуля-
тора (см. ст. 18.7). ВУ состоит из одного конту-
ра или СВЧ фильтра, который обычно реализу-
ют на полосковых линиях.
Защита приемника от перегрузок и повреж-
дений при излучении зондирующих импульсов
передатчика, а также от действия мощных
внешних помех осуществляется в УЗП разряд-
никами и ограничителями на полупроводнико-
вых диодах. Необходимая развязка от передат-
чика должна быть не меньше 60 дБ. После УЗП
включают УПЗК — полосно-пропускающий
фильтр на связанных линиях или на ЖИГ-ре-
зонаторах, который обеспечивает подавление
зеркального канала на 20...30 дБ. Использова-
ние ВУ и УПЗК позволяет снизить коэффици-
ент шума до 4...6 дБ и обеспечивает чувстви-
тельность РА = 1012... 10"13 Вт. Если нужна
более высокая чувствительность, то следует
применить малошумящий УСЧ на ПТБШ или
полупроводниковый параметрический усили-
тель. Преимущество имеют усилители на
ПТБШ, которые при близких шумовых пока-
зателях превосходят неохлаждаемые парамет-
рические усилители по массогабаритным
характеристикам, стоимости, потребляемой
энергии, динамическому диапазону, простоте
обслуживания и надежности. На частотах
4...30 ГГц они обеспечивают коэффициенты
Ш = 0.5...3 дБ, КРкаск = 6... 12 дБ. Для даль-
нейшего снижения шумов необходимо перей-
ти к ПТ с повышенной подвижностью элек-
412
РАДИОТЕХНИКА
17.23. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Рис. 17.54
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
413
17.23. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
тронов — НЕМТ (high electron mobility transis-
tor). Рекордные результаты дает использование
полупроводниковых параметрических усили-
телей, которые охлаждают до температуры
жидкого азота или водорода.
В качестве смесителей П. р. в большинстве
случаев применяют балансные смесители,
позволяющие компенсировать шумы гетероди-
на. При этом целесообразно использовать схе-
му с двумя балансными смесителями, квадра-
турными делителями и сумматорами, на кото-
рых осуществляется подавление шумов зер-
кального канала [14]. Смесители СМВ выпол-
няют по микрополосковой технологии на
ДБШ, имеющих высокую крутизну, малые шу-
мы (Ш = 6...9 дБ) и потери (5...8 дБ). Сейчас
гетеродины на ЭВП постепенно заменяют ге-
теродинами на твердотельных приборах. В ди-
апазоне СМВ применяют генераторы на клис-
тронах и генераторы на диодах Ганна с вари-
капной подстройкой частоты (см. ст. 11.6).
УПЧ П. р. имеют ряд особенностей. По-
скольку на сигнальной частоте и видеочасто-
тах получить значительное усиление сложно,
основной вклад вносит тракт ПЧ, коэффици-
ент усиления которого может достигать
100... 120 дБ. При этом усиление должно быть
обеспечено в широкой полосе частот. Так, при
^имп = 0.3.. .3 мкс, что необходимо для повыше-
ния точности определения расстояния, для
П. р. в диапазоне СМВ П = 1.. .20 МГц при ПЧ,
равной 30...90 МГц. АЧХ УПЧ согласовывают
со спектром принимаемых импульсов. При
распределенной избирательности УПЧ выпол-
няют в виде каскадов с одиночными резонанс-
ными контурами, с двухконтурными ПФ или в
виде одноконтурных взаимно расстроенных
каскадов. Часто используют каскады на ИС. В
последнее время в П. р. устанавливают УПЧ с
ФСС, функции избирательности и усиления в
которых разделены (см. ст. 17.29).
Детекторы радиоимпульсов (см. ст. 17.7),
выполненные на диодах и транзисторах ИС,
преобразуют радиоимпульсы в видеоимпуль-
сы, которые после видеоусилителя направля-
ются на ЭЛТ индикаторов (см. ст. 18.2). Син-
хронизацию перемещения лучей в последних
осуществляют при помощи генераторов ГРД и
ГКР, которыми управляют синхрогенератор СГ
и двигатель Д соответственно. В отличие от
обычного приемника, где на вход канала АПЧ
подается сигнал с выхода УПЧ, в рассматрива-
емом П. р. применена двухканальная схема
АПЧ. Поскольку отраженные сигналы могут
отсутствовать, для автоподстройки гетеродина
Г используют радиоимпульсы передатчика.
Они ослабляются в ответвителе ОМ, преобра-
зуются в смесителе См2 в сигналы ПЧ, усили-
ваются в усилителе УПЧ2 и с помощью дис-
криминатора ДсАПЧ и управляющего элемен-
та УЭ АПЧ подстраивают частоту гетеродина.
Для АРУ предусмотрена инерционная схема,
которая снимает перегрузки, а также быстро-
действующее и программное регулирование
усиления (БАРУ и ПАРУ), позволяющее
уменьшить влияние отражений от окружаю-
щих предметов (см. ст. 17.3). С этой целью ис-
пользуют УПЧ с логарифмической АХ, кото-
рые отличаются наибольшим быстродействи-
ем. Кроме того, в последнее время применяют
схему АРУ на сигнальной частоте, позволяю-
щую расширить линейный участок АХ до
60...70 дБ.
Приемник РЛС с селекцией движущихся
целей — РПрУ, предназначенное для выделе-
ния слабых сигналов, отраженных от подвиж-
ных объектов при мешающем воздействии
пассивных помех — отражений от неподвиж-
ных объектов и местных предметов, которые
медленно передвигаются (см. ст. 17.12, 18.8).
Приемники РЛС других типов (РЛС с авто-
сопровождением объектов, РЛС с активным
ответом и пр.) близки к рассмотренным (см. ст.
18.8, а также [2, 5, 14]).
Приемник радиометрический (радио-
метр) — РПрУ пассивной радиолокационной
системы, предназначенное для измерения
мощности слабых электромагнитных излуче-
ний объектов в диапазоне радиоволн и инфра-
красных излучений. Используется в РЛС и ра-
диотелескопах. Чувствительность Р. выражают
через минимальное приращение шумовой тем-
пературы на входе, обусловленное появлением
шумового сигнала, которое может зафиксиро-
вать приемник:
АГШ = <хГш внутр / ^ПЭфТ ,
где а — коэффициент, зависящий от вида
структурной схемы приемника; Гш внутр — тем-
пература внутренних шумов, приведенная ко
входу приемника; Пэф шумовая ПП; т — время
накопления сигнала. Для уменьшения уровня
внутренних шумов Р. используют малошумя-
щие усилители (см. ст. 18.11, 17.30).
По виду структурной схемы различают R,
выполненные по схеме прямого усиления, и су-
пергетеродинные приемники. По способу дей-
414
РАДИОТЕХНИКА
17.23. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
ствия простейшими и самыми распространен-
ными являются компенсационные Р., которые
содержат типовый тракт обнаружения сигна-
лов: фильтр — квадратичный детектор —
фильтр — решающее устройство (см. ст.
17.28), причем в последнем производят ком-
пенсационное вычитание постоянной состав-
ляющей, обусловленной внешними и внутрен-
ними помехами. Так, в радиоастрономии с по-
мощью электронного коммутатора Р. периоди-
чески подключают то к рабочей антенне радио-
телескопа, то к контрольной антенне с теми же
параметрами, но направленной в «холодную»
область неба. Типовые параметры таких Р.:
Тш внутр = 20... 100 К, Пэф = 108... 109 Гц, т = 1с,
а = V2, ДГШ = 10 3...10 2К. Кроме компенса-
ционного в Р. используют корреляционный и
модуляционный методы приема (см. ст. 18.11).
Приемник радионавигационный —
РПрУ, предназначенное для работы в составе
радионавигационных средств (радиокомпасов,
радиопеленгаторов, радиодальномеров, радио-
высотомеров, систем ближней и дальней нави-
гации, систем инструментальной посадки са-
молетов и пр.) с целью ориентирования по-
движных объектов (судов, летательных аппа-
ратов и пр.) и управления ими. П. р. подобны
радиолокационным приемникам. Работают в
широком диапазоне от мириаметровых (сверх-
длинных) волн до СМВ с непрерывными и им-
пульсными сигналами при модуляции различ-
ных видов. К их характерным особенностям
следует отнести двукратное преобразование
частоты, доплеровскую фильтрацию, импульс-
но-счетные методы обработки, применение
ФСС, высокостабильных гетеродинов, микро-
процессоров. Повышенные интенсивность и
скорость передвижения подвижных объектов
определили широкое использование автомати-
ческих методов обработки информации. Раз-
личные типы радионавигационных систем рас-
сматриваются в ст. 18.13, а также [5, 15].
Приемник радиосвязи — РПрУ, предназ-
наченное для приема сигналов, которые несут
информацию в виде знаков, письменного текс-
та, изображений, звуков (см. ст. 18.14). Переда-
ча информации радиоканалами связи выполня-
ется во всех диапазонах частот, освоенных ра-
диотехникой, от мириаметровых волн до опти-
ческих. Для П. р. характерны высокие реаль-
ная чувствительность и избирательность, ис-
пользование методов, обеспечивающих высо-
кие помехоустойчивость и надежность в усло-
виях воздействия сильных импульсных, флук-
туационных и сосредоточенных по спектру по-
мех. В зависимости от вида принятых сообще-
ний П. р. делят на приемники телефонной, те-
леграфной и фототелеграфной (факсимильной)
связи; в зависимости от вида модуляции — на
приемники непрерывных сигналов с AM, ОМ,
ЧМ (см. ст. 17.17—17.19), приемники им-
пульсно-аналоговых сигналов с АИМ, ЧИМ,
ШИМ, ВИМ (см. ст. 17.21) и приемники им-
пульсно-дискретных сигналов с АМн, ЧМн,
ФМн (см. ст. 17.22). По назначению и протя-
женности линий радиосвязи различают прием-
ники магистральной и радиорелейной связи
(наземные и космические); по условиям экс-
плуатации — приемники фиксированной
службы, пространственное положение кото-
рых постоянно, и приемники подвижной служ-
бы связи. По пропускной способности П. р.
подразделяют на приемники с малой (от 1 до
24 телефонных каналов) и большой (широко-
полосный ТВ сигнал и несколько тысяч теле-
фонных каналов) пропускной способностью.
Приемники радиорелейных линий связи с
большой пропускной способностью работают
в диапазоне СМВ и ММВ, поскольку в этих
диапазонах не только можно передавать сигна-
лы с широким спектром, но также использо-
вать различные помехоустойчивые виды моду-
ляции, которые требуют расширения ПП: ЧМ,
ФМн и их разновидности.
Приемник многоканальной связи — РПрУ с
повышенной пропускной способностью, пред-
назначенное для приема сигналов с частотным
или временным уплотнением. Многокальный
сигнал с частотным уплотнением — несущее
колебание, модулированное по амплитуде, час-
тоте или фазе несколькими колебаниями раз-
личных поднесущих частот, которые, в свою
очередь, промодулированы по амплитуде, час-
тоте или фазе сообщениями. Приемник много-
канальной связи (Рис. 17.55, а) содержит об-
щий линейный тракт ОЛТ, демодулятор несу-
щей ДН, разделительные фильтры каналов Ф/,
канальные усилители КнУ/, демодуляторы
поднесущей ДПН/ и УЗЧ/. Перед ДН может
быть включен ограничитель амплитуды ОА,
который подавляет импульсные, а в случае
приема сигналов с ЧМ и ФМ — также гладкие
помехи. ДН преобразует многоканальный сиг-
нал ПЧ в сумму канальных сигналов поднесу-
щих колебаний, промодулированных сообще-
ниями, а ДПН — канальные сигналы в сообще-
ния, которые после усиления в УЗЧ направля-
ются к абонентам.
Глава 17 РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
415
17.23. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
При временном уплотнении каналов радио-
связи время передачи разделяют на тактовые
периоды, на протяжении которых по очереди
передают один радиоимпульс каждого канала
(или одну кодовую комбинацию импульсов), а
также импульсы синхронизации. На Рис.
17.55, б показана одна из возможных структур-
ных схем такого приемника. Детектор радио-
импульсов ДРИ преобразует радиоимпульсы
ПЧ в видеоимпульсы. При этом тип детектора
определяется видом модуляции несущего коле-
бания. Более продолжительные импульсы син-
хронизации выделяются при помощи интегра-
тора И и порогового устройства ПУ и запуска-
ют мультивибратор МВр Срезом импульса по-
следний запускает мультивибратор МВ2, и так
продолжается до запуска последнего мульти-
вибратора МВи. Импульс каждого мультиви-
братора открывает соответствующий каскад
совпадения КСв, на время приема импульса
данного канала. После срабатывания послед-
него мультивибратора поступает следующий
импульс синхронизации и процесс возобнов-
ляется. Детекторы видеоимпульсов ДВИ пре-
образуют последовательность импульсов в
каждом канале в сообщения. Тип детектора со-
ответствует виду модуляции видеоимпульсов.
Приемник связи дальней космической —
РПрУ, которое в составе радиотехнического
комплекса обеспечивает двустороннюю связь с
отдаленными космическими аппаратами (КА).
Приемники дальней космической связи близки
к приемникам радиорелейной космической
связи; для них характерны большее время вза-
имной видимости и очень малые уровни при-
нимаемых сигналов, что обусловлено значи-
тельным расстоянием до КА — см. (2). Выбор
частотного диапазона зависит от многих фак-
торов. Нижняя граница определяется условием
прохождения радиоволн через ионосферу без
отражений. Для малошумящих приемников эта
граница близка к единицам гигагерц, посколь-
ку на более низких частотах космические шу-
мы превышают внутренние (см. Рис. 17.58).
Верхняя граница определяется потерями в га-
зах и гидрометеорах, а также шумами атмо-
сферы, которые значительны для частот свыше
10 ГГц. Энергетический оптимум по длине
волны X определяют, с одной стороны, коэф-
фициент усиления антенны (7А = 0.5(Z)A/X)2, с
другой — ограничения по точности ее изготов-
ления AZDa 16бА, где Z)A и 5а — диаметр ан-
тенны и относительный допуск (Ю 4), который
можно реализовать. Исходя из этого наиболее
перспективным является относительно узкий
участок волн 3...30 см (1... 10 ГГц). В этом ди-
апазоне достигается наилучшая чувствитель-
ность приемника
РА = И’шПэф'у, (1)
где к — постоянная Больцмана; Пэф — шумо-
вая ПП приемника; у — отношение С/Ш на
входе детектора, которое нужно обеспечить
(см. ст. 17.31).
Минимальное значение температуры внеш-
них и внутренних шумов, которое удается по-
лучить для земных радиостанций, Гш = 30 К.
Оно может быть обеспечено при выполнении
следующих условий: приемная антенна долж-
на иметь ДН шириной 6 = (60.. .80)X/Z>A поряд-
ка долей градуса, ориентированную под доста-
точно большим углом к горизонту и так, чтобы
не захватывать дискретные источники косми-
ческого излучения — Солнце, планеты, центр
Галактики и пр. (узкой ДН соответствует уси-
ление антенной системы (7А = 50...60 дБ); по-
тери во входных цепях и ферритовых циркуля-
торах должны быть снижены до 0.1...0.2 дБ
(см. ст. 11.5); малошумящие УСЧ должны быть
выполнены на варакторных ДБШ с высокой
критической частотой; в качестве гетеродина
может быть использован твердотельный гене-
ратор на диоде Ганна или лавинно-пролетном
диоде с оптимальным отношением частоты на-
качки к частоте сигнала.
В отличие от приемников РРЛ параметри-
ческие усилители приемника дальней косми-
416
РАДИОТЕХНИКА
17.23. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
ческой связи для значительного снижения шу-
мов охлаждают до температуры жидкого азота
(77.4 К) и даже жидкого гелия (4.2 К). Радио-
связь на космических линиях может осуще-
ствляться как в реальном масштабе времени,
так и с предварительным запоминанием ин-
формации. Последнее позволяет снизить ско-
рость передачи, соответственно уменьшить
ширину спектра сигнала и сузить полосу про-
пускания приемника. Для накопления медлен-
но изменяющихся сообщений требуется
10... 100 с, что обеспечивает произведение
ПЭфУа 0.01...0.1 Гц. При этом по формуле (1)
получаем РА = (0.5...5)-10 22 Вт; это отвечает
рекордным значениям чувствительности при-
емников, достигнутым в настоящее время.
Бортовое РПрУ обязательно должно иметь
высокую экономичность, жесткие ограничения
массы и размеров, наивысшую надежность.
Долговременным ИП могут быть солнечные
батареи или ядерные ИП (см. ст. 30.5). В каче-
стве УСЧ используют малошумящие усилите-
ли на ПТ с повышенной подвижностью элек-
тронов (НЕМТ). Так же, как и в приемниках
наземных станций, применяются остронаправ-
ленные антенны; ненаправленные антенны не-
выгодны с энергетической точки зрения и ис-
пользуются лишь кратковременно в аварийных
ситуациях.
Широкие возможности открывает приме-
нение колебаний оптического и длинноволно-
вого рентгеновского диапазонов (X < 100 мкм).
Основным преимуществом оптических линий
связи является повышенная помехоустойчи-
вость, обусловленная использованием остро-
направленного излучения и приема (см. ст.
17.25). Длины волн для связи выбирают так,
чтобы они соответствовали «окнам прозрач-
ности» земной атмосферы; наиболее перспек-
тивным является участок 0.5... 10 мкм. Повы-
шение дальности связи при использовании в
бортовом приемнике лазера в основном опре-
деляется возможностями земных стандартов
частоты.
Рекорд дальности связи установлен косми-
ческим аппаратом «Вояджер», который был
запущен в 1977 г. для исследования дальних
планет Солнечной системы (мощность пере-
датчика — 60 Вт, ИП — радиоизотопный тер-
моэлектронный генератор мощностью 400 Вт,
скорость передачи информации в рентгенов-
ском диапазоне при расстоянии 2 млрд км —
50103 бит/с, диаметр антенны — 3.7 м). С
этим аппаратом и сейчас поддерживается
Глава 17 РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
связь на расстоянии свыше 5 млрд км далеко
за пределами Солнечной системы.
Приемник связи магистральной — РПрУ,
которое в составе радиотехнического ком-
плекса или как одиночное средство для одно-
или двусторонней радиосвязи на дальних рас-
стояниях в диапазоне декаметровых волн
(1.5...30 МГц) обеспечивает многофункцио-
нальный прием телефонных, телеграфных и
фототелеграфных сигналов с различными ви-
дами модуляции, (см. ст. 18.14). Применяется
в качестве приемника оперативной и дальней
связи на направлениях с малой нагрузкой и
как резерв других видов связи. В зависимости
от электрических параметров и вида принима-
емых сигналов магистральные приемники де-
лят на три класса. Преобладают цифровые, ко-
дированные, телеграфные сигналы с ЧМн,
ФМн, АМн, но предусматривается также при-
ем телефонных сигналов с AM и ОМ. Основ-
ной вид помех в декаметровом диапазоне —
сосредоточенные по спектру и флуктуацион-
ные помехи. К параметрам приемников
предъявляют достаточно жесткие требования:
чувствительность — десятые доли микро-
вольта; избирательность по побочным кана-
лам приема — 100... 120 дБ, по соседним —
более 90 дБ; коэффициент шума — 4... 10 дБ;
относительная нестабильность частоты гете-
родина— 10“7...108; эффективность АРУ —
при изменении входного сигнала на 100 дБ из-
менение выходного составляет 4...6 дБ.
Приемник магистральной связи (Рис.
17.56) имеет главный тракт приема ГТП, уст-
ройство формирования гетеродинных и управ-
ляющих напряжений УГУН, оконечное устрой-
ство ОУ, блок управления и контроля БУК, блок
стабилизированного питания БСП. Входной
сигнал от широкополосного антенного усили-
теля ШАУ поступает через антенный коммута-
тор АК в ГТП. Последний предназначен для
усиления, фильтрации и детектирования сигна-
лов, содержит: управляемый аттенюатор Ат;
преселектор ПрС; смесители Смь См2; усили-
тели промежуточной частоты УПЧЬ УПЧ2; пе-
реключаемые детекторы различных видов мо-
дуляции Д. В ОУ осуществляется обработка,
близкая к оптимальной, которая зависит от ви-
да принимаемого сигнала. Она состоит в разде-
лении многоканальных сигналов, их демодуля-
ции, декодировании, регенерации, преобразо-
вании к виду, необходимому для передачи пред-
приятиям связи. УГУН выдает напряжения t/ri,
Ur2 гетеродинов Г] и Г2, управляющие напря-
417
14-2959
17.23. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Рис. 17.56
жения {7уПр для перестройки избирательных це-
пей ПрС, а также сигналы, необходимые для
синхронизации в цепях ОУ. Как правило,
УГУН строят на основе СнЧ (см. ст. 16.1), кото-
рый создает сетку высокостабильных частот с
шагом 1, 10, 100 Гц. БУК работает или от
местного пульта управления и отображения ин-
формации ПУО, или с помощью устройства
дистанционного управления УДУ (проводного
или служебной радиосвязи). При этом исполь-
зуют микропроцессор, связанный со всеми ос-
новными узлами приемника. Отметим, что ма-
гистральные приемники часто выполняют
сдвоенными для организации разнесенного
приема сигналов (см. ст. 17.12).
Для обеспечения высокой избирательности
и чувствительности ГТП строят по супергете-
родинной схеме с дву- или трехкратным преоб-
разованием частоты, где/^ч1 >/пч2- При этом
возможны три варианта структуры. Самая рас-
пространенная традиционная схема рассмат-
ривается в ст. 17.27 (супергетеродинный при-
емник с двукратным преобразованием часто-
ты), где частота fri изменяется плавно (при ис-
пользовании СнЧ — дискретно), а частоты fr2,
постоянны, что существенным обра-
зом упрощает схему и конструкцию приемни-
ка. Недостаток этой структуры — низкая ста-
бильность частоты первого, перестраиваемого
ВЧ гетеродина. В случае применения СнЧ
вследствие малого шага А/ трудно обеспечить
спектральную чистоту напряжения первого ге-
теродина. Во втором варианте частоты /н,/пч2
постоянные, а частоты /Пч1 и fr2 изменяются
так, чтобы обеспечить равенство /г2 ~/пч1 =
=/пч2 = const. Недостаток этой структуры —
сложность и большое время перестройки. Тре-
тий вариант — инфрадинная схема супергете-
родинного приемника, которая существенным
образом упрощает реализацию беспоисковой
настройки (см. ст. 17.27).
Преселектор может быть как перестраивае-
мым, так и неперестраиваемым — фильтро-
вым, например, в инфрадинном приемнике. В
первом случае для улучшения избирательнос-
ти по зеркальному каналу и получения малых
перекрестных искажений в ПрС вводят вход-
ное устройство с двухконтурным ПФ, а также
один или два каскада УСЧ с одиночными резо-
нансными контурами. Для получения малого
коэффициента шума и высокой линейности
тракта применяют ПТ. С этой же целью в каче-
стве ПрЧ используют балансные преобразова-
тели на ПТ или кольцевые на ДБШ. Для при-
ема сигналов различных видов ПП первого
УПЧ устанавливают для наиболее широкопо-
лосного сигнала, а в тракт второго УПЧ вводят
акустоэлектронные (чаще пьезоэлектрические)
ФСС, которые переключаются; соответствую-
щую коммутацию выполняют также в детекто-
ре. Специфика декаметрового диапазона волн
состоит в том, что динамический диапазон по-
лезного сигнала на входе приемника достигает
100... 120 дБ. Это выдвигает жесткие требова-
ния к АРУ и предусматривает установку вход-
ного аттенюатора для обеспечения ступенчато-
го снижения уровня сигнала на 30...40 дБ. Пе-
реключение аттенюатора Ат может быть руч-
ным или автоматическим от цепи АРУ.
Приемник персонального вызова (пейджер)
— РПрУ, предназначенное для работы в одно-
сторонней адресной системе персонального
радиовызова (см. ст. 18.14). Приемник персо-
нального вызова общего назначения — это су-
пергетеродинный приемник ЧМ сигналов со
встроенной антенной, одно- или двукратным
418
РАДИОТЕХНИКА
17.23. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
преобразованием частоты (как правило, при-
меняют ПЧ радиовещательных приемников). К
выходу дискриминатора присоединяют деко-
дирующее устройство, построенное на логиче-
ских ИС. Это позволяет осуществить передачу
информации только на тот приемник, для кото-
рого предназначен сигнал вызова. Работа деко-
дирующего устройства часто основывается на
срабатывании механических резонансных ре-
ле, которые коммутируют УЗЧ, благодаря чему
последний начинает работать как генератор
НЧ. Электрические колебания этого генерато-
ра преобразуются и излучаются громкоговори-
телем. Услышав звуковой сигнал, абонент на-
жимает кнопку прослушивания и звуковой ге-
нератор переводится в режим усиления НЧ, а к
его входу присоединяется дискриминатор для
приема сообщения. Чувствительность прием-
ника в диапазоне МВ составляет 10...20 мкВ,
ПП равна 10...20 кГц, используется двоично-
десятичный код, число абонентов достигает
1000, габаритные размеры соответствуют раз-
мерам карманного приемника.
Приемник радиорелейной линии наземной
связи — РПрУ, предназначенное для работы в
составе комплекса фиксированной службы ра-
диосвязи, который состоит из двух конечных
станций (КС) и нескольких наземных ретранс-
ляционных станций (PC), расположенных в
пределах прямой видимости и осуществляю-
щих прием и переизлучение сигналов (см. ст.
18.14). Прием сигналов на РРЛ проводится в
диапазоне МВ, ДМВ, СМВ, ММВ; при этом
СМВ и ММВ используют в широкополосных
системах с высокой пропускной способностью.
Структурная схема приемника КС с частотным
уплотнением каналов и ЧМ несущей изображе-
на на Рис. 17.57, а, где АФ — антенный фидер,
ВУ — входное устройство, РУ — распредели-
тельное устройство, КГВЗ — корректор груп-
пового времени задержки, ГУ — групповой
усилитель, АРК — аппаратура разделения ка-
налов. УСЧ является малошумящим усилите-
лем. РУ содержит несколько ответвительно-по-
лосовых фильтров, которые выделяют п ВЧ
стволов, каждый из которых рассчитан на ТВ
программу или 600...2000 телефонных кана-
лов с полосой пропускания П = 20...25 МГц.
ПЧ регламентированы: 35 МГц — для станции
cfc < 1 ГГц, 70 МГц — для станции cfc > 1 ГГц.
УПЧ строят по структуре с разделением функ-
ций избирательности и усиления (см. ст. 17.29),
в качестве ФСС применяют многоконтурные
фильтры высокого порядка и фильтры на ПАВ.
В ЧД используют широкополосный частотный
дискриминатор с расстроенными контурами.
ГУ обеспечивает усиление группового сигнала
до уровня, необходимого для нормальной ра-
боты АРК (разделение каналов рассмотрено
ранее).
8)
б)
Рис. 17.57
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
419
17.23. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Структурная схема PC показана на Рис.
17.57, б, где ЗГ — задающий генератор, ГСд —
генератор сдвига, БВПС — блок выделения
первичных сигналов, Смь См2, См3 — смеси-
тели, УсМ — усилитель мощности. Передат-
чик и приемник станции работают на различ-
ных НсЧ (fd =#/2) для того, чтобы во время ра-
боты приемника избежать помех со стороны
передатчика своей станции. С этой целью пре-
дусмотрено двукратное преобразование часто-
ты. Частота задающего генератора f3r = /2 +
+/пч, частота генератора сдвига/ГСд=/2 ~/сь
где/я и/2 — частота входного и выходного
сигналов соответственно. При этом нестабиль-
ность частоты ЗГ не изменяет частоту выход-
ного сигнала, а изменяет лишь/Пч- Нестабиль-
ность частоты ГСд менее критична, поскольку
/гсд «/зг- Уточним, что первичные сигналы
выделяются только на узловых PC, где БВПС
построен аналогично приемнику КС. Основ-
ной задачей PC, работающей с импульсными
сигналами и временным уплотнением каналов,
является сохранение крутизны фронтов им-
пульсов.
Приемник радиорелейной линии спутнико-
вой связи — РПрУ, предназначенное для рабо-
ты в составе комплекса фиксированной служ-
бы радиосвязи, который состоит из двух зем-
ных (ЗС) и одной или нескольких спутниковых
ретрансляционных станций (PC), осуществля-
ющих прием и переизлучение сигналов (см. ст.
18.14). Соответственно этому различают при-
емники ЗС и приемники PC. Характерной чер-
той первых является высокая чувствитель-
ность, связанная с малой мощностью борто-
вых PC. Так, мощность сигнала на входе при-
емника ЗС
р Л>сЛф рсЛф ЗС^рс^а.рс^АЗС^погл^пол^А
ГЗС - ’(2)
4тс/?2
где Ррс — мощность передатчика PC; Г|ф РС,
Лф.зс — коэффициенты передачи антенных
фидеров передатчика PC и приемника ЗС;
Срс — коэффициент усиления передающей
антенны PC; ZA РС, ГА зс — коэффициенты,
учитывающие неточность взаимного наведе-
ния антенн передатчика РС и приемника ЗС;
£погл, ^пол — коэффициенты потерь мощнос-
ти из-за поглощения радиоволн на трассе и
несовпадения плоскостей их поляризации;
5А — эффективная площадь приемной антен-
ны в направлении PC; R — расстояние между
РС и ЗС.
Рабочие частоты приемников определяют-
ся спектром сигналов и помеховыми фактора-
ми в космической радиолинии: потерями в ат-
мосфере, тропосфере, на гидрометеорах; отра-
жением и потерями в ионосфере, рефракцией,
шумами Земли, атмосферы, космоса (Солнца,
планет, Галактики, реликтовым излучением).
Исходя из этого, регламентом фиксированной
радиосвязи установлены полосы частот в гра-
ницах 2.5...275 ГГц. На частотах выше 5 ГГц
можно считать, что для ЗС внешние шумы сво-
дятся к атмосферным, которые при угле подъе-
ма приемной антенны над уровнем горизонта
не менее 5... 10° (для ослабления влияния шу-
мов Земли) имеют температуру Гш внеш = 30 К.
Общая шумовая температура, приведенная ко
входу антенны,
Гщ — Гш внеш + Тш внутр, (3)
а температура внутренних шумов
7’ШВнутр=7’(1+Пф)/Пф +
"1'^'ш.УСЧ^Лф +Ли.ПрЧ /(Лф^р УСЧ )*•••>
где Т— температура антенны; Гш УСч и Гш прЧ
— шумовые температуры УСЧ и ПрЧ, приве-
денные к их входам; ХРУСч — коэффициент
передачи УСЧ по мощности.
Если шумы преобразователя отсечь доста-
точно мощным трехкаскадным УСЧ (КР уСч =
30 дБ), то в выражении (4) можно ограничить-
ся первыми двумя компонентами. Из сравне-
ния (3) и (4) следует, что для того, чтобы суще-
ственно не повышать общую шумовую темпе-
ратуру Гш, нужно обеспечить неравенство
^ш.УСЧ < /ш внеш + Ш-Лф)-
Подстановка реальных значений парамет-
ров дает Гш усч = 50.. .300 К, чему соответствует
коэффициент шума Ш = Тш/Т$ + 1 = 0.6...3 дБ,
где То = 300 К. Частотные зависимости внеш-
них шумов и шумов малошумящих СВЧ уси-
лителей изображены на Рис. 17.58, где 1 —
шум неохлаждаемого смесителя; 2, 3, 4 — шу-
мы неохлаждаемых полупроводниковых уси-
лителей на БТ, ПТБШ, параметрических дио-
дах соответственно; 5 — шум охлаждаемого
параметрического усилителя; 6 — шум мазера;
7 — реликтовый шум; 8 — шумы атмосферы;
9, 10 — максимальный и минимальный косми-
ческие шумы. Как следует из Рис. 17.58, мини-
мальные значения шумов обеспечивают нео-
420
РАДИОТЕХНИКА
17.24. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО СИГНАЛОВ МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН
хлаждаемые параметрические и транзистор-
ные усилители. Последние уверенно вытесня-
ют параметрические усилители несмотря на
то, что те имеют немного меньшие шумы. Это
объясняется тем, что при близких шумовых
температурах транзисторные усилители на
ПТБШ предпочтительнее параметрических по
ряду наиболее важных эксплуатационных по-
казателей. Широко используется возможность
дальнейшего снижения Тш усч термоэлектри-
ческим охлаждением первого каскада УСЧ в
интервале температур 200...300 К (см. ст.
17.30).
Структуры приемников спутниковых РРЛ
аналогичны структурам наземных приемни-
ков. Различие состоит в том, что температура
внешних шумов значительно выше, чем у при-
емников ЗС, за счет шума Земли, на которую
направлена спутниковая антенна. Это сущест-
венно снижает требования к малошумящим
СВЧ УСЧ, выполняемым на неохлаждаемых
ПТБШ. Поскольку в приемниках PC фильтра-
ция каналов не предусматривается, отпадает
необходимость в двукратном преобразовании
частоты. Наиболее часто используют баланс-
ные смесители на ДБШ. Особое внимание уде-
ляют вопросам экономичности питания и на-
дежности.
Приемник телевизионный — см. ст.
22.10.
Приемник телеметрический — РПрУ,
предназначенное для приема результатов изме-
рений, передаваемых радиолинией от подвиж-
ных или труднодоступных объектов, на кото-
рых выполняются эти измерения. По сути, П. т.
могут рассматриваться как разновидность
многоканальных приемников радиосвязи, с
выхода которых сообщения направляются на
декодер и устройства обработки и регистра-
ции. Необходимые точность и помехоустойчи-
вость обеспечиваются использованием цифро-
вых методов обработки и передачи данных. Ча-
ще всего П. т. применяются в авиации, космо-
навтике, метеорологии и спорте.
17.24. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙ-
СТВО СИГНАЛОВ МИЛЛИМЕТРОВЫХ
ВОЛН — РПрУ, предназначенное для при-
ема сигналов в миллиметровом (ММВ,
30...300 ГГц) и децимиллиметровом (ДММВ,
300...3000 ГГц) диапазонах радиоволн. По
назначению РПрУ ММВ делят на радиолока-
ционные, связные, радиометрические. В ра-
диолокационных приемниках сигналов ММВ
(высокоточные радиолокаторы измерения,
РЛС сопровождения, малогабаритные РЛС,
активные и пассивные головки наведения ра-
кет, радиолокационное картографирование
местности, радиолокационная астрономия,
навигационные и посадочные средства, ра-
диотеплолокация) следует выделить высо-
кую разрешающую способность, которая ре-
ализуется при малых размерах антенн систе-
мы, и возможность наблюдения радиотепло-
вого излучения объектов. В связных прием-
никах сигналов ММВ (связь без замираний,
помехозащищенная связь, связь через пас-
сивные отражатели, дальняя и ближняя кос-
мическая связь) широко используют боль-
шую и сверхбольшую ПП линий связи. В ра-
диометрических приемниках сигналов ММВ
(радиоастрономия, дистанционный контроль
природных сред, радиоскопия, медицинская
диагностика) реализуют особенности рас-
пространения этих волн в атмосфере, ионо-
сфере, плазме и других средах.
По виду принимаемых сигналов РПрУ об-
разуют два класса: приемники квазикогерент-
ных модулированных колебаний и приемники
шумовых излучений (радиометры) — см. ст.
17.23, 18.11. По типу структуры различают су-
пергетеродинные приемники (СГП) со смеси-
телем после входного устройства, СГП с мало-
шумящим УСЧ и детекторные приемники.
Первые являются самыми распространенны-
ми, поскольку при относительной простоте да-
ют возможность реализовать высокую чувст-
вительность, широкую ПП, квазиоптимальную
фильтрацию сигналов. СГП с малошумящим
УСЧ используют в длинноволновой части диа-
пазона ММВ. Детекторные приемники приме-
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
421
17.24. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО СИГНАЛОВ МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН
няют преимущественно в измерительных уст-
ройствах. К чувствительности приемников
сигналов ММВ предъявляют высокие требова-
ния. Это связано со слабостью радиотепловых
излучений, с ограниченным уровнем мощнос-
ти передатчиков, малой площадью приемных
антенн и значительным поглощением ММВ в
атмосфере. Сравнительно низкий уровень
внешних помех позволяет получить повышен-
ную чувствительность.
Быстро совершенствуются СВЧ усилители,
смесители и гетеродины на ПТБШ и транзис-
торах с высокой подвижностью электронов
(см. ст. 29.14). Как при средних температурах
среды, так и при глубоком охлаждении по шу-
мам они успешно конкурируют с параметриче-
скими полупроводниковыми усилителями. Од-
новременно с усовершенствованием схем и
конструкций на традиционных элементах ве-
дутся исследования чувствительных элемен-
тов, работающих на новых физических прин-
ципах. Рекордная чувствительность получена
при использовании на входе приемника смеси-
телей на нелинейных сверхпроводящих пере-
ходах. В то же время возможность снижения
шумов ММВ и ДММВ ограничена квантовой
границей чувствительности. Развитие эле-
ментной базы позволяет во всем диапазоне
ММВ и ДММВ создать высокочувствительные
полностью твердотельные приемники, пригод-
ные для серийного производства и охлаждения
микрокриогенным оборудованием [16].
17.25. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТ-
ВО СИГНАЛОВ В ОПТИЧЕСКОМ ДИА-
ПАЗОНЕ ВОЛН — РПрУ, предназначенное
для приема оптических сигналов (ОС) в трех
диапазонах: инфракрасном (Х= 100...0.75 мкм),
видимом (X = 0.75...0.4 мкм), ультрафиолето-
вом (X = 0.4...0.01 мкм); при этом первые два
наиболее освоены. Малые длины волн позволя-
ют реализовать ряд самых важных преиму-
ществ: создать системы связи с высокими про-
пускной способностью и помехоустойчивос-
тью; осуществить остронаправленный прием
при малых размерах антенн; построить систе-
мы точных измерений угловых координат, точ-
ные дальномерные системы; фиксировать ма-
лые радиальные скорости объектов. Приемники
ОС могут входить в состав как пассивных, так и
активных систем. Первые предназначены для
приема естественного инфракрасного излуче-
ния от различных тел, температура которых от-
личается от абсолютного нуля. Подобно радио-
метрам (см. ст. 17.23) их используют для обна-
ружения объектов, измерения угловых коорди-
нат, определения температур и пр. В активных
системах в качестве источника информации
применяют преимущественно инфракрасное и
видимое излучение оптических квантовых ге-
нераторов, имеющих высокую когерентность и
мощность. Выполнение неравенства X « D,
где D — диаметр приемного телескопа, позво-
ляет получить информацию, заложенную как во
временной, так и в пространственной структуре
оптического поля. Соответственно этому ис-
пользуют приемники ОС с временной и прост-
ранственной модуляциями.
Для оптического диапазона характерным
является разнообразие видов модуляции не-
сущей; при этом.наиболее часто применяют
ИКМ по интенсивности, что объясняется
высоким быстродействием и линейностью
характеристик. Так, ток детектора излуче-
ния I = Г|еРс/(А/), где Г| — квантовая эффек-
тивность детектора (отношение среднего
числа эмитированных электронов к средне-
му числу падающих фотонов); е — заряд
электрона; h - 6.62-10~34 Дж/Гц — постоянная
Планка; Рс и f — мощность и частота прини-
маемого излучения, Произведение hf характе-
ризует энергию кванта принятого излучения и
отражает корпускулярные свойства оптичес-
ких волн. Конечная энергия кванта приводит к
возникновению в приемниках ОС специфиче-
ской составляющей внешних шумов — кван-
тового шума, устранить который принципи-
ально невозможно. Спектральная плотность
мощности теплового и квантового шумов
G(J) = {А/7[ехр(А/7А:7) - 1]} + hf, (1)
где к = 1.38-1 (Г23 Дж/К — постоянная Больц-
мана, Т — абсолютная температура.
Из выражения (1) следует, что квантовый
шум тем сильнее, чем выше частота; область ча-
стот, где он является преобладающим, f > kT/h,
что при нормальной температуре соответствует
значениям/> 61012 Гц (X < 50 мкм).
Другим источником внешнего шума явля-
ется фоновое излучение, которое выражается
тем сильнее, чем больше спектральная яркость
фона, телесный угол приема, площадь входной
апертуры и ПП приемника. Эффективным
средством защиты от фонового излучения слу-
жат оптические ПФ. Во время приема ОС, рас-
пространяющихся в атмосфере, действуют до-
полнительные помехи, связанные с рассеянием
излучения, флуктуациями траекторий луча,
422
РАДИОТЕХНИКА
17.25. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО СИГНАЛОВ В ОПТИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ ВОЛН
влиянием метеоусловий и пр. В связи с этим в
наземных системах связи наибольшее распро-
странение получили волоконно-оптические
линии связи (ВОЛС), которые защищены от
фонового излучения и имеют стабильные ха-
рактеристики. Структуры приемников ВОЛС
не отличаются от структур приемников откры-
тых линий. Следует отметить перспективность
приемников ОС для дальней космической свя-
зи, поскольку в космосе пространственное по-
глощение оптических волн очень мало.
РПрУ оптических сигналов с временной
модуляцией — РПрУ, в котором используется
временная структура оптического поля. По-
скольку детекторы излучения (ДИ) в значи-
тельной мере определяют оптические и элект-
рические параметры приемников, последние
классифицируют по типу применяемого ДИ,
разделяя их на три группы: фотоэлектрические,
фотоэлектронные и тепловые (см. ст. 29.11).
Принцип действия фотоэлектрических прием-
ников излучения основывается на использова-
нии приборов с внутренними и внешними фо-
тоэффектами: фоторезисторов, фотодиодов, ла-
винных фотодиодов (ЛФД), фототранзисторов.
Эти приемники характеризуются широким ди-
апазоном спектральной чувствительности, хо-
рошими оптоэлектронными свойствами, удоб-
ным совмещением с интегральной элементной
базой. В фотоэлектронных приемниках глав-
ным является фотоэмиссия электронов из фо-
токатода в вакуумном или газонаполненном
приборе. Принцип действия тепловых прием-
ников излучения основывается на тепловом эф-
фекте — изменении сопротивления чувстви-
тельного элемента при изменении его темпера-
туры под действием поглощенного излучения.
В широкополосных (быстродействующих)
приемниках видимого и инфракрасного диапа-
зонов в качестве ДИ широко применяют фото-
диоды и ЛФД, ток которых пропорционален
мощности принятого излучения.
По типу структурной схемы РПрУ ОС де-
лят на приемники прямого детектирования и
супергетеродинные. Структура первых показа-
на на Рис. 17.59, а, где АОС — антенная опти-
ческая система (телескоп), фокусирующая све-
товой поток на чувствительном элементе при-
емника; ОПФ — оптический ПФ; ЭТП — эле-
ктронный тракт приема, ОУ — оконечное уст-
ройство. ОПФ является линзовой системой с
ПП порядка сотен гигагерц, ослабляющей фо-
новое излучение. Детектор излучения ДИ пре-
образует оптический сигнал в электрический,
который далее усиливается, фильтруется и де-
модулируется в ЭТП. При низкой квантовой
эффективности ДИ принятый сигнал предва-
рительно усиливается в оптическом квантовом
усилителе ОКУ.
При супергетеродинном приеме когерент-
ного излучения (Рис. 17.59, б) сигнал с часто-
той/. после АОС и ОПФ, а также колебания ге-
теродина Ti с частотой frX при помощи полу-
прозрачной пластины ППл направляются на
поверхность ДИ. При этом для эффективного
взаимодействия сигнального и гетеродинного
лучей необходимо выполнение жестких требо-
ваний к параллельности и согласованию плос-
костей поляризации. Вследствие интерферен-
ции на выходе детектора возникает электриче-
ский сигнал ПЧ/Пч! =/ -/ь который лежит в
области СВЧ; далее его обработка производит-
ся в соответствии с приведенной схемой, где
УПЧ] и УПЧ2 — усилители первой и второй
Глава 17 РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
423
17.25. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО СИГНАЛОВ В ОПТИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ ВОЛН
ступеней преобразования, Гь Г2 — гетероди-
ны, ДМ — демодулятор; ВдУ — видеоусили-
тель.
Анализ потенциальных возможностей при-
ема ОС показывает, что в условиях действия
только квантового шума теоретическая грани-
ца чувствительности
Pmin = пА/П/T), (2)
где п = 1 или 2 для супергетеродинных прием-
ников и приемников прямого детектирования
соответственно.
Чувствительность, близкая к теоретичес-
кой границе, может быть реализована в фото-
диодных супергетеродинных приемниках при
достаточно большой мощности гетеродина и
использовании МШУ на ПТ в первых каскадах
УПЧь
РПрУ оптических сигналов с простран-
ственной модуляцией — РПрУ, в котором ис-
пользуется пространственная структура опти-
ческого поля что оказывается возмож-
ным, поскольку размеры приемного телескопа
на несколько порядков превышают длину вол-
ны излучения. Так, телевизор можно рассмат-
ривать как приемник оптических сигналов, в
которых закодировано пространственное рас-
пределение интенсивности света на светочув-
ствительной поверхности передающей ТВ
трубки. Применение таких приемников в раз-
личных областях науки и техники очень разно-
образно: системы связи, локации, геофизики,
медицины и пр. Наиболее перспективными яв-
ляются твердотельные приемники сигналов с
пространственной модуляцией. Основным эле-
ментом этих приемников служат твердотель-
ные матрицы фотодетекторов, которые скани-
руют по горизонтали и вертикали, осуществ-
ляя тем самым поэлементный анализ прост-
ранственного распределения принятого сигна-
ла. Следует отметить дискретный характер фо-
топриемной матрицы, что налагает определен-
ные ограничения на качество воспроизведения
высоких пространственных частот.
17.26. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТ-
ВО ЦИФРОВОЕ — РПрУ, в котором осуще-
ствляется полная или частичная цифровая об-
работка сигналов. В зависимости от способа
передачи информации различают два вида ци-
фровых РПрУ: первые предназначены для при-
ема цифровых сигналов, вторые — для приема
аналоговых сигналов с последующим их пре-
образованием в приемном тракте в цифровую
форму. Последние входят в состав систем пе-
редачи информации, которые по своим харак-
теристикам значительно уступают полностью
цифровым системам, однако в настоящее вре-
мя используются достаточно часто. Это объяс-
няется экономической нецелесообразностью
полной замены существующих сегодня анало-
говых систем ТВ, радиовещания, радиосвязи и
пр. Для преобразования сигналов в цифровую
форму в тракт приемника вводят АЦП; если
оконечное устройство работает с аналоговыми
сигналами, то на выходе приемника устанавли-
вают ЦАП.
По числу узлов цифровой обработки Р. у. ц.
можно разделить на три группы: приемники, в
которых на цифровою-ИС (ЦИС) реализованы
отдельные вспомогательные узлы, не входя-
щие в состав главного тракта приема (напри-
мер, устройства управления,, контроля, отобра-
жения информации, системы вхождения в
связь, системы автоматического регулирова-
ния); приемники, в которых на ЦИС выполне-
на часть главного тракта приема (ГТП) и вспо-
могательные узлы; приемники, полностью вы-
полненные на ЦИС. Поскольку цифровая обра-
ботка требует достаточно больших уровней
сигналов, во всех трех видах приемников необ-
ходимо предварительное усиление принятого
сигнала. Эта функция объединяется с функци-
ей предварительной избирательности и реали-
зуется в аналоговой части ГТП.
При цифровой обработке достигают высо-
ких точности и стабильности характеристик
благодаря отсутствию параметрических откло-
нений, присущих аналоговым цепям; имеется
возможность запоминания (задержки) на нео-
граниченное время больших массивов инфор-
мации. Цифровые методы обработки позволя-
ют реализовать оптимальные и квазиоптималь-
ные алгоритмы значительно проще, чем анало-
говые. Цифровая аппаратура не требует наст-
ройки, построение трактов может быть обеспе-
чено на основе ограниченного набора унифи-
цированных узлов. Цифровые цепи допускают
возможность оперативной перестройки, адап-
тации к изменяющейся сигнально-помеховой
обстановке; на них просто реализуются раз-
личные логические операции. Цифровая аппа-
ратура не содержит реактивных элементов,
имеет высокий уровень интеграции, эффектив-
нее поддается автоматизированному проекти-
рованию. В то же время цифровой аппаратуре
присущи также серьезные недостатки. Так, для
преобразования аналогового сигнала в цифро-
424
РАДИОТЕХНИКА
17.26. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ЦИФРОВОЕ
вой необходимо предварительное усиление в
тракте НсЧ или ПЧ до десятых долей вольта.
Цифровые узлы сегодня имеют большую аппа-
ратурную сложность, меньшее быстродейст-
вие, дополнительные шумы квантования,
большие потребляемую мощность, габаритные
размеры, массу, стоимость. Из изложенного
следует, что цифровую обработку в приемной
аппаратуре целесообразно использовать при
сложных алгоритмах, необходимости обеспе-
чения адаптации, высокой точности оценки па-
раметров сигнала, при продолжительной за-
держке информации.
Аналого-цифровой преобразователь —
см. ст. 25.1.
Микропроцессорное управление радио-
приемным устройством управление РПрУ
на основе методов и средств вычислительной
техники с помощью МП, построенного на од-
ной или нескольких цифровых БИС. Структу-
ра устройства обработки информации и управ-
ления УОУ изображена на Рис. 17.60, где ГТП
— главный тракт приема, И — интерфейс,
УВИ — устройство ввода информация, Д —
дисплей отображения информации, ОЗУ —
оперативное ЗУ, ПЗУ — постоянное ЗУ, СнН
— синтезатор напряжений, СнЧ — синтезатор
частот, УП — устройство программирования,
ШД — шина данных. Связь между ГТП РПрУ
и УОУ осуществляется с помощью интерфейса
И: от ГТП поступает информация, которая ана-
лизируется в УОУ, а от последнего сигналы на-
правляются к органам управления ГТП (клю-
чам, варикапам и т.п.). Отдельные узлы УОУ
связаны между собою ШД.
Рис. 17.60
Краткая характеристика основных функ-
ций УОУ: сбор и обработка информации, по-
ступающей от пользователя (частота настрой-
ки, вид модуляции и кодирования, желаемый
режим работы и т.п.), причем информация
вводится или с помощью УВИ, или автомати-
чески согласно программе поиска, записан-
ной в ПЗУ; сбор и обработка информации о
сигнально-помеховой обстановке во время ра-
диоприема; сбор и обработка информации о
характеристиках функционирования РПрУ и
качестве приема (в частности, определяются
точность настройки на радиостанцию, отно-
шение С/П в различных точках ГТП, наличие
перегрузок); проверка работоспособности
ГТП, предусматривающая не только контроль
режимов основных узлов по постоянному то-
ку, но и периодические или выборочные изме-
рения основных характеристик от встроенно-
го генератора тестовых сигналов; оптимиза-
ция характеристик ГТП в реальном масштабе
времени согласно алгоритму, занесенному в
ПЗУ, и адаптация в соответствии с текущей
сигнально-помеховой обстановкой; управле-
ние РПрУ с использованием рассмотренных
характеристик с помощью электронных сис-
тем настройки, регулирование усиления, за-
щита от помех, перегрузок и пр.; отображение
на дисплее постоянно или по целевому вызо-
ву пользователя информации о работе РПрУ,
электромагнитной обстановке, прогнозах и
т.п.; выдача указаний пользователю. Очевид-
но, ряд функций МП принципиально не мо-
жет быть реализован с помощью ручного уп-
равления.
Радиовещание цифровое — см. ст. 13.4.
Структура цифровых радиоприемных
устройств зависит от способа цифровой обра-
ботки. При аппаратурной реализации цифро-
вой обработки последовательность обработки
сигналов в цифровом процессоре определяется
электрическими соединениями между отдель-
ными ЦИС, как правило, средней степени ин-
теграции. Каждый узел предназначен для вы-
полнения конкретной операции; поэтому здесь
можно найти узлы, которые функционально
соответствуют узлам аналогового приемника.
Такая реализация дает возможность достиг-
нуть наибольшего быстродействия при наи-
меньших потребляемой мощности и массе уст-
ройства. Ее недостатком является невозмож-
ность изменения алгоритма обработки сигна-
лов в приемнике без существенной переработ-
ки схемы.
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
425
17.26. РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ЦИФРОВОЕ
Структурная схема Р. у. ц. с аппаратурной
реализацией показана на Рис. 17.61, где АГТП
— аналоговый главный тракт приема (ГТП),
ЦГТП — цифровой ГТП, РУ — регистрирую-
щее устройство, УУВР — устройство управле-
ния видом работ, УУУ — устройство управле-
ния усилением, УУЧ — устройство управле-
ния частотой настройки, Уь У2, Уз — управле-
ние (ручное или автоматическое), УЧМ — уси-
литель частоты модуляции, ОУ — оконечное
устройство. Предварительное усиление, необ-
ходимое для нормальной работы АЦП и
уменьшения влияния шумов квантования, осу-
ществляется в АГТП. Основная избиратель-
ность, усиление, помехоустойчивость, демоду-
ляция, а также формирование управляющих
сигналов для цифровых систем АПЧ и АРУ ре-
ализуются в ЦГТП. Сигналы цифрового выхо-
да ^вых.ц подаются на РУ или заносятся в па-
мять ЭВМ. Для получения сигналов аналого-
вого выхода используют ЦАП и УЧМ, которые
восстанавливают сообщение по его дискрет-
ным отсчетам. Цифровое программное управ-
ление частотой настройки УУЧ и усилением
УУУ может осуществляться как в ручном, так
и в автоматическом режимах по адаптивной
или жесткой программе; при этом точно вы-
держивается оптимальный уровень сигнала на
входе АЦП. Цифровое программное управле-
ние видом работы УУВР изменяет вид демоду-
ляции и декодирования, а также характер опти-
мальной (квазиоптимальной) обработки в за-
висимости от вида принимаемого сигнала.
При программной реализации цифровой
обработки в качестве цифрового процессора
применяют ЭВМ, которая в зависимости от
объема вычислений и назначения приемника
может быть общего назначения или специали-
зированной, разработанной для решения кон-
кретной задачи. Преимуществом такой реали-
зации является простота изменения алгоритма
обработки, а также легкость комплектования,
потому что используют готовую ЭВМ или ми-
кропроцессорные комплекты.
Структурная схема Р. у. ц. с программной
реализацией изображена на Рис. 17.62, где УУ
— устройство управления, АГТП — аналого-
вый ГТП, ЦП — цифровой процессор, УО —
устройство отображения, УКн — устройство
контроля, Кь К2 — контроллеры, ОЗУ — опе-
ративное запоминающее устройство, ПЗУ —
постоянное запоминающее устройство. Нали-
чие единой цифровой магистрали обмена М
дает возможность значительно уменьшить чис-
ло соединений между блоками, придает им ре-
гулярный характер и унифицирует их. Магист-
ральная организация приемника дает возмож-
ность легко наращивать аппаратуру при ее мо-
дернизации, проводить диагностику и замену
блоков, хотя высокочастотные соединения ино-
гда приходится выполнять в обход магистрали.
Программная реализация цифровой обра-
ботки на универсальной ЭВМ часто требует
больших затрат машинного времени, что ус-
ложняет работу в реальном масштабе времени.
Это объясняется относительно малым быстро-
действием ЭВМ общего назначения при вы-
полнении специфических алгоритмов (быстро-
го преобразования Фурье, фильтрации и т.п.).
Поэтому для сложных алгоритмов обработки
сигналов с высокими требованиями к быстро-
действию применяют смешанную реализацию
цифрового процессора, при которой операции,
требующие больших затрат машинного време-
ни, выполняют с помощью или аппаратурно
реализованных цифровых узлов, или отдель-
ных ЭВМ, специально запрограммированных
для решения таких задач.
426
РАДИОТЕХНИКА
17.27. СТРУКТУРА РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА
Цифровой компаратор — см. ст. 25.14.
Цифровой синтезатор частот — см. ст.
16.1.
Цифровой фильтр — см. ст. 25.30.
17.27. СТРУКТУРА РАДИОПРИЕМНО-
ГО УСТРОЙСТВА определяет основные
функциональные узлы приемника и взаимо-
связи между ними. Обобщенная структурная
схема РПрУ показана на Рис. 17.63, где ЛТП
Рис. 17.63
— линейный тракт приема, ИТ — информаци-
онный тракт, БАУ — блок автоматики и управ-
ления, БГ — блок гетеродинов, ВИП — вто-
ричный источник питания, ОУ — оконечное
устройство. В ЛТП производится д©детектор-
ная обработка принятого колебания с целью
выделения сигнала из его смеси с помехой, а
также усиление (чаще с преобразованием час-
тоты) принятого сигнала до уровня, необходи-
мого для качественной работы ИТ. Последний
выполняет оптимальную (квазиоптимальную)
обработку, детектирование, последетекторную
обработку (фильтрацию НЧ, регенерацию кода
и пр.) и усиление сигнала до уровня, необходи-
мого для нормальной работы ОУ и системы
отображения информации. БГ содержит один
или несколько гетеродинов или СнЧ, которые
обеспечивают работу преобразователей. БАУ
осуществляет автоматическое регулирование
(АПЧ, АРУ, регулирование ПП и пр.), а также
реализует в автоматическом режиме заданный
алгоритм работы РПрУ (включение, выключе-
ние, поиск сигнала, адаптацию к смене сиг-
нально-помеховой обстановки и пр.).
Можно показать, что для построения всех
аналоговых функциональных узлов приемника
при определенном частотном ограничении до-
статочно использовать два звена: усилитель с
инверсным выходом и перемножитель. Для
придания этим звеньям дополнительных
свойств к ним соответственно присоединяют
линейные двухполюсники — активные и реак-
тивные сопротивления. В цифровой технике
минимальную функционально полную систе-
му составляют логические схемы, которые вы-
полняют операции конъюнкции (И), дизъюнк-
ции (ИЛИ), инверсии (НЕ).
Структурные схемы приемников различа-
ются построением ЛТП, в котором может
осуществляться прямое усиление входных
сигналов или усиление с преобразованием
частоты. Классификационная схема структур
линейного тракта приемника изображена на
Рис. 17.64.
Приемник гетеродинный — РПрУ, пред-
назначенное для приема радиотелеграфных
сигналов методом биений. Последние возника-
ют вследствие сложения принимаемых колеба-
ний с частотой/, и близких к ним по частоте
колебаний гетеродина /г. После детектирова-
ния биений выделяется тон звуковой частоты
F =fc -fr, который и воспроизводит передан-
Рис. 17.64
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
427
17.27. СТРУКТУРА РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА
лтп, fc
Рис. 17.65
ные телеграфные сигналы. Автодинный при-
емник — частный случай гетеродинного при-
емника, в котором гетеродин совмещен с реге-
неративным УСЧ (см. далее).
Приемник детекторный — простейшее
РПрУ, имеющее минимальное число функцио-
нальных узлов, принципиально необходимых
для приема сигналов: антенну, детектор и око-
нечное устройство. Поскольку в этом прием-
нике отсутствуют усилительные и избиратель-
ные элементы, помехоустойчивость и качество
приема крайне низки. Такие приемники огра-
ниченно используются в СВЧ и оптическом
диапазонах.
Приемник прямого усиления — РПрУ,
додетекторное усиление в котором осуществ-
ляется на частоте принимаемого сигнала fc.
Структурная схема П. п. у. показана на Рис.
17.65, где ВУ — входное устройство, Д — де-
тектор. ЛТП состоит из перестраиваемых
входного устройства и TV-каскадного избира-
тельного УСЧ, которые обеспечивают помехо-
устойчивость (С/П)2 > (C/n)t и усиление, не-
обходимое для превышения порогового уровня
на входе детектора UBX д > Ua доп, что является
необходимым условием его эффективной рабо-
ты. Из-за сложности конструктивной реализа-
ции N< 3—4. Детектор выделяет сообщение из
сигнала; усилитель частоты модуляции УЧМ
усиливает его до уровня, необходимого для
нормальной работы оконечного устройства ОУ,
а также осуществляет последетекторную
фильтрацию шумов и помех, лежащих за пре-
делами ПП: (С/П)3 > (С/П)2.
Преимуществами П. п. у. является простота
и относительно низкий уровень шумов. Однако
он имеет принципиально неустранимые недо-
статки: на частоте сигнала трудно обеспечить
устойчивое усиление, поскольку с повышением
частоты ухудшаются усилительные свойства
АЭ и возрастает их нестабильность. Для полу-
чения АЧХ, близкой к идеальному прямоуголь-
нику, нужны сложные избирательные системы,
которые не реализуются в перестраиваемых
усилителях; характеристики избирательных си-
стем изменяются йб время перестройки прием-
ника; на СВЧ диапазоне трудно согласовать ПП
приемника с шириной спектра полезного сигна-
ла. Исходя из этого П. п. у. имеют ограниченное
применение при невысоких требованиях к чув-
ствительности и избирательности.
Приемник регенеративный — РПрУ пря-
мого усиления, в УСЧ которого введен регене-
ративный каскад на транзисторе, лампе или
другом АЭ с крутизной характеристики S. На-
званный каскад является усилителем с поло-
жительной ОС, не доведенной до порога само-
возбуждения (Рис. 17.66, а, где генератор Ucn
закорочен). Благодаря положительной ОС в
контур УСЧ вносится отрицательное сопро-
тивление, частично компенсирующее его поте-
ри, вследствие чего эквивалентная доброт-
ность контура увеличивается, а чувствитель-
ность и избирательность приемника улучша-
ются. Однако реальный выигрыш ограничива-
ется сужением ПП и значительной неустойчи-
востью при сильной регенерации, что обуслав-
428
РАДИОТЕХНИКА
17.27. СТРУКТУРА РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА
ливает существенные искажения во время при-
ема модулированных сигналов. Вследствие
этого приходится ограничиваться небольшим
увеличением добротности контура (в 5... 10
раз). П. р. широко применялись до 40-х годов.
Приемник сверхрегенеративный —
РПрУ прямого усиления, в УСЧ которого вве-
ден сверхрегенеративный каскад. Последний
является регенератором, доведенным до режи-
ма мягкого самовозбуждения, в нем периоди-
чески происходит срыв колебаний с помощью
внешнего генератора (суперизатора £7СП), изоб-
раженного на Рис. 17.66, а штриховой линией.
Частоту колебаний суперизатора выбирают,
исходя из неравенства FMOfl < Fcn <fc. При со-
ответствующем выборе параметров в контуре
возникает серия вспышек колебаний, причем
уровень, до которого они успевают нарасти,
определяется амплитудой входного сигнала.
Если последняя изменяется по закону модуля-
ции, то по этому же закону будет изменяться
огибающая вспышек колебаний на выходе
(Рис. 17.66, б), далее выделяемая детектором.
Сравнительно с регенеративными приемника-
ми П. с. имеет более высокую чувствитель-
ность, более широкую ПП и лучшую устойчи-
вость, но он проигрывает супергетеродинному
приемнику по всем основным показателям.
Преимуществом П. с. является значительное
усиление сверхрегенеративного каскада (до
104... 106). Область применения П. с. — порта-
тивные приемники с автономным питанием, в
которых допускается большой уровень иска-
жений (например, маяки-ответчики, метеозон-
ды и пр.).
Приемник супергетеродинный (СГП с
однократным преобразованием частоты) —
РПрУ, в котором осуществляется линейный пе-
ренос спектра принятого сигнала в область,
удобную для обработки (обычно /Пч при
этом додетекторное усиление реализуется как
на сигнальной, так и на промежуточной часто-
те. Структурная схема приемника изображена
на Рис. 17.67, где ВУ — входное устройство,
См — смеситель, Г — гетеродин, Д — детек-
тор, ОУ — оконечное устройство. Линейный
тракт приема (ЛТП) содержит относительно
широкополосный перестраиваемый преселек-
тор ПрС, работающий на частоте сигнала/., и
тракт ПЧ, который работает на фиксированной
частоте /щ с ПП, соответствующей полосе
спектра сигнала.
Преселектор ПрС, в состав которого входят
ВУ (см. ст. 17.5) и УСЧ (см. ст. 17.30), обеспе-
чивает: реальную чувствительность (предва-
рительное усиление, необходимое для выделе-
ния сигнала из шума), избирательность по зер-
кальному и прямому каналам приема (ЗКП и
ПрКП), а также избирательность приемника до
первого НЭ (ее реализует ВУ). При этом для
того, чтобы избежать нелинейных искажений
огибающей, напряжение сигнала на входе сме-
сителя не должно превышать порогового уров-
ня: С7вх см < t/вх.смдоп- УСЧ может быть исклю-
чен, если перечисленные требования обеспе-
чиваются ВУ.
Преобразователь частоты ПрЧ (см. ст.
17.15), в состав которого входят смеситель и
гетеродин, осуществляет «верхнее» («ниж-
нее») преобразование частоты /Пч = /г - /с
(/пч = fс - fr), как показано на Рис. 17.68, а.
При этом ПрЧ, построенный на НЭ, изменяет
только частоту сигнала, не искажая закона мо-
дуляции, т.е. воздействует на принимаемый
сигнал как линейная параметрическая цепь.
Спектральное представление преобразования
частоты дает Рис. 17.68, б. УПЧ осуществляет
основное усиление сигнала до уровня, необ-
ходимого для эффективной работы детектора
(^вх.д > ^д.поР)> и обеспечивает основную из-
бирательность по соседнему каналу приема
(СКП), которая определяет помехоустойчи-
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
429
17.27. СТРУКТУРА РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА
вость линейного тракта приема: (С/П)3 >
(С/П)2. Детектор выделяет сообщение из сиг-
нала, УЧМ усиливает его до уровня, необхо-
димого для нормальной работы ОУ, а с помо-
щью ФНЧ осуществляется помехоустойчивая
последетекторная обработка (С/П)4 > (С/П)3.
СГП имеет следующие основные преиму-
щества по сравнению с приемником прямого
усиления: значительно упрощается система
настройки приемника; на более низкой, чем ча-
стота сигнала, промежуточной частоте проще
обеспечить стабильное усиление и избиратель-
ность; усиление ЛТП реализуется на двух час-
тотах (Клтпо = ^сч(Лпчо), что делает систему
устойчивее к самовозбуждению; основная из-
бирательность ЛТП осуществляется в УПЧ на
фиксированной частоте, что позволяет ввести
сложные многоконтурные избирательные сис-
темы на АС-контурах или ФСС акустоэлек-
тронного типа, которые нельзя реализовать
при перестраиваемом усилителе. К недостат-
кам СГП относятся: усложнение схемы; допол-
нительные нелинейные эффекты; нелинейные
искажения в смесителе и появление побочных
каналов приема (ПбКП), включая ЗКП и
ПрКП; ухудшение ЭМС вследствие излучения
гетеродина; добавочные шумы ПрЧ. Эти недо-
статки могут быть существенным образом
уменьшены с помощью средств, рассмотрен-
ных в ст. 17.15, 17.30. Сопоставление преиму-
ществ и недостатков позволяет сделать выбор
в пользу СГП, структура которого и является
структурой современного приемника.
Приемник супергетеродинный с дву-
кратным преобразованием частоты — су-
пергетеродинный приемник (СГП), который
используют при повышенных требованиях к
одновременному ослаблению соседнего и зер-
кального каналов приема, а также в некоторых
других случаях. Для этого в структуру СГП (см.
Рис. 17.67) после УПЧ (точка 3) вводят вторую
ступень преобразования частоты, которая со-
держит смеситель См2, гетеродин Г2 и усили-
тель промежуточной частоты УПЧ2, настроен-
ный на частоту = /г2 -/пчь При этом
Упч1 >Упч '•> (1)
Упч2 <Упч> (2)
где /пч — значение ПЧ при однократном пре-
образовании частоты.
ПосколькуУзкп ~fc = 2fm\ (см. ст. 17.15), не-
равенство (1) позволяет получить значительный
выигрыш в ослаблении зеркального канала при-
ема. В то же время неравенство (2) обеспечивает
хорошее подавление соседнего канала приема
(см. ст. 17.29) благодаря большей относительной
расстройке. Так, для одиночного резонансного
контура с эквивалентной добротностью Q3
аСКП - ф + (2д/скп£?э //пЧ2)2 •
Недостатком рассматриваемого СГП является
появление второго зеркального канала приема
/зкп2 =/пч1 + 2/пч2, который фильтруется трак-
том первой ПЧ.
Кроме того, двукратное преобразование
частоты применяют при необходимости значи-
тельного (в сотни и больше раз) снижения час-
тоты сигнала, компенсации отклонений часто-
ты первого гетеродина, тонального приема те-
леграфных сигналов, организации точной на-
стройки приемника по нулевым биениям, раз-
деления каналов в многоканальных приемни-
ках с частотным уплотнением, а также в пано-
рамных приемниках и анализаторах спектра
(см. ст. 17.23). В профессиональной аппарату-
ре используют СГП с многоразовым преобра-
зованием частоты. Так, трехкратное преобра-
зование частоты позволяет подавить второй
зеркальный канал приема.
430
РАДИОТЕХНИКА
17.27. СТРУКТУРА РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА
Приемник супергетеродинный с двукрат-
ным преобразованием частоты инфрадинно-
го типа (инфрадин) — частный случай супер-
гетеродинного приемника с двукратным преоб-
разованием частоты, у которого /пч1 >:> Устах-
Поскольку при этом частоты зеркального и пря-
мого каналов приема лежат существенно выше
полосы принимаемых частот, они могут быть
относительно легко подавлены неперестраивае-
мым широкополосным ФНЧ, который устанав-
ливают в преселекторе. Часто его дополняют
ФВЧ, позволяющим отсечь также мощную НЧ
помеху (Рис. 17.69, где Смь См2 — смесители,
Д — детектор, Гь Г2 — гетеродины, ПрС —
преселектор).
Благодаря тому что преселектор не перест-
раивается, в нем можно использовать фильтры
высокого порядка, чем достигается избира-
тельность по зеркальному и прямому каналам
приема более высокая, чем избирательность
обычного узкополосного приемника. Также
значительно выше рабочего диапазона лежат
частоты побочных каналов приема, частоты из-
лучения гетеродина и его гармоник, что облег-
чает их подавление. Наконец, неперестраивае-
мый преселектор позволяет организовать бес-
поисковый прием сигналов, при котором пере-
страивается только гетеродин. Перестройка по-
следнего облегчается тем, что при высокой
первой ПЧ снижается перекрытие гетеродина
./г max fr min ~ (/стах + УпЧ1)/(Лтт +УпЧ1)- ВЫСО-
кое значение /Пч1 однозначно ведет к двукрат-
ному преобразованию частоты (/пч2 <<: /пчО с
тем, чтобы обеспечить необходимое подавле-
ние соседнего канала приема.
Отметим, что принцип инфрадинного при-
ема не является новым, но его осуществление
ранее затруднялось высокими требованиями к
стабильности частоты гетеродина. Последние
могут быть удовлетворены с помощью СнЧ,
которые сейчас широко применяются (см. ст.
16.1). Кроме того, высокая ПЧ требует относи-
тельно узкую полосу пропускания УПЧ, кото-
рую реализуют, используя пьезокерамические
фильтры и фильтры на ПАВ. Недостатком ин-
фрадина является то, что он как приемник с
широкополосным неперестраиваемым пресе-
лектором, в отличие от обычного приемника с
узкополосным перестраиваемым преселекто-
ром, не защищен от интерференционных кана-
лов приема, возникающих без участия гетеро-
дина вследствие взаимодействия нескольких
сильных входных сигналов и помех. Для за-
щиты от них должна быть значительно повы-
шена линейность УСЧ (см. ст. 17.30) и ПрЧ
(см. ст. 17.15). Инфрадинные приемники при-
меняются в профессиональной связи, а в по-
следние годы — ив радиовещании.
Приемник супергетеродинный с пря-
мым преобразованием частоты — частный
случай супергетеродинного приемника (СГП),
у которого частота гетеродина (реже — его гар-
моника) равна частоте сигнала, вследствие че-
го /пч =fv~fc = 0, и ФПЧ соответственно заме-
нен на ФНЧ. СГП с прямым преобразованием,
у которого колебания гетеродина синфазны с
колебаниями сигнала, называют синхродином.
Его структурная схема показана на Рис. 17.70,
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
431
17.27. СТРУКТУРА РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА
где ПрС — преселектор, СД — синхронный
детектор, Г — гетеродин, УПУ — узкополос-
ный усилитель, ФС — фазосдвигатель (фазо-
регулятор), УЭ — управляющий элемент, ССх
— схема синхронизации. Основным узлом
приемника является СД (часто преобразова-
тельного типа), рассмотренный в ст. 17.7.
Синхродин имеет следующие преимущества:
малые нелинейные искажения благодаря де-
тектированию в режиме сильных сигналов,
который обеспечивается за счет большой амп-
литуды гетеродина t/rw; высокую избиратель-
ность, достигаемую с помощью неперестраи-
ваемого ФНЧ высокого порядка; дополнитель-
ную избирательность благодаря подавлению
помехи сильным сигналом (гетеродином); фа-
зовую избирательность, обусловленную тем,
что выходное напряжение пропорционально
cos((pc - (рг). Указанные преимущества могут
быть реализованы при условии синхрониза-
ции колебаний гетеродина и сигнала с точнос-
тью до фазы, что осуществляет схема синхро-
низации ССх (одна из возможных таких сис-
тем в виде кольца ФАПЧ (см. ст. 17.2) изобра-
жена на Рис. 17.70). При нарушении синхро-
низации приемник теряет усиление, пропор-
циональное cos(<pc - <рг), фазовую избиратель-
ность и, кроме того, возникают помехи в фор-
ме биений с частотой /г - /с. Синхродин ис-
пользуют в профессиональной связи, СГП с
прямым преобразованием (без ССх) — в ра-
диолюбительской практике.
17.28. ТИПОВОЙ ТРАКТ ОБНАРУЖЕ-
НИЯ СИГНАЛОВ (ТТО) — тракт обнаруже-
ния с эвристической структурой «фильтр —
детектор — фильтр», который при правильном
выборе параметров схемы может обеспечить
помехоустойчивость, близкую к оптимальной,
и достаточно прост в аппаратурной реализа-
ции. Помехоустойчивость ТТО рассматривает-
ся на основе [8].
Обнаружение радиоимпульса на фоне
Шумовой помехи — типовая задача активной
радио- и гидролокации. Обнаружение произво-
дят с помощью ТТО, синтез структурной схе-
мы которого (Рис. 17.71 ), характеристики и
критерии обнаружения (8) — (11) рассматрива-
ются далее. При расчете помехоустойчивости
ТТО в качестве преселектора ПрС примем иде-
альный ПФ (ИПФ) с единичным коэффициен-
том передачи, в качестве детектора — квадра-
тичный детектор КвД, в качестве последетек-
торного фильтра — идеальный ФНЧ (ИФНЧ).
Пусть на вход ТТО воздействует аддитивная
смесь сигнального радиоимпульса с прямо-
угольной огибающей продолжительностью Т и
НсЧ соо> равной средней частоте ИПФ,
Uct(t)=A(t)cos<at)t,
(А приО<Г<7,
[0 при другом значении t
и флуктуационная помеха — случайный стаци-
онарный гауссовский процесс с нулевым сред-
ним и постоянной спектральной плотностью
мощности Спо в полосе ИПФ, равной \f. При
условии Т» Туст= 0.86/Д/ что предусматрива-
ют при доплеровских сдвигах и нестабильнос-
ти частоты передатчика и гетеродина, ПрС не
искажает форму сигнала, так что суммарное
напряжение сигнала и помехи в точке 2 ТТО
(см. Рис. 17.71)
мЕ2(0 = AOcosoV + Wn2(0-
Отношение С/П на выходе ПрС оценивают
отношением мощностей сигнала и помехи
(С/П)2 = Л2/(2О2п2), (1)
где дисперсия помехи о2п2 = СпоДА После бе-
зынерционного КвД МЕз(0 = W2Е2(0-
Тракт первичной обработки СВР
Апостериорная Априорная
информация информация (F)
Рис. 17.71
432
РАДИОТЕХНИКА
17.28. ТИПОВОЙ ТРАКТ ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛОВ
Характер смеси мЕЗ(/) пРи малом уровне
входного сигнала отображает Рис. 17.72, а,
откуда следует, что на интервале времени Т
среднее значение продетектированного на-
пряжения возрастает от Uy^(t) = о2П2 при от-
сутствии сигнала до «ез(0 = <з2П2 + 0.5Л2 при
его появлении. По воздействию на вход ФНЧ
это эквивалентно воздействию видеоимпуль-
са прямоугольной формы с уровнем 0.5Л2 и
длительностью Т. На Рис. 17.72, б показаны
напряжения сигнала С4 = uc4(t) и смеси w^4(0
на выходе идеального ФНЧ, который умень-
шает уровень флуктуаций благодаря подавле-
нию ВЧ составляющих помехи, лежащих вне
ПП фильтра. Напряжение сигнала экспонен-
циально возрастает, что характерно для иде-
ального ФНЧ, на входе которого действует ви-
деоимпульс прямоугольной формы; медлен-
ные флуктуации MjxCO обусловлены наложе-
нием неотфильтрованных НЧ составляющих
помехи.
В качестве выходного сигнала тракта пер-
вичной обработки, поступающего на порого-
вое устройство ПУ, принимают максимальное
значение приращения среднего уровня С4тах ,
обусловленное появлением входного сигнала,
откуда в соответствии с (11) можно показать
(С/П)4 =(Л/я)(С/П) jAf/AFSKnAAT), (2)
где (С/П)2 — см. (1).
Из выражения (2) следует, что повышение
помехоустойчивости ТТО может быть достиг-
нуто увеличением отношения (С/П)2 за счет
качества фильтрации в преселекторе, для чего
используют квазиоптимальные фильтры (см.
ст. 21.2). Из двух приемников с одинаковым от-
ношением (С/П)2 лучшую помехоустойчи-
вость имеет тот, у которого больше ПП А/ Вы-
игрыш в помехоустойчивости может быть так-
же достигнут введением последетекторной
фильтрации благодаря сужению ПП AF иде-
ального ФНЧ, что ограничивается условием
AF> 1/(27). При дальнейшем сужении полосы
сигнальный импульс уже не успевает нарасти:
туст = 0.43/AF > Т.
Помехоустойчивость ТТО в вероятностных
терминах однозначно определяется энергети-
ческим отношением (С/П)4 и может быть рас-
считана по формуле (15). Расчеты помехоус-
тойчивости ТТО для различных типов ПрС,
детектора и последетекторного фильтра рас-
смотрены в [8].
Обнаружение шумового сигнала на фо-
не шумовой помехи — типовая задача пас-
сивной радио- и гидролокации, тепловой лока-
ции, радиоастрономии и пр. (см. ст. 18.8). Об-
наружение производят с помощью ТТО (см.
Рис. 17.71) согласно критериям (8) — (11).
При расчете помехоустойчивости ТТО в каче-
стве преселектора ПрС принимаем идеальный
ПФ (ИПФ) с единичным коэффициентом пере-
дачи, в качестве детектора — квадратичный
детектор КвД, в качестве последекторного
фильтра — идеальный ФНЧ (ИФНЧ). Пусть
на вход ТТО воздействует аддитивная смесь
сигнала и помехи — шумовых стационарных
гауссовских некоррелированных процессов с
нулевым средним и постоянной спектральной
плотностью мощности помехи (7п0 в полосе
ИПФ А/ Напряжение смеси в точке 2 ТТО
мЕ2(0 = «сг(0 + «п2(0 показано на Рис. 17.73, а.
Отношение (С/П)2 на выходе ПрС оценивают
отношением мощностей сигнала и помехи
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
433
17.28. ТИПОВОЙ ТРАКТ ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛОВ
где дисперсии помехи и сигнала о„2 = Gn0A/,
ас2 = pci(/)#, Gci(/) — спектральная
V
плотность мощности сигнала на входе тракта.
При условии, что сигнал также имеет по-
стоянную спектральную плотность мощности
в полосе ИПФ, Сс2 = ^соДА откуда
(С/П)2 - (7со, / (7по.
(4)
После безынерционного КвД мЕз(0 =
= wE2(0-
Характер смеси мЕЗ и помехи мпз при ма-
лом уровне входного сигнала отображает Рис.
17.73, б, откуда следует, что постоянная со-
ставляющая продетектированного напряжения
мЕЗ на интервале времени Т (Т — заданное вре-
мя обнаружения, продолжительность реализа-
ции) возрастает от о„2 ПРИ отсутствии сигнала
до Оп2 + Ос2 при его появлении. По определе-
нию (8) в качестве сигнала в точке 3 структур-
ной схемы примем С3 = мЕЗ(Г) - мпз(0 ~ <^с2- На
Рис. 17.73, в изображена реализация u^t) на
выходе ИФНЧ, который уменьшает флуктуа-
ции выходного напряжения за счет подавления
ВЧ составляющих смеси, расположенных вне
ПП фильтра.
В соответствии с (11) на выходе тракта пер-
вичной обработки (входе порогового устройст-
ва ПУ) после ряда преобразований можно по-
лучить
(С (1/^ХС/П), ,
7д^/ДС-0.5(ДГ/ДС)2
(5)
где (С/П)2 —см. (3),(4).
Для неравенства AF « kf, которое, как
правило, выдерживается, выражение (5) упро-
щается
(С/П)4 =(1/л/2)(С/П)2 /^/ДР/ДС (6)
Из (6) следует, что когда отношение (С/П)2
не зависит от ПП преселектора, помехоустой-
чивость ТТО может быть повышена увеличе-
нием ДГ, а также уменьшением AF. Это усло-
вие выполняется при постоянстве отношения
спектральной плотности мощности сигнала и
помехи или в случае достаточно узкополосно-
го ПрС. Указанное условие и определяет воз-
можности увеличения &f. Сужение ПП ИФНЧ
AF ограничивается минимально допустимым
значением 7, которое задают, исходя из такти-
ческих соображений. Для получения достаточ-
ного уровня сигнала на выходе фильтра необ-
ходимо, чтобы время его установления туст < Т.
Поскольку для ИФНЧ туст = 0.43/AF, получаем
AF > 0.43/7
Помехоустойчивость в вероятностных тер-
минах однозначно определяется энергетичес-
кими отношениями (5), (6) и может быть рас-
считана по формуле (15). Расчеты помехоус-
тойчивости ТТО для различных типов ПрС,
детектора и последетекторного фильтра рас-
смотрены в [8].
Структура типового тракта обнаруже-
ния является эвристической структурой, син-
тезированной для решения задачи бинарного
обнаружения. Пусть на вход ТТО воздействует
аддитивная смесь некоррелированных между
собой сигнала и помехи
«Е|(0 = «с1(0 + «п|(0, G)
где помеха — случайный стационарный гаус-
совский процесс с нулевым средним, а сигнал
— или детерминированный, или также случай-
ный процесс указанного типа.
В общем случае в качестве различительно-
го признака должна быть принята такая харак-
теристика, у которой смесь wE1(0 более всего
отличается от помехи иП1(0- Такими характери-
стиками могут быть распределение мгновен-
ных значений процесса до или после детекто-
ра, распределение огибающей или частные ха-
434
РАДИОТЕХНИКА
17.28. ТИПОВОЙ ТРАКТ ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛОВ
рактеристики этих распределений: среднее
значение, дисперсия, высшие моменты, спект-
ральный состав, корреляционная функция и
т.п. При выборе нужно учитывать сложность
реализации выбранной характеристики, кото-
рая определяет надежность обнаружения. Ис-
ходя из этого часто принимают простейшую
характеристику — приращение среднего зна-
чения продетектированной смеси, возникаю-
щее при появлении входного сигнала (переход
к продетектированному процессу обусловлен
тем, что среднее значение ВЧ процесса, как
правило, равно нулю). Структура, необходимая
для выделения такого признака, показана на
Рис. 17.71, где АС — антенная система, ПрС —
преселектор, КвД — квадратичный детектор,
СВР — система выработки решения, ПУ — по-
роговое устройство, УФП — устройство фор-
мирования порога, Нб — наблюдатель.
АС осуществляет преобразование первич-
ного поля сигнала (электромагнитного, гидро-
акустического, оптического, теплового) в энер-
гию электрических колебаний а также
обеспечивает пространственную избиратель-
ность. Значительное увеличение отношения
(С/П)2 »(C/n)i может быть достигнуто за счет
частотной избирательности преселектора с ПП
А/ АЧХ которого определяется спектральными
свойствами сигнала и помехи. Исходя из изло-
женного ранее в качестве сигнала на выходе де-
тектора принимают приращение постоянной
составляющей выпрямленного напряжения,
обусловленное появлением входного сигнала
С3 =AM[u3(O]=i^ (8)
Помехой является то, что мешает выделить
сигнал: флуктуация напряжения uZ3(t) относи-
тельно своего среднего значения, количествен-
ная мера которой — среднеквадратическое от-
клонение от среднего
П3 =o’[w£3 (/)] = о,£3. (9)
Откуда
(С/П)3=[^)-^Д?)]/охз. , (10)
Поскольку ТТО, как правило, работает со
слабыми сигналами, как расчетную модель де-
тектора принимают безынерционный квадра-
тичный детектор. Использование ФНЧ позво-
ляет выделить приращение постоянной со-
ставляющей (8), а благодаря подавлению ВЧ
флуктуаций с помощью узкополосного фильт-
ра (AF « А/) выиграть в отношении
(С/П)4 =[^д7) -^Д7)]/ОЕ4 >(С/П)3. (II)
Последетекторная фильтрация значитель-
но проще додетекторной. В качестве ФНЧ
применяют коммутируемую или некоммути-
руемую 7?С-цепь. Первая (см. Рис. 17.14) при
т = RC » Т по своим характеристикам при-
ближается к идеальному алгоритму выделения
постоянной составляющей — интегратору:
т
u4(t=T)=Ju3(t)dt,
о
где Т= 1/AF— интервал коммутации, необхо-
димый для сброса накопленного потенциала в
конце периода наблюдения.
Некоммутируемая 7?С-цепь уступает ком-
мутируемой по помехоустойчивости, но проще
в реализации. Решение о наличии сигнала при-
нимают с помощью СВР, где под наблюдателем
понимают как собственно наблюдателя, так и
устройство, которое работает в бинарной аль-
тернативе («да» или «нет») по признаку превы-
шения порога С/пор. Последний формируют на
основе априорной и апостериорной информа-
ции, исходя из заданной вероятности ложных
тревог F.
Характеристики типового тракта обна-
ружения предназначены для оценки его поме-
хоустойчивости в энергетических и вероятно-
стных терминах. При первом подходе помехо-
устойчивость ТТО определяют отношением
(С/П)4 на выходе тракта первичной обработки
при заданных характеристиках сигнала и поме-
хи на его входе. Более общим является второй
подход, при котором определяют вероятность
правильного обнаружения (ВПО) D при задан-
ной функции потерь — вероятности ложных
тревог (ВЛТ) F = const. При этом прежде всего
нужно установить закон распределения выход-
ного продукта. Для обеспечения неравенства
(11) задают условие
AF«A/, (12)
откуда
Т»тк, (13)
поскольку интервал корреляции тк ~ 1/А£ а пе-
риод наблюдения (усреднения) Т = \/&F.
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
435
17.28. ТИПОВОЙ ТРАКТ ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛОВ
Неравенства (12), (13) устанавливают, что
случайный процесс на выходе узкополосного,
а следовательно, инерционного ФНЧ формиру-
ется как результат суммирования большого
числа независимых входных случайных воз-
действий. Поэтому на основании центральной
предельной теоремы распределения помехи и
ее смеси с сигналом в точке 4 схемы ТТО (Рис.
17.71) можно считать гауссовскими:
ИЧ«п4) ={1/[а/2^п4(П]}х
хехр{-[ип4 -!^(Г)]2/[2<^4(Г)]};
ГЫ ={1/[>/2^аЕ4(Т)]}х
хехр{- [М£4 -^(Т)]2 /[2<^ (Г)]}.
Отсюда ВПО и ВЛТ
£)= |и'(«х4)йГ«Е4 =
Ц|»р (14)
=1—Ф{[£7пор —й^(Т)]/аЕ4(7’)};
F= fw(Un4)dun4 =
Цюр (15)
=1-Ф{[1/порЧ»4(Л},
где функция Лапласа
Ф(г)=(1/2л) je-*2/2dx.
Подставив в (14) значение С/пор, найденное
из (15) по критерию Неймана—Пирсона при
заданной ВЛТ F, и приняв очевидное для сла-
Рис. 17.74
бых сигналов допущение = оп4, получим
рабочее выражение ВПО
D = Ф[(С/П)4 - а^Ф(1 - F)]. (16)
Таким образом, с учетом условия (12) мож-
но сделать вывод о том, что вероятностные ха-
рактеристики ТТО однозначно определяются
отношением (С/П)4 на выходе тракта первич-
ной обработки. Распределения помехи JF(un4)
и ее смеси с сигналом W(u^a) изображены на
Рис. 17.74; там же показаны вероятности F и
D, которые равны заштрихованным площадям.
Зависимость ВПО от отношения (С/П)вх при
заданном значении ВЛТ называют характерис-
тикой обнаружения. В отдельных случаях ее
строят в виде зависимости D = ф(7?), где R —
дистанция до цели, однозначно связанная с от-
ношением (С/П)вх.
17.29. УСИЛИТЕЛЬ ПРОМЕЖУТОЧ-
НОЙ ЧАСТОТЫ СУПЕРГЕТЕРОДИННО-
ГО ПРИЕМНИКА — электронный усилитель
сигналов ПЧ, поступающих от ПрЧ. Это — из-
бирательный усилитель, работающий на фик-
сированной ПЧ /пч <fc, что позволяет решить
две основные задачи линейного тракта приема
(ЛТП): обеспечить додетекторное усиление и
избирательность по соседнему каналу приема,
т.е. подавить наиболее близко расположенную
и потому наиболее опасную помеху. УПЧ клас-
сифицируют по таким признакам: ширине ПП
— узкополосные (П//пч < 0 05) и широкопо-
лосные; виду АХ — линейные и функциональ-
ные (чаще — логарифмические); типу исполь-
зуемого АЭ — транзисторные дискретного ис-
полнения (на БТ, ПТ) и интегрального испол-
нения (на ИС); виду фильтров — с АС-контура-
ми, с 7?С-цепями, акустоэлектронные и цифро-
вые; характеру распределения избирательнос-
ти и усиления в тракте — структуры с распре-
деленной избирательностью и структуры с
ФСС.
Требования к УПЧ: номинальное значение
ПЧ должно соответствовать средней частоте
ПП усилителя; усиление сигнала, поступающе-
го от ПрЧ, должно обеспечивать эффективную
работу детектора /СПчо Цыюр /Свх.УПч, где
Цьпор — пороговое напряжение на входе детек-
тора, задающее линейный режим детектирова-
ния (УПЧ должен осуществлять основное уси-
ление приемника, которое в зависимости от его
назначения составляет 102... 107); УПЧ должен
работать устойчиво, т.е. при воздействии дес-
табилизирующих факторов сохранять свои ос-
436
РАДИОТЕХНИКА
17.29. УСИЛИТЕЛЬ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ СУПЕРГЕТЕРОДИННОГО ПРИЕМНИКА
новные параметры в установленных границах
(отдельно следует выделить устойчивость
УПЧ к самовозбуждению, оцениваемую коэф-
фициентом устойчивости ку > куТЗ = 0.6...0.9).
АЧХ приемника, в основном формируемая
УПЧ, определяет избирательность и нерав-
номерность усиления Gn в границах заданной
ПП. В зависимости от помеховой обстановки к
форме АЧХ предъявляют различные требова-
ния. Так, для радиовещательных и связных
приемников характерная помеха создается со-
седним каналом приема (СКП), под которым
понимают паразитный канал, имеющий наи-
меньшую возможную при принятой системе
связи расстройку НсЧ помехи относительно
полезного сигнала (для радиовещательных
приемников с AM Д/скп = ±9 кГц, с ЧМ Д/скп=
= ±150 кГц). При этом задают (см. Рис. 17.80)
аскп —аскп тз > аскп =^о/^дг > скп =const;l
On — Oj-j тз, Oj-j — К о / К j-j, П — const J
(1)
где Ко — резонансный коэффициент усиления
на средней частоте ПП; Хп — коэффициент уси-
ления на границе полосы пропускания; Кщ—
коэффициент усиления при расстройке А/
Полоса пропускания AM тракта радиовеща-
тельных приемников составляет 6...8 кГц, ЧМ
тракта — 150...200 кГц, приемников РЛС —
1...10 МГц. Нередко требования (1) определя-
ют через коэффициент прямоугольности
^про =По/П07 —^проТЗ’ (2)
где Па — полоса на уровне ослабления 0=10,
100 или 1000 раз (или на у = I/O = 0.1; 0.01;
0.001 соответственно); П0.7 — полоса на уров-
не у ~ 0.7 — см. ст. 24.24).
Вследствие относительно высокого уровня
сигнала в выходных каскадах УПЧ появляется
опасность возникновения нелинейных искаже-
ний, оцениваемых коэффициентом гармоник
кт ^г.тз; для УПЧ приемников импульсных
сигналов задают допустимые искажения формы
ИМПуЛЬСа (СМ. СТ. 17.20) ТуСТ ^уст. Т3> ^сп — ^сп. ТЗ’
Искажение импульсных сигналов — ис-
кажения, обусловленные переходными процес-
сами в усилителе, вследствие чего изменяется
форма как несущих колебаний, так и огибаю-
щей. Практический интерес представляет
оценка искажений огибающей. Если на вход
полосового усилителя с АЧХ подается
радиоимпульс uBX(0 = то напряжение
огибающей на выходе определяется интегра-
лом Дюамеля
где импульсная характеристика полосового
усилителя связана с его коэффициентом пере-
дачи преобразованием Фурье
Поскольку у большинства приемников УСЧ
имеет значительно большую ПП, чем УПЧ,
АЧХ и ИХ, а соответственно и нелинейные ис-
кажения огибающей ЛТП приемника, опреде-
ляются УПЧ. Поэтому рассмотрение искаже-
ний импульсных сигналов, и выбор определяю-
щей их ПП, проведенное для ЛТП приемника
импульсных сигналов (см. ст. 17.20, 17.22), мо-
жет быть однозначно отнесено к УПЧ.
Искажения нелинейные в УПЧ — см. не-
линейные эффекты в УСЧ (ст. 17.30).
Многокаскадный усилитель — усили-
тель, который для обеспечения установленных
требований имеет многокаскадную структуру.
Удобно оценивать эффективность усилителя по
показателю качества DK = А0П, где KQ — резо-
нансный коэффициент усиления каскада, П —
полоса пропускания А-каскадного усилителя.
Далее приводятся выражения для основных
показателей усилителя, состоящего из N иден-
тичных каскадов: сначала — в общем виде, за-
тем — для типового усилителя с одиночным
резонансным контуром (ОРК). Коэффициент
усиления на произвольной частоте
KN =KN(to)=[K(m)]N =
=(«i«2Wo,/V1+%2)'V,
где А(со) — коэффициент усиления каскада;
А = еэ[(со/соо) - (соо/со)] — обобщенная расст-
ройка; У21 — крутизна характеристики АЭ на
частоте со; Q3, Rq3, nj9 п2 — см. следующую
статью.
Резонансный коэффициент усиления
K0N =KN (COb )=[*(«% )]" = («1«21^21 о P?o, )N,
где У21 о— крутизна характеристики АЭ на ре-
зонансной частоте соо.
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
437
17.29. УСИЛИТЕЛЬ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ СУПЕРГЕТЕРОДИННОГО ПРИЕМНИКА
Избирательность при расстройке Асо =
= соо-соп
=KN (<Ц, )=И(<ц>)]" /[^(сц,)]"=
=[(1 Г21 о II Г2,п dVi+a-2]",
где соп — частота помехи; У2] п — крутизна ха-
рактеристики АЭ на частоте помехи.
Неравномерность АЧХ в границах задан-
ной полосы П
aWV ~аП -%N N («п) -
=[1+(ап//0)2]"/2,
где оп — см. Рис. 17.80.
Коэффициент прямоугольности по уров-
ню G
=n<w /П07„ =J($?-1)/(V2-1).
Устойчивость М. у. ниже, чем однокаскад-
ного. Структура М. у. определяется заданными
требованиями и формируется как структура
УПЧ с распределенной или сосредоточенной
избирательностью (см. далее).
Оптимизация избирательного усилителя
по мощности в нагрузке — установка режима
работы усилителя, позволяющего получить
максимальную мощность в нагрузке (макси-
мальный коэффициент усиления) при заданной
неравномерности АЧХ в границах установлен-
ной ПП (<тп - <*птз при П = const). Область
применения — широкополосные каскады УПЧ
с разделением функций избирательности и уси-
ления, каскады без требований к избирательно-
сти и с высокими требованиями к усилению.
Рассмотрим типовый каскад с одиночным
резонансным контуром (ОРК) и автотрансфор-
маторной связью контура с АЭ и нагрузкой.
Эквивалентная схема усилителя по ВЧ изобра-
жена на Рис. 17.75, где У21.о— крутизна харак-
теристики АЭ (транзистора) на частоте соо>
У22 = (1/Т?22) + усоС22 — его выходная проводи-
мость, Ун = (1/7?н) + JG)CH — входная проводи-
мость нагрузки, «1 = UA3/UK, п2 = UBUX/UK —
коэффициенты включения. Резонансный коэф-
фициент усиления
*0 = ^выхо/^вхО = (з)
= П} п2 |У21.0 |Л)э /п + п\ (*0 /^22) + п2 (*0 /^н)]-
где 7?оэ = Юо^кбэ, Rq = — эквивалентные
резонансные сопротивления нагруженного и
ненагруженного контуров соответственно.
Эквивалентная добротность нагруженного
контура
еэ=е/[ 1+«12 <ад2 )+«2 (ад я. (4)
где Q — добротность ненагруженного контура.
Условие согласования по мощности — ра-
венство проводимостей источника сигнала и
нагрузки
Gq + Щ G22 — и2опт^н»
где проводимости Go = 1/Rq, G22 = MR22, GH =
= 1/7?н, откуда
«2опт = ^(Rh/R()) + п\ (*н/R22)• (5)
Подставив (5) в (3), (4), можно получить
выражения оптимального коэффициента уси-
ления и оптимальной эквивалентной доброт-
ности. Так,
адт Чу2..оМадн /2V(W«Mo)+' • (6)
Как следует из (6), для увеличения К0опт и
упрощения конструкции усилителя целесооб-
разно принять «1=1, если это возможно по со-
ображениям его устойчивости. Тогда
Коопт = |у21 0|/2А«?0 + б22) J (
бэ.опт=б/2[(ЛоМ22) + 1]-
При условии Gq « G22, что типично для БТ,
*Оопт=|у21.о|/2Ас22. (8)
Формула (8) удобна для расчета структур-
ной схемы приемника. Найденное при оптими-
зации по мощности значение добротности (7)
очень низкое и, как правило, удовлетворяет ус-
ловию обеспечения неравномерности АЧХ в
границах заданной ПП:
ап = -J1 + (0эП//пч)2 ^Уп.тз-
438
РАДИОТЕХНИКА
17.29. УСИЛИТЕЛЬ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ СУПЕРГЕТЕРОДИННОГО ПРИЕМНИКА
УПЧ с избирательностью распределен-
ной — усилитель, состоящий из У последова-
тельно включенных однотипных каскадов (как
правило, N= 3...4), каждый из которых вносит
свой вклад в обеспечение избирательности и
усиления тракта. Такая структура целесообраз-
на при следующих обстоятельствах: относи-
тельно невысоких требованиях к избиратель-
ности, высоких требованиях к усилению и ли-
нейности ФЧХ, исходя из конструктивных и
технологических соображений, с точки зрения
эффективности регулировки ПП и пр. При ре-
ализации УПЧ с распределенной избиратель-
ностью эффективнее используются АЭ, по-
скольку в тракте нет каскадов с избыточной
ПП. Вместе с тем равномерное распределение
избирательности по тракту приводит к тому,
что каждый каскад имеет относительно невы-
сокую избирательность и поэтому воздействие
помех испытывают не только первый, но и по-
следующие каскады. В результате возможно
возникновение нелинейных эффектов в не-
скольких усилительных каскадах, что умень-
шает реальную избирательность приемника.
Вследствие применения простых избира-
тельных систем с малым числом контуров
УПЧ с распределенной избирательностью
критичны к разбросу параметров АЭ. Наибо-
лее простыми в настройке и некритичными в
эксплуатации являются УПЧ с одиночными
LC-контурами, настроенными на одну часто-
ту (см. ст. 24.8). Такие усилители с одиночны-
ми резонансными контурами (ОРК), имеющие
самый плохой коэффициент прямоугольности,
используются как широкополосные УПЧ при
относительно невысоких требованиях к изби-
рательности. Имеют сравнительно низкий по-
казатель качества D = /С0П . В случае увеличе-
ния числа каскадов для сохранения <тп = const
при П = const нужно уменьшать сопротивле-
ние резистора, шунтирующего ОРК, что сни-
жает усиление; поэтому число каскадов N не
должно превышать критического значения
Мер = ^1/4, где Кх — коэффициент усиления
одного каскада, ПП которого равна ПП усили-
теля.
Активные RC-фильтры (см. ст. 24.2) ис-
пользуют на ПЧ до 1...5 МГц. При малых рас-
стройках они обеспечивают АЧХ, близкую к
характеристике ОРК. Основное преимущество
этих фильтров — простота, возможность реа-
лизации в микроминиатюрном исполнении по
интегральной технологии. Активные 7?С-филь-
тры позволяют в одном устройстве объединить
функции фильтрации и усиления. Их недостат-
ки состоят в сложности получения высоких до-
бротности Q ~ \/KqI2 и стабильности характе-
ристик, возможности перегрузки сильными
сигналами и помехами; у них сильнее выраже-
ны нелинейные явления — такие, как блокиро-
вание, перекрестные искажения и пр.
УПЧ с одиночными попарно расстроенны-
ми контурами («расстроенными двойками» —
см. ст. 24.8) состоит из четного числа каскадов,
где в каждой паре каскадов частоты настройки
контуров/oi =/о- ДМ/о2 =fo + AF при П, = П2.
Использование взаимной расстройки контуров
позволяет существенно улучшить качество
усилителя. Чтобы показать это, вернемся к
УПЧ с настроенными на одну частоту fQ конту-
рами и заданной ПП. Если, не изменяя доброт-
ности контуров, осуществить их взаимную
расстройку AF, то ПП расширится. Для того
чтобы вернуться к заданному значению поло-
сы, нужно повысить добротность контуров,
что увеличивает крутизну спадов АЧХ, т.е.
улучшает ее прямоугольность. Таким образом,
улучшение АЧХ обеспечивается лишь сово-
купностью мер: увеличением добротности и
взаимной расстройкой контуров.
В зависимости от обобщенной расстройки
XQ = (2AF/fo)Q3 форма АЧХ двухкаскадного
усилителя может быть одногорбой (Хо < 1), уп-
лощенной (Хо = 1) или двугорбой (Хо > 1). Рас-
стройку, при которой провал определяет задан-
ную неравномерность АЧХ, называют опти-
мальной (при этом оптимальная АЧХ наиболее
приближается к идеальной прямоугольной
форме). Преимущество УПЧ с о.п.р.к. — боль-
шой коэффициент усиления при заданной ПП,
недостатком является критичность к расстрой-
ке отдельных контуров. Области использова-
ния — широкополосные усилители ТВ сигна-
лов, приемники РЛС и РРЛ. Дальнейшее при-
ближение АЧХ к идеальной прямоугольной
форме дает переход к УПЧ с «расстроенной
тройкой», где ОРК настроены на три частоты,
одна из которых — средняя частота ПП.
УПЧ с двухконтурным полосовым фильт-
ром в каждом каскаде, контуры которого наст-
роены на одну частоту (см. ст. 24.8), позволяет
получить те же характеристики, что и УПЧ с
попарно расстроенными контурами, но при
вдвое меньшем числе АЭ (каскадов). В зависи-
мости от значения параметра связи Т| = kCBQ3,
где kCB — коэффициент связи между контурами,
форма АЧХ может быть одногорбой при Т| < 1,
уплощенной при критической связи Т| = 1 или
Глава 17 РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
439
17.29. УСИЛИТЕЛЬ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ СУПЕРГЕТЕРОДИННОГО ПРЙЕМНИКА
двугорбой при т| > 1. Соображения относитель-
но выбора параметра связи Т| совпадают с сооб-
ражениями относительно выбора обобщенной
расстройки Хо в усилителе с попарно расстроен-
ными контурами: наилучшим является опти-
мальное значение, но при этом усложняется ре-
гулировка усилителя. Поэтому часто выбирают
критическую связь. К преимуществам УПЧ с
д.п.ф. следует отнести хорошую прямоуголь-
ность АЧХ, большой коэффициент усиления
при заданной ПП, меньшую чем в предыдущем
УПЧ критичность к расстройке контуров, удоб-
ство регулирования ПП. Область использования
— узкополосные усилители (например, в радио-
вещательных приемниках).
УПЧ с избирательностью сосредоточен-
ной — усилитель, необходимая избиратель-
ность которого обеспечивается ФСС, разме-
щенным в ПрЧ, а нужное усиление — последу-
ющими апериодическими или широкополос-
ными резонансными каскадами. Преимущест-
ва УПЧ с ФСС: лучшее, чем в системе с рас-
пределенной избирательностью, приближение
АЧХ к идеальному прямоугольнику; обеспече-
ние основной избирательности в начале трак-
та, где амплитуды сигналов и помех еще малы,
что позволяет существенным образом умень-
шить нелинейные эффекты и поднять реаль-
ную избирательность; лучшая стабильность
АЧХ и ФЧХ в условиях эксплуатации. Кроме
того, использование последующих апериоди-
ческих каскадов повышает устойчивость уси-
лителя к самовозбуждению, дает возможность
широко внедрять интегральную технологию и
выиграть в массогабаритных характеристиках
приемника. Недостатки УПЧ с ФСС: неполное
использование АЭ, поскольку широкополос-
ные каскады с избыточной ПП имеют меньшее
усиление; повышенное энергопотребление из-
за увеличения числа АЭ; регулировка ПП воз-
можна только переключением фильтров.
В качестве ФСС используют электрические
фильтры с ZC-звеньями, акустоэлектронные и
цифровые фильтры. Заметим, что здесь, как и в
предыдущей статье, избирательные системы
рассматриваются в порядке приближения их
АЧХ к идеальному прямоугольнику; при этом
переход к избирательной системе каждого по-
следующего типа обеспечивается ростом доб-
ротности и применением способов, позволяю-
щих этот рост обеспечить. АС-фильтры доста-
точно широко распространены благодаря сво-
ей универсальности, технологичности и боль-
шому частотному диапазону (до 100 МГц).
Кроме того, использование катушек индуктив-
ности является единственной возможностью
компенсации паразитных емкостей. Однако
АС-фильтры имеют принципиальные недостат-
ки, связанные с трудностями перехода к пла-
нарным конструкциям и интегральным техно-
логиям.
Простейшими являются полиномиальные
фильтры, LC-звенъя которых согласованы по
волновому сопротивлению (см. ст. 24.8). При до-
статочно высокой добротности 0/(/о/П) > 2\/2
заданные качества АЧХ достигаются подбором
числа контуров N и связи между ними. В радио-
вещательных РПрУ часто используют трех- и
четырехзвенные АС-фильтры, в профессиональ-
ных приемниках их число достигает 8... 10, что
позволяет получить относительно малый коэф-
фициент прямоугольности (при N= 6 и 0/(/о/П) =
5 может быть обеспечен £пр1Оо = 2.2).
Дальнейшее улучшение качества ФСС мо-
жет быть достигнуто при переходе к полиноми-
альным системам с LC-фильтрами Чебышева и
Баттерворта (см. ст. 24.8). Фильтры содержат
АС-контуры, настроенные на середину ПП, оп-
тимальное качество достигается благодаря трем
степеням свободы: выбору числа контуров, их
добротности и связи между ними. Для обеспе-
чения максимальной Прямоугольности АЧХ не-
обходимо, чтобы изменение модуля избиратель-
ности следовало закону g(A) = V1 + WT^(X), где
Тт(Х) — полином Чебышева степени т от аргу-
мента X; W— волновость характеристики в гра-
ницах ПП, определяющаяся ее допустимой не-
равномерностью Gn = Vl +FF; X— обобщенная
расстройка. Условие реализации такой системы
— очень высокая добротность контуров
(Q > 500). В случае невозможности обеспечить
такую добротность, а также с целью уменьше-
ния неравномерности оп или нелинейности
ФЧХ принимают малые значения волновости
W. Платой за такой компромисс является ухуд-
шение коэффициента прямоугольное™ £пр при
том же числе АС-контуров. В предельном слу-
чае, когда W —> 0, достигают максимально глад-
кой АЧХ в границах ПП — характеристики Бат-
терворта, условие реализации которой значи-
тельно мягче (Q > 300).
Значительное улучшение качества ФСС и
снижение трудоемкости регулировочных ра-
бот может быть достигнуто при применении
акустоэлектронных фильтров (см. ст; 24.8).
Структура последних включает последова-
тельное соединение преобразователя энергии
электрических сигналов в энергию упругих ко-
440
РАДИОТЕХНИКА
17.29. УСИЛИТЕЛЬ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ СУПЕРГЕТЕРОДИННОГО ПРИЕМНИКА
лебаний с использованием пьезоэлектрическо-
го или магнитострикционного эффекта, акус-
тического резонатора и обратного преобразо-
вателя энергии; между АЭ и ФСС включают
согласующие звенья. Основным преимущест-
вом акустоэлектронных фильтров является их
высокая добротность (Q = 103... 105), что поз-
воляет существенно улучшить коэффициент
прямоугольности (&npiooo = 1.2...2) и умень-
шить потери в полосе прозрачности. Для полу-
чения сравнительно узких ПП, начиная от со-
тен герц, используют кварцевые пьезоэлектри-
ческие фильтры (ПЭФ). Их недостатком явля-
ется высокая стоимость, сравнительно боль-
шие размеры, низкая механическая прочность.
Монолитные ПЭФ по сравнению с кварцевы-
ми имеют следующие преимущества: значи-
тельно меньшие объем и массу, высокие на-
дежность и стабильность, хорошую совмести-
мость с планарными конструкциями.
Широко применяются в РПрУ малогаба-
ритные, обладающие высокой механической
прочностью, относительно дешевые пьезокера-
мические фильтры (ПКФ). По избирательнос-
ти и стабильности они уступают ПЭФ и, кроме
того, имеют АЧХ, убывающую немонотонно;
поэтому в качестве согласующего звена нужно
использовать корректирующий АС-контур.
В профессиональной аппаратуре находят
применение электромеханические фильтры
(ЭМФ), акустические резонаторы которых воз-
буждаются магнитострикционными преобра-
зователями. Эти фильтры имеют малые разме-
ры, высокую температурную и механическую
стабильность, малую неравномерность затуха-
ния в границах ПП. Их недостатки: ограничен-
ный частотный диапазон и высокая стоимость.
В последние годы широкое применение по-
лучили пьезоэлектрические фильтры на ПАВ
(см. ст. 26.11). С точки зрения обработки сигна-
лов ПАВ имеют два важных преимущества: ма-
лую скорость распространения (примерно на
пять порядков ниже, чем электромагнитные
волны) и хорошее взаимодействие акустичес-
кого поля с планарными структурами на по-
верхности звукопровода. Первое свойство поз-
воляет создавать фильтры на ПАВ в микроми-
ниатюрном исполнении, второе — простыми
способами формировать комплексную частот-
ную характеристику. Кроме того, планарная
конструкция фильтров на ПАВ позволяет легко
сочленять их с ИС. Фильтрам на ПАВ присущи
широкий частотный диапазон (до единиц гига-
герц), возможность значительного изменения
относительной ПП (0.5.. .30%), высокая прямо-
угольность АЧХ (АПр.юоо = 1.2...2), стабиль-
ность параметров и отсутствие необходимости
в регулировке благодаря высокой повторяемос-
ти фотолитографического процесса. Вместе с
тем сравнительно с АС-фильтрами они всегда
будут оставаться более сложными структурами
со многими побочными явлениями, в частнос-
ти немонотонной ФЧХ. Область применения
фильтров на ПАВ очень широкая: локационные
приемники (в частности, согласованные фильт-
ры для сигналов с ЛЧМ), ТВ фильтры, фильтры
ЧМ сигналов и пр. Возможность управляемого
изменения условий распространения ПАВ с
помощью планарных структур позволяет реа-
лизовать адаптивную фильтрацию.
На Рис. 17.76 показаны области преоблада-
ющего использования основных избиратель-
ных средств УПЧ, где АС — АС-фильтры,
АСПК — АС-фильтры с печатными катушками
индуктивности, АС СРП — АС-структуры с
распределенными параметрами, RC — актив-
ные 7? С-фильтры.
УПЧ в интегральном исполнении —
УПЧ, выполненный на ИС. При разработке
РЭА применяют как многоцелевые ИС и мик-
росборки (дальше — ИС), так и специально
разработанные для аппаратуры данного типа.
Многоцелевые ИС отличаются большей уни-
версальностью, достигаемой за счет их схем-
ной избыточности. УПЧ, построенные по гиб-
ридной технологии, имеют хорошие частот-
ные и температурные характеристики, малый
уровень шумов и высокую повторяемость па-
раметров, но малая степень интеграции не поз-
воляет существенно уменьшить их стоимость.
Рис. 17.76
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
441
17.29. УСИЛИТЕЛЬ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ СУПЕРГЕТЕРОДИННОГО ПРИЕМНИКА
Такие УПЧ используются в высококачествен-
ных РПрУ, работающих в сложных условиях
эксплуатации, и выпускаются малыми парти-
ями. Полупроводниковые (монолитные) ИС
более надежны благодаря меньшему числу
контактных соединений, отсутствию навес-
ных деталей, обладают лучшими массогаба-
ритными характеристиками. Вместе с тем
они имеют больший коэффициент шума, чем
аналогичные гибридные ИС, и худшую по-
вторяемость параметров.
Особенность интегральной схемотехники
обуславливает необходимость применения ми-
нимального числа конденсаторов большой ем-
кости, так как их невозможно реализовать на
кристалле ограниченного объема. Поэтому ча-
сто используют непосредственные связи меж-
ду каскадами и вводят ООС, которая позволяет
уменьшить вредные последствия больших тех-
нологических разбросов. Широко применяют-
ся дифференциальные усилители с выходной
избирательной системой (см. ст. 24.23). В диа-
пазоне частот до сотен мегагерц ИС в сочета-
нии с соответствующими внешними элемента-
ми могут выполнять функции усилителей, сме-
сителей, модуляторов, детекторов, генераторов
и т.п. С целью замены «неудобных» для интег-
ральной технологии катушек индуктивности
используют активные 7?С-фильтры (см. ст.
24.2), выполненные на базе избирательных
звеньев первого и второго порядков, а также
гираторы (см. ст. 24.1). ИС широко применяют
в апериодических каскадах УПЧ с разделением
функций избирательности и усиления. Исполь-
зование бескорпусных ИС возможно при при-
менении гибридно-пленочной технологии из-
готовления узлов с обязательной общей герме-
тизацией.
УПЧ логарифмический (ЛУ) — усили-
тель, АХ которого описывается выражением
^вых =^Выхн{1°Й(^вх/^вхн)-Ы]}, где иъых н,
£/вх н — амплитуды выходного и входного на-
пряжений, соответствующие началу логариф-
мического участка характеристики. ЛУ ис-
пользуют в локационных приемниках для со-
гласования широкого динамического диапазо-
на сигналов и помех на входе (~80 дБ) с дина-
мическим диапазоном ЭЛТ (-20...30 дБ), по-
скольку обычная система АРУ не обеспечива-
ет необходимого быстродействия. Вместе с
тем начальный участок АХ оставляют линей-
ным для того, чтобы не ухудшить чувстви-
тельность во время приема слабых сигналов.
Одним из распространенных методов получе-
ния логарифмической АХ является метод
взвешенного суммирования продетектирован-
ных выходных напряжений линейных усили-
тельных каскадов.
УПЧ с цифровым фильтром — см. ст.
25.30.
Устойчивость избирательного усилителя
— способность усилителя сохранять стабиль-
ность основных характеристик (АЧХ, ФЧХ)
при изменениях рабочего режима, параметров
АЭ и элементов схемы, допускаемых при про-
изводстве и эксплуатации. Близость к самовоз-
буждению опасна не только сама по себе, но и
потому, что ведет к увеличению влияния изме-
нения параметров элементов схемы на харак-
теристики избирательного усилителя. Отда-
ленность усилителя от самовозбуждения явля-
ется необходимым условием его устойчивости.
Эквивалентная схема избирательного кас-
када изображена на Рис. 17.77, а, где активный
элемент АЭ характеризуется матрицей У-па-
раметров, а проводимости генератора и нагруз-
ки представлены так, как их «видит» АЭ: Gr =
= G0/n22 = l/(n22Roy G„ = Gq/п2 = 1/(«X), Ro —
эквивалентное активное сопротивление конту-
ра на резонансной частоте. Входная проводи-
Gq Gq
а)
Рис. 17.77
442
РАДИОТЕХНИКА
17.30. УСИЛИТЕЛЬ СИГНАЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ РПрУ
мость активного четырехполюсника может
быть представленна в виде Увх = Уп -
- (Г12Г21)/(У22 + Ун) = Ун + АУВХ, где АУВХ -
приращение входной проводимости АЭ, обус-
ловленное действием ОС. Активная составля-
ющая этой проводимости
GBX = GII+AGBX =
=Re(y11)+Re[-rl2r21/(y22+rH)].
Усилитель не будет возбуждаться, если
полная активная проводимость входной цепи с
учетом ОС остается положительной. Исходя из
этого коэффициент устойчивости
куст = (Gr + G11 + AGBxmax )/(Gr + GII )> (Ю)
где AGBxmax — наибольшее отрицательное
приращение входной проводимости, обуслов-
ленное ОС через проводимость обратного дей-
ствия прибора У12-
Как следует из (10), при отсутствии ОС
£уст = 1; при самовозбуждении kyCT = 0, т.е.
0 < kyCT < 1. Исследование зависимости
АСвх(со) в формуле (9) на экстремум дает
[AGBX(co)]max = - |У211|У12|/[2(С22 + GH)], откуда
после ряда преобразований получим
*Усг =1-{|У|2|Ы/[2О11О22(1+а)2]}> (л)
где обобщенный показатель связи генератора и
нагрузки с АЭ при условии оптимизации по
мощности А = Gy/Gw = GJG22-
Как следует из (11) устойчивость избира-
тельного усилителя может быть повышена за
счет следующих факторов: снижения крутизны
характеристики АЭ, определяющей усиление,
т.е. разность энергетических уровней входного
и выходного контуров; уменьшения проводи-
мости обратного действия, через которую осу-
ществляется ОС; увеличения входной и выход-
ной проводимостей генератора и нагрузки, на
которых выделяется напряжение ОС. Исходя
из (11) по заданной устойчивости, параметрам
АЭ и ненагруженного контура можно рассчи-
тать необходимые коэффициенты трансформа-
ции
=7Go/UG22); п2 =jG0/(AGn), (12)
гае х4=>/|Г12||У21|/[2С1,622(1-Луст)].
Рекомендуемые значения коэффициента
устойчивости:
1г
rVyCT
> 0.9 — высокая устойчивость;
’ 0.9 - 0.8 — средняя устойчивость;
0.8 - 0.7 — низкая устойчивость.
На Рис. 17.77, б в качестве примера показа-
на характерная деформация АЧХ одноконтур-
ного избирательного усилителя для arg| У12 У2 ] | =
= 90° при уменьшении £уст.
В заключение на основании (11) приведем
выражение устойчивого коэффициента усиле-
ния каскада
^0УсТ=^21А2|2(1-*уст)- (13)
При условии, что причиной самовозбужде-
ния каскада является только ОС через АЭ, ко-
эффициент устойчивости всего избирательно-
го усилителя примерно совпадает с самым ма-
лым значением коэффициента устойчивости
отдельных его каскадов.
Существуют пассивные и активные спосо-
бы повышения устойчивости избирательного
усилителя. Первые сводятся к выбору необхо-
димых коэффициентов трансформации (12),
т.е., по сути, к уменьшению коэффициента уси-
ления Ко до уровня устойчивого коэффициента
^оуст (13). Сюда также относятся конструктив-
ные меры по уменьшению паразитных ОС. Ак-
тивные способы позволяют увеличить коэффи-
циент А?Оуст и тем самым реализовать потенци-
альные усилительные возможности АЭ. К ним
относят нейтрализацию внутренних ОС через
У! 2 с помощью внешних ОС [2, 11] и каскодное
включение АЭ (см. ст. 24.3).
17.30. УСИЛИТЕЛЬ СИГНАЛЬНОЙ
ЧАСТОТЫ РПрУ — усилитель, работающий
на частоте принимаемого сигнала. Является
частью преселектора, размещается непосред-
ственно за входным устройством (ВУ), в супер-
гетеродинном приемнике — между ВУ и ПрЧ.
Каскад УСЧ содержит: АЭ; избирательную
цепь, предназначенную для выделения основ-
ной части спектра сигнала; согласующие зве-
нья (СЗ) этой цепи с АЭ и нагрузкой. Исполь-
зование УСЧ позволяет решить пять основных
задач: повысить реальную чуствительность
приемника за счет усиления сигнала до силь-
ношумящего смесителя; осуществить избира-
тельность по побочным каналам приема до
смесителя; реализовать предварительную из-
бирательность на малых уровнях входного сиг-
нала и помехи, при которых еще не проявляют-
ся нелинейные свойства АЭ («замешивание
Глава 17 РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
443
17.30. УСИЛИТЕЛЬ СИГНАЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ РПрУ
сигнала и помехи»); защитить антенну от про-
никновения энергии гетеродина; ввести АРУ
для предотвращеня перегрузок смесителя при
мощных сигналах и помехах.
УСЧ классифицируют по следующим при-
знакам: по типу используемого АЭ — усилите-
ли на невзаимных АЭ, имеющие раздельные
входы и выходы (транзисторы дискретного ис-
полнения, ИС, электронные лампы, ЛБВ), а
также усилители на двухполюсных АЭ, входы
и выходы которых совпадают (туннельные и
параметрические диоды, парамагнитные крис-
таллические квантовые усилители); по виду
схем АЭ — усилители однотранзисторные, ка-
скодные (на двух транзисторах), с дифференци-
альными каскадами, состоящими из двух сим-
метричных половин; по способу включения
транзистора — с ОЭ, ОБ, ОК для БТ (соответ-
ственно для ПТ и электронных ламп); по виду
нагрузки АЭ — на избирательные и апериоди-
ческие (резистивные) усилители; по способу
связи АЭ с нагрузкой — усилители с непосред-
ственной, трансформаторной и автотрансфор-
маторной связями; по виду настройки — пере-
страиваимые, с фиксированной настройкой; по
способу исполнения — на дискретных элемен-
тах, в интегральном исполнении.
По частотному диапазону различают УСЧ
приемников умеренно высоких частот (ДВ,
СВ, КВ, УКВ), в которых используют одиноч-
ные резонансные контуры (ОРК) с сосредото-
ченными параметрами, и УСЧ приемников
СВЧ (ДМВ, СМВ, ММВ), где применяют коак-
сиальные, полосковые, микрополосковые и
объемные резонаторы. По шумовым свойствам
выделяют малошумящие УСЧ, среди которых
сейчас наиболее распространены усилители на
ПТБШ и полупроводниковые параметричес-
кие усилители. Самыми малошумящими СВЧ
усилителями являются мазеры — квантовые
парамагнитные усилители с криогенной систе-
мой охлаждения, использующиеся в уникаль-
ных приемных системах. По способу охлажде-
ния УСЧ делят на неохлаждаемые, с термоэле-
ктрическим и криоэлектронным охлаждением.
Требования к УСЧ супергетеродинного
приемника по таким параметрам, как перекры-
тие диапазона рабочих частот, избиратель-
ность по зеркальному и прямому каналам при-
ема, ослабление на границах ПП, аналогичны
требованиям, которые предъявляются к ВУ
(см. ст. 17.5). Реальная чувствительность при-
емника определяется внутренними шумами, в
основном шумами преселектора (ПрС) — ВУ и
УСЧ; поэтому их общий коэффициент шума
ШПрс ШПрс. тз- Резонансный коэффициент
передачи ПрС определяют компромиссно: с од-
ной стороны, необходимо обеспечить общее
усиление линейного тракта приема и, в особен-
ности, усиление ПрС с тем, чтобы получить на-
ибольшее отношение (С/Ш) на входе смесите-
ля; с другой — во избежание нелинейных иска-
жений огибающей сигнала напряжение на вхо-
де смесителя не должно превышать допусти-
мого уровня t/см.вх.доп (см- ст- 17.15). Как пра-
вило, принимают оптимальное значение коэф-
фициента усиления УСЧ, составляющее ори-
ентировочно 20дБ. При этом желательно обес-
печить малое изменение общего коэффициен-
та передачи преселектора КВУ(УКУСЧ0 в диапа-
зоне принимаемых частот. Вследствие исполь-
зования АЭ в УСЧ предъявляют требования к
динамическому диапазону DyC4 > £>УСчтз и
коэффициенту устойчивости kyCT > &устТЗ (см-
ет. 17.29).
Если требования, предъявляемые к ПрС,
выполняются с помощью ВУ, то УСЧ можно не
применять. При этом следует иметь в виду, что
сейчас от УСЧ отказываются лишь в приемни-
ках самых низких групп сложности, а также
тогда, когда реализовать УСЧ при высокой сиг-
нальной частоте технически сложно.
Криоэлектронный усилитель СВЧ — см.
ст. 11.6, 26.6.
Нелинейные эффекты в УСЧ — нежела-
тельные явления, обусловленные нелинейнос-
тью ВАХ АЭ, проявляющиеся двояко: в виде
нелинейных искажений (НИ) огибающей при-
нимаемого сигнала, а также в виде перекрест-
ных, интерференционных, интермодуляцион-
ных искажений и блокирования вследствие
взаимодействия сигнала и сосредоточенных по
спектру помех. Могут быть предложены две
группы мер по их минимизации. Первая состо-
ит в обеспечении избирательности, в особен-
ности до первого НЭ, т.е. в подавлении меша-
ющих воздействий, приводящих к этим иска-
жениям. Вторая группа мер — создание мощ-
ного линейного тракта УСЧ, нечувствительно-
го к воздействию помех, даже если они попада-
ют на вход усилителя (см. ст. 17.13).
Собственные нелинейные искажения в
УСЧ состоят в искажении формы огибающей
принимаемого сигнала. Следует указать на
принципиальное отличие характера НИ в уси-
лителях частоты модуляции и УСЧ. У первых
— это искажения мгновенных значений напря-
жения; у вторых процесс образования высших
444
РАДИОТЕХНИКА
17.30. УСИЛИТЕЛЬ СИГНАЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ РПрУ
гармоник сигнала не играет роли, поскольку
они отфильтровываются избирательной систе-
мой усилителя, а имеют значение только иска-
жения формы огибающей модулированных ко-
лебаний, которые после детектирования пре-
вращаются в искажения принятого сообщения.
Обратимся к колебательной характеристи-
ке — см. уравнение (2), ст. 17.13. Поскольку
рассматриваются собственные НИ в УСЧ, сле-
дует принять Un = 0; тогда ImX = aUc + 0.75cUl.
Развернув выражение амплитуды сигнала
Uc = Uc0(l + wcosQt), после ряда преобразова-
ний получим уравнение для определения ко-
эффициента гармоник
kr=Iai2a/lmia=lA(c/a)U^m, (1)
где /wi2Q — первая и вторая гармоники
частоты модуляции амплитуды 1т\,т — глуби-
на модуляции.
Как следует из (1), для уменьшения нели-
нейных искажений следует уменьшать пара-
метр нелинейности Он = da, т.е. ВАХ должна
иметь вид квадратичной параболы — см. урав-
нение (3) в ст. 17.13, реализация которой тре-
бует использования мощных ПТ. Формула (1)
показывает также, что НИ опасны при боль-
ших уровнях поступающего на АЭ сигнала и
глубокой модуляции. Исходя из (1) можно оп-
ределить допустимый уровень входного сигна-
ла АЭ при заданном значении кг.
Согласование избирательной системы
УСЧ с АЭ — выбор степени связи контура
(фильтра) с АЭ своего и последующего каска-
дов (коэффициентов п ь п2 в схеме Рис. 17.78, а).
Названный выбор осуществляют в зависимос-
ти от предъявляемых требований, предусмат-
ривающих согласование: по максимальной вы-
ходной мощности (см. ст. 17.29 ); по минимуму
шумов (см. далее); по ослаблению зеркального
канала приема (ЗКП) при заданной неравно-
мерности АЧХ в границах установленной ПП:
азкп - азкп.тз; ап - ап.тз ПРИ п = птз- (2)
Рассмотрим последнее требование приме-
нительно к УСЧ с ОРК как наиболее распрост-
раненному типу перестраиваемого избиратель-
ного усилителя. Эквивалентная добротность
нагруженного контура
е, =е/[1+л12(л0/л22)+и22(/?0/А11)]> (3)
где Q, Rq — добротность и активное резонанс-
ное сопротивление ненагруженного контура;
7?п = Ке(Уц), 7?22 = Re(T22); Гц, Г22 — Г-пара-
метры АЭ.
Развернем требования (2):
CT3Kn=Vl+^2=^ =
= бэ.ЗКП {[(Лmax +2/пч )//0 max ]
“[/оmax/(Лmax +2/пч )]} ^ПЗКП Т3 '>
аП = Ф +1вэ П (/omin /П)]2 < Оп тз •
Из полученных выражений могут быть
найдены граничная эквивалентная доброт-
ность бэ.зкп, необходимая для достижения
заданного ослабления ЗКП, и граничная эк-
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
445
17.30. УСИЛИТЕЛЬ СИГНАЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ РПрУ
Бивалентная добротность 0Э п, необходимая
для того, чтобы уложиться в заданную нерав-
номерность АЧХ. Добротность, необходимая
для выполнения обоих требований (2), может
быть определена на основе двойного нера-
венства Q3 п > 2э бэ.зкп- Коэффициенты пх,
п2 находят из выражения (3) по известным
параметрам ненагруженного контура и на-
грузки. Поскольку эта задача математически
неопределенная, обычно задают типовое зна-
чение пх = 0.5...0.8 или предъявляют допол-
нительное требование оптимизации по мощ-
ности п2 = «2опт, или упрощают катушку ин-
дуктивности (И1 = 1).
Структура УСЧ определяет его функцио-
нальные узлы и взаимосвязи между ними. Раз-
личные варианты структурных схем УСЧ при-
емников умеренно высоких частот приведены
на Рис. 17.79, где АЭ — активный элемент,
ОРК — одиночный резонансный контур;
ДПФ — двухконтурный ПФ; R — нагрузка
апериодического каскада; УСЧЬ УСЧ2 — кас-
кады УСЧ. Поскольку структура УСЧ зависит
от вида входного устройства (ВУ), они рассма-
триваются вместе. Первая группа структур ре-
комендуется для приемников, у которых тре-
бования к высокой чувствительности и коэф-
фициенту шума являются определяющими;
третья — для приемников, у которых домини-
руют требования к избирательности и нерав-
номерности в пределах ПП (см. ранее); вторая
группа является компромиссной. Для радиове-
щательных приемников рекомендуются вари-
анты 1, 2, 4, 5. В профессиональных диапазон-
ных приемниках преселектор реализуют по
более сложным вариантам (3, 4, 6—9). Необхо-
димость перестройки УСЧ предусматривает
отказ от сложных резонансных систем, в боль-
шинстве современных РПрУ используют од-
нокаскадные УСЧ.
В УСЧ умеренно высоких частот встреча-
ются две основные схемы включения АЭ: с
ОЭ и ОБ. Первая дает возможность получить
наибольшее усиление по мощности при сред-
них значениях входного и выходного сопро-
тивлений; вторая отличается большой устой-
чивостью против самовозбуждения, высоким
выходным, но очень малым входным сопро-
тивлением, вследствие чего обеспечивает
меньшее усиление по мощности. Применение
каскодной схемы (обычно ОЭ-ОБ) позволяет
сохранить преимущества схемы УСЧ с ОБ,
исключив ее недостатки. Более подробно схе-
мы избирательных усилителей рассмотрены в
ст. 24.8, 24.22. ПТ сравнительно с БТ обеспе-
чивают большее усиление, имеют более высо-
кие входные и выходные сопротивления,
меньший уровень собственных шумов? нели-
нейных и перекрестных искажений, большие
устойчивость и быстродействие.
Устройство настройки УСЧ предназначе-
но для настройки избирательной системы УСЧ
на частоту сигнала в заданном диапазоне час-
тот. Средства плавной настройки частоты раз-
деляют на механические и электронные. В пер-
вом случае параметры контура (индуктивность
или емкость) изменяются механическим пере-
мещением элементов конструкции, во втором
— изменением управляющего напряжения или
тока. Выбор того или иного способа настройки
определяется рядом эксплуатационных требо-
ваний, предъявляемых приемнику, но в первую
очередь — необходимым временем перестрой-
ки, которое в механических системах составля-
ет десятки секунд, а в электронных — малые
доли секунды.
Для плавной механической настройки час-
тоты используют конденсатор переменной ем-
кости (КПЕ) Снст (см. Рис. 17.78, а) или варио-
метр (см. ст. 31.3). Преобладает использование
КПЕ по следующим причинам: легко полу-
чить нужный закон изменения емкости от угла
поворота ротора (прямоемкостной, прямочас-
тотный, логарифмический); большое перекры-
тие Снст max/Снст mini КОНСТРУКЦИЯ КПЕ ДОСТЯ-
точно проста и отработана. Вариометры при-
меняют при жестких требованиях к механиче-
ской устойчивости, например, в автомобиль-
ных приемниках. Заметим, что кроме КПЕ
Снст в контуре должны быть предусмотрены
два элемента подстройки: конденсатор подст-
роечный Спс и катушка индуктивности LK с
подстроечным сердечником, необходимые для
подгонки максимальной и минимальной час-
тот контура в соответствии с заданным диапа-
зоном частот.
Для плавной электрической настройки ис-
пользуют варикапы (см. Рис. 17.78, б) — см. ст.
29.9. Преимуществами этого способа настрой-
ки является: высокая скорость перестройки ча-
стоты, простота реализации, выигрыш в на-
дежности, хорошее согласование с планарны-
ми конструкциями и интегральной технологи-
ей, возможность реализации дистанционного
управления. Недостатки: относительно низкие
стабильность, добротность, коэффициент пе-
рекрытия; жесткие требования к точности и
стабильности управляющего напряжения С/упр;
446
РАДИОТЕХНИКА
17.30. УСИЛИТЕЛЬ СИГНАЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ РПрУ
нелинейность вольт-фарадной характеристи-
ки. Для уменьшения влияния последней при-
меняют встречное включение варикапов.
В приемниках с дискретной перестройкой
частоты (профессиональная связь) используют
магазины емкостей или индуктивностей или
оба вместе (см. Рис. 17.78, в). В качестве пере-
ключателей — S5 применяют герконы, ПТ,
p-z-и-диоды. Время перестройки контура со-
ставляет десятые и даже сотые доли секунды.
УСЧ в интегральном исполнении во
многом аналогичен УПЧ на ИС (см. ст. 17.29),
но его особенностью является применение ши-
рокополосных ИС и внешних перестраивае-
мых избирательных систем. До частот около
100 МГц используют одно- и двухконтурные
ЛС-фильтры на микрокатушках индуктивнос-
ти, на частотах 0.1... 1 ГГц — ZC-фильтры на
печатных спиралях, на частотах свыше 0.5 ГГц
— фильтры на микрополосковых резонаторах.
Перспективно применение фильтров на ПАВ
(до частот 1.. .2 ГГц).
С точки зрения минимальной стоимости,
времени разработки, массогабаритных харак-
теристик наиболее эффективным является по-
строение всего линейного тракта приема (УСЧ
и УПЧ) на одной ИС. Такие ИС используют
при производстве массовой продукции (напри-
мер, переносных радиовещательных приемни-
ков). В приемниках высших групп сложности
применяют специальные гибридные МС, кото-
рые проектируются на предприятии-разработ-
чике РПрУ и поэтому могут обеспечить требо-
вания, предъявляемые к конкретному изделию.
Для изготовления охлаждаемых усилителей
более перспективным является использование
криоэлектронных интегральных усилителей,
совмещенных с электронными устройствами
охлаждения.
УСЧ охлаждаемый — усилитель, работа-
ющий при температуре ниже температуры ок-
ружающей среды, что позволяет существен-
ным образом улучшить его характеристики —
прежде всего уменьшить уровень шумов и до-
стичь более высокой реальной чуствительнос-
ти приемника. Широко применяется термоэле-
ктрическое охлаждение, основанное на эф-
фекте Пельтье (см. ст. 1.9). Зависимость шумо-
вой температуры транзистора от физической
выражается приближенной формулой
Тш = Гш0(Гохл/Т0)’-3 • 1 5,
где Гш0 — шумовая температура прибора при
То = 300 К; Гохл — температура охлажденного
прибора.
Рис. 17.79
Глава 17 РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
447
17.30. УСИЛИТЕЛЬ СИГНАЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ РПрУ
При охлаждении транзистора от +20 до
-50°С его шумовую температуру можно сни-
зить на 30%. Если нужна еще меньшая шумовая
температура, то переходят к криоэлектронным
усилителям, работающим при криогенных тем-
пературах Гкр < 120 К (кислородный уровень —
90 К, азотный — 77 К, водородный — 20 К, ге-
лиевый — 4.2 К). Основой для построения та-
ких усилителей являются криоэлектронные
приборы диодного и транзисторного типов.
Благодаря охлаждению удается существенно
уменьшить уровень собственных шумов прибо-
ров, повысить их предельную частоту и коэф-
фициент усиления. Снижение шумов происхо-
дит по двум причинам: из-за уменьшения теп-
ловых шумов и увеличения рабочего тока тран-
зистора вследствие увеличения подвижности
носителей, что приводит к возрастанию крутиз-
ны характеристики транзистора и соответствен-
но лучшему осреднению (уменьшению шумов
флуктуаций). Так, в лучших криоэлектронных
ПТ при их охлаждении до температуры 80 К
уровень собственных шумов снижается в три-
четыре раза, а при охлаждении до температуры
20 К — в пять—семь раз сравнительно с уров-
нем шумов при температуре 300 К. Особенно
перспективными являются транзисторы с по-
вышенной подвижностью носителей заряда в
канале (НЕМТ). На основе криоэлектронных
приборов строят криоэлектронные усилители:
квантовые парамагнитные, параметрические,
транзисторные.
Наиболее распространенными транзистор-
ными криоэлектронными усилителями являют-
ся усилители на основе ПТБШ, использующие-
ся во входных или последующих каскадах УСЧ,
первых каскадах УПЧ, УЗЧ, видеоусилителе.
Диапазон частот усиливаемых сигналов про-
стирается от нуля (УПТ) до 1011 Гц с относи-
тельной ПП до 30%. Лучшие образцы транзис-
торных криоэлектронных усилителей водород-
ного уровня имеют такие показатели: /= 5 ГГц,
Тш = 15...20 К при \flf= 15%;/= 10 ГГц, Гш =
= 30...35 К при А// = 10%, тогда как шумовая
температура неохлажденных усилителей этого
типа составляет Гш= 50...300 К.
Вместе с тем нужно учитывать, что при
введении охлаждения резко повышаются
сложность усилителя, стоимость его эксплуа-
тации, снижается надежность. Поэтому охлаж-
дение применяют лишь тогда, когда выдвига-
ются особенно высокие требования к чустви-
тельности. Понижать шумовую температуру
следует до уровня
Тш~ (О.З...О.5)(ГШ. афу+ Тш внешн.Х
где Тш Афу — шумовая температура антенно-
фидерного устройства; Гш внешн. — шумовая
температура внешних источников. При этом
реальная чувствительность и отношение
(С/Ш)вх определяются в основном антенной.
УСЧ СВЧ приемников — см. ст. 11.6.
Шумы преселектора (ПрС) в основном
определяют шумы РПрУ и его реальную чув-
ствительность. Чтобы показать это, обратимся
к коэффициенту шума приемника [1]
Шпр=Шву+[(Шусч-1)/КрВУ]+
+[(Ш
см -1)/(КрВУКр
усч)]+--->
где Шву, Шусч, Шсм — коэффициенты шума
входного устройства (ВУ), УСЧ, смесителя,
А?рВу, Кр усч — их коэффициенты передачи по
мощности соответственно.
В приемниках высокой чувствительности
принимают Кр усч = 20.. .30 дБ для того, чтобы
усилить входной сигнал до того, как он «пото-
нет» в шумах смесителя (ШСм >>х Шусч). Бла-
годаря этому в выражении (4) можно ограни-
читься первыми двумя членами Шпр = ШПрс>
где ШПрс — коэффициент шума преселектора.
Для его определения рассмотрим шумовую эк-
вивалентную схему (Рис. 17.80, л), где генера-
торы шумовых токов приведены ко входу АЭ
УСЧ (точки А, В на Рис. 17.80, б):
дисперсия шума контура
!'шк ,GK =GK/n2,
GK=l/R0,R0=Qp-,
448
РАДИОТЕХНИКА
17.31. ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА
дисперсия шума антенны
^ш.А = 4£ТПэф(7д, (7а = вн к п.2 ,
^А.вн.к ~ Га.вн Р ’ Га..вн “ ^а)гА»
дисперсия шума АЭ (транзистора)
=4Ш1эф(б7А +Ск)(Шаэ -1), (7)
где Пэф — эффективная шумовая ПП приемни-
ка; гА вн, 6д.вн.к — сопротивление и проводи-
мость, которые вносятся в контур антенной це-
пью; Q, р = (ОоЛ<> Л» GK — параметры ненагру-
женного контура; ZA — комплексное сопротив-
ление антенной цепи; ШАЭ — коэффициент
шума АЭ; бд(7к, — проводимости, приведен-
ные ко входу АЭ.
Коэффициент шума ПрС определяется
отношением мощности шума, приведенной
ко входу АЭ, к мощности шума идеального
ПрС, которым усиливаются только шумы ан-
тенны:
ШПрс=(^7+^+^?)/^7- (8)
После подстановки (5)—(7) в (8) и ряда
преобразований получим
ШПр=ШПрС=ШАЭ[1+(*Св.опт *св.ш)2], (9)
где ксъ опт — связь антенны с контуром, при ко-
торой на входе АЭ выделяется максимальная
мощность [2]; &Свш — степень связи, которая
минимизирует шум.
Как следует из (9), для минимизации шумов
ПрС связь должна быть существенно увеличе-
на относительно оптимальной: &свш ~ З^онт-
Однако при этом вследствие рассогласования
нарушается режим бегущей волны (появляют-
ся искажения типа «фидерного эха») и теряют-
ся избирательные свойства ПрС. Поэтому
обычно принимают &св ш = &Св.опт> откуда
Шпр =ШПрС = 2Ш АЭ. (10)
Коэффициент шума АЭ, в свою очередь,
может быть минимизирован (ШАЭ = ШАЭтт) за
счет выбора режима работы прибора, а также
согласования проводимости источника, приве-
денной ко входу АЭ, с оптимальной входной
проводимостью АЭ: GkA/«2 = ^аэ.вх.опт, где
GK А — проводимость контура, нагруженного
антенной цепью.
Исходя из (10) выбирают первый АЭ при-
емника по условию Шдэ < Шпр /2, где коэффи-
циент шума приемника Шпр находят из выра-
жения реальной чувствительности ЕА р =
= 1.25-10-1оуА/ПэфШпрГд (см. ст. 17.31). При
Шпр < 2 исходят из выражения Шпр = ШАЭ[1 +
+ (^св.опт/^св.ш) ]> полагая ^св.ш > ^св.опт*
Как следует из (10), коэффициент шума
приемника при правильном выборе связей оп-
ределяется коэффициентом ШАЭ. Шумы АЭ
рассмотрены в ст. 29.14. Лучшие результаты
обеспечивают транзисторные усилители на
ПТБШ, позволяющие получить на неохлаждае-
мом приборе Шдэ = 0.6.. .3 дБ (Тш = 50.. .300 К),
которые практически вытеснили параметриче-
ские усилители. Наиболее перспективными яв-
ляются транзисторы с высокой подвижностью
электронов (НЕМТ).
17.31. ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИО-
ПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА можно под-
разделить на три группы: основные характери-
стики РПрУ как четырехполюсника (АЧХ,
ФЧХ, ПХ) — см. ст. 23.11; характеристики,
совпадающие с характеристиками устройств
аналоговой обработки сигналов (см. ст. 24.24);
характеристики собственно приемника, кото-
рые рассматриваются далее.
АЧХ линейного тракта приема (ЛТП —
додетекторного тракта) показана на Рис. 17.81, а.
Количественно она оценивается: полосой П при
заданной неравномерности оп; избирательнос-
тью при заданной расстройке Од/; коэффициен-
том прямоугольное™ по заданному уровню ос-
лабления кпра (см. ст 24.24); шумовой (эффек-
тивной, энергетической) полосой пропускания
Пэф (см. ст. 17.32 и Рис. 17.81, б). На Рис. 17.81, в
показано формирование АЧХ ЛТП (1) на основе
АЧХ УПЧ (2) и АЧХ преселектора ПрС (3):
^лтп(/) = ^прс(/Жупч(/)- Из рисунка следует,
что АЧХ линейного тракта приема в основном
определяется более узкополосным трактом ПЧ.
Поскольку ПП ЛТП должна обеспечивать
качественный прием, ее выбирают более ши-
рокой, чем спектр сигнала AFC. Учитывая воз-
можные доплеровские сдвиги частоты сигнала
и нестабильности, имеем
П = AFC + 2(Д/д + ДГНСТ)(1 - Лплз)/Лапч, (1)
где доплеровский сдвиг (см. ст. 1.9) Д/д =
= (yp/c)fc, а общая нестабильность частоты
=Д/Г )2 +(8С/С)2 +(8П/ПЧ )2 +(8нстр/с )2.
(2)
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
449
15-2959
17.31. ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА
ранения радиоволн; 8Г и 6С — относительные
нестабильности частоты гетеродина и сигнала;
8П — относительная нестабильность средней
частоты ПП линейного тракта; 8нстр — относи-
тельная неточность настройки; &АПЧ — коэф-
фициент автоподстройки частоты; &плз — ко-
эффициент, показывающий, какую часть не-
стабильности пользователь (оператор) предпо-
лагает устранить самостоятельно за счет под-
стройки приемника в ходе его эксплуатации.
Верность воспроизведения сообщения —
способность приемника при отсутствии внеш-
них помех воссоздавать на выходе с заданной
точностью закон модуляции входного сигнала.
При этом различают линейные и нелинейные
искажения.
Линейные искажения обусловлены инерци-
онностью элементов приемного тракта и не со-
провождаются появлением в спектре сигнала
новых составляющих. Подразделяются на амп-
литудные и фазовые искажения; первые прояв-
ляются в изменении соотношения амплитуд
спектральных составляющих, вторые — в из-
менении времени запаздывания этих составля-
ющих. Амплитудные искажения приемника
оценивают характеристикой (кривой) вернос-
ти — частотной характеристикой всего (сквоз-
ного) тракта приема по напряжению или по ко-
нечному результату, для приемников звуковых
программ по звуковому давлению 'P(F) — см.
Рис. 17.82, а, б, кривые 4 и 2 соответственно.
Характеристика верности по напряжению яв-
ляется нормированной зависимостью выходно-
го напряжения от частоты модуляции входного
сигнала М = £/Вых/Ц»ых.ст = 9(70 ПРИ условии
точной настройки приемника на частоту сигна-
ла/. =Уо> постоянной амплитуде (7BXw0 и глуби-
не модуляции т = 0.3 входного сигнала, где
^вых.ст — стандартное выходное напряжение
на частоте 1кГц (см. далее — выходная
мощность РПрУ). На Рис. 17.82, б обозначены
коэффициенты неравномерности характерис-
тики верности на верхней и нижней границах
диапазона воспроизводимых частот модуляции
Мв — ^выхт/^вых^ег и А/н — t/BbixFH/ ^вых/vr* Харак-
теристика верности формируется перемноже-
нием АЧХ ЛТП \l<s(f - fo) (кривая 1) и АЧХ уси-
лителя частоты модуляции A/y4M(F) (кривая 3):
А/в ~ (1/Фдгс) + ^учм.в> Мн = Муцм н. Необходи-
мо подчеркнуть, что характеристику A/y4M(F)
снимают в положениях регуляторов тембра,
Рис. 17.82
450
РАДИОТЕХНИКА
17.31. ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА
обеспечивающих подъем нижних и верхних
звуковых частот. Спад АЧХ в области обус-
ловлен межкаскадными конденсаторами или
трансформаторами УЧМ; спад на верхних час-
тотах FB — шунтирующим действием емкост-
ных элементов УЧМ и ограниченностью ПП
ЛТП. Характеристика 4 не учитывает ампли-
тудных искажений, которые вносит оконечное
устройство (ОУ) приемника. Для их оценки в
качестве примера изображена характеристика
верности по звуковому давлению радиовеща-
тельного приемника (кривая 2). Акустическая
природа ОУ (громкоговорителя) приводит к ти-
пичной многорезонансности характеристики.
Нелинейные искажения тракта приема оце-
нивают как искажения формы сообщения —
выходного напряжения или звукового давления
при номинальной выходной мощности на ОУ и
подаче на вход точно настроенного приемника
тонально модулированного сигнала с глубиной
модуляции т = 0.8. Искажения оценивают коэф-
фициентом гармоник кг = + ••• /^1 или
коэффициентом нелинейных искажений &ни =
= V + U23 + ... / VC7? + U22 + U23 + ..., где t7, —
эффективное значение соответствующих
гармонических составляющих частоты моду-
ляции.
Линейные, нелинейные, частотные, фазо-
вые и переходные искажения рассмотрены в ст.
24.24. При слуховом приеме важными являют-
ся амплитудные и нелинейные искажения, при
визуальном и, в частности, ТВ приеме — так-
же фазовые и переходные искажения.
Выходная мощность РПрУ — мощность
колебаний в оконечном устройстве (ОУ) при-
емника. Выделяют три вида В. м. приемников.
Номинальная выходная мощность Рвых ном —
установленное для приемников данного типа
(группы сложности) значение В. м., при кото-
ром обеспечиваются их основные качествен-
ные показатели (для радиовещательных при-
емников — коэффициент гармоник и среднее
звуковое давление); отвечает максимально до-
пустимой модуляции входного сигнала, как
правило, т = 0.8. Нормальная выходная мощ-
ность Рвых НОрМ — 0. I/^bwx ном> соответствует
30% модуляции входного сигнала. Стандарт-
ная выходная мощность Рвых сг = 50 мВт соот-
ветствует среднестатистической мощности,
воспринимаемой на слух, близка* к Рвых норм;
установлена для всех групп сложности радио-
вещательных приемников, кроме карманных,
что позволяет сравнивать разнотипные РПрУ.
Соответственно выходной мощности различа-
ют номинальное, нормальное и стандартное
выходные напряжения приемников UBblx... =
= VPBbIx... Zoy, где ZOy — комплексное сопро-
тивление ОУ
Диапазон рабочих частот — интервал ча-
стот настройки приемника, в границах которо-
го обеспечиваются его основные характерис-
тики. При плавной перестройке Д. р. ч. задают
предельными частотами Уотт—Уотах- Относи-
тельный Д. р. ч. оценивают коэффициентом пе-
рекрытия ^пер “'Уотах'Уотпг
Динамический диапазон РПрУ — отно-
шение напряжения входного сигнала, макси-
мально допустимого с точки зрения нелиней-
ных искажений, возникающих в результате пе-
регрузки линейного тракта приема, к чувстви-
тельности: D = 201g(f7Bxaon/£’A)- Во избежание
перегрузок должно быть обеспечено неравен-
ство £>рпру Do, где Do — динамический диа-
пазон входного сигнала. Динамический диапа-
зон приемников различных типов составляет
40...80 дБ.
Избирательность РПрУ — способность
приемника выделить полезный сигнал из его
смеси с помехой. И. основывается на исполь-
зовании характерных отличий сигнала от по-
мехи, в зависимости от которых различают из-
бирательность амплитудную, временную, по-
ляризационную, пространственную, функцио-
нальную, частотную и пр.
Избирательность поляризационная —
см. ст. 17.13.
Избирательность пространственная —
см. ст. 17.13.
Избирательность фазовая — см. ст. 17.13.
Применяется также для разделения каналов
при передаче сообщений двум корреспонден-
там на одной НсЧ.
Избирательность амплитудная — спо-
собность приемника выделить полезный сиг-
нал из смеси сигнала и помехи, различающих-
ся по амплитуде. И. а. используют, если ампли-
туда сигнала существенным образом превыша-
ет амплитуду помехи (ограничение снизу), зна-
чительно меньше амплитуды помехи (ограни-
чение сверху) или колеблется вокруг некоторо-
го фиксированного уровня (см. ст. 17.11 ).
Избирательность временная — способ-
ность приемника выделить полезный сигнал из
смеси сигнала и помехи, различающихся по
временным характеристикам. И. в. используют
при приеме импульсных сигналов. Она основа-
на на отличии продолжительности сигнально-
го и мешающего импульсов, их временного по-
Глава 17 РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
451
17.31. ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА
ложения, периода повторения. При приеме
сигналов с точно известным временем прихода
применяют стробирование, когда приемник от-
крывается только на ожидаемое время приема
сигнала. Хорошие результаты дает объедине-
ние И. в. с когерентным или некогерентным
накоплением (см. ст. 17.11, 17.22).
Избирательность частотная — способ-
ность приемника выделить полезный сигнал из
смеси сигнала и помехи, различающихся по ча-
стотно-спектральным характеристикам. И. ч.
является основным видом избирательности,
поскольку в системах связи и радиовещания
сигналы, как правило, различаются по частоте,
а их разделение в приемнике наиболее просто
осуществить с помощью частотно-избиратель-
ных цепей и фильтров. И. ч., которая далее на-
зывается просто избирательностью, делят на
односигнальную (линейную) и многосигналь-
ную (реальную). Односигналъная избиратель-
ность частотная формируется АЧХ линейно-
го тракта приема (ЛТП) без учета нелинейных
явлений в преселекторе (ПрС). Количественно
она определяется отношением уровня входного
сигнала при расстройке, соответствующей час-
тоте помехи, к его заданному уровню на часто-
те точной настройки на сигнал при неизменной
выходной мощности приемника. В зависимос-
ти от расстройки А/ = /п - fc различают такие
виды односигнальной избирательности из-
бирательность по соседнему каналу приема
(СКП) Оскп — И. ч. по помехе, которая имеет
наименьшую возможную в принятой системе
связи расстройку относительно полезного сиг-
нала (для AM радиовещания А/скп = ±9 кГц);
избирательность по побочным каналам приема
(ПбКП), образующимся в результате взаимо-
действия внешней помехи и гетеродина, а так-
же его гармоник (последняя включает избира-
тельность по зеркальному каналу приема
(ЗКП) Озкп,/зкп =/с + 2/пч); избирательность
по побочным каналам на комбинационных час-
тотах гетеродина; избирательность по прямому
каналу приема (ПрКП), образующемуся в ре-
зультате прямого прохождения помехи с часто-
той, равной промежуточной, в тракт ПЧ (Упч>
/пркп =Упч (см. ст. 17.13).
Многосигнальная (реальная) избиратель-
ность характеризует способность приемника
выделить полезный сигнал в реальных услови-
ях при одновременном воздействии сигнала и
помехи. М. и. определяется как избирательны-
ми свойствами ЛТП, так и нелинейными эф-
фектами в нем, основными из которых являют-
ся перекрестная модуляция, блокирование, ин-
термодуляция. Количественно М. и. оценива-
ется отношением уровней одновременно нахо-
дящихся на входе приемника сигналов на од-
ной или нескольких заданных частотах помехи
и на частоте точной настройки приемника при
заданном отношении суммарной мощности со-
ставляющих помехи к мощности полезного
сигнала на выходе приемника.
Указанные виды избирательности иллюст-
рируются характеристикой избирательности
Ф — ^вх(Гп)/^вх(Го) При t/BbIX — £/Вых.ст — Const
(кривая 1 на Рис. 17.83); кривая 2 отображает
избирательность преселектора.
Коэффициент усиления напряжения, ко-
эффициент усиления мощности — см. ст.
24.24.
Коэффициент шума и однозначно связан-
ная с ним шумовая температура — см. ст.
17.31.
Нелинейные эффекты в приемнике —
эффекты, обусловленные нелинейностью АЭ в
тракте приема. Далее описываются способы
количественной оценки Н. э. п.
Блокирование (см. ст. 17.13) оценивается
коэффициентом блокирования &бл — отноше-
нием откликов на полезный сигнал при нали-
чии и отсутствии на входе приемника помехи с
заданой расстройкой, которая обуславливает
блокирование. При рассмотрении отдельного
каскада кбл = ЫтХИтЪ где МтХ — приращение
амплитуды первой гармоники тока АЭ, возни-
кающее при воздействии помехи; 1тХ — амп-
литуда первой гармоники при отсутствии по-
мехи.
Интермодуляционные искажения (см. ст.
17.13) оценивают коэффициентом интермоду-
ляции &инм — отношением отклика, возникаю-
452
РАДИОТЕХНИКА
17.31. ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА
щим й приемнике вследствие интермодуляции,
к заданному отклику на полезный сигнал. При
рассмотрении отдельного каскада &инм =
Ди1комб/Ли1с> где Ли1комб> Ли 1с амплитуды пер-
вой гармоники тока АЭ на комбинационной и
сигнальной частоте.
Интерференционные искажения — «свис-
ты» (см. ст. 17.13) оценивают методом двухсиг-
нальной избирательности (см. ранее); при этом
как заданную принимают частоту мешающего
сигнала, обуславливающего интерференцию.
Нелинейные искажения оценивают коэф-
фициентом гармоник и коэффициентом нели-
нейных искажений (см. ранее).
Перекрестные искажения (см. ст. 17.13)
оценивают коэффициентом перекрестных ис-
кажений — отношением амплитуд первых гар-
моник модулирующих частот помехи и сигна-
ла. &пер — Ля1£2п/Ля1£2с’
Побочный канал приема (см. ст. 17.15) оце-
нивается методом односигнальной избиратель-
ности (см. ранее); при этом как заданную при-
нимают, частоту побочного канала приема.
Помехозащищенность — см. ст. 1.11.
Помехоустойчивость — см. ст. 1.12.
Чувствительность РПрУ — способность
приемника принимать слабые сигналы. Для ее
количественной оценки вводят три понятия.
Чувствительность, ограниченная усилением,
или просто чувствительность, определяется
минимальным уровнем входного сигнала в эк-
виваленте антенны ЕА (мощности РА для СВЧ
приемников) или напряженности поля этого
сигнала ЕП в месте приема (в случае использо-
вания магнитных или штыревых антенн), не-
обходимым для получения заданного уровня
выходного сигнала. Последний понимают как
уровень, обеспечивающий Нормальное функ-
ционирование оконечного устройства (ОУ):
для радиовещательных приемников стандарт-
ная выходная мощность Рвых ст = 50 мВт,
^выхст =\^Ь1ХСТ^ОУ •
В качестве входного принимают нормально
модулированный сигнал: при радиовещании —
это сигнал с AM т = 0.3, а при ЧМ — сигнал с
девиацией &fm = 15 кГц и частотой модуляции F
= 1 кГц. При этом приемник должен быть точ-
но настроен на частоту сигнала при максималь-
ном усилении и минимальной ПП. Чувстви-
тельность приемника определяют по формуле
Ед = ^вых С1/(/и/Г0 лтп^гЛучм)»
где ^олтп> Кучм — коэффициенты усиле-
ния линейного тракта приема (ЛТП), детекто-
ра, усилителя частоты модуляции.
Чувствительность, ограниченная шумами,
или реальная чувствительность, определяется
минимальным уровнем входного сигнала при
заданном отношении (С/Ш)вых и заданном
уровне выходного сигнала (см. чувствитель-
ность, ограниченную усилением).Чувстви-
тельность, ограниченную шумами, определя-
ют при отсутствии внешних помех. Ее выраже-
ние при стандартной температуре Го = 300 К
имеет вид
£Ар =1.25 Ю-10Уа/ПэФЛаШпр , (3)
где Пэф — эффективная (шумовая) ПП прием-
ника; ЁА — сопротивление эквивалента антен-
ны (50... 100 Ом); Шпр — коэффициент шума
приемника; у — отношение С/Ш на выходе
ЛТП (входе детектора).
Величину у можно определить через задан-
ное отношение С/Ш на выходе приемника увых,
которое обеспечивает верность воспроизведе-
ния сообщения:
У=Увых •](к2+т2)Пучм/т2П^, (4)
где кП — пик-фактор (отношение максимально-
го значения напряжения сообщения к средне-
квадратическому); т — коэффициент модуля-
ции, Пучм = l.lFmax — ПП усилителя частоты
модуляции.
Для бытовых радиоприемников увых = 10,
для профессиональной радиоаппаратуры в за-
висимости от требуемого качества работы
Увых = 2... 10. При синусоидальных сигналах
сообщения кП = ^2 , в случае приема телефон-
ных сигналов кп = 3.
Исходя из (4) для приемников AM сигна-
лов у = уВых/^; для приемников ЧМ сигналов
У = Увыхп у1 ПуЧМ /Пэф /л/з,
где = &fm/Fmax — индекс ЧМ.
Для бытовой радиоаппаратуры ЕА р =
= 1...100 мкВ, для профессиональной — ре-
кордный результат при дальней космической
радиосвязи составляет РА = 10-23 Вт. Если при-
ем ведут на магнитную антенну, то реальная
чувствительность при стандартной температу-
ре То = 300 К
£а.р =1.25-10’10(у/йд \/ПэфЯкШПРЧ , (5)
Глава 17. РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
453
17.31. ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА
где Лд — действующая высота антенны; 7?к —
сопротивление входного контура.
Пороговая (предельная) чувствитель-
ность — чувствительность, ограниченная шу-
мами, при отношении у = 1. Пороговая чувст-
вительность равна ЭДС ЕАр или мощности
РА р сигнала в антенне, при которых на выходе
ЛТП мощность сигнала соответствует мощно-
сти внутренних шумов. Пороговую чувстви-
тельность можно охарактеризовать коэффици-
ентом шума приемника Шпр, равным отноше-
нию мощности шумов, образованных на выхо-
де ЛТП эквивалентом антенны и линейной ча-
стью приемника, к мощности шумов, образо-
ванных только эквивалентом антенны:
^А.пор = ШПрЩПэф. (6)
Из (6) следует, что мощность сигнала, со-
ответствующую пороговой чувствительности
и отнесенную к единице ПП, можно выразить
в единицах кТ0:
РА пор/Пэф = Шпр(^Т0),
где к — коэффициент Больцмана.
Пороговую чувствительность можно также
выразить через шумовую температуру прием-
ника Тш пр, до которой нужно дополнительно
«нагреть» эквивалент антенны Т?А, чтобы на вы-
ходе ЛТП получить мощность шумов, равную
мощности шумов линейной части приемника:
Гш пр = Г0(Шпр - 1).
Приведенное определение чувствительнос-
ти справедливо тогда, когда внешними помеха-
ми радиоприема можно пренебречь. В отдель-
ных случаях (например, для радиосистем спе-
циального назначения), когда сделанное пред-
положение не соответствует реальным услови-
ям эксплуатации, вводят понятие эффектив-
ной чувствительности, которое учитывает как
внутренние, так и внешние помехи:
=у7(4^оШпрЛа +5п2Лд2)Пш,
где ЕП — напряженность поля помех; Лд — дей-
ствующая высота антенны.
Кроме общих, существует несколько спе-
циальных определений чувствительности.
Так, для приема импульсных сигналов вво-
дят понятие тангенциальной чувствительно-
сти — минимальной мощности сигнала, при
которой на экране осциллографа можно на-
блюдать совпадение верхней границы шумо-
вой полосы при отсутствии СВЧ сигнала с ее
нижней границей при его наличии (пример-
но на 4 дБ ниже пороговой чувствительнос-
ти). ТВ приемники характеризуют чувстви-
тельностью, ограниченной синхронизацией
— наибольшей мощностью входного сигна-
ла, при которой начинается срыв синхрони-
зации развертки телевизора.
Электромагнитная совместимость при-
емника определяется общими положениями
ЭМС (см. ст. 1.21). Применительно к приемни-
ку ЭМС характеризуют двумя группами пока-
зателей, определяющих способность:
— точно воспроизводить сообщения при
наличии помех, создаваемых другими РЭС (ча-
стотная, фазовая, амплитудная, временная,
пространственная, поляризационная избира-
тельности; линейность ЛТП, время последей-
ствия помехи и т.п.);
— не создавать помех другим РЭС (излуче-
ние гетеродина через антенну, корпус, монтаж,
цепи питания, управления; помехи разверток,
вторичных ИП и пр.).
17.32. ШУМЫ РПрУ — внутренние шу-
мы (Ш), возникающие в элементах приемни-
ка с активным сопротивлением (резисторах,
фильтрах, линиях передачи) и АЭ, работа ко-
торых связана с управляемыми потоками но-
сителей заряда. По своей природе — это
флуктуационные процессы (см. ст. 1.10),
обусловленные дискретным строением ве-
щества и статистическим характером явле-
ний, которые в нем происходят, вследствие
чего внутренние Ш. принципиально неустра-
нимы. К таким явлениям относятся: хаотиче-
ское тепловое движение носителей заряда
(тепловой ILL); неравномерность эмиссии,
случайный характер токораспределения
между электродами, процессы рекомбинации
и ионизации (дробовой Ш.); НЧ процессы ге-
нерации и рекомбинации носителей заряда в
приповерхностной и приконтактной облас-
тях (фликкер-Ш.). Ш. являются основной
причиной ограничения реальной чувстви-
тельности РПрУ (см. ст. 17.31). При этом
прежде всего сказываются шумы входных
устройств и УСЧ, поскольку они усиливают-
ся всеми последующими каскадами прием-
ника. Внутренние Ш. при слуховом приеме
проявляются в виде шипения и беспорядоч-
ного треска, а при визуальном — в виде хао-
тических световых точек.
454
РАДИОТЕХНИКА
17.32. ШУМЫ РПрУ
Коэффициент шума — параметр, который
позволяет оценить относительный уровень
внутренних Ш. устройства. Коэффициент шу-
ма четырехполюсника определяется отноше-
нием мощности Ш. на его выходе к мощности
Ш. идеального четырехполюсника, который
сам не создает шума, а только усиливает UL,
поступающие на его вход:
откуда
Ш = РВЬ1ХШ/(КрРвхш). (2)
Поскольку коэффициент усиления мощно-
сти четырехполюсника Кр = Рвых С/Рвх с, выра-
жение (2) может быть приведено к виду
П1 — (^вых с'^вых шУС^вх с/^вх ш) “ /о\
= (С/Ш)ВЫХ/(С/Ш)ВХ . w
Как следует из (2), коэффициент шума за-
висит от шумовых свойств источника и потому
не является объективной мерой шумовых
свойств четырехполюсника. Для учета этого
температурные источники стандартизируют,
полагая Т = 300 К. Коэффициент шума, как
правило, выражают в децибелах.
Коэффициент шума четырехполюсника
пассивного Ш = v!Kp, где v — коэффициент
рассогласования; вызывает практический ин-
терес случай, когда v = 1, например, в прием-
нике источник сигнала (антенну) часто подсое-
диняют через антенный фидер, согласованный
на входе и выходе. При этом Ш = \/Кр опт, отку-
да следует, что чем больше коэффициент пере-
дачи пассивного четырехполюсника, тем мень-
ше его коэффициент шума.
Коэффициент шума усилителя избира-
тельного рассмотрим на примере самого важ-
ного, по соображениям минимизации шумов
приемника, первого после ВУ избирательного
усилителя (см. ст. 17.30). В общем случае, ког-
да избирательный усилитель работает от про-
извольного источника, необходимо цепь экви-
валентной шумовой схемы (см. Рис. 17.80, а),
выделенную штриховой линией, заменить ге-
нератором шумового тока источника /'2Ш.ИСТ =
= 4ЛТ1Эф7Х7 ист, где проводимость источника,
приведенная ко входу АЭ, G ист= СИСТп2/п22, а
коэффициенты трансформации п} = (7ИСТ/(7К,
п2 = UAB/UK. При этом исходя из общего опре-
деления коэффициента шума
Ш = (Лв ист +Аи к +Аи АЭ )^ш ист =
7 (4)
=[1+<7к/(л12(7ист)]Шаэ,
где ШАЭ — коэффициент шума АЭ.
Как следует из (4), минимизация коэффи-
циента шума избирательного усилителя дости-
гается выбором степени связи на входе пх и
уменьшением ШАЭ. Значение п} часто выбира-
ют исходя из условия согласования по мощно-
сти G ист = G к+ СгАЭвх, что, отмечено в ст.
17.30, не является оптимальным по шумам уси-
лителя и1ш > и 1опт.Транзистор выбирают по
критерию 6ВХ7?Ш = (GBX7?m)min, где шумовое со-
противление транзистора 7?ш = 20Л21/э/|^21|2,
У21 — крутизна характеристики транзистора,
Л21 — коэффициент усиления по току, 1Э — по-
стоянный ток эмиттера. Поэтому в первых кас-
кадах приемника лучше использовать ПТ, чем
БТ. Уменьшение коэффициента шума усили-
тельного прибора ШАЭ достигают согласовани-
ем проводимости генератора, от которого рабо-
тает АЭ, с оптимальной (паспортной) входной
проводимостью прибора: GK псу1п2 = <7АЭвх.опт,
где GK ист — проводимость контура, нагружен-
ного источником сигнала. Кроме того, миними-
зация коэффициента ШАЭ может быть достиг-
нута установлением малошумящего режима по
постоянному току (для БТ /э = 1.. .3 мА). Коэф-
фициент шума АЭ зависит также от частоты.
Его повышение на нижних частотах обусловле-
но фликкер-шумами, в области средних частот
коэффициент шума не зависит от частоты (дро-
бовые и тепловые шумы), его увеличение на
ВЧ связано с возрастанием шумов перераспре-
деления токов электронного прибора.
Коэффициент шума многокаскадного уси-
лителя определяется выражением
Ш = Ш1 + [(Ш2-1)/Хр1]+ ...
+ [(Шз-1Жр1/Ср2)] + ..., w
где HI,, Kpi — коэффициенты шума и усиления
мощности z-ro каскада.
Как видно из (5), наибольшее значение име-
ют шумы первых каскадов. При этом важны не
только шумовые, но и усилительные свойства
каскада; поэтому последний характеризуют
шумовым числом М = (Ш - 1)/(1 - XIКр). Чем
меньше Л/, тем эффективнее использование ка-
скада с точки зрения общего снижения шумов.
Выражение (5) получено в предположении со-
гласования входных и выходных сопротивле-
ний смежных каскадов.
Глава 17 РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
455
17.32. ШУМЫ РПрУ
Коэффициент шума РПрУ находят по (5);
применительно к супергетеродинному прием-
нику
Шрпру = Шву + [(ШУСч - 1Жр.ву] + /г\
+ [(Шсм - 1 )/(Кр вуКр усч)] + • • • , W
где Кр Ву, Кр усч — коэффициенты передачи
мощности входного устройства и УСЧ соот-
ветственно.
Как следует из (6), коэффициент шума при-
емника в основном определяется преселекто-
ром, шумы которого рассмотрены в ст. 17.30.
Преобладающий вклад шумов преселектора
связан с тем, что они усиливаются всеми по-
следующими каскадами РПрУ. Для того чтобы
отсечь шумы смесителя, которые существенно
превышают шумы УСЧ, в приемниках с высо-
кой реальной чувствительностью применяют
УСЧ с Кр = 20...30 дБ.
Тепловые шумы — шумы, создаваемые
тепловыми флуктуациями электронов, возни-
кающими в цепях, имеющих омическое сопро-
тивление, при температуре Т, отличной от аб-
солютного нуля. Скорость хаотического тепло-
вого движения электронов значительно превы-
шает скорость их направленного движения в
проводнике в случае приложения внешней
ЭДС; поэтому интенсивность Т. ш. практичес-
ки не зависит от силы тока, протекающего че-
рез проводник. ЭДС шумов можно рассматри-
вать как сумму импульсов, которые хаотически
следуют один за другим с чрезвычайно малой
продолжительностью — порядка 10“15 с.
Вследствие этого Т. ш. можно рассматривать
как случайный флуктуационный процесс —
белый шум, энергетический спектр которого
не зависит от частоты.
При анализе шумящих цепей их изобража-
ют генераторами шумовых ЭДС (Рис. 17.84, а)
или токов (Рис. 17.84, б), включенных после-
довательно (параллельно) с идеальным нешу-
мящим сопротивлением R (проводимостью G
= 1/7?). Средний квадрат ЭДС шумов определя-
ют по формуле Найквиста
£^=4Ш1эфЯ; (7)
соответственно средний квадрат шумового тока
7^=4*7TI^G, (8)
где к = 1.38-10’23 Дж/К — постоянная Больц-
мана; Т — абсолютная температура цепи;
Пэф — эффективная (шумовая) полоса частот,
в кбторой измеряется ЭДС шумов; R — актив-
ное сопротивление цепи.
Шумы связаны лишь с активным сопротив-
лением, поскольку реактивные составляющие
обусловлены магнитными и электрическими
полями, в которых флуктуации потока электро-
нов отсутствуют. Дуальные схемы замещения
равноправны. Источник ЭДС целесообразно
использовать при анализе цепей с последова-
тельным включением шумящих элементов, а
источник тока — с параллельным. Шумящее
сопротивление отдает согласованной нагрузке
R = RH максимальную мощность шума
Лишах = + =^ш/?/(47?) = £7Пэф.
Шумы резисторов включают тепловые и
токовые шумы. Тепловые шумы резисторов с
сопротивлением R описывают эквивалентной
шумовой схемой Рис. 17.84, а, б и выражения-
ми (7), (8), где Пэф — ПП устройства, располо-
женного после резистора. Эти шумы, как ска-
зано ранее, не зависят от протекающего через
них тока и приложенного напряжения. Токо-
вые шумы непроволочных резисторов обус-
ловлены флуктуациями контактных сопротив-
лений между проводящими частичками и не-
однородностями резистивного элемента; они
зависят от напряжения, приложенного к резис-
тору. Токовые шумы сильно выражены в тонко-
пленочных и композиционных резисторах.
Шумы колебательного контура — шумы,
обусловленные сопротивлением потерь конту-
ра RK, в основном сопротивлением индуктив-
ной ветви (Рис. 17.84, в). Напряжение шумов
на параллельном контуре в Q раз больше ЭДС
шума сопротивления потерь контура 7?к, т.е.
(9)
где 7?0 = g^LkIRk — эквивалентное активное
резонансное сопротивление контура; Пэф —
ПП цепей, включенных после контура, которая
в общем случае намного меньше его ПП.
456
РАДИОТЕХНИКА
17.32. ШУМЫ РПрУ
Шумы антенны приемника включают теп-
ловые Ш., обусловленные сопротивлением по-
терь антенны RAn, и шумы, возникающие
вследствие приема излучения космоса, атмо-
сферы и Земли:
= 4Шэф(ТЛАп +7^^), (Ю)
где Т — температура среды, которая окружает
антенну; T?AZ — сопротивление излучения ан-
тенны; Тш А — шумовая температура антенны,
определяемая как эквивалентная температура,
при которой шумы сопротивления RA% имеют
ту же мощность, что и принятые шумы излуче-
ния космоса, атмосферы и Земли.
Очевидно, ГшА зависит от ДН приемной
антенны, ее ориентации в пространстве и ярко-
стной температуры внешних источников. По-
этому, если боковые лепестки несущественны,
при ориентировке антенны в зенит в направле-
нии, где нет локальных источников космичес-
кого излучения, Тш А = 5... 10 К, а при направ-
лении на Землю ГшА = 300 К. При условии
^ах>>^аП5 что соответствует действительности,
^ш.А = ^Пэф^ш.А^А, где ПЭф—ПП приемника,
Ra = Ras + Rah ~ Raz-
Шумы диодов — см. ст. 29.14.
Шумовая полоса (энергетическая или
эффективная полоса) Пэф — полоса, которую
используют для оценки шумовых воздейст-
вий:
.оо 00
Пэф=(1/Ко2)[ |^2(<о)р<о=(1/АГР0)| KP(a)da, (11)
о о
где Кр — коэффициент усиления по мощности;
Kq = К((йоУ, Кро = Кр((По).
Формула (11) проиллюстрирована на Рис.
17.81, б. Между полосами пропускания П^ и
По 7 для характерных видов (моделей) избира-
тельных систем приемника [см. выражения
(2).. .(4) в ст. 17.11] существует следующая связь:
П для идеального ПФ;
1.065 П для гауссовского ПФ;
(л 2) П для одиночного
резонансного контура.
Шумовая температура — параметр, кото-
рый характеризует внутренние шумы устрой-
ства, приведенные к его входу. Шумовая тем-
пература четырехполюсника — температура,
до которой нужно дополнительно «нагреть»
активную составляющую сопротивления (про-
водимости) источника сигнала, имеющего
стандартную температуру TQ = 300 К, для по-
лучения на выходе идеального (не создающего
шума) четырехполюсника мощности шума ре-
ального четырехполюсника. Коэффициент шу-
ма и Ш. т. отображают одни и те же шумовые
свойства четырехполюсника и связаны между
собою соотношением
Тш=Т0(Ш-1). (12)
Оценка шумов малошумящих усилителей
(Ш —> 1) с помощью Ш. т. нагляднее. Кроме то-
го, ее удобно объединять с Ш. т. внешних ис-
точников.
Шумовую температуру усилителя много-
каскадного при условии согласования каскадов
находят по формуле
Тш=ТшХ+Тш21КрХ + Тш31(КрХКр2)^..., (13)
где Гш;, Kpi — шумовая температура и коэффи-
циент передачи мощности z-ro каскада.
Эта формула подобна формуле (5). Как сле-
дует из (13), наибольшее значение имеют шу-
мы первых каскадов усилителя.
Шумовая температура приемника опреде-
ляется по формуле (13), которая применитель-
но к супергетеродинному приемнику принима-
ет вид
Гш “ Г(1 - Т|ф)/ Т|ф + Лп.УСч/Г|ф + /1
+ Лп.Прч/СЛф^рУСч)»
где Т — температура окружающей среды;
Тш.усч, Тш.прч — шумовая температура УСЧ и
ПрЧ соответственно; КрУСЧ — коэффициент
передачи мощности УСЧ; Т|ф — КПД антенны
и фидерной линии. Как видно из формулы
(14), для снижения шумовой температуры при-
емника нужно уменьшать шумовую температу-
ру УСЧ и повышать коэффициент передачи
мощности антенно-фидерного устройства, ко-
торый для согласованного фидера определяет-
ся выражением Кр$ = т|ф ~ al, где а — погон-
ное затухание фидера, Z — его длина.
Шумы транзисторов — см. ст. 29.14.
Глава 17 РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА
457
ГЛАВА 17
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Радиоприемные устройства / Под ред. А.П. Жуковского. — М.: Высш, шк., 1989. — 342 с.
2. Справочник по учебному проектированию приемно-усилительных устройств / Под ред. М.К.
Белкина. — К.: Высш, шк., 1988. — 471 с.
3. Головин А.В. Радиоприемные устройства. — М.: Высш, шк., 1987. — 440 с.
4. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. — М.: Радио и связь, 1986. —
446 с.
5. Справочник по радиоэлектронным системам / Под ред. Б.Х. Кривицкого. — М.: Энергия,
1979. —Т. 2. —367 с.
6. Кононович Л.М. Современный радиовещательный приемник. — М.: Радио и связь, 1986. —
144 с.
7. Радиоприемные устройства / Под ред. Л.Г. Барулина. — М.: Радио и связь, 1984. — 271 с.
8. Помехоустойчивость типового тракта обнаружения сигналов / Н.Г. Гаткин, В.А. Геранин,
М.И. Карновский, Л.Г. Красный. — К.: Техшка, 1971. — 203 с.
9. Буга Н.Н., Фалько А.И., Чистяков Н.И. Радиоприемные устройства / Под ред. Н.И. Чистяко-
ва. — М.: Радио и связь, 1986. — 320 с.
10. Бакулев П.А., Степин В.М. Методы и устройства селекции движущихся целей. — М.: Ра-
дио и связь, 1986. — 286 с.
11. Гуткин Л.С., Лебедев В.Л., Сифоров В.И. Радиоприемные устройства. — М.: Сов. радио,
1961. —Т. 1. —703 с.
12. Палшков В.В. Радиоприемные устройства. — М.: Радио и связь, 1984. — 392 с.
13. Богданович Б.М. Радиоприемные устройства с большим динамическим диапазоном. — М.,
1984. — 176 с.
14. Проектирование радиоприемных устройств / Под ред. А.П. Сиверса. — М.: Сов. радио,
1976.— 486 с.
15. Радионавигационные системы летательных аппаратов / Под ред. П.С. Давыдова. — М.:
Транспорт, 1980. — 448 с.
16. Розанов Б.А., Розанов С.Б. Приемники миллиметровых волн. — М.: Радио и связь, 1989. —
169 с.
17. Сверхрегенераторы / Под ред. М.К. Белкина. — М.: Радио и связь, 1983. — 248 с.
458
РАДИОТЕХНИКА
ГПДВД 18
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
• Радиотехническая система —
совокупность радиотехнических устройств,
необходимых для выполнения
определенной задачи.
• Система решает все.
• Ne quid nimis — ничего лишнего.
• Первый радиотелескоп
(К. Янский, США, 1931 г.).
• Начало работ по радиолокации в СССР,
США, Англии, Германии — 1933—1934 гг.
• В январе 1934 г. вблизи гребного порта
Ленинграда с помощью радиолокатора был
впервые выявлен гидросамолет
на расстоянии 700 м и высоте 150 м
(непрерывные колебания, X = 50 см,
диаметр антенны — 2м).
• Первые радиопеленгаторы,
курсовые радиомаяки,
радиополукомпасы —
середина 30-х годов.
• Система дальней радионавигации
«Лоран» (США, 1942 г.).
• Запуски первых пассивного («Луна-1»)
и активного («Курьер-16»)
спутников связи (США, 1960 г.).
Радиотехническая система характеризуется
тем, что в ней основные функциональные опера-
ции выполняют радиоэлектронные устройства.
В зависимости от функционального назначения
РТС делят на следующие классы: РТС передачи
информации, РТС извлечения информации, РТС
противодействия, РТС управления и комбиниро-
ванные (см. ст. 1.17). По функциональной слож-
ности различают такие уровни разукрупнения
РЭС: радиотехническое устройство, радиотехни-
ческий комплекс и радиотехническая система.
Радиотехническое устройство — функциональ-
но законченная сборочная единица, реализую-
щая прием, передачу и преобразование сигналов.
РТС — совокупность функционально связанных
устройств, предназначенных для передачи, из-
влечения, обработки и накопления информации с
использованием радиоволн. Большая РТС — со-
вокупность функционально связанных РТС, ко-
торые решают общую задачу. К большим РТС
можно отнести системы спутниковой радиосвя-
зи, радиоэлектронную систему контроля и уп-
равления воздушным движением, систему про-
тивовоздушной обороны государства или района
и т.п. Радиокомплекс — составная часть большой
РТС, имеющая в своем составе РТС более низко-
го иерархического уровня или радиоустройства.
Например, спутниковая система связи, обеспечи-
вающая связь между наземными пунктами, со-
стоит из наземного и бортового, размещенного
на ИСЗ, радиокомплексов.
По характеру используемых сообщений
различают непрерывные (аналоговые), им-
пульсные и цифровые системы. РТС работа-
ют в диапазоне частот от единиц килогерц до
сотен гигагерц. Указанная классификация
позволяет выявить особенности построения
РТС и учесть их во время проектирования,
производства и эксплуатации систем.
Порядок изучения статей главы — произ-
вольный.
Глава 18 РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
459
18.1. ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ЦЕЛИ
18.1. ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ДВИ-
ЖЕНИЯ ЦЕЛИ предусматривает ее разложе-
ние на радиальную Кр, направленную по линии
РЛС — цель, и перпендикулярную ей (танген-
циальную) Гт составляющие; при этом ско-
рость движения цели Гц = V (Гр + К?).
Определение радиальной составляющей осно-
вывается на нахождении доплеровского сдвига
частоты отраженного сигнала. Схема простей-
шей станции, которая обеспечивает измерение
доплеровской частоты сигналов Fa, изображена
на Рис. 18.1, где Аь А2 — антенны; У — усили-
тель, И — измеритель Кд. Генератор высокой
частоты ГВЧ вырабатывает незатухающие ко-
лебания /о, которые излучаются в направлении
на цель. Частота сигнала, отраженного от дви-
жущейся цели, отличается от f0 на доплеров-
ский сдвиг Кд; отраженный сигнал
ис = Лссо8[2я(4 + Кд)г + Тс]. Принятые колеба-
ния смешиваются с колебаниями генератора
иг = Arcos(2itf0t + Тг). На выходе смесителя См
образуются колебания с доплеровской частотой
Кд. Огибающая ВЧ колебаний (частота биения)
выделяется с помощью амплитудного детекто-
ра АД. Дальше колебания с частотой Кд усили-
ваются и направляются к измерителю частоты
И, шкала которого градуируется в единицах ра-
диальной составляющей скорости движения
цели Гр= Кд//2, где Z — длина шкалы.
К специфическим свойствам данного мето-
да измерения относятся: простота станции, не-
чувствительность к медленным изменениям
частоты генератора. Наиболее существенными
недостатками метода являются: высокие тре-
бования к кратковременной стабильности час-
тоты генератора (на протяжении времени рас-
пространения радиоволн к цели и обратно);
влияние паразитной ЧМ генератора на работо-
способность устройства; возникновение помех
при наличии нескольких целей (на выходе де-
тектора появляются комбинации доплеровских
частот и их гармоник ±кРл1 ± mF^). Скорость
можно измерять как в импульсном, так и в не-
прерывном режимах работы РЛС. В непрерыв-
ных доплеровских системах частота биения
отраженного и зондирующего сигналов всегда
соответствует доплеровской частоте, а следо-
вательно, всегда можно однозначно опреде-
лить Кд и Гр. В импульсных доплеровских сис-
темах частота биения Кб отраженного и зонди-
рующего сигналов не всегда равна Кд. Поэтому
в импульсной системе (особенно при большой
скважности импульсов) радиальную составля-
ющую однозначно определить нельзя, если ди-
апазон изменений Кд превышает значение Кб.
На Рис. 18.2 показаны диаграммы, которые
объясняют явления стробоскопического эффек-
та. При частоте посылок Кп » Кд (Рис. 18.2, а)
частота огибающей импульсной последователь-
ности соответствует доплеровской частоте.
Предельное значейие частоты огибающей, со-
ответствующей доплеровской частоте, Кд = Кп/2
(Рис. 18.2, б). С увеличением Кд при той же ча-
стоте Кп частота биения между зондирующим и
отраженным сигналами уменьшается и при
Кд = Кп частота биения равна нулю
(Рис. 18.2, в). Это значение доплеровской часто-
ты определяет первую «слепую» скорость дви-
жения цели, т.е. такую скорость, при которой
исчезает сигнал на выходе измерителя. Значе-
ния «слепых» скоростей соответствуют усло-
вию Кд = АКП, где к = 1, 2, 3,... . Зависимость Кб
= ф(Кд) изображена на Рис. 18.2, г. Первая «сле-
пая» скорость Гр = (Кпс)/(2/0), вторая — Гр =
2(Кпс)/(2/)) и т.д., где с — скорость света.
Угловая скорость движения цели может быть
определена с помощью двух РЛС, которые изме-
ряют доплеровский частотный сдвиг. В точках О]
460
РАДИОТЕХНИКА
18.2. ИНДИКАТОРНЫЕ УСТРОЙСТВА
и О2, расположенных на расстоянии d одна от
другой, размещены антенны двух измерителей
Иь И2 доплеровской частоты сигнала (Рис. 18.3).
Здесь СВРЧ — схема выделения разностной ча-
стоты Fp, И3 — измеритель угловой скорости
движения цели. Если значение d мало по сравне-
нию с расстоянием г между РЛС и целью
(d < г/1000), то направления прихода волны в обе
точки можно считать одинаковыми. Фазовый
сдвиг частоты колебаний в точках Оь О2 зависит
от разности пути волны к этим точкам
АТ = 2л(Г1 - r2)/X = 2ra/(sin(p)A. Продифференци-
ровав обе части этого уравнения по времени, по-
лучим (оф = V[2Jcos(p(FA1 - F^)]; для ф < 10°
имеем созф ~ 1, так что соф = X/[2d(F^ - F^)].
Определение разницы доплеровских частот
сигнала в двух близко расположенных точках
пространства позволяет найти угловую ско-
рость движения цели относительно этих точек
(измеритель И3). Зная соф, можно вычислить
тангенциальную составляющую скорости
Ит = [(F + r2)Z2] [(ф! - фг)/Д/], где гь г2, фь фг — из-
меренные значения координат цели, которые со-
ответствуют началу и концу интервала времени.
18.2. ИНДИКАТОРНЫЕ УСТРОЙСТВА
предназначены для преобразования сигналов,
поступивших с выхода приемника и несущих
информацию об объектах наблюдения, в сиг-
налы, вид которых определяется особенностя-
ми восприятия информации получателем. Ес-
ли получателем является человек (оператор),
то электрические выходные сигналы должны
быть преобразованы в световые или акустиче-
ские. По назначению индикаторы можно раз-
делить на два вида: индикаторы измеритель-
ные и индикаторы обнаружения.
Индикаторы измерительные предназ-
начены для точного измерения координат
целей. По числу одновременно измеряемых
координат их можно разделить на одно-,
двух-, трехкоординатные.
Однокоординатные индикаторы могут
быть стрелочными, электронно-дучевыми и
матричными. Первые в принципе позволяют
одновременно определить одну координату
только одной цели. Они используются в РЛС,
которые осуществляют автоматическое сопро-
вождение одной цели, и как вспомогательные
выходные устройства, предназначенные для
контроля работы и калибровки аппаратуры.
Электронно-лучевые однокоординатные ин-
дикаторы зачастую применяются как индика-
торы расстояния. В них, как правило, исполь-
зуется амплитудная метка, при этом сигнал с
выхода приемника подается на отклоняющие
пластины ЭЛТ с электростатическим управле-
нием. Амплитудная метка позволяет сделать
вывод о форме сигнала, отраженного от цели,
его интенсивности, характере флуктуации.
Опытный оператор может приблизительно оп-
ределить вид цели, качественно разделить це-
ли, вести наблюдение при относительно боль-
шом уровне шума.
Двухкоординатные индикаторы дают воз-
можность наглядно отобразить расположение
цели на плоскости. В большинстве своем это
электронно-лучевые индикаторы. В них ис-
пользуют яркостные метки; при этом выход-
ные сигналы приемника подают на электрод
трубки, который управляет яркостью пятна на
экране. Последний имеет послесвечение, поз-
воляющее сохранить изображение на время
обзора. Яркостные метки обеспечивают пано-
рамное отображение воздушной или наземной
обстановки. В таких индикаторах применяют-
ся ЭЛТ с магнитным управлением, обеспечи-
вающие лучшее качество изображения,
большие разрешающую способность и точ-
ность при прочих равных условиях. Для пол-
ного отображения трехмерного пространства
расположения целей надо иметь как минимум
два двухкоординатных индикатора. Одна из
определенных координат регистрируется в
каждом индикаторе и используется для сравне-
ния полученных изображений. Если координа-
та, по которой проводится сравнение, является
расстоянием, то могут быть применены инди-
каторы «расстояние — азимут» и «расстояние
— угол места (высота)». На плоском экране
можно получить метку как в прямоугольной,
так и в полярной системе координат.
Индикатор расстояния с линейной шкалой
воссоздает отраженный сигнал в виде ампли-
тудной метки и позволяет непосредственно оп-
ределить лишь одну координату — расстояние
(Рис. 18.4). Здесь ГР — генератор развертки, У
— усилитель, ФИ — фазоинвертор, ФС1 и ФС2
— фиксирующие схемы, К — калибратор, Р —
расширитель. Диаграммы напряжений в схеме
Глава 18. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
461
18.2. ИНДИКАТОРНЫЕ УСТРОЙСТВА
индикатора изображены на Рис. 18.5: а — пус-
ковой импульс; б —^сигнал с выхода приемни-
ка; в — напряжение на выходе расширителя
импульсов; г — импульс подсвечивания; д —
напряжение генератора развертки; е — напря-
жение фазоинвертора; ж — форма напряжения
развертки при большом 1 и малом 2 масштабах
дальности; з — отображение зондирующего и
отраженного импульсов на экране ЭЛТ.
Импульс запуска Ua от синхронизатора по-
дается на вход расширителя (зачастую это
мультивибратор, работающий в режиме ожида-
ния). Расширитель выдает два импульса проти-
воположной полярности и одинаковой продол-
жительности tp = 2гшк/с, где гшк — предельное
значение шкалы дальности, с — скорость света.
Один импульс расширителя подается на гене-
ратор пилообразного напряжения ГР, работа ко-
торого основывается на заряде конденсатора с
очень большой постоянной времени и последу-
ющем усилении почти линейного напряжения
малой амплитуды или на линеаризации напря-
жения на зарядном конденсаторе благодаря ОС.
Генератор развертки вырабатывает пилообраз-
ный импульс ид такой же продолжительности
ф, как и импульс расширителя. Усилитель и фа-
зоинвертор предназначены для питания плас-
тин горизонтального отклонения трубки бипо-
лярным пилообразным напряжением. Этот спо-
соб питания называют симметричным, или
двухтактным. Он позволяет избавиться от тра-
пециевидных искажений и дефокусировки луча
по длине развертки, присущих несимметрично-
му питанию, при котором используется напря-
жение развертки одной полярности. Потенциа-
лы сеток усилителя и фазоинвентора в проме-
жутках между развертками поддерживаются
постоянными с помощью фиксирующих схем,
обеспечивающих начало развертки из той же
самой точки экрана при переходе от одного
масштаба к другому. Под влиянием напряжения
развертки и сигналов с выхода приемника U6 на
экране образуется амплитудная метка, показан-
ная на Рис. 18.5, з, что позволяет при наличии
градуированной шкалы вычислить расстояние
до цели. Шкала расстояния может быть или ме-
ханической (нанесенной на защитное стекло
трубки), или электронной. Для периодической
проверки такой шкалы необходим калибратор,
который является колебательным контуром
ударного возбуждения с малым затуханием. Пе-
риод колебаний соответствует некоторому,
удобному для определения, числу километров
расстояния до цели. Если не применить специ-
альных мер, то движение пятна во время обрат-
ного хода развертки будет чертить на экране ли-
нии, ухудшающие изображение. Поэтому во
время обратного хода луча трубка закрывается
отрицательным смещением, а во время рабоче-
го хода отпирается (засвечивается) импульсом
расширителя (см. Рис. 18.5, в).
Индикатор дальности характеризуется мас-
штабом (или масштабами при наличии не-
скольких шкал, Рис. 18.5, ж) и ценой пятна в
километрах. Масштаб дальности определяют
как отношение предельного значения шкалы
дальности к длине шкалы: Мд = гшк/Гшк[км/мм].
462
РАДИОТЕХНИКА
18.2. ИНДИКАТОРНЫЕ УСТРОЙСТВА
Масштаб дальности наряду с другими факто-
рами влияет на точность отсчета расстояния и
разрешающую способность. Полагая, что
Гшк = Мэ, где к3 = 0.8 — коэффициент исполь-
зования экрана, d3 — его диаметр, получаем
Л/д = гШК/(к3(13). Цена пятна характеризует раз-
решающую способность индикатора. От нее
зависит также точность отсчета дальности. Це-
на пятна в километрах может быть найдена по
формуле </пт км Л/д</пт гшк/(Агэ^ф),
где 2Ф = d3/dm — показатель качества фокуси-
ровки трубки, dm — физическая величина пят-
на на экране в миллиметрах. Для обычных
ЭЛТ с электростатическим управлением =
150...250.
Недостатки индикатора дальности с ли-
нейной шкалой и амплитудной меткой состоят
в том, что он не позволяет одновременно на-
блюдать на экране все цели в зоне обзора РЛС
и непосредственно отсчитывать их угловые
координаты. Эти индикаторы используют вме-
сте с индикаторами других видов РЛС обнару-
жения и наведения.
Индикатор дальности и азимута в прямо-
угольных координатах (Рис. 18.6) определяет
названные величины с помощью двух каналов
развертки. В нем используют ЭЛТ с электро-
магнитным управлением и неподвижной систе-
мой отклонения. Развертку по дальности вы-
полняют так же, как и в индикаторах кругового
обзора с вращающимися катушками отклоне-
ния (см. Рис. 18.7): ФК — фокусирующая ка-
тушка, ОК — отклоняющая катушка, СЗ — схе-
ма задержки, Р — расширитель, СД — сельсин-
датчик), СПр — сельсин-приемник. Чтобы раз-
вертка начиналась не с середины экрана, а из
его нижнего края, применяют вспомогатель-
ную пару катушек (см. Рис. 18.6), которые пи-
таются постоянным током и обеспечивают
нужное начальное смещение развертки. Схема
развертки по азимуту состоит из генератора
развертки ГР и двух усилителей мощности
УсМь УсМ2, которые питают две пары катушек
отклонения, включенных по двухтактной схе-
ме. Генератор развертки ГР вырабатывает на-
пряжение, пропорциональное углу вращения
антенны в горизонтальной плоскости. Антенна
может осуществлять как круговой, так и сек-
торный обзоры. В последнем случае для раз-
вертки по азимуту используют лишь часть на-
пряжения генератора, отвечающую заданному
сектору обзора. Через катушку отклонения про-
ходит пилообразный ток от генератора разверт-
ки по дальности. Схема управления СхУ руко-
водит катодом подсветки КПс, вырабатываю-
щим импульс подсвечивания. В качестве зада-
ющих элементов в генераторе развертки могут
быть применены переменный конденсатор,
круговой потенциометр или сельсин. Ротор
каждого из этих элементов связан с осью антен-
ны и вращается синхронно с ней. Переменный
конденсатор допускает большие скорости вра-
щения сравнительно с другими датчиками.
Круговой потенциометр прост и дешев, но име-
ет меньший срок службы и создает помехи при-
ему сигналов из-за искрения. Сельсиновая пе-
редача наиболее долговечна. Преимуществами
этого индикатора, по сравнению с индикатором
кругового обзора, является большая разрешаю-
щая способность по азимуту, достигаемая бла-
Глава 18 РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
463
18.2. ИНДИКАТОРНЫЕ УСТРОЙСТВА
годаря уменьшению сектора обзора, а также от-
сутствие ухудшения разрешающей способнос-
ти на малых дальностях. В самолетных станци-
ях управления стрелковым оружием этот инди-
катор используется как основной, а в РЛС кру-
гового обзора — вместе с индикатором круго-
вого обзора для достижения лучшей разрешаю-
щей способности и точности.
Индикаторы кругового обзора (ИКО) име-
ют радиально-круговую развертку и яркостную
отметку цели. Радиально-круговую развертку в
ИКО получают двумя способами. В первом
случае через отклоняющую катушку пропуска-
ют ток пилообразной формы постоянной амп-
литуды и полярности и вращают ее на горлови-
не трубки синфазно с антенной. Во втором слу-
чае используют неподвижную отклоняющую
систему, состоящую из двух катушек, располо-
женных взаимно перпендикулярно, через кото-
рые пропускают пилообразный ток, модулиро-
ванный по амплитуде с частотой вращения ан-
тенны и сдвинутый по фазе огибающей на 90°.
Схема ИКО с вращающейся отклоняющей
катушкой изображена на Рис. 18.7, а диаграммы
напряжений — на Рис. 18.8. Через отклоняющую
катушку ОК проходит пилообразный ток от гене-
ратора развертки ГР по дальности. Импульс запу-
ска может подаваться на вход расширителя им-
пульсов Р через схему задержки СЗ или обходя ее.
Импульс расширителя предназначен для засветки
прямого хода луча на экране трубки (Рис. 18.8, г)
и запуска генератора развертки (Рис. 18.8, в). По-
следний вырабатывает пилообразное напряжение
с «пьедесталом» (сплошные линии, Рис. 18.8, д).
Такой вид напряжения обеспечивает приблизи-
тельно линейное увеличение тока в отклоняющей
катушке. При ее вращении вокруг горловины
трубки синхронно с антенной РЛС световой ради-
ус на экране также вращается синхронно. Согла-
совав направление излучения антенны и ориента-
цию катушки в начальный момент, можно по на-
правлению светового радиуса на экране опреде-
лить азимутальное положение антенны в любой
момент времени. Такая синхронная связь антен-
ны и отклоняющей катушки может быть осуще-
ствлена с помощью сельсиновой передачи; по-
следняя включает задающий сельсин СД, соеди-
ненный с валом антенны, и сельсин-приемник
СПр, который вращает отклоняющую катушку.
Сигналы с выхода приемника подаются на
управляющий электрод трубки, засвечивая эк-
ран в момент своего появления. Зондирующий
импульс, запускающий развертку в момент t0,
создает яркое пятно в центре экрана. Отражен-
ный от объекта импульс, который приходит в
момент времени создает яркостную метку на
расстоянии от центра, пропорциональном рас-
стоянию до объекта, и на радиусе, соответству-
ющем положению антенны при облучении
объекта. Для определения расстояния до объ-
екта на катод трубки подают импульсы калиб-
ровки отрицательной полярности, синхронизи-
рованные с импульсом запуска. Они обуслав-
ливают появление на экране концентрических
ярких дуг, расстояние между которыми соот-
ветствует числу километров, удобному для от-
счета (например, 2, 10, 20 км). Азимут опреде-
ляется по направлению радиуса, который про-
ходит через метку объекта. Для этого по дуге
экрана располагают линии, разделенные на
360 частей, а с центром экрана соединяют
центр вращения указательной линейки визира.
Совмещая визир с меткой объекта, отсчитыва-
ют на лимбе азимут. Возможно также примене-
ние электронных меток азимута. В индикато-
рах этого типа используют трубки, экран кото-
рых имеет продолжительное послесвечение.
Последнее выбирают таким, чтобы изображе-
ние объекта не исчезало до следующего его об-
лучения. Таким образом, при вращении антен-
ны на экране наблюдаются метки всех объек-
тов, которые находятся в зоне видимости РЛС.
464
РАДИОТЕХНИКА
18.2. ИНДИКАТОРНЫЕ УСТРОЙСТВА
Схема ИКО с неподвижной отклоняющей
катушкой показана на Рис. 18.9. В индикаторах
этого типа СЗ, Р, ГР такие же, как и в ИКО с
вращением катушки (см. Рис. 18.7); ФС^.ФСд
— фиксирующие схемы, У — усилитель. По-
этому диаграммы на Рис. 18.10, &—д, которые
иллюстрируют процессы, происходящие в
этих схемах, дополнительных объяснений не
требуют. Отличие начинается с каскада усили-
теля мощности УсМ, нагрузкой которого явля-
ется роторная обмотка сельсина-трансформа-
тора, вращающаяся синфазно с антенной. Пи-
лообразный ток, проходящий в роторной об-
мотке, наводит такой же по форме ток в двух
статорных обмотках, расположенных под уг-
лом 90°. Средние точки последних заземлены,
а каждая половина обмотки присоединена к от-
дельному УсМ. В анодную цепь усилителя
включены отклоняющие катушки. Усилители
УсМь УсМ2 обеспечивают двухтактное откло-
нение лучей в горизонтальном направлении,
усилители УсМ3 и УсМ4 — в вертикальном.
Когда роторная катушка трансформатора
отклонена на угол ф относительно горизонталь-
ной оси, амплитуда пилообразного тока в ка-
тушках 1 и 2 пропорциональна зтф, а в катуш-
ках 3 и 4 — созф. При этом яркостное пятно на
экране ЭЛТ перемещаться по радиусу, откло-
ненному на угол ф относительно вертикального
диаметра (см.. Рис. 18.10, к). При вращении ан-
тенны ф = QZ, где Q — скорость ее вращения, а
огибающие амплитудных токов в отклоняющих
катушках 1, 2 и 3, 4 соответственно равны
/msinQz и /mcosQz. Токи, которые проходят в ка-
тушках, изображены на Рис. 18.10, з, и. Под
действием магнитного поля, созданного этими
токами, радиальная линия развертки на экране
Глава 18. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
465
18.2. ИНДИКАТОРНЫЕ УСТРОЙСТВА
вращается синхронно с антенной со скоростью
Q и при правильной начальной ориентации от-
клоняющих катушек линия развертки указыва-
ет направление излучения антенны. По сравне-
нию с ИКО, у которого отклоняющая катушка
вращается, данный тип индикатора имеет
большую точность определения азимута.
Индикаторы обнаружения предназначены
для фиксации цели в зоне обзора РЛС без ука-
зания точных координат. Иногда такие индика-
торы могут указывать на характер изменения
(увеличение, уменьшение) расстояния до цели.
Они могут быть визуальными или акустически-
ми. При визуальной индикации обнаружение
цели осуществляется с помощью сигнальной
лампочки или электронно-оптического указате-
ля. В акустических индикаторах обнаружение
цели сопровождается звуковыми сигналами.
18.3. ПАССИВНЫЕ ПЕРЕИЗЛУЧАТЕЛИ
— это устройства, предназначенные для увели-
чения эффективной площади рассеивания (ЭПР)
5эф искусственных целей. К П. П., которые уста-
навливаются на летательных аппаратах, предъ-
являются очень жесткие требования по массога-
баритным характеристикам (при заданных ЭПР
и ширине диаграммы переизлучения). Указан-
ным требованиям отвечают уголковые отражате-
ли различных типов, переизлучатели в виде линз
Люнеберга и ответчики Ван-Атга.
Линза Люнеберга (Рис. 18.11, а) имеет
вид диэлектрического шара, ширина диаграм-
мы переизлучения у нее больше, чем у угол-
кового отражателя. Коэффициент преломле-
ния диэлектрика линзы в зависимости от рас-
стояния до центра 7?п изменяется по закону
лпр= [2 - (Яп/Ян)2]172, где Ян — наружный ради-
ус линзы. Параллельные лучи, падающие на
линзу, фокусируются в точке на внешней по-
верхности сферы. Лучи отражаются от экрана
1 и, пройдя снова диэлектрическую сферу, со-
здают пучок паралельных лучей, направлен-
ных в сторону РЛС. Максимальная ЭПР лин-
зы Люнеберга 5эф = 4я3 (Ян4/Х2).
На ширину диаграммы переизлучения лин-
зы Люнеберга влияют размеры экранирующей
(металлической) поверхности сферы. Так, при
площади экранирующей поверхности, равной
четверти всей поверхности сферы, ширина ди-
аграммы переизлучения на уровне половинной
мощности составляет приблизительно 90°.
Ответчик Ван-Атта — антенная решетка,
составленная из большого числа диполей или
спиралей. На Рис. 18.12 изображена шестиэле-
ментная решетка. Диполи находятся на одина-
ковом расстоянии от оси симметрии ответчика
и попарно соединены коаксиальными кабеля-
ми одинаковой длины. Электромагнитная вол-
на, принимаемая диполем 1, переизлучается
диполем 6. В свою очередь, диполь 1 переизлу-
чает волну, которую принимает диполь 6. Эле-
ктрические длины антенно-фидерной системы
1—6, как и других попарно соединенных дипо-
лей, одинаковы. Сигналы, принятые и переиз-
лученные диполями, проходят одинаковый
путь. Поэтому направление максимума диа-
граммы излучения совпадает с направлением
поступления падающей волны. Решетка рас-
считывается на отражение электромагнитной
волны с любой поляризацией. Для этого дипо-
ли размещают над металлическим экраном 7
под различными углами (как правило, каждую
пару под углом 90° к соседней).
ЭПР ответчика, образованного ппд полу-
волновыми диполями, размещенными на рас-
стояниях Х/2 относительно друг друга и А/4 от
отражающего экрана, определяется выражени-
ем 5эф = 4тс52/(Х2 [sin(Tt/2cosx>)]4, где S — пло-
щадь раскрыва решетки; 1) — угол падения
волны. Благодаря тому что S = ппд V/4,
5эф = (л/4)п2пд А,2 [1,2].
Уголковый отражатель является конструк-
цией с взаимно перпендикулярными гранями, со-
единенными между собой (см. Рис. 18.11, б, в).
В зависимости от формы граней различают:
треугольные и прямоугольные У. о., их мак-
симальные ЭПР соответственно составляют
Рис. 18.11
466
РАДИОТЕХНИКА
18.4. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
5эфТ = (4/3)л(л4/Х2); 5эфП = 12тш4/%2, где а — дли-
на ребра отражателя. У. о. с малыми размерами
имеют большую ЭПР. Так, при X = 3 см и а = 50
см 5эф = 2500 м2.
Ширина диаграммы переизлучения У. о. на
уровне половинной мощности составляет при-
близительно 40...50°. Чтобы увеличить сектор
переизлучения, применяют несколько У. о., по-
разному ориентированных в пространстве.
Максимум ЭПР У. о. существенным образом за-
висит от угла между его гранями. Если этот
угол отличается от прямого лишь на один гра-
дус, то максимальная ЭПР У. о. уменьшается в
2.. .5 раз. Один из существенных недостатков У.
о. состоит в том, что ширина диаграммы пере-
излучения сравнительно мала.
18.4. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА РА-
ДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ — сово-
купность количественных параметров, харак-
теризующих основные свойства РТС: точность
воспроизведения сообщений; помехоустойчи-
вость; помехозащищенность; разрешающую
способность; скрытность действия; пропуск-
ную способность; электромагнитную совмес-
тимость; экологическую совместимость; даль-
ность действия; надежность; массу и габарит-
ные размеры; эффективность и пр.
Дальность действия — максимальное
расстояние г = rmax, на котором принимаемый
сигнал достигает минимально допустимого
(порогового) уровня Рс = Рс min, еще достаточ-
ного для выполнения РТС основной функции с
показателями качества, не хуже заданных.
Дальность действия РТС различного назначе-
ния определяется следующими уравнениями.
Для радиолинии связи
rmax
f ^А, РПдУ ^А. РПдУ ^А. РПрУ
(4Л) Рс mjn
где РА рпду — мощность электромагнитных ко-
лебаний, излучаемых передающей антенной;
GA рпду — ее коэффициент усиления; 6Арпру
— коэффициент усиления приемной антенны;
Рс min — чувствительность приемника.
Радиолиния с активным ответом состоит из
линии запроса (з) и линии ответа (о), даль-
ность действия и параметры которых обозна-
чены соответствующими индексами:
^зтах
Р^.РПдУз^А.РПдУ^А.РПрУ^2
(4л)
_ |^А.РПдУо^А.РПдУ^А.РПрУ^2
Ъ max ~ л! z . . о „
I (4я) Pq min
Радиолиния с пассивным ответом обеспе-
чивает дальность действия
rmax
И А.РПдУ^А.РПдУ^А.РПрУ^2 ^эф
(4я)Чтт
где 5эф — эффективная площадь рассеивания
цели.
Приведенные выражения называют основ-
ными уравнениями радиолокации, или уравнени-
ями дальности в свободном пространстве. Пара-
метры Рс min, 5эф имеют статистический характер
и зависят от многих факторов. На дальность
действия влияют потери при распространении
сигнала и отражение от земной поверхности.
Масса и габаритные размеры особое зна-
чение имеют для портативной РЭА, которая пе-
реносится человеком или устанавливается на
движущихся объектах. Основным способом
уменьшения массогабаритных характеристик
при одновременном повышении надежности,
устойчивости к внешним воздействиям, сниже-
нии стоимости, а также упрощении обслужива-
ния является комплексная миниатюризация, ох-
ватывающая все виды блоков РЭА. Конструи-
руя маломощные радиоэлектронные блоки, ис-
пользуют малогабаритные унифицированные
узлы (модули), пленочные и твердотельные ин-
тегральные микросборки, ИМС с навесными
малогабаритными элементами. Сложнее всего
поддаются миниатюризации электромеханиче-
ские устройства, мощные усилительные и гене-
раторные, а также выпрямительные устройст-
ва, блоки СВЧ. Тем не менее и здесь существу-
ют перспективные направления конструирова-
ния. Так, механические устройства иногда мо-
гут быть заменены на электронные блоки, раз-
меры и масса модуляторов передатчиков —
уменьшены благодаря применению полупро-
Глава 18. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
467
18.4. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Таблица 18.1
Блоки Тип изделия Число каскадов Число электриче- ских элементов Число механичес- ких элементов Масса [кг]
Антенна С электромеханическим приводом Типа ФАР — 1000 50 30 3
Передающие устройства СВЧ Мощные ЭВП Полупроводниковые приборы Первого-второго поколений Третьего-четвертого поколений 5 3 50 50 30 100 3 5 20 5 4 3
Маломощные электронные Первого-второго поколений Третьего-четвертого поколений 70 700 10000 5 30 5
Всего в конструкции Первого-второго поколений Третьего-четвертого поколений 78 780 11150 63 84 16
водниковых устройств и систем принудитель-
ного охлаждения, волноводы и объемные резо-
наторы — заменены на микрополосковые ли-
нии и т.д. Данные Табл. 18.1 дают представле-
ние об уменьшении массы узлов самолетной
панорамной РЛС при переходе к комплексной
микроминиатюризации (см. ст. 17.10).
Помехозащищенность — способность
РТС противостоять действию помех опреде-
ленного типа (см. ст. 1.11).
Помехоустойчивость — способность
РТС противостоять действию любых помех
(см. ст. 1.12).
Пропускная способность — максималь-
ное количество информации, которое может
быть передано или извлечено РТС с заданным
качеством за единицу времени.
Скорость передачи (извлечения) инфор-
мации — среднее количество информации, кото-
рое передается в данной системе за единицу вре-
мени: И[бит/с] = I/Т, где Т — время, на протяже-
нии которого была передана информация I. Ско-
рость передачи ограничивается возможностями
РТС, поскольку при превышении некоторого до-
пустимого значения возрастают искажения ин-
формации, вносимые системой (см. ст. 6.11).
Пусть задана допустимая вероятность ошибки
воспроизведения сообщения Ре и максимально
допустимое число элементарных символов в
каждом сообщении лтах. Тогда при оптимальном
построении системы передачи информации мо-
жет быть достигнуто некоторое максимальное
значение скорости передачи информации Ктах.
Как показано К.Е. Шенноном, Итах монотонно
возрастает при уменьшении величины
(l/«max)bi(l/Pe) (Рис. 18.13) и достигает наиболь-
шего значения С При (l/Mjna^^lZPe) = 0, т.е. при
«max °°- Это максимально достижимое значе-
ние скорости передачи информации называют
пропускной способностью системы (см. ст. 6.9).
Скрытность — совокупность свойств
РТС, которые содействуют затруднению ра-
диотехнической разведки.
Точность воспроизведения — мера соот-
ветствия параметра принятого сообщения его
истинному значению; характеризуется значени-
ями ошибок параметров сигналов. Если сооб-
щение является дискретной случайной величи-
ной, т.е. может иметь лишь одно из М возмож-
ных значений ..., то за точность воспро-
изведения, как правило, принимают полную ве-
роятность ошибки (или полную вероятность
правильного воспроизведения сообщений) или
совокупность условных вероятностей ошибок
различных видов. Полная вероятность ошибки
м
Ре = ЪР^к)Р^^к\
к-\
где Ра(М — априорная вероятность значения \к
воспроизводимого сообщения; Ре(Х Ф ХА) — ус-
ловная вероятность того, что при значении со-
общения, равном А*, воспроизведено другое (не
важно, какое) сообщение, т.е. сделана ошибка.
Иногда проще вычислить не полную веро-
ятность ошибки Ре, а полную вероятность пра-
вильного воспроизведения
м
р^^рЛМчХ
к=\
468
РАДИОТЕХНИКА
18.4. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
где P(Xk) — условная вероятность отображе-
ния сообщения Xjt, когда его действительное
значение также равно
Если воспроизводимое сообщение является
непрерывной случайной величиной X, которая
находится в некоторых границах Xmin.. .Xmax, то
точность его воспроизведения характеризуют
математическим ожиданием т£ и дисперсией
£>е = Л/(£ - те)2 ошибки £ = X - X*, где X — ис-
тинное, а X* — воспроизведенное значение со-
общения.
По происхождению ошибки РТС можно раз-
делить на методические, инструментальные
(приборные) и обусловленные действием помех.
К методическим относят ошибки, вызванные
предположениями и приближениями, сделанны-
ми при обосновании принципа действия систе-
мы и расчетах ее характеристик. Инструмен-
тальными являются все ошибки, не включен-
ные в группу методических или обусловленных
действием помех. При воспроизведении сооб-
щений, меняющихся во времени, одним из ос-
новных источников инструментальной ошибки
является инерционность системы. Ошибки, ко-
торые при этом возникают, называют динамиче-
скими. Для уменьшения методических и инстру-
ментальных ошибок применяют ряд мер, преду-
сматривающих: повышение качества проектиро-
вания благодаря использованию ЭВМ для расче-
тов и моделирования, а также переходу от анало-
говой обработки информации к цифровой; мак-
симальное использование априорной информа-
ции о характеристиках сообщений, сигналов и
помех во время первичной и вторичной обработ-
ки информации; комплексирование (общее при-
менение) различных устройств воспроизведения
одного и того же сообщения или разнообразных,
но коррелированных сообщений; использование
принципа компенсации, т.е. такого построения
системы или устройства, при котором искаже-
ния сообщений, возникающие в одних каналах,
компенсируются искажениями, возникающими
в других каналах; калибровку системы до ввода
ее в эксплуатацию и во время эксплуатации.
Динамические ошибки зависят также от
одного из самых важных показателей системы
— ее сквозной ПП AF по воспроизводимому
сообщению. С возрастанием ПП динамическая
ошибка уменьшается, а ошибка, обусловлен-
ная действием помех, увеличивается. Поэтому
существует оптимальное значение ПП AFonT,
при котором результирующая ошибка мини-
мальна. В современных РТС в зависимости от
характера сообщений и интенсивности помех
AFonT лежит в пределах от долей герца (в неко-
торых системах радиолокации, радиоастроно-
мии, радиоуправления) до нескольких мега-
герц (в ТВ системах). Более подробно вопрос
точности рассмотрен в ст. 7.19, а также в [3].
Экологическая совместимость РТС — со-
вокупность свойств, которые обеспечивают вы-
полнение экологических требований: безопасно-
сти для людей и окружающей среды, экономии
дефицитных ресурсов энергии и веществ. Излу-
чение многих РТС в рентгеновском и гамма-ди-
апазоне может быть очень опасным для людей и
других живых организмов. Опасным может
быть также акустическое излучение в области
инфранизких и некоторых других частот. Энер-
гия, потребляемая РЭС, непрерывно возрастает
и составляет значительную часть общих ресур-
сов. Каждый год на земном шаре заканчивается
срок службы сотен миллионов образцов РЭА.
Даже простое уничтожение их для того, чтобы
избежать засорения среды, является серьезной
проблемой. Поэтому уже на стадии проектиро-
вания аппаратуры надлежит учитывать требова-
ние как можно большей простоты ее утилизации
по истечении срока службы. Очевидно, экологи-
ческая совместимость РТС должна характеризо-
ваться совокупностью показателей качества: по-
требляемой энергии, интенсивности и продол-
жительности излучений (в особенности в опас-
ных диапазонах волн), массой использованных
материалов, затратами на утилизацию и т.п.
Эффективность радиотехнической сис-
темы — мера целесообразности ее примене-
ния, связанная с назначением, показателями ра-
ботоспособности, полезностью в эксплуата-
ции. Основные принципы количественной
оценки эффективности являются общими для
всех видов технических систем независимо от
их назначения и сложности. Эффективными
можно считать системы, удовлетворяющие та-
ким основным требованиям: полностью и в ус-
тановленные сроки выполняют в соответству-
ющих условиях задачи, которые стоят перед
ними (техническая эффективность)', результа-
ты использования их по назначению не меньше
затрат, необходимых для создания и обслужи-
вания во время эксплуатации (экономическая
эффективность).
Показатели, используемые как критерии эф-
фективности технических систем, должны
иметь в своем составе параметры или характе-
ристики, которые описывают назначение, ре-
зультаты применения, а также затраты на их со-
здание и эксплуатацию. Критерий, отвечающий
Глава 18. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
469
18.4. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
перечисленным требованиям, Е = (W - С)/Wo,
где W — результат использования РТС по на-
значению в стоимостном выражении; С — за-
траты на ее создание и эксплуатацию в стоимо-
стном выражении; Wo — результат использова-
ния РТС в случае, когда задачи, стоящие перед
ней, выполняются полностью. Применение это-
го критерия чаще всего сопряжено со значи-
тельными трудностями, обусловленными слож-
ностью определения его составных частей и не-
обходимостью представления показателей W и
Wo в стоимостном выражении.
Анализ практических задач, которые осно-
вываются на количественной оценке эффектив-
ности РТС, показывает возможность использо-
вания в качестве критериев более наглядных и
простых показателей, позволяющих в отдель-
ности оценить техническую и экономическую
эффективность РТС. Критериями технической
эффективности являются итоги сравнения сис-
тем по назначению и использованию:
Ет = Ет (W, Wo),
а критериями экономической эффективности
— итоги сравнения результатов применения
систем и затрат на их создание и эксплуатацию:
E3 = E3(W,C).
В зависимости от цели исследования и
способа сравнения показателей W и Wo для
оценки технической эффективности РТС мо-
жет быть использован разностный или норми-
рованный подход: Er = W - WQ; Ет = W/Wo.
18.5. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ АНАЛОГО-
ВЫХ СИГНАЛОВ РЛС В ЦИФРОВУЮ
ФОРМУ необходимо для согласования с ЭВМ,
используемыми для обработки информации.
Преобразование времени задержки сигнально-
го импульса, которое характеризует удален-
ность и угловое положение цели, в необходи-
мый цифровой код осуществляется устройст-
вом преобразования информации.
Преобразователь информации о расстоя-
нии до цели построен на основе преобразования
временного интервала, пропорционального даль-
ности, в код, который используется в ЭВМ. Как
правило, этот код — двоичный. Структурная схе-
ма такого преобразователя показана на Рис. 18.14.
Преобразователь устанавливают после специаль-
ного преселектора СПс. Импульсы, поступающие
с выхода приемника РПрУ, после накопления на-
правляются в преобразователь. Генератор счет-
т
В память ЭВМ
Рис. 18.14
ных (эталонных) импульсов ГСП вырабатывает
последовательность импульсов с периодом, опре-
деляемым необходимой точностью и разрешаю-
щей способностью по дальности. Синхронизация
ГСП осуществляется импульсами синхронизиру-
ющего устройства СУ, которые соответствуют по
времени зондирующим импульсам (ГИС — гене-
ратор импульсов считывания).
Диаграммы, изображенные на Рис. 18.15,
объясняют работу преобразователя. Счетные
импульсы через схему совпадения СхС посту-
пают в счетчик Сч, который подсчитывает чис-
ло импульсов до момента, когда от генератора
строба ГСт поступит положительный строб на
СхС. Длительность строба определяется време-
нем, необходимым для приема сигналов откры-
тым приемником. После поступления сигнала
счет прекращается, счетчик возвращается в на-
чальное состояние и готов к новому циклу сче-
та. В каждый момент рабочего цикла состояние
триггеров (разрядов) счетчика соответствует
времени, которое прошло от момента излучения
зондирующего сигнала. Считывание информа-
ции происходит в момент поступления сигналь-
ного импульса с выхода СПс. Сигнальный им-
пульс подается в ГИС. Импульсы от цели посту-
пают на счетчик лишь тогда, когда на входе схе-
мы отсутствуют эталонные импульсы и закон-
чатся переходные процессы в триггерах счетчи-
ка. Схемы совпадения CCi...CC„ открываются
счетными импульсами, и число, соответствую-
щее расстоянию до объекта, выдается в цифро-
вом коде в распределитель-сдвигатель PC, а по-
том — в память ЭВМ. Распределитель-сдвига-
тель обеспечивает подключение соответствую-
щей ячейки памяти ЭВМ в моменты измерения
расстояния до нескольких объектов. Диаграммы
на Рис. 18.15 соответствуют устройству с четы-
рехразрядным цифровым кодом, т.е. п = 4, и вре-
мени запаздывания t3 в цифровом коде 1000, т.е.
восьми счетным (эталонным) импульсам.
470
РАДИОТЕХНИКА
18.6. ПРОТИВОРАДИОЛОКАЦИОННОЕ ПОКРЫТИЕ
Преобразователь угла в цифровой код
предусматривает использование оптических
датчиков в виде дисков (барабанов), жестко свя-
занных с устройством поворота антенны, кото-
рое вращается синхронно с ней. Самыми совер-
шенными являются позиционные преобразова-
тели, в которых код, соответствующий каждому
из направлений (код Грея), нанесен на диск в ви-
де расположенных вдоль радиуса прозрачных и
непрозрачных участков (Рис. 18.16, а). Число
участков равно числу разрядов кода п. С одной
стороны диска 1 (Рис. 18.16, б) находится им-
пульсный источник света 3, с другой — п фото-
диодов 2, расположенных по радиусу и смещен-
ных в соответствии с длиной кодовых участков.
В момент считывания координат импульсный
источник подсвечивает сквозь узкую щель всю
кодовую комбинацию, считываемую в парал-
лельном коде с фотодиодов. Для исключения
ошибок во время считывания координат на диск
нанесен циклический цифровой код, который
для введения в ЭВМ необходимо превратить в
машинный код. Ранее применялись простые на-
капливающие преобразователи «угол — код»,
которые подсчитывали равномерно располо-
женные по кругу диска или барабана угловые
метки (подсвеченные отверстия оптического
преобразователя). Однако таким преобразовате-
лям присущи существенные недостатки: необ-
ходимость введения начальных установок и на-
копление ошибок при сбоях, что и предопреде-
лило переход к более сложным позиционным
преобразователям [4]. И накапливающие, и по-
зиционные преобразователи «угол — код» обла-
дают ошибкой квантования, обусловленной
дискретностью размещения меток.
18.6. ПРОТИВОРАДИОЛОКАЦИОН-
НОЕ ПОКРЫТИЕ используют для ослабления
вторичного излучения, что позволяет умень-
шить эффективную площадь рассеивания (ЭПР)
целей и является одним из существенных спосо-
бов борьбы с РЭС противника (см. ст. 18.9). Су-
ществуют два вида противорадиолокацонных
покрытий: поглощающие и интерференцион-
ные. Материал поглощающих покрытий выби-
рают из условия отсутствия отражения волн.
Указанному условию удовлетворяют покрытия,
в состав которых входят ферромагнетики и ве-
щества с довольно большими потерями. Как
правило, это магнитодиэлектрики — конгломе-
рат ферромагнетика, части которого изолирова-
ны одна от другой. Однослойные покрытия, из-
готовленные из таких материалов, эффективны
для волн метрового и дециметрового диапазо-
нов. Для поглощения волн сантиметрового диа-
пазона применяют многослойные покрытия с
изменяющимися от слоя к слою параметрами.
Каждый слой таких покрытий изготавливают из
пенополистирола, а поглощающими материала-
ми являются графит или сажа, концентрация ко-
торых от слоя к слою изменяется. Для согласова-
ния покрытия с внешним пространством отно-
сительная диэлектрическая проницаемость
внешнего слоя должна составлять Е = е0, а со-
ставляющая потерь (тангенс угла потерь) —
приближаться к нулю. Диэлектрическая прони-
цаемость и тангенс угла потерь следующих сло-
ев должны возрастать от слоя к слою. Резкое из-
Глава 18 РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
471
18.6. ПРОТИВОРАДИОЛОКАЦИОННОЕ ПОКРЫТИЕ
менение диэлектрической и магнитной проница-
емостей £ и Ц от слоя к слою недопустимо, так
как это ведет к увеличению коэффициента отра-
жения радиоволн от границы раздела двух сред.
В интерференционных покрытиях сниже-
ние ЭПР достигают благодаря взаимному ос-
лаблению волн, отраженных от поверхностей
объекта и покрытия (интерференция падающей
и отраженной радиоволн). Падающая волна
многократно отражается от границы раздела
сред «покрытие — объект» и частично погло-
щается в веществе покрытия. Если покрытие
идеально, то суммарное поле по направлению
на источник падающей волны равно нулю, т.е.
отражения нет при выполнении таких условий:
Р = 1п( 1/| ЛотрР; / = (2/ - 1 )ХеэИ/4, где Р — коэффи-
циент затухания волны в покрытии за одно про-
хождение покрытия в прямом и обратном на-
правлениях; — коэффициент отражения по-
крытия; / — его толщина; — длина волны в
веществе покрытия с параметрами £ и ц; /=1,
2, 3, ... . Интерференционное покрытие должно
иметь также поглощающие свойства. Поэтому в
его состав входят ферромагнетики с примесями
сажи или графита. Интерференционные покры-
тия тоньше, чем поглощающие. Тем не менее
они эффективны лишь в узком диапазоне час-
тот, что обусловлено требованием противофаз-
ное™ падающей и отраженной волн.
Перспективными являются комбинирован-
ные многослойные покрытия, изготовленные с
учетом качеств поглощающих диэлектриков и
интерференции радиоволн, отраженных тонки-
ми металлическими пленками, которые приме-
няются как граница раздела между диэлектриче-
скими слоями. Характерная особенность интер-
ференционных покрытий состоит в том, что ко-
эффициент отражения существенно зависит от
угла падения волны. Общим недостатком проти-
ворадиолокационных покрытий всех типов яв-
ляются относительно малая частотная диапазон-
ность и увеличение массы объекта защиты [5].
18.7. РАДИОДАЛЫЮМЕТРИЯ — опре-
деление расстояния г до целей, которое осно-
вывается на измерении времени t распростра-
нения радиоволн от РЛС до цели и обратно.
Скорость распространения радиоволн прини-
мают постоянной и равной скорости света
с = 3-105 км/с, а их траекторию — прямолиней-
ной. На самом деле скорость распространения
радиоволн изменяется в небольших границах,
и это приводит к появлению ошибки в измере-
нии расстояния. Отношение с.к.о. скорости
распространения к ее среднему значению со-
ставляет приблизительно 510-5, что соответст-
вует среднеквадратической ошибке в измере-
нии дальности 5 м на каждые 100 км. Сущест-
вуют амплитудный (импульсный), фазовый и
частотный методы измерения расстояния.
Амплитудный (импульсный) метод ра-
диодальнометрии — метод измерения рассто-
яния, при котором определяют время запазды-
вания принятого радиолокационного сигнала.
При этом чаще всего применяется импульсная
модуляция излучаемых колебаний. Структур-
ная схема импульсной дальномерной РЛС изо-
бражена на Рис. 18.17, а, временные диаграм-
мы — на Рис. 18.18. Передатчик станции гене-
рирует радиоимпульсы t/2 длительностью т с
периодом повторения Гп. Антенный переклю-
чатель АП подсоединяет антенну А к РПдУ на
время генерации и к РПрУ на остальное время.
Отраженные импульсные сигналы опаздывают
на время tr. На вход приемника поступают ко-
лебания передатчика и отраженные сигналы
{73. Время запаздывания отраженных сигналов
мало (тысячные или даже миллионные доли се-
кунды). Для измерения времени запаздывания
может использоваться ЭЛТ. На Рис. 18.17, а по-
казана трубка с электростатическим управле-
нием. К ее вертикальным отклоняющим плас-
тинам подводят импульсное напряжение U4 с
выхода приемника, к горизонтальным — пило-
образное напряжение U5 от генератора ГПН.
Передатчиком и ГПН управляют импульсы U\
устройства синхронизации УСх, поэтому одно-
временно с излучением импульса передатчика
начинается горизонтальное перемещение ярко-
стного пятна по экрану трубки. Картина, кото-
рую наблюдают на индикаторе, изображена на
Рис. 18.17, б. Пятно воссоздает форму излучае-
мого и отраженного импульсов, расстояние
между которыми / пропорционально расстоя-
нию г до обнаруженной цели: / = Ипт tr =
2VUTr/c, где Ипт — скорость движения пятна по
экрану индикатора, откуда г = (с/2 Vny)l. По по-
ложению отраженного сигнала на экране инди-
катора можно определить расстояние до цели.
Возможны и другие технические решения при
создании импульсного измерителя расстояния.
К преимуществам таких измерителей следу-
ет отнести: возможность построения РЛС с од-
ной антенной, удобство одновременного измере-
ния расстояния до многих целей, простоту раз-
деления излучаемых импульсов и принятых сиг-
налов. Основными недостатками импульсного
метода являются необходимость использования
больших импульсных мощностей передатчиков,
472
РАДИОТЕХНИКА
18.7. РАДИОДАЛ БИОМЕТРИЯ
невозможность измерения малых расстояний
вследствие конечной продолжительности им-
пульсов и времени переключения антенны.
Фазовый метод радиодальнометрии —
метод измерения расстояния, основанный на оп-
ределении разности фаз излучаемых и принятых
радиосигналов. Структурная схема простейшего
фазового измерителя расстояния показана на
Рис. 18.19, а, где Аь А2 — антенны, У — усили-
тель, ФД — фазовый детектор, ИН — измери-
тель напряжения, ГВЧ — генератор ВЧ, излуча-
ющий незатухающие колебания с частотой с%.
Фаза этих колебаний = ov + %, где —
начальное значение фазы. Фаза принятого сиг-
нала 4% = О)о(7 - tr) + Ч^ + Ч'рлс + 4х!, где Чхотр
— фазовый сдвиг, связанный с отражением ра-
диоволны от цели; Ч'рлс — фазовый сдвиг в це-
пях РЛС, который можно считать известным.
Принятые колебания сравниваются с колебания-
ми ГВЧ, разность фаз пропорциональна рассто-
янию до цели: 44х = Чхизл - Чхпр = GWr - Ч'агр -
Ч'рлс, или 44х = 4ri(h) - Чхотр - Ч'рлс-
Рассмотренный метод практически не ис-
пользуют по двум причинам. Во-первых, очень
мал диапазон однозначного измерения расстоя-
ния; во-вторых, в определяющее выражение
входит неизвестная величина Чхотр. Неоднознач-
ность измерения расстояния связана с тем, что
фазометрическое устройство позволяет опреде-
лить фазовые сдвиги только в границах от 0 до
2я. Поскольку Дф < 2л, то диапазон однозначно-
го измерения расстояния не превышает полови-
ны длины волны: Дгодн < AZ2. В радиолокации
используют очень короткие волны, так что диа-
пазон однозначно измеренного расстояния не
превышает нескольких метров. Что касается фа-
зового сдвига Чхотр, который образуется при от-
ражении ВЧ колебаний от цели, то, поскольку он
довольно сложно зависит от конфигурации це-
ли, ее размеров и расположения относительно
РЛС, его заранее точно определить невозможно.
Указанные недостатки простейшего фазово-
го дальномера устраняются при применении бо-
лее сложных схем, в которых используют не ме-
нее чем две частоты. На Рис. 18.19, б изображе-
на структурная схема фазового измерителя даль-
ности с применением НЧ Q, на которой осуще-
ствляется измерение фазового сдвига, и ВЧ с%,
которая выполняет роль переносчика информа-
ции. Модулятор М создает косинусоидальное
напряжение C/mcos(Qz + Чх0), которое модулиру-
ет амплитудные колебания ГВЧ
иг = С70[ 1 + wcos(Q/ + 4xo)]cos(co0/ + Чх1), где т —
коэффициент модуляции. Промодулированные
колебания излучаются в пространство. Приня-
тые сигналы после усиления в усилителе У де-
тектируются детектором Д, выделяющим огиба-
ющую, фаза которой сравнивается в фазовом де-
текторе ФД с фазой колебаний модулятора. Фаза
Глава 18. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
473
18.7. РАД ИОДАЛ БИОМЕТРИЯ
огибающей принятых сигналов зависит от рас-
стояния до цели: 4х = Q(Z - tr) + Ч'о +
+ Ч'рлс = - 2г/с) + % + Ч'рло Сюда не вклю-
чен фазовый сдвиг огибающей при отражении
сигнала, т.е. который очень незначителен
благодаря низкой частоте огибающей. Фазовый
сдвиг в цепях РЛС Ч'рдс, как уже отмечалось, мо-
жет быть измерен и учтен при градуировании
фазометрического устройства. Разность фаз НЧ
колебаний АТ = (2О/с)г позволяет определить
расстояние до цели г = cA4//(2Q). Частота моду-
ляции может быть выбрана довольно низкой,
что обеспечит большой диапазон однозначно из-
меренных расстояний. Например, при Q = 1000
рад/с этот диапазон равен 940 км.
Рассмотренный измеритель расстояния ха-
рактеризуется рядом положительных качеств:
небольшой мощностью излучения, поскольку
генерируются незатухающие колебания; точно-
стью измерения, практически не зависящей от
доплеровского сдвига частоты отраженного
сигнала; относительно простым конечным из-
мерительным устройством. Отрицательные ка-
чества сводятся к следующему: отсутствует
разрешающая способность по дальности, по-
скольку при наличии одновременно двух целей
их сигналы в отдельности наблюдать невоз-
можно; чувствительность приемника уменьша-
ется вследствие влияния излучения передатчи-
ка; необходимо иметь две антенны или систему
развязки излучаемых и принятых колебаний.
Структурная схема одного из вариантов
двухчастотного фазового измерителя расстояния
показана на Рис. 18.20, где Аь А2 — антенны;
S — сумматор; См15 См2 — смесители; УОЬ
УО2 — усилители-ограничители приемников;
Р — разветвитель; ИН — измеритель напряже-
ния. РЛС в своем составе имеет два ВЧ генерато-
ра ГВЧ и два приемника, которые работают соот-
ветственно на частотах С0! и со2. Колебания обо-
их генераторов подводятся к передающей антен-
не Аь а также к смесителю См^ с выхода прием-
ников два сигнала подаются в смеситель См2.
При условии, что частоты излучаемых коле-
баний различаются мало, т.е. (СО] - co^/c&j « 1,
фазовые сдвиги при отражении от цели на обе-
их частотах можно считать одинаковыми, т.е.
Ч'отр! ~ ^отрг- Напряжения разностных частот
wPi и иР2 подаются на фазовый детектор ФД, вы-
ходное напряжение которого пропорционально
разности фаз колебаний А'Р = Тр1 - Тр2 =
= (<»i — СО2К. Измерение фазового сдвига позво-
ляет определить расстояние до цели
г = сАТ/[2(со1 - СО2)].
В рассмотренном измерителе может быть
обеспечен большой диапазон однозначного из-
мерения расстояния (разность C0j - со2 — малая
величина), кроме того, исключается влияние на
результат измерения фазового сдвига Ч'отр. Та-
кому измерителю присущи перечисленные ра-
нее положительные и отрицательные качества,
как и всем РЛС с непрерывным излучением. В
особенности следует отметить отсутствие раз-
решающей способности по дальности. В прин-
ципе есть возможность построения фазометри-
ческих РЛС, которые обеспечивают разрешаю-
щую способность по дальности благодаря оп-
ределению доплеровского сдвига частот сигна-
лов. Однако из-за сложности подобные РЛС
практического применения пока не находят.
Частотный метод радиодальнометрии —
метод измерения расстояния, основанный на
определении частоты биения колебаний зонди-
рующего и отраженного сигналов. При этом в
качестве зондирующего используется ЧМ сиг-
нал. На практике зачастую используют синусо-
идальные и пилообразные законы модуляции.
Простейшая структурная схема такого измери-
теля изображена на Рис. 18.21, где Аь А2 —
антенны, Сч — счетчик. РПдУ излучает ЧМ
колебания, мгновенные значения частоты кото-
рых определяются функцией /п = /0 + (Рис.
18.22, а), где /0 — среднее значение частоты, к
— скорость ее изменения. Отраженный от не-
подвижной цели сигнал задерживается на вре-
мя t„ определяемое расстоянием до цели. В
момент t + tr частота передатчика fnX = f0 ±
± k(t + tr). Разность частот несет информацию
474
РАДИОТЕХНИКА
18.8. РАДИОЛОКАЦИЯ
о расстоянии до цели: |FB| = fni -fn = kt„ где
к = TAJFw Af — девиация частоты, FM — часто-
та модуляции. Благодаря тому, что спектраль-
ные составляющие сигнала кратны FM = 1/Тм,
частота биения также кратна частоте FM.
Таким образом, определение расстояния
этим методом возможно только в дискретных
точках. Дискретность отсчета частоты биения
определяется частотой модуляции, так как
|FB| = 2A/FMZr, а расстояние г = c|FB|/(4A/FM). По-
скольку частота FB кратна частоте FM, ошибка
Аг = с/(4А/). Увеличение \f уменьшает инстру-
ментальную ошибку измерения, но увеличивает
ошибку, обусловленную действием флуктуаций
помехи, так как при этом возрастает ПП прием-
ника. Другой причиной, вызывающей инстру-
ментальную ошибку, является изменение часто-
ты биений на протяжении времени наблюдения
и оценивания. Измеритель определяет среднюю
частоту биения, она отличается от действитель-
ной мгновенной. На Рис. 18.22, б изображен за-
кон изменения частоты биения, близкий к тра-
пецеидальному. Среднюю частоту биения опре-
деляют как высоту прямоугольника, площадь
которого равна площади фигуры, ограниченной
огибающей частоты биения за период модуля-
ции Ти: |Гс Б| = ГБ[1 - /Д2ГМ)]. Следовательно,
инструментальная ошибка, появляющаяся в ре-
зультате изменения частоты биения за время из-
мерения, определяется отношением Z/FM. Чем
меньше это отношение, тем больше точность
измерения расстояния. Например, для того что-
бы ошибка не превышала 1%, необходимо
иметь t^JTM = 0.01.
Для выделения сигналов от подвижных
объектов используют РЛС с селекцией (см. ст.
17.12), одна из возможных структурных схем
которых показана на Рис. 18.23. Зондирующие
импульсы через антенный переключатель АП
и антенну А достигают объекта, отражаются от
него и через антенну, АП и усилитель радиоча-
стоты УРЧ направляются на смеситель Смь
куда поступают также колебания стабилизиро-
ванного гетеродина Г. После усиления в УПЧ
сигнал через ограничитель О подводится к фа-
зовому детектору ФД. Радиоимпульсы пере-
датчика ослабляются аттенюатором Ат, пере-
носятся с помощью гетеродина Г и смесителя
См2 на ПЧ, после чего используются для ста-
билизации колебаний когерентного гетеродина
КГ по частоте и фазе. На выходе ФД выделя-
ются радиоимпульсы с переменной амплиту-
дой, что обусловлено изменяющимся фазовым
сдвигом между отраженным сигналом и коле-
баниями КГ. Сигналы, отраженные от непо-
движных объектов, имеют постоянную ампли-
туду. После прохождения через каскад вычита-
ния КВ импульсов, задержанных в линии за-
держки ЛЗ на период повторения Гп, и импуль-
сов, которые прошли без задержки, напряже-
ние, создаваемое неподвижными объектами,
равняется нулю и не мешает приему сигналов,
отраженных от подвижных объектов.
18.8. РАДИОЛОКАЦИЯ — область радио-
техники, предметом которой является обнару-
жение различных объектов, определение их ме-
стоположения и параметров движения. Термин
«радиолокация» происходит от латинского сло-
ва locus, которое означает место. В зарубежной
литературе широко используется термин «ра-
дар» (radar), образованный из первых букв анг-
лийского словосочетания radio detection and
ranging, что переводится как «обнаружение и
определение расстояния с помощью радио».
Радиолокация основывается на приеме от-
раженных от различных объектов (целей) ра-
диоволн или собственных излучений объектов.
Процесс обнаружения последних, определение
их местоположения и параметров движения
радиотехническими методами называется ра-
диолокационным наблюдением, а система, ко-
торая выполняет эти функции, — радиолока-
Глава 18 РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
475
18.8. РАДИОЛОКАЦИЯ
ционной. По характеру сигнала, который при-
нимается, РЛС делят на три вида: активные-
активные с активным ответом, пассивные.
В активной РЛС принимается сигнал, обра-
зуемый после отражения или рассеяния излу-
ченного зондирующего сигнала, когда на пути
распространения волн встречается физическое
тело, электрические и магнитные характерис-
тики которого отличаются от соответствую-
щих характеристик среды. Благодаря тому, что
практически все объекты радиолокационного
наблюдения (ОРН) — летательные аппараты,
надводные средства, наземные сооружения,
удовлетворяют этим условиям, любой из них
является источником отраженной электромаг-
нитной волны, которая поступает в приемную
антенну ПрА, расположенную вблизи переда-
ющей антенны ПдА (Рис. 18.24, а).
В активной РЛС с активным ответом (Рис.
18.24, б) на ОРН (например, космическом ап-
парате) для значительного увеличения дально-
сти действия или повышения помехоустойчи-
вости устанавливается ответчик — приемопе-
редающее устройство, которое принимает зон-
дирующий сигнал и переизлучает его в обрат-
ном направлении к РЛС. Такие РЛС широко
применяются для повышения точности опре-
деления координат (система «запрос—ответ»)
и извлечения дополнительной информации о
параметрах движения ОРН, которой кодирует-
ся сигнал ответа. Эта информация необходима
для функционирования автоматической систе-
мы управления воздушным движением.
Активные РЛС могут быть совмещенными
или разнесенными. В совмещенной РЛС радио-
передающее устройство РПдУ с передающей
антенной ПдА размещается вблизи радиопри-
емного устройства РПрУ с приемной антенной
ПрА (см. Рис. 18.24, а, б). В разнесенной РЛС
(Рис. 18.24, в) радиопередающее и радиопри-
емное устройства разнесены в пространстве.
Например, первый из них размещен на поверх-
ности Земли или самолете, а второй — на раке-
те. Это делается для уменьшения массы и габа-
ритных размеров радиоаппаратуры, размещен-
ной на ракете. Такие РЛС широко применяют-
ся в радиоуправлении.
В пассивной РЛС (Рис. 18.24, г) зондирую-
щий сигнал не излучается, принимается лишь
собственное радиоизлучение ОРН. Такие РЛС
используются в радиоастрономии для приема
теплового радиоизлучения различных небес-
ных тел в диапазоне радиоволн, радиопоиска,
обнаружения и пеленгации целей.
Радиолокационный обзор — процесс на-
блюдения за целями в заданной зоне обзора, ко-
торый характеризуется распределением излу-
чаемой и принимаемой энергии. Характер рас-
пределения энергии определяется формой ДН
антенны, а также законом ее движения. Приме-
няют плоскую и игольчатую ДН (луч). Плоским
(Рис. 18.25, а) называют луч, угол раскрыва ко-
торого в одной плоскости 0М (угол места) на-
много больше, чем в другой 0аз (азимут). Иголь-
чатый луч (Рис. 18.25, б) симметричен относи-
тельно направления максимального излучения
и для него 0аз = 0Л, где 0Л — угол луча.
Обзор бывает одновременным, последова-
тельным и смешанным. Одновременный обзор
осуществляется несколькими неподвижными
лучами, которые перекрывают нужный теле-
сный угол зоны обзора. Преимущество такого
обзора состоит в том, что он позволяет свести
к минимуму время обзора. Его недостатком яв-
ляется сложность и громоздкость аппаратуры.
Последовательный обзор проводится од-
ним лучом (в этом и состоит его основное пре-
имущество), который перемещается в границах
зоны обзора по заданной программе или по
программе, изменяющейся в зависимости от
информации о цели. При использовании плос-
кого луча применяется обзор по кругу (луч вра-
476
РАДИОТЕХНИКА
18.9. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ЦЕЛИ
щается в границах сектора Фаз). Самыми рас-
пространенными разновидностями последова-
тельного обзора при использовании иглообраз-
ного луча являются: винтовой (Рис. 18.26, а),
спиральный (Рис. 18.26, б), растровый (зигзаго-
образный) (Рис. 18.26, в), где угловой шаг луча
при переходе с одного участка траектории к
другому 'Рул = (О.5...О.8)0Л.
Если время облучения точечной цели равно
Гобл, секторы обзора составляют Фаз и Фм, ши-
рина луча РЛС в двух плоскостях 0Л = баз = 0М,
максимальная дальность действия РЛС равна
''max, а участок, который осматривают в каждом
цикле Аг < rmax (см. Рис. 18.26, в), то теоретиче-
ски необходимое значение периода обзора
Гобз = Го6лггпахФазФм/(Аг0азОм)- Когда за каждый
цикл делается обзор всего диапазона расстоя-
ний, Гобз = ГоблФазФм/(^6азОм)- Реальное значе-
ние периода обзора в 1.5.. .2 раза превышает те-
оретически необходимое. Объясняется это тем,
что в реальной системе время облучения Гобл не
остается постоянным, а изменяется в пределах
ОТ ГоблтшК Гоблтах- При ВЫЧИСЛвНИИ ТеОреТИЧвС-
ки необходимого периода обзора учитывают
минимально необходимое время облучения, а
реальное значение периода обзора зависит от
среднего значения времени облучения. Переме-
щать ДН антенны в пространстве можно меха-
ническим или электрическим сканированием с
помощью ФАР.
18.9. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ЦЕЛИ —
объекты радиолокационного наблюдения. Раз-
ные цели при одинаковых условиях их наблюде-
ния создают различные отраженные сигналы.
Все радиолокационные цели можно поделить на
элементарные и сложные. Элементарными целя-
ми называют объекты простейшей формы, изго-
товленные из однородного материала. Примеры
элементарных целей: металлический шар, пря-
моугольный металлический лист, вибратор, угло-
вой отражатель. Сложные цели являются сово-
купностью элементарных отражателей, объеди-
ненных конструктивно в объекты сложной кон-
фигурации или группы большого числа отдель-
ных отражателей, которые свободно перемеща-
ются относительно друг друга. Как правило,
сложные цели первого типа имеют линейные и
угловые размеры значительно меньше соответст-
вующих элементов разрешения РЛС, из-за чего
могут быть названы точечными целями. Приме-
ром сложных точечных целей являются самоле-
Глава 18. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
477
18.9. РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ЦЕЛИ
ты, находящиеся на большом расстоянии от РЛС,
ИСЗ. Наоборот, сложные цели второго типа име-
ют размеры, значительно превышающие разре-
шающую способность РЛС. Распределенные це-
ли, в свою очередь, могут быть объемными и по-
верхностными. Примером распределенных объ-
емных целей является туча гидрометеоров
(дождь, снег, туман) или искусственные пассив-
ные отражатели. Поверхность суши, воды отно-
сят к распределенным поверхностным целям.
Отражающая способность цели зависит от
многих факторов: материала, из которого объ-
ект изготовлен, формы, соотношения размеров
объекта и длины волны, вида зондирующих
колебаний, ракурса облучения, поляризации
волны. Точный учет каждого из этих факторов
в отдельности практически невозможен, по-
этому отражающая способность цели количе-
ственно оценивается эффективной площадью
рассеивания (ЭПР), которая совокупно учиты-
вает все перечисленные факторы.
Эффективная площадь рассеивания цели
— условная поверхность площадью 5эф, которая
является изотропным и непоптощающим переиз-
лучателем и в случае размещения на месте цели
создает в антенне РЛС такую же плотность пото-
ка мощности, что и реальная цель. Исходя из это-
го определения, можно принять, что мощность
сигнала, отраженного целью, Рц = где Сц —
плотность потока мощности в месте нахождения
цели. Эта мощность полностью и изотропно пере-
излучается в пространство. Плотность ее потока в
месте расположения антенны РЛС СРЛС =
= = СцЗэзДДтгг2), где г — расстояние
между РЛС и целью. Отсюда 5^ = Дя^Ордс/Сц.
Учитывая, что СРЛС и Сц пропорциональны квад-
ратам напряженностей электрических полей
Е2 рлс и £2ц в местах расположения приемной ан-
тенны РЛС и цели, получим 5^ = 471г2Е2РЛС/Е2ц.
Реальная цель (или группа целей) по зако-
нам вторичного излучения сводится к группово-
му излучателю. Если вторичный излучатель со-
стоит из двух одиночных, расстояние между ко-
торыми Z, расстояние до РЛС гь г2 а соответству-
ющие задержки по времени tx = 2т\ /Z, t2 = 2г2 Н,
то, поскольку излучатели не разделяются, коле-
бание одного накладывается на колебание дру-
гого. При этом поле обратного вторичного излу-
чения в точке приема еРЛС (0 = Eicosco(z - h) +
+ E2cosco(Z - Z2) = EPJlccos(co t + 4х), где ампли-
туда ЕРЛС определяется по правилу сложения
колебаний, сдвинутых по фазе на угол
ср = (t2 - /J = 2тс(г1 - r2)A= 2rcsin0/X, т.е.
Е2 рас = Е2 \ + Е2 2 + 2Е\Е2.
Соответственно ЭПР групповой цели
^эф = ^IW^E2 рас/Е2 ц) = Еэф1 + ^эф2+
Таким образом, значение 5эф излучателя за-
висит от сдвига фаз ср вторичных волн, возбуж-
денных его элементами в точке приема. Для
(р = 0 волны суммируются в фазе и при нена-
правленном вторичном излучении одиночных
излучателей 5эф имеет максимальное значение
^эф max = (У5ф1 + VS^)2, а ДЛЯ <р = Л — МИНИ-
мальное = (VS^ - vS^J)2.
При равновероятных значениях угла сдви-
га фаз (р среднее значение Ёэф = 5эф i + 5эф2.
Реальные радиолокационные объекты (ко-
рабли, самолеты, ракеты и пр.) имеют слож-
ную конфигурацию, поэтому их ЭПР сильно
зависит от направления облучения. Во время
движения цели последнее непрерывно изменя-
ется, а вместе с ним изменяется и ЭПР. Следо-
вательно, ЭПР изменяется случайно и для оп-
ределения параметров отраженного сигнала
надо знать распределение вероятности 5эф и
временные или спектральные характеристики
флуктуаций ЭПР. Характер изменения 5эф вли-
яет на точность определения координат цели.
При расчете дальности действия РЛС исполь-
зуют средние (вероятностные) значения ЭПР,
которые для самых распространенных радио-
локационных объектов приведены ниже.
Отражающие объекты 8эф [м2]
Самолеты-истребители 5... 15,
Средние бомбардировщики 40...70,
Подводные лодки 30... 150,
Корабли:
средние (1000... 10 000 т) 3000... 10 000
большие (> 10 000 т) >10 000.
18.10. РАДИОМЕТЕОРОЛОГИЯ — об-
ласть метеорологии, в которой для исследова-
ний применяют РЭС.
Радиозонд — автоматическая метеороло-
гическая станция, предназначенная для измере-
ния параметров атмосферы (давления, темпе-
ратуры, влажности воздуха и пр.) на различных
высотах и автоматической передачи результа-
тов измерений на Землю с помощью радиока-
нала. Радиозонд — это миниатюрное устройст-
во одноразового использования, которое состо-
ит из источников метеоинформации, преобра-
зователей измеренных величин, кодирующих
устройств, малогабаритных радиопередатчи-
ков КВ (с радиусом действия 150.. .200 км), ан-
тенны и источников электропитания (как пра-
вило, это гальванические элементы). Радио-
478
РАДИОТЕХНИКА
18.11. РАДИОМЕТР
зонд поднимается в воздух на аэростате или ме-
теорологической ракете на высоту в несколько
десятков километров. Радиозонд используют
также для определения скорости и направления
ветра на различных высотах (при вертикальном
зондировании атмосферы), в этом случае за ра-
диозондом ведется постоянное наблюдение с
помощью специальных наземных РЛС.
18.11. РАДИОМЕТР — электронное уст-
ройство для обнаружения и измерения энергии
излучения объектов различного происхожде-
ния или радиоизлучения РЭС, расположенных
на них. Радиометры работают в инфракрасном,
миллиметровом и сантиметровом диапазонах
волн. Положительным качеством пассивных
РЛС является скрытность их работы, обуслов-
ленная отсутствием зондирующего излучения.
Энергетические характеристики, габаритные
размеры, масса пассивных РЛС выгодно отли-
чают их от РЛС, которые работают в активном
режиме. К недостаткам радиометрических ме-
тодов следует отнести малый уровень сигна-
лов и необходимое вследствие этого большое
время их накопления, что делает системы
очень инерционными, затрудняя работу при
больших скоростях взаимного перемещения
станции и объекта. Чувствительность радиоме-
тров — см. ст. 17.23.
Радиометрические приемники выполняют
по таким схемам: корреляционной, компенса-
ционной и модуляционной. Структурная схема
корреляционного приемника изображена на
Рис. 18.27, а, где Аь А2 — антенны; См15 См2
— смесители; Гь Г2 — гетеродины; Дь Д2 —
детекторы; ОУ — оконечное устройство. При-
ем производится двумя независимыми канала-
ми со стабилизированным усилением. Исклю-
чение проникновения собственных шумов од-
ного приемного тракта на вход другого дости-
гается использованием двух отдельных ан-
тенн. После детектирования сигналов в каж-
дом из независимых приемных трактов прово-
дится их взаимное сопоставление с помощью
схемы умножения и ФНЧ, которые образуют
коррелятор. Шумы приемников некоррелиро-
ванны, а сигнальные напряжения сильно кор-
релированны, так что на выходе схемы умно-
жения будут постоянная составляющая при на-
личии сигнала и флуктуационная составляю-
щая собственных шумов приемных каналов.
Полученные составляющие интегрируются
ФНЧ с очень узкой ПП для выделения полез-
ной составляющей, которая подается на УПТ.
Сигнал с его выхода подается в ОУ.
Структурная схема компенсационного при-
емника показана на Рис. 18.27, б. Входной сиг-
нал проходит малошумящий тракт усилителя
ВЧ УСЧ, смеситель См, УПЧ, детектируется и
направляется в компенсационное устройство
КмУ. Компенсируется та часть постоянного на-
пряжения, которая пропорциональна дисперсии
собственных флуктуационных шумов приемни-
ка. ФНЧ выделяет полезную составляющую по-
стоянного напряжения, которая поступает в ОУ.
Типовая структурная схема модуляционного
приемника изображена на Рис. 18.27, в. Собст-
венные электромагнитные излучения объектов
принимаются антенной А и подаются на моду-
лятор входних сигналов М. Модулятором явля-
ется щелевая секция прямоугольного волново-
да, в которой размещена поглощающая пласти-
на, вращаемая электрическим двигателем. Час-
тота вращения пластины составляет, например,
30 с-1, что приводит к модуляции выходного
сигнала модулятора прямоугольным или сину-
соидальным колебанием с частотой 30 Гц. По-
следний подается на балансный смеситель БСм,
после чего усиливается широкополосным УПЧ.
Напряжение на выходе детектора Д содержит
переменную составляющую, которая изменяет-
ся с частотой модуляции, и шумовую компонен-
ту. Переменная составляющая отфильтровыва-
ется и усиливается узкополосным усилителем
У, настроенным на частоту модуляции. С помо-
щью фазового детектора ФД осуществляется
демодуляция. Опорное напряжение на ФД пода-
ется от модулятора. Периодическая составляю-
Глава 18 РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
479
18.11. РАДИОМЕТР
щая дает на выходе ФД постоянную составляю-
щую, а спектр шумов смещается в область нуле-
вых частот. Дальнейшая обработка происходит
так же, как при корреляционном приеме.
Дальность действия радиометра определя-
ется выражением
и = 4/^7 _?у___505а
^^Г0(С/Ш)_Ш ^2 ’
где т — постоянная времени приемника; Af—
его ПП по ВЧ; Ту — условная температура объ-
екта; То — абсолютная температура (То = 300 К);
(С/Ш)ВЬ1Х — необходимое отношение сиг-
нал/шум на выходе ФНЧ; Ш — коэффициент
шума приемника; SA — эффективная поверх-
ность приемной антенны; So — площадь поверх-
ности объекта обнаружения; £ — коэффициент,
который равен 1 для корреляционного или ком-
пенсационного приемника и 4V2 для модуляци-
онного приемника; X — длина волны.
18.12. РАДИОНАВИГАЦИЯ — область
радиотехники, предметом которой является оп-
ределение мгновенного местоположения по-
движного объекта (самолета, корабля и т.п.).
Задача радионавигации — выведение подвиж-
ного объекта в заданную точку пространства в
указанное время по наиболее выгодному мар-
шруту. Положение точек удобно характеризо-
вать четырьмя координатами: тремя простран-
ственными (расстоянием г, азимутом р, углом
места е) и одной временной (Рис. 18.28).
Определение высоты цели. Один из про-
странственных методов О. в. ц. основывается
на измерении расстояния и угла места 8 цели и
вычислении высоты по формуле Н = rsine. С
учетом кривизны Земли эту формулу можно
записать так: Н = rsinE + г2/(27?эф), где Яэф —
эффективный радиус Земли, с помощью
которого учитывают рефракцию радиоволн
(Яэф ~ 8500 км).
Зачастую для определения высоты цели ис-
пользуют РЛС с двумя плоскими ДН, одна из ко-
торых расположена вертикально, а другая — с
наклоном под углом у к первой (РЛС с К-подоб-
ной диаграммой) — Рис. 18.29, а. Обе диаграм-
мы вращаются с постоянной скоростью вокруг
вертикальной оси ОО'. Вначале цель попадает в
вертикальную ДН, затем при повороте на угол
Аф — в наклонную (Рис. 18.29, б). Высоту цели
можно определить через дальность и угол пово-
рота антенны РЛС (Аф) между моментами попа-
дания цели в вертикальную и наклонную ДН:
Н = гапАф /(tg2y + зт2Аф). С учетом кривизны
Земли Н = гзтАф /[tg2y + зт2Аф + ^/(27?^)].
Радиовысотомер — радиоэлектронное
устройство, которое устанавливают на само-
летах, искусственных спутниках Земли и
других летательных аппаратах для определе-
ния высоты их полета над земной поверхнос-
тью или поверхностью других планет. Радио-
высотомеры — это малогабаритные РЛС, ко-
торые работают в диапазоне ДМВ. С помо-
щью радиовысотомера измеряют высоты от
единиц до десятков километров с точностью
до единиц метров. Радиовысотомеры исполь-
зуют для управления летательными аппарата-
ми, картографических съемок местности,
мягкой посадки космических аппаратов, оп-
ределения параметров орбиты искусствен-
ных спутников Земли.
Определение местонахождения объек-
тов. Измерение координат объектов (целей)
радиолокационными способами может осу-
ществляться в сферической или цилиндриче-
ской системе координат. На Рис. 18.28 точка
О расположения РЛС принимается за центр
системы координат. Сферическими координа-
тами цели Ц являются: радиус-вектор рассто-
яния г (расстояние), азимут р и угол места 8,
который дополняет полярное направление у0
до 90°. Цилиндрические координаты цели
включают высоту Я, азимут р и расстояние гг
(горизонтальную дальность, которая является
проекцией прямой ОЦ на плоскость XOY).
480
РАДИОТЕХНИКА
18.12. РАДИОНАВИГАЦИЯ
При определении местоположения самолетов
и космических аппаратов в пространстве при-
меняют три независимых навигационных па-
раметра: дальность, радиальную скорость и
угловую координату, измеренные на борту са-
молета относительно любой опорной точки,
или совокупность указанных координат отно-
сительно системы опорных точек, связанных
с заданной системой координат. Опорные точ-
ки — это радионавигационные станции, рас-
положенные на поверхности Земли или на по-
движных объектах, например, на искусствен-
ных спутниках Земли. Координаты опорных
точек должны быть точно известны в любой
момент времени.
Геометрическое место точек, отвечаю-
щих значениям навигационных параметров,
называют поверхностью положения. Сече-
ние двух таких поверхностей создает линию
положения — геометрическое место точек
пространства, которые соответствуют двум
значениям навигационных параметров. Се-
чение трех поверхностей или двух линий по-
ложения определяет местоположение объек-
та. Существует несколько методов его опре-
деления. Рассмотрим их на примере воздуш-
ных судов (ВС).
Дальномерный метод основывается на изме-
рении трех расстояний rz ВС до трех точек
(Рис. 18.30, а) или двух расстояний и высоты Н
(Рис. 18.30, б). Координаты ВС находят, решая
три навигационных уравнения rz = [(Xi - X)2 +
(У,- - У)2 + (Zz - Z)2]17 , где Xb Yh Zj — известные
координаты опорных точек Oh i = 1,2,3. Поверх-
ности положения имеют вид трех сфер радиусом
rz с центрами в точках <?z. Линии положения на
плоскости — это окружности (Рис. 18.31).
Дальномерный метод обеспечивает высо-
кую точность определения местоположения
ВС, которая не зависит от соотношения рассто-
яний до опорных точек.
При разностно-дальномерном методе в
качестве навигационных параметров использу-
ются три разности расстояний ВС до четырех
опорных точек или две разности трех расстоя-
ний Дг,7- = rz - г7 и высота. Координаты ВС на-
ходят на основе системы уравнений:
Дг,7 = [(Xi-X)2 + ( У,- - У)2 + ( Z,- - Z)2],/2 -
- [(Xj-X)2 + ( Yj - Y)2 + ( Zj- Z)2]l/2,
где i,J = 1, 2, 3.
Поверхности положения являются поверх-
ностями двухполостного гиперболоида вра-
щения с фокусами — координатами опорных
точек i и j. Линии положения на плоскости —
гиперболы (Рис. 18.32), определенные как
Ari? = const, Дг2з = const. Расстояние d между
опорными точками называют базой. При d »
rt гиперболы практически совпадают со свои-
ми асимптотами.
Угломерный метод основывается на изме-
рении углов визирования аь а2двух опорных
точек относительно плоскости ВС. Поверхнос-
ти положения имеют вид конусов с вершинами
в опорных точках (например, ИСЗ). Линии по-
Глава 18. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
16-2959
18.12. РАДИОНАВИГАЦИЯ
ложения — это прямые, пересечение которых
определяет координаты ВС (Рис. 18.33).
Кроме рассмотренных есть и другие мето-
ды определения местоположения объектов:
радиально-скоростной (доплеровский), осно-
ванный на измерении трех радиальных скоро-
стей ВС относительно трех опорных точек;
траверсный, в основе которого лежит опреде-
ление момента прохождения доплеровского
сдвига одного из принятых сигналов через
ноль, и пр. Реализация любого из методов оп-
ределения местоположения ВС связана с изме-
рением расстояния г, радиальной скорости и
угла прихода радиоволн.
Радионавигационные устройства пред-
назначёны для решения навигационных задач,
в основном для вождения самолетов и управле-
ния летательными аппаратами (как в околозем-
ном, так и в космическом пространствах). К та-
ким устройствам принадлежат радиокомпасы,
радиопеленгаторы, радиовысотомеры, радио-
измерители дальности (см. ранее), радиомаяки
(передающие радиостанции с известным мес-
тоположением, которые излучают специальные
радиосигналы) и т.п. Действие радионавигаци-
онных устройств основывается на использова-
нии свойства радиоволн распространяться в од-
нородных средах прямолинейно кратчайшим
путем от источника к приемнику с постоянной
скоростью. Радионавигационные устройства
позволяют решать частные навигационные за-
дачи (например, определять направление на
объект, расстояние до него, высоту над поверх-
ностью Земли). Чаще применяются несколько
взаимодействующих радионавигационных уст-
ройств, которые в совокупности образуют ра-
дионавигационные системы (РНС) и обеспечи-
вают решение сложных комплексных задач на-
вигации (например, определение местоположе-
ния подвижного объекта, направления его дви-
жения и пройденного им пути).
Различают РНС дальномерные (круговые),
угломерные (азимутальные) и комбинирован-
ные (угломерно-дальномерные, разностно-
дальномерные и пр.). Дальномерные РНС со-
стоят из двух (или более) опорных передающих
радиостанций наземных или космических (на
ИСЗ) и бортового (самолетного, корабельного)
приемоиндикаторного оборудования. Расстоя-
ние от подвижного объекта до опорной станции
определяют по времени запаздывания сигнала,
переданного опорной станцией и принятого на
подвижном объекте. Местонахождение объекта
в пространстве соответствует точке пересече-
ния трех дальномерных сферических поверх-
ностей положения на плоскости — двух даль-
номерных круговых линий положения.
Дальномерные РНС, в зависимости от ме-
тода измерения расстояния, работают на часто-
тах 10... 14 кГц, обеспечивая дальность дейст-
вия до нескольких тысяч километров с точнос-
тью определения местоположения объекта —
2.5 км днем и 2...5 км ночью, или на частотах
около 1.2 и 1.6 ГГц, обеспечивая глобальную
дальность действия с точностью определения
местоположения объекта 10... 125 м.
Угломерные РНС, осуществляющие изме-
рение углового положения объекта, состоят из
наземных радиомаяков и бортового оборудова-
ния и применяются в системах посадки самоле-
тов. Они работают на частотах НО...330 МГц,
определяя отклонение самолета от заданной
траектории с точностью до 0.3 .
Угломерно-дальномерные (полярные) РНС
имеют в своем составе наземные радиомаяки,
используемые для определения азимута подвиж-
ного объекта и выполняющие функцию ответчи-
ка при измерении расстояния, а также бортовое
оборудование, которое состоит из измерителя
азимута и устройства запроса радиодальномера.
Они работают на частотах около 1 ГГц, обеспе-
чивая на расстояниях до 500 км (при высоте по-
лета 15 км) точность измерения координат до
0,25° по азимуту и около 100 м по дальности.
Разностно-дальномерные (гиперболичес-
кие) РНС состоят из трех (или более) наземных
опорных передающих радиостанций и бортово-
го оборудования, измеряющего промежутки вре-
мени между моментами приема сигналов от них.
Местоположение объекта (на плоскости) опре-
деляется точкой пересечения двух разностно-
дальномерных гипербол линий положения РНС.
На частоте 10... 14 кГц система обеспечивает
дальность действия до нескольких тысяч кило-
метров с точностью 1.. .2 км днем и 2.. .5 км но-
чью, а на частоте 100 кГц — дальность действия
до 2000 км с точностью 0.6... 1 км.
482
РАДИОТЕХНИКА
18.13. РАДИОПЕЛЕНГАЦИЯ
Рис. 18.34 объясняет построение фазовой
разностно-дальномерной системы с заданием
фазовой сетки на комбинированных частотах.
Частоты и начальные фазы а колебаний поддер-
живаются в таких соотношениях: - со15 =
= (Огл - СО25 = О; «м = «15 = ос25. После попарно-
го смешивания колебаний частотами сом, и
СО2Л, СО25 на обоих выходных каналах приемни-
ка-индикатора выделяются колебания частотой
О с фазами
4х1 = Ф1Л - Ф15 = и/ - сом г/с + СО15 г/с;
4Х2 = ф2Л - ф25 = С025 Г/С + С02Л Г/С.
Разница фаз колебаний, измеренная фазо-
метром (ф) приемника-индикатора,
где сос — суммарная частота, т.е.
+ co2J = co2J + co2Z?
Таким образом, разница фаз измеряется в си-
стеме на низкой разностной частоте Q, а сетка
линий положения задается на высокой суммар-
ной частоте (йсЛг = гв-гА = 4хс/о>с. Если каж-
дая радиостанция будет излучать колебания еще
на одной паре фиксированных частот со3А и со35,
то Ши - С0]5 = co3j - co3j5 = Q; ос и = а15,
oc3J = а35. Разность фаз НЧ колебаний, измерен-
ная фазометром, 4х = 4х] - Ч/2 = С0р(г _ ГУС> где
С0р = - 0)35 = соы - 0)3j - разностная часто-
та. В этом случае сетка линий положения задает-
ся на разностной частоте: Ar = гв-гА = 4хе/сор.
Используя разные сочетания излучаемых коле-
баний, можно изменять масштаб сетки линий
положения, не меняя частоты, на которой изме-
ряется разность фаз. Для того чтобы иметь два
масштаба, нужны три пары частот; три сетки бу-
дут при четырех парах частот.
Непрерывный рост интенсивности, а также
скорости перемещения подвижных объектов
требует разработки и широкого использования
автоматизированных комплексных систем ра-
дионавигации, в которых практически вся на-
вигационная информация обрабатывается и
анализируется с помощью ЭВМ. Появление
высокостабильных квантовых генераторов,
микроэлектронных приборов цифровой обра-
ботки информации, МП, ФАР и другой РЭА
позволило разработать спутниковые РНС,
включающие несколько навигационных ИСЗ,
перемещающихся по различным орбитам, а
также сетку наземных опорных станций, веду-
щих систематические измерения положения
спутников для уточнения параметров их орбит.
РНС обеспечивают выполнение практически
всех основных задач навигации. Тем не менее
с целью увеличения надежности и безопаснос-
ти движения объектов в самых сложных усло-
виях такие системы часто применяют вместе с
нерадиотехническими устойствами, например
с инерционной системой навигации.
18.13. РАДИОПЕЛЕНГАЦИЯ — область
радиотехники, предметом которой является оп-
ределение направления на источник излуче-
ния. Существуют два основных метода пелен-
гации: амплитудный и фазовый..
Метод радиопеленгации амплитудный
основан на измерении угла прихода радиоволн
в системе с разнесенным приемом и сводится к
сравнению амплитуд сигналов в каналах двух
антенн. Различают суммарную, разностную и
суммарно-разностную системы.
При наличии направленных антенн приме-
няют амплитудные методы: максимума, мини-
мума, равносигнального направления (РСН).
При методе максимума (Рис. 18.35, а) отсчет
угловых координат осуществляется в момент
максимальных амплитуд принятого сигнала. В
этот момент максимум диаграммы направлен-
ности совпадает с направлением на цель Ц.
При методе минимума форма ДН антенны
должна иметь глубокий минимум (Рис. 18.35,
^), а визуальная индикация цели осуществля-
ется так же, как и в предыдущем случае. На эк-
ране индикатора при этом в середине метки це-
ли появляется темная точка, с помощью кото-
рой осуществляют отсчет угла. Метод равно-
сигнального направления основан на сравне-
нии уровней сигналов, принятых на две (для
плоского случая) антенны с пересекающимися
ДН (Рис. 18.35, в). Прямая Аа, которая прохо-
дит через фокус О и точку пересечения ДН, об-
разует РСН. Оси ДН Ха1 и Ха2 расположены под
углом у, значение которого выбирается из ус-
ловия обеспечения максимума крутизны пе-
ленгационной характеристики.
Глава 18 РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
483
18.13. РАДИОПЕЛЕНГАЦИЯ
Метод радиопеленгации моноимпульс-
ный — метод одновременного сравнения амп-
литуд и фаз несколькими каналами с целью
уменьшения влияния флуктуаций амплитуды
входного импульса РЛС.
При определении направления в одной пло-
скости моноимпульсная система должна иметь
две пересекающиеся ДН, которые формируют-
ся одновременно. Сравнение амплитуды или
фазы сигналов на выходе приемно-усилитель-
ных каналов позволяет обнаружить направле-
ние на источник сигнала. Используют также
сумму и разность сигналов, образованных на
выходе антенной системы и преобразованных
суммарным и разностным каналами. В зависи-
мости от метода сравнения сигналов и выделе-
ния сигнала рассогласования различают три ви-
да моноимпульсных систем: фазовые, ампли-
тудные и суммарно-разностные. Система с фа-
зовой пеленгацией (Рис. 18.36) имеет две разне-
сенные на расстояние (базу) d антенны Aj и А2
с параллельными осями ДН. Сигналы S}(fy
S2(/) с выходов приемных каналов Прь Пр2 по-
даются на фазовый детектор ФД, на выходе ко-
торого напряжение (7ФД несет информацию об
угле рассогласования а. РСН, перпендикуляр-
ному базе d, соответствует нулевое рассогласо-
вание (а = 0) ифд = &ФД t/sin(27u/oc/X), где &ФД —
коэффициент передачи ФД, а РСН, неперпенди-
кулярному базе d, — ненулевое рассогласова-
ние. При неиденТичных и нестабильных фазо-
вых характеристиках каналов РСН определяет-
ся с ошибкой.
Моноимпулъсный измеритель с амплитуд-
ной пеленгацией (Рис. 18.37) имеет антенну, ко-
торая формирует две пересекающиеся ДН с
РСН, совпадающим с осью антенны. Разность
сигналов (71 и U2 на входе приемных устройств
(смесители СМЬ СМ2, гетеродин Г, УПЧЬ
УПЧ2) является мерой угла рассогласования а.
484
РАДИОТЕХНИКА
18.13. РАДИОПЕЛЕНГАЦИЯ
Для уменьшения влияния изменения интенсив-
ности принятого сигнала, а также коэффициен-
тов усиления каналов на значение измеренного
угла используют устройство вычитания сигна-
лов УВ, усиленных УПЧ], УПЧ2 с логарифми-
ческой АХ и продетектированных линейными
диодами Дь Д2 (СлС — следящая система). В
этом случае мерой углового рассогласования яв-
ляется отношение амплитуд сигналов на выходе
каналов: UyB(a) = kyBU0\n(Umi/Um2), где кув —
коэффициент передачи УВ; Uo — напряжение
на выходе логарифмических УПЧ. Пеленгаци-
онная характеристика системы зависит от кру-
тизны ДН, коэффициента передачи УВ и харак-
теристики логарифмических УПЧ.
Суммарно-разностный моноимпулъсный
измеритель — самый совершенный, потому
что теоретически позволяет исключить влия-
ние изменения амплитуды и фазы принятых
сигналов на стабильность РСН и пеленгацион-
ной характеристики. Принцип действия сум-
марно-разностного измерителя объясняет
структурная схема на Рис. 18.38. Для исключе-
ния влияния неравенства и нестабильности ко-
эффициентов усиления каналов сравнение амп-
литуды и формирование суммы и разности сиг-
налов проводятся непосредственно в антенно-
фидерной тракте с помощью мостовых схем.
Облучатели, смещенные относительно фо-
куса отражателя антенны, формируют РСН.
Точки а{ и а2 волноводного моста расположены
на расстоянии Х/2 одна от другой и подключе-
ны к облучателям. Из точки С отводится сум-
марный сигнал Uc. В эту же точку через антен-
ный переключатель АП подводится сигнал от
передатчика РПдУ. Напряжение Uc суммарного
сигнала подается в первый канал на смеситель
Смр Зависимость суммарного напряжения от
угла рассогласования Да определяется суммар-
ной ДН Dc (Рис. 18.39). Точка р кольцевого
моста (см. Рис. 18.38) отстоит от точки а{ на Х/2
дальше, чем от точки а2, и сигналы от точек
а2 поступают в точку р со сдвигом на 180°. Раз-
ностное напряжение J7P зависит от угла Да в
соответствии с разностной ДН £>р (см. Рис.
18.39). После усиления суммарное и разност-
ное колебания ПЧ подаются на фазовый детек-
тор ФД. Опорным является сигнал суммарного
канала. Выходное напряжение ФД определяет-
ся разностной и суммарной ДН:
t/фд - Щис ~ [Г>д(Да + у/2) - Z)A (Да -
- У/2)] / [ПА<Да + у/2) + Z)A (Да - у/2) ].
Метод радиопеленгации фазовый основан
на измерении разности фаз сигналов, принятых
на две антенны, разнесенные в пространстве на
расстояние (базу) d. Упрощенная схема такого
пеленгатора изображена на Рис. 18.36. Сигналы,
принятые антеннами А] и А2, после усиления в
приемных трактах Пр] и Пр2 подаются на фазо-
вый детектор ФД. На выходе последнего форми-
руется напряжение С/ФД, которое зависит от угла
а между направлением на объект и нормалью к
базе, проходящей через ее середину. При d «г
направления прихода сигналов от объекта к ан-
теннам А], А2 можно считать параллельными.
При этом разность расстояний Дг = г2 - r7 = dsina,
что приводит к фазовому сдвигу сигналов
ф = 2Tu7sina/X, где X — длина волны принятого
колебания. Напряжение на выходе ФД (7ФД(а) =
= кфД (7шсо8ф = A^L^cos(2Tu7sina/X), где кФД — ко-
Глава 18 РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
485
18.13. РАДИОПЕЛЕНГАЦИЯ
эффициент передачи ФД, Um — амплитуда сигна-
ла на его входе. Для исключения влияния неизве-
стной амплитуды вводят эффективную АРУ или
ограничение уровня сигнала. Введение в один из
приемных каналов фазосдвигающей на угол л/2
цепи формирует зависимость СфД(о0 в виде дис-
криминаторной характеристики £/ФД(ос) =
t70sin(27u7sina/X). При малых значениях а зави-
симость иФД(а) имеет приблизительно линей-
ный характер £7<вд(а)« t/02Tu7sina/X. Таким обра-
зом, по напряжению на выходе ФД можно опре-
делить угол а.
Зависимость нормированного напряжения
рассогласования иФД/и0 от угла а называется пе-
ленгационной характеристикой угломера
F(oc) = ифд/и^ = 2тийх/Х, ее производная при
ос = 0 является крутизной пеленгационной харак-
теристики, или чувствительностью пеленгования
_dF(a)
da
^Ind/'k.
a = 0
Чувствительность и точность пеленгации
возрастают с увеличением отношения dl\. Од-
нако при J/X > 1/2 появляется неоднозначность
измерения угла, что можно исключить с помо-
щью нескольких шкал, проводя измерения при
различных соотношениях J/X.
Радиопеленгатор — радиоэлектронное ус-
тройство, предназначенное для радиопеленго-
вания объектов. Радиопеленгатор содержит: ан-
тенно-фидерную систему для приема сигналов
от объекта пеленгования; приемник-индикатор,
который вырабатывает информацию об углах
между направлением на объект и основными
плоскостями, принятыми за начало отсчета угла
места и азимута, по результату сравнения амп-
литуд (амплитудный метод) или фаз (фазовый
метод) радиосигналов, принятых антенной сис-
темой. Радиопеленгаторы бывают полуавтома-
тическими и автоматическими. В радионавига-
ции применяют радиопеленгаторы, определяю-
щие азимут или курсовой угол передающей ра-
диостанции. Радиопеленгация (одновременно
или с небольшими интервалами) двух и более
источников радиоизлучения, положение кото-
рых известно, позволяет определить местополо-
жение пеленгуемого объекта.
18.14. РАДИОСВЯЗЬ — передача на рас-
стояние любой информации (символьной, гра-
фической, звуковой и т.п.) с помощью радио-
волн. Радиосвязь является одним из видов эле-
ктросвязи. Электросвязь — передача инфор-
мации с помощью электрических сигналов по
проводным (телефонная связь, проводное ра-
диовещание — см. ст. 13.3) и оптическим ли-
ниям связи (см. ст. 16.4, 17.25) или с помощью
радиоволн. Радиосвязь осуществляется с по-
мощью радиостанций, которые являются со-
ставной частью радиотехнических систем пе-
редачи информации (см. ст. 1.17). Радиостан-
ция включает один или несколько радиопере-
датчиков или радиоприемников или их сочета-
ние, а также вспомогательное оборудование.
Радиосвязь может быть одно- или двухсторон-
ней. При односторонней радиосвязи одна из
радиостанций является передающей, а осталь-
ные (одна или несколько) — приемными. Од-
ностороннюю радиосвязь используют в ра-
диовещании, системах персонального радио-
вызова. Двухсторонняя радиосвязь осуществ-
ляется между приемопередающими радио-
станциями и характерна для большинства сис-
тем радиосвязи. В зависимости от способа
осуществления режима передачи и приема
(одновременно или поочередно) двухсторон-
нюю радиосвязь подразделяют на дуплекс-
ную, полудуплексную и симплексную.
Система радиосвязи — это совокупность
радиоканалов, устройств обработки информа-
ции, источников и приемников сообщений,
внешней среды в широком понимании (усло-
вий распространения радиоволн, климатичес-
ких и механических факторов, помех), а также
правил функционирования. К последним отно-
сят нормы и правила проведения радиосвязи,
технического обслуживания, регистрации и об-
работки сообщений, выбора рабочих каналов,
времени сеансов связи и т.п. Организацию,
проведение и обеспечение радиосвязи осуще-
ствляют около 40 специальных служб наземной
и спутниковой радиосвязи [6], назначение и со-
став которых определены Регламентом радио-
связи. В соответствии с принадлежностью к
этим службам классифицируют и системы ра-
диосвязи (Табл. 18.2). Системы радиосвязи
классифицируют также по: диапазонам рабо-
чих частот (см. ст. 1.3); видам первичных сиг-
налов (аналоговые, цифровые, совмещенные);
видам модуляции и манипуляции; пропускной
способности; числу независимых каналов со-
общений и способам их уплотнения (частот-
ное, фазовое, временное, структурное); харак-
теру физических процессов, используемых в
тракте распространения радиоволн (системы
прямой видимости, тропосферные, ионосфер-
ные, метеорные) и т.д.
486
РАДИОТЕХНИКА
18.14. РАДИОСВЯЗЬ
Таблица 18.2
Служба радиосвязи
Спутниковая Наземная
Фиксированная Подвижная. • сухопутная • морская • воздушная Радиовещательная Любительская Радиоопределения • радионавигационная • морская • воздушная Метеорологическая Стандартных частот Сигналов времени Исследования Земли Межспутниковая Космических исследований Космической эксплуатации Фиксированная • воздушная Подвижная: • сухопутная • морская • воздушная Радиовещательная Любительская Радиоопределения • радиолокационная • радионавигационая • морская • воздушная Метеорологическая Стандартных частот Сигналов времени Безопасности Специальная Радиоастрономическая
Документальная радиосвязь — радио-
связь, предназначенная для передачи символь-
ной или графической информации с последую-
щим ее воспроизведением на материальном но-
сителе (бумаге, печатных матрицах и т.п.). Наи-
большее распространение получила докумен-
тальная телеграфная и фототелеграфная связь.
Первая предназначена для передачи символь-
ной информации с помощью телеграфных бук-
вопечатающих аппаратов — телетайпов и ши-
роко применяется в магистральной и почтовой
связи для передачи текстовых сообщений и те-
леграмм (радиотелетайп — см. ст. 15.1). Вто-
рую используют для передачи и последующего
воспроизведения копий неподвижных полуто-
новых изображений и графической информа-
ции (газетных полос, рисунков, текста, черте-
жей и т.п.). Так как в оконечном устройстве
приемника получают точную копию (факсими-
ле) исходного документа, то фототелеграфную
радиосвязь называют чаще факсимильной. Пря-
мое и обратное преобразование изображений
осуществляется факсимильными аппаратами и
факс-модемами: в пункте передачи изображе-
ние документа (оригинала) преобразуется с по-
мощью фотооптических преобразователей в
сигнал, которым осуществляют модуляцию в
РПдУ, а в пункте приема происходит обратное
преобразование с использованием фототермо-
графических или электрохимических методов.
Основное назначение факсимильной радиосвя-
зи — оперативная передача по радиорелейным
и спутниковым каналам связи изображений га-
зетных полос от редакций к издательско-поли-
графическим комбинатам, а также использова-
ние в системах производственной и коммерчес-
кой документальной радиосвязи.
Дуплексная радиосвязь — двухсторонняя
радиосвязь между приемопередающими ра-
диостанциями, при которой передача и прием
информации осуществляются одновременно.
Для предотвращения блокирования приемника
радиостанции сигналом собственного передат-
чика прием и передача ведутся на разных (раз-
несенных) частотах. Наибольшее распростра-
нение Д. р. получила в радиорелейных систе-
мах, космических ретрансляторах и линиях
связи, бесшнуровых телефонах. Дуплексные
радиостанции более сложны по сравнению с
симплексными, поскольку требуют независи-
мого построения РПдУ и РПрУ.
Ионосферная радиосвязь — радиосвязь,
при которой используют отражение радиоволн
от ионосферы или их рассеяние на ее неодно-
родностях (см. ст. 28.18). Вследствие малых по-
терь при пространственном распространении
декаметровых и частично метровых радиоволн
в ионосфере возможно установление радиосвя-
зи на расстоянии до 2000 км и более, а при мно-
горазовом отражении радиоволн от ионизиро-
ванных х слоев ионосферы — до околоземных
орбит включительно. Ионосферную связь на
большие расстояния называют магистральной.
Основное использование И. с. — передача уз-
Глава 18 РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
487
18.14. РАДИОСВЯЗЬ
кополосных (1...4 телеграфных или телефон-
ных канала) сообщений, радиовещание в диа-
пазонах КВ (приемник радиосвязи — см. ст.
17.23, радиовещание — ст. 13.4, передающее
устройство магистральной связи — ст. 16.6).
Многолучевой характер ионосферного
распространения декаметровых радиоволн
приводит к значительным искажениям радио-
сигналов, глубоким и селективным замира-
ниям, которые проявляются в виде мульти-
пликативных помех; для борьбы с последни-
ми широко применяют разнесенный прием
(см. ст. 17.12). Значительная зависимость па-
раметров канала распространения радиоволн
от времени суток и года, солнечной активно-
сти требует прогнозирования и соответству-
ющего изменения рабочих частот РПдУ. По
этим причинам, а также вследствие малой
пропускной способности ионосферная связь
уступает радиорелейной и спутниковой. В то
же время благодаря простоте технической ре-
ализации, возможности преодоления значи-
тельных неровностей на земной поверхности
И. с. используется как самостоятельный вид
радиосвязи, а также для резервирования дру-
гих видов связи.
Канал радиосвязи (радиоканал) — сово-
купность технических средств и среды распро-
странения радиоволн, которые обеспечивают
передачу сигналов от источника к получателю
информации. Техническими средствами кана-
ла радиосвязи являются радиостанции. Физи-
ческие параметры и характеристики среды
распространения (ослабление радиоволн, явле-
ния дифракции, рефракции, поляризационные
эффекты, помехи и т.п.), а также технические
параметры радиостанций (мощность РПдУ,
чувствительность РПрУ, вид модуляции и об-
работки сигналов, параметры антенн и др.) оп-
ределяют характеристики систем радиосвязи в
целом (дальность связи, помехоустойчивость,
качество воспроизведения и т.п.).
Космическая радиосвязь — радиосвязь, в
которой используют один или несколько косми-
ческих объектов (КО) — космических радио-
станций или пассивных ретрансляторов (отра-
жателей). Космическая радиостанция распола-
гается на объекте, который находится за преде-
лами основной части атмосферы Земли. Соот-
ветственно могут функционировать такие кос-
мические радиолинии: КО — КО; Земля (3) —
КО; КО — 3; 3 — КО — 3 и прочие, более
сложные. Разновидностью космической радио-
связи является спутниковая связь [7, 8].
Метеорная радиосвязь — радиосвязь с
использованием отражения радиоволн от ио-
низированных следов метеоров (см. также ст.
15.1). При сгорании метеоров в атмосфере
Земли на высоте 80... 120 км образуется про-
тяженный ионизированный след с концентра-
цией электронов 101О...1018 эл./м3, который
может рассеивать радиоволны при концентра-
ции меньшей, чем 2.4-1014 эл./м3, или зеркаль-
но отражать их при большей концентрации.
Наименьшее ослабление при отражении на-
блюдается на частотах 30...50 МГц, поэтому
они и применяются для метеорной связи. Ин-
тенсивность метеорных потоков разная для
разных географических регионов и зависит от
времени года и суток. Длительность сеанса
радиосвязи, как правило, не превышает не-
скольких секунд, что является существенным
недостатком метеорной радиосвязи. Метеор-
ную радиосвязь используют для передачи те-
леграфных сообщений на расстояние до 2000
км в районах с неустойчивым распростране-
нием декаметровых радиоволн, например, в
заполярных областях [9].
Многостанционный доступ — метод,
обеспечивающий доступ множества абонентов
в общий частотный ресурс системы радиосвя-
зи, называемой в этом случае многостанцион-
ной. Для организации радиосвязи между N або-
нентами выделяется определенная полоса час-
тот (частотный ресурс) Д/сети, достаточная для
одновременного радиообмена только между п
абонентами, причем n<N. Для остальных або-
нентов в это время каналы связи будут заняты
(блокированы). При этом нагрузку на канал
связи определяют как А = тГс/3600, где А — на-
грузка на канал в эрлангах [Эрл]; т — число се-
ансов связи в час; tc — средняя продолжитель-
ность сеанса связи в секундах. С увеличением
нагрузки вероятность блокирования возрастает
[10]. По сути, задачей многостанционного до-
ступа является обеспечение связью большого
числа радиостанций в пределах выделенного
частотного ресурса и рациональное использо-
вание общего для всех абонентов радиообору-
дования (ретрансляторов в РРЛ связи, базовых
станций в системах подвижной радиосвязи и
т.п.) с допустимым уровнем взаимных помех.
Возможны следующие виды М. д.: МДЧР,
МДВР, МДКР.
МДЧР — многостанционный доступ с час-
тотным разделением каналов (FDMA —
Frequency Division Multiplied Access). Для ор-
ганизации МДЧР частотный ресурс разбивают
488
РАДИОТЕХНИКА
18.14. РАДИОСВЯЗЬ
на ряд рабочих каналов с равным частотным
интервалом так, что спектры шириной AFC ка-
нальных сигналов не перекрываются по часто-
те. Последнее обеспечивается введением меж-
канальных защитных интервалов Д£. В дуп-
лексных системах частотный ресурс включает
две полосы частот для двух направлений, раз-
деленных дуплексным защитным интервалом.
В системах радиосвязи с закрепленными кана-
лами рабочие каналы закрепляются за отдель-
ными абонентами или группами абонентов. В
этом случае доступ абонента в закрепленный
за ним рабочий канал возможен только после
его освобождения (даже при наличии других
свободных каналов). По этой причине эффек-
тивность использования частотного ресурса в
системах с закрепленным^ каналами является
весьма низкой. В радиосистемах со свободным
доступом все абоненты имеют равные права на
использование любого рабочего канала, что
значительно повышает эффективность таких
систем, но увеличивает время вхождения в ра-
диосвязь, так как при поиске свободного рабо-
чего канала процедура определения его занято-
сти повторяется на каждом канале и включает
в себя последовательную перестройку частоты
радиостанции во всем частотном диапазоне,
передачу сигналов запроса занятости, прием
ответных сигналов, синхронизацию сигналов
и т.д. Радиостанции на основе МДЧР являются
наиболее простыми и могут использоваться
для передачи как аналоговых, так и цифровых
сигналов. Для минимизации межканальных
помех широкополосные усилительные тракты
сигнальной частоты приемопередающих уст-
ройств систем с МДЧР должны обладать высо-
кой линейностью амплитудных характеристик,
поскольку входные сигналы этих трактов пред-
ставляют собой сумму канальных сигналов
всех одновременно работающих абонентов.
Наличие межканальных и дуплексного защит-
ных интервалов снижает эффективность ис-
пользования частотного ресурса. МДЧР при-
меняется в аналоговых фиксированных и спут-
никовых РРЛ (в частности, в телевизионных
стволах), в системах аналоговой подвижной
радиосвязи и беспроводных радиотелефонов.
МДВР — многостанционный доступ с вре-
менным разделением каналов (TDMA — Time
Division Multiplied Access). Для его организа-
ции используются канальные сигналы, не пе-
рекрывающиеся во времени. Системы с МДВР
являются цифровыми, и каждому абоненту для
передачи (приема) отдельных пакетов сообще-
ния выделяется временной интервал ATZ с цик-
лом повторения Тц, длительность которого оп-
ределяется числом выделенных временных ка-
налов. Пакетный режим передачи (приема)
требует увеличения скорости передачи инфор-
мации внутри пакета в (Т^Т) раз и вызывает
соответствующее расширение спектров ка-
нальных сигналов. Разделение канальных сиг-
налов во времени позволяет всем абонентам
работать на одной несущей частоте. Для пре-
дотвращения взаимного наложения пакеты
разделены временными защитными интервала-
ми. В системах радиосвязи с МДВР требуется
жесткая временная синхронизация канальных
сигналов, особенно это относится к системам
связи с подвижными объектами, в которых
временная задержка сигналов зависит от рас-
стояния между радиостанциями. Наличие сиг-
налов синхронизации и защитных интервалов
снижает эффективность использования частот-
ного ресурса. Разделение канальных сигналов
во времени исключает межканальные помехи и
позволяет использовать РПдУ в режиме макси-
мальной мощности. В настоящее время МДВР
является наиболее распространенным видом
многостанционного доступа и вытесняет
МДЧР или применяется в сочетании с ним. К
системам радиосвязи с МДВР относятся систе-
мы передачи многоканальных цифровых теле-
фонных РРЛ, сотовых систем подвижной ра-
диосвязи и беспроводных радиотелефонов.
МДКР — многостанционный доступ с кодо-
вым разделением каналов (CDMA — Code
Division Multiplied Access). В радиосистемах с
МДКР каждому абоненту выделяется индивиду-
альный широкополосный сигнал (ШПС), отли-
чающийся по форме от сигналов других абонен-
тов и являющийся, по сути, адресом (кодом) або-
нента. Это позволяет всем абонентам работать
одновременно в общей полосе частот, а разделе-
ние ШПС, поступающих на вход РПрУ, осуще-
ствляется по форме (коду). Применение индиви-
дуальных кодов для разделения канальных сиг-
налов автоматически обеспечивает конфиденци-
альность передаваемой информации. Для обра-
батываемого сигнала прочие канальные сигналы
представляют шумоподобную помеху, уровень
которой зависит от числа одновременно работа-
ющих абонентов и базы сигналов. Отсутствие
межканальных частотных и временных защит-
ных интервалов увеличивает емкость радиосис-
тем с МДКР в 15.. .30 раз по сравнению с анало-
говыми. МДКР — наиболее перспективный вид
многостанционного доступа, применяемый в не-
Глава 18. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
489
18.14. РАДИОСВЯЗЬ
которых системах сотовой подвижной радиосвя-
зи, а также в проектируемой Универсальной си-
стеме подвижной связи CODIT.
Комбинированный многостанционный
доступ использует сочетание рассмотрен-
ных методов.
Методы многостанционного доступа не сле-
дут отождествлять с одноименными методами
разделения (уплотнения) каналов в канало- и
группообразующей аппаратуре систем передачи
многоканальных сообщений (см. ст. 17.23).
Наземная радиосвязь осуществляется
между радиостанциями, расположенными на
поверхности Земли и в приземной части атмо-
сферы. Не следует отождествлять наземные
радиостанции, предназначенные для проведе-
ния наземной радиосвязи, и земные радиостан-
ции спутниковой радиосвязи (см. ст. «Радиоре-
лейная спутниковая связь»).
Однополосная радиосвязь основана на
излучении AM колебаний, в спектре которых
подавлена одна боковая полоса. Благодаря
значительному энергетическому выигрышу в
РПдУ (см. ст. 16.11), высокой помехоустойчи-
вости (см. ст. 17.18), более эффективному ис-
пользованию спектра радиочастот однополос-
ную радиосвязь широко применяют в радио-
телефонных системах магистральной связи,
системах радиосвязи с подвижными объекта-
ми в декаметровом диапазоне радиоволн, в
частности на железнодоржном транспорте, в
телевидении (для передачи видеосигналов в
диапазонах МВ и ДМВ).
Полудуплексная радиосвязь — симп-
лексная радиосвязь с автоматическим пере-
ключением режима «передача-прием» и воз-
можностью прослушивания РПрУ во время
пауз в работе собственного передатчика. Пе-
реключение осуществляется устройством го-
лосового управления или при нажатии на те-
леграфный ключ. Благодаря высокому быст-
родействию устройства управления (единицы
— десятки миллисекунд) можно в паузах
между телеграфными посылками или слова-
ми (фразами) определять наличие помех на
рабочей частоте, получать подтверждение от
корреспондента о правильности приема или
запрос на повторение переданной информа-
ции и т.п. Полудуплексные радиостанции бо-
лее простые, чем дуплексные, и имеют повы-
шенные оперативные возможности по сравне-
нию с симплексными.
Пропускная способность канала связи
— см. ст. 6.9. Сравнительной характеристикой
пропускной способности каналов цифровой
связи с разными видами манипуляции является
эффективность использования полосы частот
Э = где В — скорость передачи инфор-
мации, AFC— ширина спектра сигнала. С уве-
личением числа уровней манипуляции этот па-
раметр возрастает (Табл. 18.3), равно как и
возрастает сложность аппаратурной реализа-
ции канала радиосвязи. П. с. к. с. одного вида
сравнивают также по числу независимых кана-
лов сообщений (телефонных, телеграфных, ТВ
и т.п.) - см., например, ст. «Радиорелейная
наземная связь», Табл. 18.4.
Радиолиния — радиоканал, обеспечиваю-
щий радиосвязь в одном азимутальном направ-
лении. Совокупность радиолиний, которые ра-
ботают на общей для нескольких или многих
абонентов частоте или группе частот, образует
радиосеть (радиовещательную, радиотелеви-
зионную, радиосвязи и т.п.).
Таблица 18.3
Вид манипуляции Число уровней манипуляции Э = В/4ГС [бит/с/Гц] Тип демодулятора Допустимое отношение сигнал/шум на входе РПрУ |дБ] (при Рош = КГ6)
АМн 2 1 Некогерентный 17.2
2 1 Когерентный 10.8
ФМн 4 2 Тоже 10.8
4 2 Автокорреляционный 12.8
8 3 Когерентный 14.6
3 1 Некогерентный 15.9
ЧМн 4 2 Тоже 20.1
8 3 Тоже 25.5
ЧММС(ЧМнс минимальным сдвигом) 2 2 Когерентный 10.8
КАМ (квадратурная АМн) 16 4 Тоже 17.0
490
РАДИОТЕХНИКА
18.14. РАДИОСВЯЗЬ
Таблица 18.4
Характеристика РСПИ Пропускная способность
Аналоговые РРС Цифровые РРС
Малой пропускной способности до 24 ТЛФ каналов менее 10 Мбит/с (эквивалентно 120 ТЛФ каналам)
Средней пропускной способности 60...300 ТЛФ каналов 10...100 Мбит/с
Большой пропускной способности более 300 ТЛФ каналов или 1 ТВ ствол более 100 Мбит/с
Радиолюбительская связь — см. главу 15.
Радиорелейная наземная связь — назем-
ная радиосвязь на ДМВ и более коротких радио-
волнах с использованием цепочки ретранслято-
ров для увеличения дальности радиосвязи и пе-
редачи информации на расстояния, превышаю-
щие зону прямой видимости 7?Пр- Переход на ча-
стоты свыше 300 МГц обусловлен значительной
перегруженностью и низкой пропускной спо-
собностью более низкочастотных диапазонов.
Радиостанции, которые используют для радио-
релейной связи, называют радиорелейными
станциями (РРС1...РРС5 на Рис. 18.40, а). Ввод
и получение сообщений, передаваемых по ра-
диорелейной линии, осуществляется с помощью
оконечного оборудования на оконечных радио-
релейных станциях ОРС (Рис. 18.40, б), между
которыми на расстоянии L < Лпр установлены
промежуточные радиорелейные станции (ПРС)
— ретрансляторы (Рис. 18.40, в) с рабочими ча-
стотами f -f2 и// -f2. Демодуляция и формиро-
вание радиосигнала на ОРС осуществляется в
оконечном приемопередающем оборудовании,
как правило, на промежуточной частоте (см. ст.
16.8,17.23). Это позволяет унифицировать и зна-
чительно упростить аппаратуру радиоствола.
Узловые радиорелейные станции (УPC) — см.
далее «Ретранслятор».
Из-за технической сложности и значитель-
ных затрат на строительство и эксплуатацию
радиорелейные станции выполняются много-
канальными дуплексными и предназначены
для передачи сообщений с частотным, времен-
ным или кодовым разделением каналов (теле-
фонных (ТЛФ), телеграфных, ТВ, фототеле-
графных и др.). Для устранения взаимных по-
мех между приемопередатчиками и реализа-
ции дуплексного режима используют две, че-
тыре и более несущих частоты для разных на-
правлений передачи. Способ распределения
частот называют частотным планом.
Для увеличения пропускной способности,
передачи сигналов с разными параметрами (ТВ,
многоканальных телефонных аналоговых и ци-
фровых и т.п.), повышения надежности радиоре-
лейные станции выполняют многоствольными.
Радиоствол - это комплекс радиотехнического
оборудования со средой распространения радио-
волн, который осуществляет передачу сообще-
ний на определенной частоте. Спектры сигналов
отдельных стволов занимают примерно одина-
ковую полосу частот, что позволяет рационально
и гибко использовать оборудование для переда-
чи сообщений разных видов. Так, с помощью че-
тырехствольной РРЛ можно передавать три про-
граммы ТВ (по одной на каждый ствол) или три
многоканальных телефонных аналоговых или
цифровых информационных потока различного
назначения, или их сочетание, как, например,
показано на Рис. 18.41, где ОО — оконечное
оборудование. Один из стволов является резерв-
ным. Коммутация стволов и подключение ре-
зервного производится устройством автоматиче-
ского резервирования стволов (УАРС). Устрой-
ство объединения и разделения стволов (УОРС)
на основе циркуляторов и ствольных фильтров
осуществляет объединение выходных сигналов
ствольных РПдУ, разделение принимаемых сиг-
налов по стволам и позволяет использовать об-
щую антенну для приемного и передающего
трактов (Рис. 18.42, а), где СН — согласованная
нагрузка. Средняя частота ствольных ПФ равна
частоте сигнала соответствующего ствола (Рис.
18.42, б).
В зависимости от пропускной способности
радиорелейные системы передачи информации
(РСПИ) разделяют на три группы (Табл. 18.4).
В аналоговых РРС наиболее часто используют
ЧМ с частотным уплотнением каналов, а в ци-
фровых — ЧМн, ФМн и амплитудно-фазовую
манипуляцию с временным уплотнением. Наи-
большее распространение получили РРЛ пря-
мой видимости. Тропосферные радиолинии
применяются лишь для многоканальной связи
в отдаленных и труднодоступных районах при
расстоянии между соседними станциями свы-
ше 300...400 км [8, 9].
Радиорелейная спутниковая связь —
радиосвязь между наземными станциями че-
рез спутниковые станции или пассивные ИСЗ.
Глава 18. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
491
18.14. РАДИОСВЯЗЬ
L - длина
пролета
Рис. 18.40
Много-
канальный
ТЛФ сигнал
ТВ сигнал
Цифровой
сигнал
Рис. 18.41
f2 *-► f2'
f3 ** f3
f4 <-► f4
492
РАДИОТЕХНИКА
18.14. РАДИОСВЯЗЬ
1-й СТВОЛ Л/-Й ствол
к
антенно-
фидерному
тракту
| Дуплексный разнос _ |
К Г *1
h fN П fN 1
6)
Рис. 18.42
Наземная станция расположена на земной по-
верхности и предназначена для связи со спутни-
ковыми или другими наземными станциями че-
рез спутниковые станции или пассивные ИСЗ.
В основе спутниковой радиосвязи лежит прин-
цип ретрансляции сигналов наземных станций с
помощью ретрансляторов, расположенных на
борту ИСЗ. Благодаря большой высоте орбиты
ИСЗ находится в границах прямой видимости
для значительной территории (зоны покрытия).
Для создания глобальной спутниковой системы
радиосвязи довольно трех ИСЗ, находящихся на
геостационарных орбитах [7, 8]. Преимущест-
вами геостационарных ИСЗ являются круглосу-
точная связь, возможность работы без автомати-
ческого сопровождения ИСЗ антеннами назем-
ных станций, отсутствие доплеровского сдвига
частоты радиосигналов, получение большой зо-
ны прямой видимости и т.д.
Основные направления Р. с. с. — спутнико-
вое радиовещание и ТВ, многоканальная теле-
фонная, подвижная и другие виды связи (см.
Табл. 18.2). Благодаря значительным размерам
зоны покрытия один спутниковый ретрансля-
тор сигналов радиовещания и ТВ заменяет сот-
ни наземных ретрансляторов радиовещатель-
ных и ТВ сетей. Передающее устройство ли-
ний спутниковой связи — см. ст. 16.7, прием-
ник РРЛ спутниковой связи — см. ст. 17.23. Из-
за значительной протяженности радиолиний
спутниковой связи наземные станции снабжа-
ют остронаправленными зеркальными антен-
нами диаметром 0.6...30 м. С целью уменьше-
ния помех наземным службам радиосвязи
мощность РПдУ бортовых ретрансляторов ог-
раничивают по допустимой плотности потока
мощности на земной поверхности. Для переда-
чи аналоговой информации используют ЧМ, а
цифровой — многоуровневую ФМн. Как пра-
вило, бортовые ретрансляторы являются мно-
гоствольными с резервированием стволов. Ос-
новные технические характеристики спутни-
ковых систем радиосвязи приведены в [7, 8].
Радиосвязь прямой видимости — радио-
связь, которая осуществляется на расстоянии
прямой видимости между передающей и при-
емной антеннами. Этот вид радиосвязи харак-
терен для частот выше 30 МГц, т.е. частот с
прямолинейным распространением радиоволн
вдоль поверхности Земли. Расстояние прямой
видимости 7?пр ограничено сферичностью Зем-
ли и зависит от высот АРПду и АРПрУ передаю-
щей и приемной антенн:
^nptKM] - 3.6(^АРПдУ[м] + д/ЛрпруМ)-
Вследствие дифракции и рефракции радиоволн
значение 7?пр может значительно отличаться от
расчетного в зависимости от рельефа местнос-
ти, влияния земной поверхности и тропосферы.
Если радиосвязь необходимо осуществлять на
расстояние, значительно превышающее 7?пр, ис-
пользуют ретрансляторы радиосигналов.
Регенератор цифровых сигналов —
функциональный узел, предназначенный для
восстановления формы цифрового сигнала на
выходе РПрУ. В результате ограничения спект-
ра сигнала в приемопередающем тракте, воз-
действия внешних и внутренних помех, зами-
раний в канале распространения радиоволн
форма принятого цифрового сигнала значи-
тельно отличается от исходной, т.е. прямо-
угольной: сглаживаются очертания, появляется
дрожание фронтов (фазовый джиттер), возни-
кают врезки в единичных посылках и выбросы
в нулевых, флуктуации амплитуды и т.д. (см. ст.
17.20, 17.21). Регенератор (Рис. 18.43) распола-
гается непосредственно после демодулятора
РПрУ и состоит, как правило, из формировате-
ля прямоугольных импульсов ФИ, нормирую-
щего принятый сигнал по уровню; устройства
выделения тактовых импульсов УВТИ, частота
Глава 18. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
493
18.14. РАДИОСВЯЗЬ
которых равна частоте тактового генератора
формирователя цифрового сигнала в РПдУ;
формирователя выходных импульсов ФВИ, в
котором принимается решение о значении пе-
редаваемого символа («О» или «1») и осуществ-
ляется нормирование символа по длительнос-
ти. Принцип действия УВТИ основан на выде-
лении из спектра принимаемого цифрового
сигнала составляющей с частотой тактового ге-
нератора. По сути, УВТИ является узкополос-
ным фильтром на основе высокодобротных се-
лективных систем, систем ФАПЧ и др. В том
случае, если в исходном цифровом сигнале со-
ставляющая спектра с тактовой частотой отсут-
ствует или слабо выражена, его предварительно
перекодируют в скремблере таким образом,
чтобы обеспечить нормальную работу УВТИ.
Основным параметром регенератора является
помехоустойчивость, характеризуемая мини-
мальным отношением сигнал/помеха на его
входе при заданном коэффициенте ошибок в
регенерированном сигнале. В настоящее время
регенераторы выполняют на основе цифровых
сигнальных процессоров.
Ретранслятор — автономное приемопереда-
ющее устройство с разнесенными частотами при-
ема и передачи, предназначенное для увеличения
дальности радиосвязи путем переизлучения или
переотражения радиосигналов. Активные рет-
рансляторы осуществляют прием сигналов опре-
деленного направления, преобразование, усиле-
ние и переизлучение их в противоположном на-
правлении, а пассивные — изменяют направление
распространения радиоволн путем отражения,
преломления или рассеяния в искусственных сре-
дах. Ретрансляторы являются составной частью
наземных и спутниковых систем передачи ин-
формации. Наземные ретрансляторы РРЛ называ-
ют также промежуточными станциями, они мо-
гут быть простыми и узловыми. Простые проме-
жуточные станции (ПРС) предназначены только
для ретрансляции сигналов (см. Рис. 18.40, а), а
узловые (УРС) — для ретрансляции с выделени-
ем из транзитных потоков сообщений Sj и S2 час-
ти сообщений 53 и для ввода в этот поток новых
сообщений 54. Узловые промежуточные станции
располагают, как правило, в населенных пунктах
для получения по магистральной линии связи
программ ТВ, организации междугородней теле-
фонной связи и т.д. Ретрансляторы работают в ав-
томатизированном режиме и чаще всего без об-
служивающего персонала.
Различают три типа промежуточных стан-
ций: с ретрансляцией по основной полосе час-
тот (в полосе спектра сообщения), по проме-
жуточной частоте (гетеродинные ретранслято-
ры), по высокой частоте (прямого усиления).
Ретрансляторы первого типа (Рис. 18.44, а)
применяют в узловых промежуточных станци-
ях аналоговых РРЛ малой емкости, а также ци-
фровых РРЛ (простых и узловых). В узловых
ретрансляторах принятый сигнал с частотой^
после обработки в линейном тракте РПрУ по-
ступает на вход модема (модулятор-демодуля-
тор), в котором из сигнала ПЧ выделяется со-
общение Sp После обработки в устройстве
ввода-вывода вновь образованным потоком со-
общений S4 осуществляют модуляцию колеба-
ний опорного генератора РПдУ (УсМ СВЧ —
усилитель мощности СВЧ сигнала). Основные
недостатки таких ретрансляторов: дополни-
тельные нелинейные искажения в модемах,
приводящие к возникновению переходных по-
мех в многоканальных сообщениях, накопле-
ние искажений и мощности шумов вдоль це-
почки ретрансляторов.
Промежуточные станции с ретрансляцией по
основной полосе являются основными в цифро-
вых РРЛ. Из-за ограничения спектра сигнала в
радиотракте и воздействия внешних и внутрен-
них помех принятое сообщение значительно
отличается по форме от исходного, поэтому по-
сле демодуляции цифровое сообщение восста-
навливают с помощью регенератора цифровых
сигналов. После регенерации верность передан-
ной информации характеризуют коэффициен-
том ошибок — отношением неверно принятых
символов цифрового сигнала к общему числу пе-
реданных за время измерения символов. Коэф-
фициент ошибок в радиолинии определяется ви-
дом и числом уровней манипуляции, типом де-
модулятора и зависит от отношения сигнал/шум
на входе РПрУ (см. Рис. 18.45 и Табл. 18.3). Ци-
фровые РРЛ обеспечивают более высокое качест-
во переданной информации, так как за счет реге-
нерации сигнала происходит накопление ошибок
вдоль трассы РРЛ, а не мощности шумов. Как
494
РАДИОТЕХНИКА
18.14. РАДИОСВЯЗЬ
Линейный тракт РПрУ ВЧ тракт РПдУ
Смеси- Мощный Смеси-
МШУ тель ФСС УПЧ УПЧ тель ФСС УсМ СВЧ ФНЧ
Смеси- Мощный Смеси-
МШУ тель ФСС УПЧ УПЧ тель ФСС УсМ СВЧ ФНЧ
Гетеродин
рпру б)
Смеси- Мощный Смеси-
МШУ тель ФСС УПЧ УПЧ тель ФСС УсМ СВЧ ФНЧ
Усилитель Смеси-
МШУ ПФ СВЧ тель ПФ УсМ СВЧ ФНЧ
Г)
Рис. 18.44
видно из Рис. 18.45, при накоплении шумов даже
незначительное ухудшение отношения сиг-
нал/шум на величину А(С/Ш) приводило бы к
увеличению коэффициента ошибок на несколько
порядков. В РРЛ малой протяженности модуля-
ция может осуществляться непосредственно на
рабочей частоте, T.e.fr2=fc2, а мощный УПЧ, сме-
ситель и гетеродин РПдУ не нужны.
Наибольшее распространение в аналоговых
РРЛ, благодаря минимальным нелинейным ис-
кажениям, получили гетеродинные ретрансля-
торы, в которых спектр принятого сигнала пе-
реносится с помощью гетеродина РПрУ на низ-
кую промежуточную частоту, а затем после
усиления и фильтрации с помощью гетеродина
РПдУ — на рабочую частоту fc2 (см. Рис. 18.44,
б). Разность частот гетеродинов определяет
разнос частот приема и передачи (дуплексный
разнос частот):/с2 =/пч +/г2 =/с1 -/г1 +/г2 =/с| -
(fri - fr2)‘ Выбранная схема преобразования час-
Глава 18. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
495
18.14. РАДИОСВЯЗЬ
тоты сигнала определяет основной недостаток
схемы — накопление ухода частоты сигнала
А/с, обусловленное нестабильностью частотыf.
всех гетеродинов вдоль цепочки ретранслято-
ров с независимыми гетеродинами:
ДТс=7дДГг)2.
Однако ретрансляторы с независимыми гете-
родинами обладают большей гибкостью при
частотном планировании. В схеме со смесите-
лем сдвига (Рис. 18.44, в) Afc значительно
меньше и определяется только уходом частоты
fr2 генератора сдвига. Значение/г2 <<fr\ и равно
дуплексному разносу частот. Общий недоста-
ток ретрансляторов гетеродинного типа — на-
копление мощности шумов вдоль трассы.
Основное усиление в ретрансляторах пря-
мого усиления сосредоточено на рабочих час-
тотах, т.е в диапазоне СВЧ (Рис. 18.44, г). Труд-
ности реализации и резервирования, необходи-
мость применения нестандартного оборудова-
ния ограничивают применение ретрансляторов
этого типа. В основном это простые бортовые
ретрансляторы.
Симплексная радиосвязь — двухсторон-
няя радиосвязь, при которой передача и прием
информации на каждой радиостанции проис-
ходят поочередно. Симплексные радиостан-
ции отличаются простотой и наиболее часто
построены по трансиверным схемам (см. ст.
15.8). Переключение режима «прием/переда-
ча» осуществляется, как правило, вручную.
Система низовой и производственной ра-
диосвязи предназначена для организации об-
щей, специальной и индивидуальной радиосвязи
на малые (до десятков километров) расстояния.
В системах общей радиосвязи канал связи пре-
доставляется абонентам на равных условиях, не-
зависимо от их ведомственной принадлежности.
Системы специальной (ведомственной) ра-
диосвязи используют в промышленности, на
транспорте, строительстве и т.п. Как правило,
они обеспечивают радиосвязь руководителя ор-
ганизации с абонентами, а также абонентов
между собой. Радиосвязь может осуществляться
как через центральную (диспетчерскую) радио-
станцию, так и непосредственно. Индивидуаль-
ную радиосвязь осуществляют с помощью ра-
диотелефонов (беспроводных телефонов) — ма-
ломощных одно- или многоканальных радио-
станций, которые работают в специально выде-
ленных для этого диапазонах частот и не объе-
динены в радиосистему. Как правило, системы
низовой и производственной радиосвязи явля-
ются составной частью систем подвижной ра-
диосвязи (сухопутной, морской, воздушной) или
соответствуют им по своим техническим пара-
метрам и организационным принципам [6,10].
Система персонального радиовызова
(пейджинговая) — это система односторон-
ней адресной радиосвязи. Различают С. п. р.
общего пользования и диспетчерские. Для пер-
вых характерным является значительное (де-
сятки тысяч в больших городах) число абонен-
тов, расположенных на большой территории.
Для посылки сообщения вызывающий абонент
с помощью городской телефонной сети (ГТС)
или радиотелефона передает на терминал пер-
сонального вызова (Рис. 18.46, а) индивиду-
альный код корреспондента, а также содержа-
ние самого сообщения (голосовое при наличии
на терминале диспетчера или цифровое с по-
мощью номеронабирателя телефонного аппа-
рата). Контроллер сети и распределитель дан-
ных обеспечивают формирование групповых
потоков сообщений, при необходимости — их
приоритетность, повторную передачу сообще-
ний и т.п. Для передачи радиосигналов в таких
системах могут использоваться РПдУ ЧМ ра-
диовещания на УКВ. Переданные сигналы
принимаются миниатюрными РПрУ — пейд-
жерами, оконечное устройство которых сраба-
тывает только тогда, когда переданный терми-
налом радиосигнал содержит индивидуальный
код. В этом случае оно воспроизводит передан-
ное сообщение в виде звуковых сигналов, сим-
вольной информации, голосового сообщения
или указывает на местонахождение голосового
сообщения с большим объемом информации
(например, номер телефона, по которому это
496
РАДИОТЕХНИКА
18.14. РАДИОСВЯЗЬ
а)
Усилитель-
б)
Рис. 18.46
сообщение может быть получено). Диспетчер-
ские системы более просты, предназначены,
как правило, для производственной связи и об-
служивают 10... 100 абонентов на территории
учреждений, предприятий, больниц и т.п. При
отсутствии терминала функции набора адрес-
ного кода и самого сообщения выполняет дис-
петчер. В таких системах сообщением наибо-
лее часто является кодовый звуковой сигнал
или номер телефона ГТС, который отобража-
ется на цифровом табло пейджера. Двухка-
нальная квадратурная структурная схема с пря-
мым преобразованием частоты (см. Рис. 18.46,
б и ст. 17.23) является типовой для серийно вы-
пускаемых однокристальных пейджерных
РПрУ. Наибольшее распространение получили
С. п. р. по международному стандарту РОС-
SAG с использованием узкополосной ЧМн при
скорости передачи цифрового сигнала 1.2 и 2.4
Кбит/с, а также по стандарту ERMES [10].
Система подвижной радиосвязи обеспе-
чивает радиосвязь между подвижными радио-
станциями или между подвижными и стацио-
нарными радиостанциями. Подвижная радио-
станция предназначена для работы во время
движения или остановок в любом месте. По за-
рубежной классификации основными видами
С. п. р. являются [10]:
1. Системы радиосвязи профессиональные
(ведомственные) (PMR — Professional Mobile
Radio) и общего пользования (PAMR — Public
Access Mobile Radio) — см. также ст. «Система
низовой и производственной радиосвязи»;
2. Системы персонального радиовызова
(пейджинговая система — Paging Systems) —
см. ст. «Система персонального радиовызова»;
3. Системы сотовой подвижной радиосвязи
(CRS — Cellular Radio Systems) — см. ст. «Си-
стема сотовой подвижной радиосвязи»;
4. Беспроводные телефоны (СТ — Cordless
Telephony) для обеспечения радиосвязью або-
нентов, не объединенных в систему.
Кроме того, С. п. р. делятся на радиальные
(для радиосвязи в пределах радиуса действия
базовой станции), линейные (обслуживание
автомагистралей, продуктопроводов, желез-
ных дорог и т.п.) и территориальные (комбини-
рованные, сотовые). В зависимости от назначе-
Глава 18. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
497
18.14. РАДИОСВЯЗЬ
ния С. п. р. могут обслуживать от нескольких
десятков до десятков тысяч абонентов.
Наиболее полно материал по современным
С. п. р. и стандартам подвижной радиосвязи
изложен в [10].
Система сотовой подвижной радиосвязи
— система, в которой вся зона обслуживания
радиусом Ro (Рис. 18.47) разбивается на ячей-
ки — соты, как правило, шестиугольной фор-
мы с радиусом описанной окружности R. В
центре последних находятся связанные между
собой радиоканалом базовые радиостанции
БС, обеспечивающие радиосвязью абонентов
(мобильные станции — МС) как внутри сот,
так и между сотами. Базовая радиостанция, об-
служивает абонентов в пределах своей соты и
имеет непосредственный выход на городскую
телефонную сеть (ГТС). Такая структура поз-
воляет абонентам вести обмен информацией
как непосредственно между собой, так и с лю-
бым абонентом ГТС через базовую радиостан-
цию. При перемещении абонента в другую со-
ту управление работой его радиостанции авто-
матически передается соответствующей БС.
Базовые станции работают на разных, но мно-
гократно повторяющихся частотах (условно
обозначены номерами в сотах на Рис. 18.47).
При таком частотно-территориальном плани-
ровании БС с одинаковыми частотами разнесе-
ны на расстояние D для предотвращения вза-
имных помех. Радиостанции работают в дуп-
лексном режиме, и такая радиосвязь напоми-
нает обычную телефонную связь. Такие радио-
системы называют также многостанционными
(см. ст. «Многостанционный доступ»). При
большой плотности абонентов соты разбива-
ются на ячейки меньших размеров (микросо-
ты) с аналогичной структурой. Современные
сотовые системы связи обеспечивают весьма
широкий спектр предоставляемых услуг при
высоком качестве и конфиденциальности ра-
диообмена, включая международную связь
498
РАДИОТЕХНИКА
18.14. РАДИОСВЯЗЬ
(роуминг), электронную почту, доступ в Ин-
тернет и т.д. В настоящее время сотовые струк-
туры становятся частью глобальной системы
персональной радиосвязи [10, 11].
Телеграфная радиосвязь — передача те-
леграфных сообщений с помощью радиоволн.
Различают слуховую и регистрирующую те-
леграфную радиосвязь. При слуховой радио-
связи передачу осуществляют с помощью
АМн несущего колебания, для чего использу-
ют ручной ли автоматический телеграфный
ключ или клавиатурный датчик кода Морзе
(см. ст. 15.8), а регистрирует сообщение опе-
ратор радиостанции, записывая его на бумаге
вручную или печатая на машинке. Регистри-
рующая Т. р. — это связь с автоматической ре-
гистрацией сообщений на материальном но-
сителе (см. ст. «Документальная радиосвязь»,
а также ст. 15.1). Телеграфная радиосвязь
имеет высокую помехоустойчивость и широ-
ко применяется в магистральной радиосвязи
на декаметровых волнах.
Телефонная радиосвязь — передача голо-
совой информации с помощью радиоволн, на-
иболее распространенный вид радиосвязи. Для
передачи используют ОМ (подвижная и магис-
тральная на декаметровых волнах, многока-
нальная радиорелейная связь), ЧМ (подвижная
радиосвязь на МВ и ДМВ), реже — AM (по-
движная и воздушная радиосвязь).
Транкинговая радиосвязь — радиосвязь
со свободным доступом к общему частотному
ресурсу (см. ст. «Многостанционный доступ»).
Перед вхождением в связь радиостанция осу-
ществляет поиск свободного частотного (при
МДЧР) или временного (при МДВР) канала
связи. Т. р. позволяет наиболее полно исполь-
зовать частотный ресурс, так как все абоненты
радиосистемы имеют равные права на свобод-
ные каналы, которые закрепляются за ними
только на время сеанса связи.
Тропосферная радиосвязь — радиосвязь
использованием рассеяния и отражения радио-
волн в нижней части тропосферы (см. ст. 28.32).
Применяется в тропосферных РРЛ на расстоя-
ниях, которые значительно превышают расстоя-
ние прямой видимости (см. также ст. 16.13).
Широкополосная радиосвязь основана
на с использовании широкополосных (шумо-
подобных) сигналов (ШПС). В системах связи
с ШПС ширина спектра сигнала А/с намного
больше ширины спектра AFC передаваемого со-
общения: Afc » AFC, а база сигнала (см. ст.
1.16) М = TcAfc» 1 характеризует расширение
его спектра М = AfJAF.. = AfJB^ где Вс = 1/Тс
— скорость передачи дискретной информации,
Тс — длительность сигнала. Таким образом,
после обработки передаваемого сообщения
спектр сигнала оказывается распределенным
(«размазанным») с малой спектральной плот-
ностью в широкой полосе частот и напоминает
спектр шума. Поэтому системы радиосвязи с
ШПС еще называют системами связи с шумо-
подобными сигналами. Наибольшее распрост-
ранение получили системы радиосвязи с пря-
мым расширением спектра частот. В РПдУ
(Рис. 18.48, а) исходное сообщение S(t) с дли-
тельностью единичных посылок Тс и псевдо-
случайная последовательность ПСП с длитель-
ностью ти и периодом повторения Тс поступа-
ют на входы фазового манипулятора (перемно-
жителя). Выходной сигнал последнего пред-
ставляет собой ФМн сигнал 5Псп при 5(г)=1 и
инвертированный сигнал 5псп при 5(г)=0. Та-
ким образом, спектр фазоманипулированной
ПСП 5псп(0 расширяется в N = Тс/ти раз по
сравнению со спектром исходного сообщения.
Так как частоты следования посылок сообще-
ния и ПСП синхронизированы между собой, то
N численно равно разрядности ПСП, т.е.
М = N. Полученным сигналом осуществляют
балансную ФМн несущего колебания с часто-
той /н, спектр которого также расширен в Араз.
В РПрУ (Рис. 18.48, б) формируется копия
ПСП, с помощью которой получают ФМн
опорный сигнал /Псп и снимают в балансном
смесителе манипуляцию с частотой следова-
ния посылок ПСП, т.е. в балансном смесителе
происходит сжатие спектра принятого сигнала
/n4si и перенос на новую промежуточную час-
тоту /пч82- Преобразованный таким образом уз-
кополосный сигнал содержит ФМн только ис-
ходным сообщением S(t) и после фильтрации
поступает на демодулятор. Для точного вос-
становления сообщения сигналы ПСП перед
началом сеанса синхронизируют по времени
задержки и частоте следования относительно
ПСП РПдУ. Так как для каждого абонента
структура его ПСП является уникальной, то
любые другие ШПС с отличающейся структу-
рой на выходе балансного смесителя будут
иметь по-прежнему широкий спектр с малой
спектральной плотностью, из которого узкопо-
лосный фильтр вырежет только часть энергии
канальных помех. Благодаря ряду уникальных
свойств системы с ШПС обеспечивают скрыт-
ность и конфиденциальность передаваемой
информации, они малочувствительны к сосре-
Глава 18 РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
499
18.14. РАДИОСВЯЗЬ
Балансный
Фазовый фазовый Усилитель
Рис. 18.48
доточенным помехам, позволяют осуществ-
лять компенсацию помех при многолучевом
распространении радиоволн, определять мес-
тоположение абонента и т.д. (выигрыш в поме-
хоустойчивости ШПС рассмотрен в ст. 17.22).
Это обусловило их использование в радиосис-
темах специального назначения. Сложность
аппаратурной реализации долгое время сдер-
живала их широкое применение. В настоящее
время, благодаря существенному совершенст-
вованию элементной базы ШПС уже применя-
ются не только в системах радиорелейной, но и
персональной радиосвязи. Кроме систем с пря-
мым расширением спектра в радиосвязи также
используют системы со скачкообразным изме-
нением частоты несущего колебания РПдУ
[Н].
18.15. РАДИОТЕЛЕСКОП (от радио, теле
и греч. skopeo — смотрю, наблюдаю) — уст-
ройство для приема радиоизлучения космичес-
ких объектов (Солнца, звезд и т.п.) в диапазоне
длин волн от 0.1 мм до 103 м с целью исследо-
вания характеристик (интенсивности излуче-
ния, спектра, поляризации и пр.) и определения
угловых координат этих объектов. Радиотелес-
коп является радиометром (см. ст. 18.11).
18.16. РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ РАЗВЕД-
КА — определение местоположения и парамет-
ров РЭС противника. По данным Р. р. выбирают
способы подавления обнаруженных РЭС и режи-
мы работы станций, создающих помехи.
Типичная станция Р. р. (Рис. 18.49) состо-
ит из антенны А, приемника РПрУ, анализато-
ра параметров принятого сигнала Ан, пеленга-
ционного устройства ПУ, устройства запоми-
нания и предварительной обработки информа-
ции ПЗО, телеметрического устройства ТлУ,
аппаратуры контроля К.
На станциях Р. р. устанавливают антенны
различных типов в зависимости от диапазона ра-
бочих волн. С помощью анализатора можно из-
ПУ J ТлУ К
— Л- —
К пункту сбора информации
Рис. 18.49
500
РАДИОТЕХНИКА
18.19. ТЕПЛОЛОКАЦИЯ
мерить временные, спектральные, энергетичес-
кие параметры сигналов. ПЗО автоматически за-
поминает параметры сигналов: частоту, длитель-
ность импульсов, период их поступления и т.п.
Телеметрическое устройство применяется для
передачи разведанной информации на пункты ее
сбора и обработки. Аппаратура контроля обеспе-
чивает автоматический или полуавтоматический
контроль за работой отдельных блоков.
18.17. РАДИОУПРАВЛЕНИЕ — управле-
ние на расстоянии различными объектами (про-
цессами), выполняемое с помощью РЭС. Сово-
купность функционально связанных устройств, с
помощью которых реализуют радиоуправление,
называют системой радиоуправления. Типичны-
ми представителями систем радиоуправления яв-
ляются системы самонаведения и командного ра-
диоуправления зенитными реактивными снаря-
дами. Функциональная схема активной системы
самонаведения показана на Рис. 18.50. Радиоло-
кационная головка самонаведения РТС (актив-
ный радиолокатор) измеряет параметр рассогла-
сования е = d^/dt, где 0 — угол отклонения на-
правления ракета — цель г в стабилизированной
в пространстве системе координат XYZ. Выход-
ное напряжение (7ВЫХ РТС, пропорциональное па-
раметру рассогласования UBiAX(t) = преобра-
зуется автопилотом в отклонение рулей 5, кото-
рые направляют ракету на цель Ц.
Функциональная схема системы командно-
го Р. изображена на Рис. 18.51. На командном
пункте КмП размещены радиолокаторы цели и
ракеты (РЛЦ и РЛр), вычислитель В и РПдУ, а на
борту ракеты — РПрУ, ответчик (РПрУ/РПдУ)
и автопилот. Радиолокаторы измеряют радиу-
сы-векторы цели Гц и ракеты гр относительно
КмП, их напряжения ивых ц и йвых р несут ин-
формацию об угловых координатах и расстоя-
нии от цели до ракеты. На основании этой ин-
формации вычислитель вырабатывает коман-
ды UK, которые передаются по командной ра-
диолинии на вход автопилота ракеты в виде на-
пряжения UBbix п Это напряжение автопилот
преобразует в отклонение рулей, корректирую-
щих курс ракеты.
18.18. РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ БОРЬБА
— система мероприятий по созданию помех
РЭС противника. Подавление РЭС происходит
специально созданными активными и пассив-
ными помехами. Р. б. проводится также за счет
уменьшения радиолокационного контраста це-
лей с помощью противорадиолокационного
маскирующего покрытия (см. ст. 18.6).
Активные помехи формируются передат-
чиками, установленными на Земле или на ле-
тательных аппаратах и кораблях. Источниками
пассивных помех являются отражающие тела
(например, металлические ленты), которые
имитируют или маскируют цели.
18.19. ТЕПЛОЛОКАЦИЯ — область ра-
диотехники, связанная с обнаружением объек-
тов и измерением их координат путем приема
их естественного электромагнитного излуче-
ния, обусловленного температурным режимом.
Радиотепловое излучение присуще всем
телам, которые имеют температуру выше абсо-
лютного нуля; по параметрам излучения (ин-
тенсивности, спектральному составу, поляри-
зации и пр.) можно судить о физических свой-
ствах наблюдаемых тел. Самыми мощными ес-
тественными источниками радиотеплового из-
лучения являются Солнце, космические обра-
зования, ионизированные тучи. К искусствен-
ным источникам излучения принадлежат дви-
гатели летательных аппаратов, нагретые ме-
таллические конструкции объектов и пр. ПрИ-
Глава 18. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
501
18.19. ТЕПЛОЛОКАЦИЯ
ем теплового излучения осуществляют с помо-
щью радиометров (см. ст. 18.11).
Теплолокационная станция — электрон-
ная система для обнаружения, распознавания и
измерения координат различных объектов по
их тепловым излучениям. Теплолокационные
станции работают в диапазоне длин волн
0.5... 100 мм; они во многом похожи на пассив-
ные РЛС и отличаются от них природой приня-
того излучения; теплолокационная аппаратура,
которая функционирует в субмиллиметровом
диапазоне, имеет много общего с приборами
инфракрасной техники.
Основными параметрами теплолокацион-
ных станций являются чувствительность (вы-
ражается в градусах на секунду) и разрешаю-
щая способность (в метрах). Применение в
теплолокационных станциях параметрических
малошумящих усилителей и, в особенности,
приборов криоэлектроники, обеспечивает чув-
ствительность приблизительно 0.001 град/с, а
разрешающую способность — порядка не-
скольких метров при дальности обнаружения
несколько километров.
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Теоретические основы радиолокации / Под ред. В.Е. Дулевича. — М.: Сов. радио, 1964. —
732 с.
2. Справочник по радиоэлектронным системам / Под ред. Б.Х. Кривицкого. — М.: Энергия,
1979. —Т. 2. —368 с.
3. Гуткин Л.С. Проектирование радиосистем и радиоустройств. — М.: Радио и связь, 1986. —
288 с.
4. Теоретические основы радиолокации / Под ред. Я.Д. Ширмана. — М.: Сов. радио, 1970. —
560 с.
5. Чердынцев В.А. Радиотехнические системы. — Минск: Вышэйша шк., 1988. — 360 с.
6. Сухопутная подвижная радиосвязь: В 2 кн. / Под ред. В.С. Семенихина, И.М. Пышкина. —
М.: Радио и связь, 1990. — 432 с.
7. Спутниковая связь и вещание: Справочник / Под ред. Л.Я. Кантора. — М.: Радио и связь,
1988. —344 с.
8. Радиорелейные и спутниковые системы передачи / Под ред. А.С. Немировского. — М.: Ра-
дио и связь, 1986. — 392 с.
9. Немировский А. С., Рыжков Е.В. Системы связи и радиорелейные линии. — М.: Связь,
1980.— 320 с.
10. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. - М., 1996. - 240 с.
11. Попов М., Тодоров Г. Сотовые коммуникации / Под ред. В.И. Корнейчука. — К.: ВИПОЛ, 1997.
— 146 с.
12. Радиотехнические системы / Под ред. Ю.И. Казаринова. — М.: Высш, шк., 1990. — 486 с.
13. Лезин Ю.С. Введение в теорию и технику радиотехнических систем. — М.: Радио и связь,
1986. —279 с.
14. Раков В.И. Индикаторные устройства радиолокационных станций. — Л.: Судпромгиз,
1962.— 532 с.
15. Современные методы и устройства отображения информации / Под ред. М. И. Кривоше-
ева, А.Я. Брейтбарта. — М.: Радио и связь, 1981. — 216 с.
16. Гуткин Л.С. Современная радиоэлектроника и ее проблемы. — М.: Сов. радио, 1980. —
192 с.
17. Апорович А.Ф. Проектирование радиотехнических систем. — Минск: Вышэйша шк., 1988.
— 221 с.
18. Диксон Р.К. Широкополосные системы: Пер. с англ. / Под ред. Журавлева. — М.: Связь,
1979. —304 с
502
РАДИОТЕХНИКА
ГЛАВА 19
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И
СИГНАЛЫ
• Я утверждаю, что любая теория содержит
столько науки, сколько в ней
содержится математики.
Э. Кант
• Сигнал на выходе цепи — дитя входного сигнала
и цепи.И, как каждый ребенок, он несет в себе
черты обоих своих родителей.
• Есть 69 способов составлять песни племен
и каждый из них правильный.
Р. Киплинг
• О терминах не спорят, а договариваются.
• И день идет, и ночь идет.
И, голову схвативши в руки,
С надеждой ждешь, когда придет
Апостол правды и науки.
Т.Г. Шевченко
• Преобразования Лапласа
(П.С. Лаплас, Франция, 1810-е годы).
• Преобразования и ряды Фурье
(Ж.Б. Фурье, Франция, 1820-е годы).
• Распределение Гаусса
(К.Ф. Гаусс, Германия, 1830-е годы).
• Интеграл наложения
(Ж.М. Дюамель, Франция, 1840-е годы).
• Преобразования Гильберта
(Д. Гильберт, Германия, 1890-е годы).
• Центральная предельная теорема
(А.М. Ляпунов, Россия, 1910-е годы).
• Теория нелинейных колебаний
(Л.И. Мандельштам, СССР, 1930-е годы).
• Гармонический анализ колебаний в нелинейных
цепях (А.И. Берг, СССР, 1930-е годы).
• Теорема отсчетов
(В.А. Котельников, СССР, 1930-е годы).
• Спектры и анализ
(А.А. Харкевич, СССР, 1950-е годы).
Радиотехнические цепи и сигналы — раз-
дел теоретической радиотехники, посвящен-
ный изучению идей, методов анализа и прин-
ципов реализации основных радиотехничес-
ких процессов, т.е. процессов преобразования
сигналов и помех в радиотехнических цепях,
устройствах, системах. Различают: линейные
процессы (линейное усиление и фильтрация,
дифференцирование, интегрирование, задерж-
ка сигнала), не сопровождающиеся трансфор-
мацией спектров (появлением на выходе цепи
гармонических составляющих сигнала с час-
тотами, отсутствующими на входе) и реализу-
емые в линейных цепях; нелинейные процес-
сы (модуляция, детектирование, преобразова-
ние, умножение и деление частоты, нелиней-
ное усиление, ограничение, генерирование ко-
лебаний и т.п.), сопровождающиеся трансфор-
мацией спектров и реализуемые лишь в нели-
нейных или параметрических цепях.
Рекомендуется такой порядок изучения ос-
новных статей главы: 19.13, 19.12, 19.10, 19.4,
19.6, 19.3,19.1, 19.7, 19.2, 19.11, 19.5, 19.8, 19.9.
19.1. ГАРМОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
КОЛЕБАНИЙ В НЕЛИНЕЙНЫХ БЕЗЫ-
НЕРЦИОННЫХ ЦЕПЯХ (НБЦ) — операции
нахождения спектра отклика y(t) нелинейной
цепи (НЦ) на воздействие x(t) в виде одного
гармонического колебания или суммы не-
скольких колебаний. Основан на применении
Фурье-анализа непосредственно к y(t), по-
скольку из-за неприменимости к НЦ принципа
суперпозиции определение спектра отклика
по известному спектру воздействия затрудне-
но. Для частных случаев воздействия простей-
ших сигналов на НБЦ с нелинейной характе-
ристикой (НХ) у(х) и, соответственно, откли-
ком у(0 =Ях(0] решения этой задачи известны
как методы Г. а. к. в НБЦ. Все они развиты для
конкретных видов функций, аппроксимирую-
щих НХ, и моно- или полигармонических воз-
Глава 19 РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
503
19.1. ГАРМОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОЛЕБАНИЙ В НЕЛИНЕЙНЫХ БЕЗЫНЕРЦИОННЫХ ЦЕПЯХ
действий. Наиболее употребительные из них
рассматриваются далее на примерах нелиней-
ной ВАХ у(х) = i(u) и воздействий вида
и =Ей +u(t) =Е0 +y\jmk cos(<«V+6*), (1)
к=\
где Eq — напряжение смещения, задающее ра-
бочую точку на ВАХ.
Метод модифицированных функций
Бесселя — метод гармонического анализа ко-
лебаний в НБЦ при аппроксимации ВАХ экс-
поненциальным полиномом
i(u)=Aq +^eaiM + A,efl2M +... (2)
и моно- или полигармонических воздействиях.
Базируется на разложениях в ряд Фурье экспо-
ненциальных функций:
ezcos9=£0(z)+2£1(z)cos<p+22>2(z)cos2(p+...:
ezsin9 =b,0(z)+22>1(z)sin<p+22>2(z)cos2(p+ (3)
+22>3 (z)sin3<p+22>4 (z)cos4<p+...,
где En(z) — модифицированная (мнимого аргу-
мента) бесселева функция, первого рода и-го
порядка от аргумента z, в математике обозна-
чаемая как In(z).
Метод состоит в подстановке (1) в (2) и при-
менении к каждой экспоненте разложений (3) с
последующим перемножением рядов (при по-
лигармоническом воздействии) и суммировани-
ем членов с одинаковыми частотами. Например,
при i = Л(еаи - 1) и и = Eq + C^cosQz имеем:
i(t) = A{e“£»[E0(at/ffl) +
оо оо
+2 En(aUm) cos n£lt ] -1}=Z0+/wncos n£lt;
п—1 п=1
Io (aU„ )-1 ]; 1„„ =2А^Б„ (aUm).
Значения En(z) берут из справочных таблиц
[1,2] или из графиков (Рис. 19.1).
Метод нескольких ординат — прибли-
женный метод гармонического анализа колеба-
ний в НБЦ при моногармоническом воздейст-
вии, не требующий аппроксимации ВАХ.
Обеспечивает оценку постоянной составляю-
щей и амплитуд первых А гармоник отклика по
N + 1 ординатам ВАХ, выбранным на ее рабо-
чем участке. Метод основывается на представ-
лении отклика усеченным рядом Фурье
i(t) =i[«(0]='[^0 +ит cosQr] =
n (4)
=^o+X/""COS"nf’
Л=1
подстановке в него А + 1 значений £ [0; тс] и
соответствующих им ординат и решении
полученной системы уравнений относительно
1тп. Сводится к расчету 1тп по формулам, самы-
ми распространенными из которых являются:
формулы трех ординат (Рис. 19.2, а)
^0 ~Отах "T^min +2i’q)/4, I т\ — Отах — Zmjn)/2,
I m2 ~Отах +*min “2*о)/4,
формулы пяти ординат (Рис. 19.2, б)
A) =0тах +zmin +20’1
I ml ~Отах — ^min +01
I m2 “Отах +^min —2*oV4,
I m3 =0max — Onin “201 “А)]^’
Ли4 “Отах +*min “401 +*2 )+6/0]/12.
Формулы особенно удобны для быстрой
оценки коэффициентов гармоник отклика и на-
иболее точны для монотонных ВАХ.
504
РАДИОТЕХНИКА
19.1. ГАРМОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОЛЕБАНИЙ В НЕЛИНЕЙНЫХ БЕЗЫНЕРЦИОННЫХ ЦЕПЯХ
Метод угла отсечки (метод Берга) — метод
гармонического анализа колебаний в НБЦ при
кусочно-линейной аппроксимации ВАХ и мо-
ногармоническом воздействии. Базируется на
разложении периодической последовательнос-
ти импульсов отклика (Рис. 19.3) в ряд Фурье:
i(‘)=^m„cosnQt.
п=0
Метод состоит в вычислении амплитуд
гармоник и постоянной составляющей по
формулам 1тп = /таха„(0) или Imn = SUmy„(&),
где п = 0, 1, 2, 3,... — номер гармоники; 1тах =
= SUm(\ - cos0) — амплитуда импульсов от-
клика; 0 = arccos [(Е3 - Ео) / Um] — угол отсеч-
ки тока — отношение полудлительности им-
пульса i(t) к периоду Т, выраженное в угловой
мере; Е3 и S — напряжение запирания и кру-
тизна наклонного участка кусочно-линейной
ВАХ соответственно; а„(0) — коэффициенты
Берга, определяемые по графикам (Рис. 19.4, а)
или по формулам:
ао(0) =
sin0-0cos0
n(l-cos0)
ai(0) =
0-sin0cos0.
тс(1 — COS0) ’
(5)
rsin(«-l)e sin(n+l)0n /г
(6) =[—л—г---------ДМ1 - cos0)l>
П-L П+\ /
ул(0) = (1 - cos0)a„(0) — модифицированные
коэффициенты Берга, определяемые по гра-
фикам (Рис. 19.4, б) или по формулам, отли-
чающимся от (5) лишь отсутствием делителя
(1 - COS0).
Коэффициенты Берга а„(0) и уп(0) макси-
мальны при углах отсечки 0opt a = 120% и
0opt у = 180°/п, что обеспечивает максимум
и-й гармоники отклика при /тах = const или
С7тах ~ const соответственно. М. у. о. легко
распространяется на случаи более сложных
кусочно-линейных ВАХ. Так, для ВАХ (Рис.
19.5) представление трапецеидальных им-
пульсов отклика разностью косинусоидаль-
ных импульсов с углами отсечки
03 = arccos[(E3 - Ео) / Um] и
0Н = arccos[(EH - Eq) I Um} дает
4п = 5^(бз)-ул(ен)].
Метод формул кратного аргумента —
метод гармонического анализа колебаний в
НБЦ при аппроксимации НХ степенным поли-
номом i = aQ + ахи + а2и2 + ... + атит и как мо-
но-, так и полигармонических воздействиях.
Основан на использовании формул кратного
аргумента (формул возведения гармонических
функций в целые положительные степени, на-
пример, sin4a = (3 - 4cos2a + cos4a)/8 или
Глава 19. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
505
19.1. ГАРМОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОЛЕБАНИЙ В НЕЛИНЕЙНЫХ БЕЗЫНЕРЦИОННЫХ ЦЕПЯХ
cos2a = (1 + cos2a)/2, и других тригонометри-
ческих формул). Метод состоит в подстановке
воздействия (1) в полином, математических
преобразованиях с использованием упомяну-
тых формул и приведении подобных (с одина-
ковыми частотами) членов. Так, для i = а0 +
+ а}и + а2и2 ии = Eq + Umcos£lt метод дает
+Imlcos£lt+Im2cos2£lt,
где Iq =aQ +а{Е0 +a2E^ +a2Um/2;
/ml=(a, +2a2E0)Um,Im2=a2U2J2.
Метод более эффективен при использова-
нии аппроксимации ВАХ с началом отсчета на-
пряжения, перенесенным в рабочую точку
i = bQ + Ьхх + Ь2х? + ... + Ь^, так как в нее под-
ставляют лишь переменную составляющую
воздействия х = и - Ео = u(t).
Теория комбинационных частот — тео-
рия потенциально возможных преобразований
частот и фаз колебаний в НБЦ при полигармо-
нических воздействиях (1). Основана на ре-
зультатах гармонического анализа колебаний
в НБЦ. В соответствии с Т. к. ч. в спектре от-
клика НБЦ на полигармоническое воздейст-
вие потенциально возможны лишь спектраль-
ные компоненты (СпК) с такими частотами и
фазами:
5 =|m<q +л(О2+...+s<^ +...|;
Qm,n J =|М01 +И02 +...+S0* +...|, (
где со* и О*. — частоты и фазы компонент поли-
гармонического воздействия; т, п, ..., 5 — лю-
бые целые числа.
Частоты (йт „ 5 называются комбинацион-
ными частотами порядка N= |ш| + |п| + ... + |s|.
Если лишь один из коэффициентов т, п, ... s от-
личен от нуля, то частоты называются кратны-
ми (гармониками), а число N— их кратностью.
Количество и частоты реально возможных (с
ненулевыми амплитудами) СпК отклика зави-
сят от характера и степени нелинейности ха-
рактеристики. Четные (относительно рабочей
точки) НХ порождают СпК лишь четных крат-
ностей и порядков N, а нечетные — нечетных.
Если НХ такова, что может быть точно описа-
на полиномом #-го порядка i = а0 + ахи + а2и2 +
+ ... + aquq, то в отклике на полигармоническое
воздействие возможны лишь СпК с N < q. На-
пример, при q = 3 и бигармоническом воздейст-
вии в отклике возможны: постоянная составля-
ющая, гармоники составляющих частот шь
2о)!, 3(0], со2, 2со2, ЗсОг и комбинационные час-
тоты |<х>! ± Ghl, |<х>1 ± 20^1, |2а>1 ± со2|.
19.2. ГЕНЕРИРОВАНИЕ ГАРМОНИ-
ЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ — процесс возбуж-
дения и поддержания незатухающих автоколе-
баний (АК), т.е. колебаний, не вынужденных
(как в усилителях, умножителях частоты), а
возникающих самостоятельно, без внешнего
воздействия. Системы (цепи), которые генери-
руют АК, называются автоколебательными, а
соответствующие устройства — автогенера-
торами (АГ) или генераторами с самовозбуж-
дением. По принципу действия различают: АГ
с внешней обратной связью, выполненные по
схеме усилителя с ПОС, обеспечивающей ком-
пенсацию потерь энергии в колебательной си-
стеме (КС), и АГ с внутренней обратной свя-
зью, не имеющие явной цепи ОС, в которых
компенсация потерь энергии в КС обеспечива-
ется подключенным к ней активным двухпо-
люсником с отрицательным дифференциаль-
ным сопротивлением. По характеру частотоза-
дающих элементов различают ZC-АГ и ЯС-АГ.
Автогенератор LC (LC-АГ) — автогенера-
тор с колебательной системой в виде одного
или нескольких LC колебательных контуров
(КК). Одноконтурные АГ классифицируют по
способу реализации ПОС или подключения
КС к АЭ. Эквивалентные схемы для перемен-
ного тока основных разновидностей АГ, вы-
полненных на ПТ, изображены на Рис. 19.6:
а — LC-AV с трансформаторной ОС и КК в це-
пи затвора (базы, сетки); б — LC-АГ с транс-
форматорной ОС и КК в цепи стока (коллекто-
ра, анода); в — LC-АГ с автотрансформатор-
ной ОС (АГ типа «индуктивная трехточка»);
г — LC-АГ с емкостной ОС (АГ типа «емкост-
ная трехточка»); д — LC-АГ с внутренней ОС
(АГ на двухполюснике с отрицательным со-
противлением); е — LC-АГ с КС в виде двух
связанных КК; ж, з — LC-АГ по схеме обоб-
щенной трехточки с двумя несвязанными КК.
Автогенератор RC (RC-AT) — автогенера-
тор с частотозадающими элементами в виде
ЯС-цепей. Используется на НЧ (от долей герца
до сотен килогерц), где LC колебательные кон-
туры слишком громоздки. Одним из самых
распространенных является RС-АГ с мостом
Вина (Рис. 19.7, а), состоящий из широкопо-
лосного неинвертирующего усилителя и RC-
цепи ОС, нарушающей условие баланса фаз на
всех частотах, кроме одной — частоты генера-
ции сог. При идеальном усилителе (К(/со) = Ко;
Rm = Явь,х = 0) (От = 1/УЛ|Л2С|С2, а требуе-
506
РАДИОТЕХНИКА
19.2. ГЕНЕРИРОВАНИЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
IТ _________I_______
J q Двухполюсник с
L С = = отрицательным
> сопротивлением
ОС (см. Рис. 19.6, а, б) на ПТ, представленном
НЧ схемой замещения, Д. у. а. имеет вид:
d2y 1 , MS dy 2 л m
—?-+—(г-----)—+«£>> =0, (1)
dt2 L C dt
Рис. 19.6
мое усиление Ко > 1 + RXIR2 + С2/Сх. Для того
чтобы при перестройке частоты не изменялась
амплитуда автоколебаний, такой АГ перестра-
ивают одновременным изменением емкостей
конденсаторов Сх и С2 или сопротивлений ре-
зисторов Rx и R2.
RC-kT с трехзвенной цепочкой (Рис. 19.7,
б) содержит широкополосный инвертирую-
щий усилитель и ЯС-цепь ОС в виде трех-
звенного ФВЧ (или ФНЧ), обеспечивающего
сдвиг фазы на ±л на частоте генерации. При
идеальном усилителе (Д/’со) = Хоеуя; RBX = °°;
ЯВых = 0) анализ условий самовозбуждения
дает сог = 1/ ТбЯС (или сог = Тб IRC для ФНЧ),
а требуемое усиление Ко > 29. Число звеньев
цепи ОС может быть и больше трех. Для улуч-
шения формы (гармоничности) автоколебаний
в RC-АГ вводят цепи дополнительной ООС с
инерционной нелинейностью [1—4].
Дифференциальное уравнение автогене-
ратора — дифференциальное уравнение, запи-
санное относительно напряжения (тока) в лю-
бом узле (ветви) схемы автогенератора, полу-
ченное исключением лишних переменных из
системы интегродифференциальных уравне-
ний цепей АГ. Для ZC-АГ с трансформаторной
тжу — напряжение (на затворе или стоке) или
ток (в колебательном контуре (КК) или стоко-
вой цепи); Г, С, соо = 1/л/гС ; р = *JUC — па-
раметры колебательного контура; М — взаим-
ная индуктивность связи; г — сопротивление
потерь КК (собственное для схемы на Рис.
19.6, а или эквивалентное, равное г + p2/T?z, для
схемы на Рис. 19.6, б)\ R^nS — внутреннее со-
противление и крутизна проходной ВАХ тран-
зистора.
Д. у. а. принципиально нелинейно, по-
скольку S и Ri прямо или косвенно зависят от
переменной у. Однако на пороге возбуждения
(пока амплитуда автоколебаний достаточно
мала) Д. у. а. линеаризуют, считая 5 и j?z посто-
янными. Величина -MSIС = rBH в (1), имеющая
размерность сопротивления, называется вно-
симым отрицательным сопротивлением
(ВОС) и характеризует компенсацию потерь
энергии в КК благодаря положительной ОС.
Понятие ВОС удобно тем, что дает возмож-
ность моделировать любой одноконтурный
Г С-АГ эквивалентной схемой в виде КК с до-
полнительно включенным в него последова-
тельным сопротивлением гвн < 0 или подклю-
ченным к нему параллельно сопротивлением
Двн= р2/гвн < 0.
Затягивание частоты — явление, проис-
ходящее в ГС-автогенераторах с колебательной
системой в виде двух связанных колебатель-
ных контуров, один из которых непосредствен-
но связан с АЭ, а другой является нагрузочным
(см. Рис. 19.6, е). 3. ч. состоит в изменении ча-
стоты автоколебаний сог при перестройке резо-
нансной частоты (002 = 1/Jl2C2 нагрузочного
Глава 19. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
507
19.2. ГЕНЕРИРОВАНИЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
контура. Особенностью 3. ч. является петлеоб-
разный (гистерезисный), со скачками, характер
закона перестройки частоты сог = у((002), на-
блюдаемый при связи между контурами выше
критической.
Метод фазовой плоскости — графичес-
кий качественный метод анализа нелинейных
дифференциальных уравнений второго поряд-
ка х" + С](х)х'+ С2(х)х = 0, используемый для
исследования стационарных и переходных ре-
жимов работы автогенераторов. Метод осно-
ван на представлении мгновенного состояния
(фазы) колебательной системы отображающей
точкой 4(х, у) на фазовой плоскости с коорди-
натами х = x(t), у = х'(0 (например, заряд и ток
конденсатора или ток в катушке индуктивнос-
ти и напряжение на ней). Изменению состоя-
ния системы во времени (изменению х, у) соот-
ветствует перемещение отображающей точки
на фазовой плоскости вдоль линии, называе-
мой фазовой траекторией. Семейство фазо-
вых траекторий для ряда начальных условий
называется фазовым портретом системы, так
как полностью описывает возникновение, раз-
витие и установление автоколебаний в ней. М.
ф. п. состоит в построении фазового портрета
колебательной системы и изучении с его помо-
щью динамики развития и установления авто-
колебаний [1—3]. Недостатками метода явля-
ются необходимость трудоемких построений и
отсутствие аналитических решений.
Смещение автоматическое в автогенера-
торах — способ автоматического регулирова-
ния положения рабочей точки на ВАХ АЭ, обес-
печивающий сочетание мягкого режима воз-
буждения с экономичным стационарным режи-
мом дальнейшей работы. Основан на детекти-
ровании (выпрямлении) напряжения автоколе-
баний во входной цепи АЭ (транзистора, лам-
пы) за счет нелинейности входной ВАХ. С. а. а.
реализуется включением во входную цепь RC-
цепочки с т = RC » 2тг/аэг (Рис. 19.8, а), играю-
щей роль нагрузки диодного детектора. Харак-
тер установления напряжений на входе усили-
теля после подачи питания и смещение рабочей
точки показаны на Рис. 19.8, б. При неверном
выборе параметров цепочки С. а. а. (увеличении
R выше определенного предела) в АГ может
возникнуть прерывистая генерация — явление
самопроизвольного, периодически повторяю-
щегося возбуждения и срыва автоколебаний.
Трехточечная схема автогенератора —
схема ZC-АГ, в которой колебательный кон-
тур подключен к АЭ тремя точками (см. Рис.
19.6, в, г). Анализ условий самовозбуждения
показывает, что для выполнения условий ба-
ланса фаз элементы контура, включаемые
между истоком (эмиттером, катодом) и затво-
ром (базой, сеткой) АЭ и истоком и стоком
(коллектором, анодом), должны быть реактив-
ностями одного характера, а между затвором и
стоком — противоположного. Соответствую-
щие схемы называют индуктивной (см. Рис.
19.6, в) и емкостной (см. Рис. 19.6, г) Т. с. а.
Частота генерации этих схем, как у всех одно-
контурных автогенераторов (АГ), близка к ре-
зонансной частоте колебательного контура.
По Т. с. а. выполняют также двухконтурные
АГ (см. Рис. 19.6, ж, з). Конкретные схемы
АГ — см. ст. 16.1.
Условия самовозбуждения автогенерато-
ра — необходимые и достаточные условия воз-
никновения в АГ нарастающих автоколебаний.
В силу малости начальных амплитуд автоколе-
баний У. с. а. анализируют в линейном режиме
работы АЭ, для чего пригодны все известные
критерии устойчивости линейных цепей (см.
ст. 12.7). Для одноконтурных Г С-АГ, описыва-
емых дифференциальным уравнением второго
порядка
у"+2аэу'+сф =0 (2)
с общим решением y(t) = у(0)e-a’/cos(coB036z + 0),
частотой возбуждения совозб = -ocj ~ соо =
=1/ <J~LC и эквивалентным коэффициентом за-
тухания аэ = (г + гвн)/(2£), У. с. а. сводятся к
508
РАДИОТЕХНИКА
19.2. ГЕНЕРИРОВАНИЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
требованиям: аэ < 0, т.е. гвн < 0, |гвн| > г. Здесь
г — сопротивление потерь колебательного кон-
тура (КК); гвн — отрицательное сопротивле-
ние, вносимое в КК за счет внешней или внут-
ренней ОС. Так, для схемы на Рис. 19.6, а
гвн = -MSIС, а для схемы Рис. 19:6, д гвн =
= р2/Ян, где — отрицательное дифференци-
альное сопротивление активного двухполюс-
ника в рабочей точке на падающем участке
ВАХ (см. ст. 23.9); р = <Jl/C — характеристи-
ческое сопротивление КК.
Для анализа АГ с внешней ОС наиболее
удобны У. с. а. в комплексной форме
ВДр(/со) > 1, (3)
распадающиеся на условие баланса фаз (УБФ):
(р^со) + фр(со) = ±и2л и условие баланса ампли-
туд (УБА): Дсо)р(со) > 1, где п = 0, 1, 2, 3..., а
А?(/со) = Дсо)е/<Р*(<О); р(/со) = р(со)е/<р₽(<о)— такие
комплексные функции цепей усилителя и ОС
соответственно, произведение которых имеет
смысл коэффициента передачи напряжения
или тока в разомкнутом (с сохранением нагруз-
ки) кольце схемы АГ. Чаще всего под Х(/со) и
Р(/со) понимают коэффициент усиления и ко-
эффициент ОС по напряжению (Рис. 19.9).
УБФ определяет частоты совозб/ потенциально
возможных автоколебаний, а УБА — условия
реализуемости автоколебаний на этих часто-
тах. Так, для схемы АГ на Рис. 19.6, а
P(jco)=-M/[rC(l+jx)(jcoLCB +ZB)];
7C(jco)=-S(j(oLcb +ZB),
откуда УБФ: arctgx = 0, х = 0, совозб = соо, а
УБА: (MSI г С) > 1 или MSI С > г, что совпадает
с У. с. а., найденными из дифференциального
уравнения (здесь х — обобщенная расстройка
КК; ZB — сопротивление, вносимое из КК в
катушку связи Гсв).
Условия стационарности автоколебаний
определяют стационарный режим работы ав-
тогенератора, т.е. режим установившихся по
форме, амплитуде и частоте автоколебаний.
У. с. а. анализируют в нелинейном режиме ра-
боты АЭ, используя приближенные методы
решения нелинейных дифференциальных
уравнений и, в частности, квазилинейный ме-
тод (КвМ) — метод анализа стационарного
режима работы нелинейных узкополосных
(квазилинейных) колебательных и автоколеба-
тельных систем [резонансных усилителей,
ГС-АГ, ограничителей амплитуды]. Он осно-
ван на исследовании соотношений между пер-
выми гармониками токов и напряжений и за-
мене НЭ эквивалентным линейным элемен-
том, характеризуемым средним параметром
(параметром по первой гармонике — см. ст.
23.9). Такая замена позволяет описать нели-
нейную цепь линейными уравнениями и ана-
лизировать их методами линейной теории (на-
пример, методом комплексных амплитуд). Не-
линейность же системы учитывается зависи-
мостью среднего параметра от амплитуды воз-
действия. На основе КвМ условия стационар-
ности Г С-АГ получают заменой в условиях
самовозбуждения неравенства на равенство, а
дифференциальных параметров НЭ — на
средние. Так, заменяя в (1) дифференциаль-
ную крутизну S средней 5С(^4«) (см. ст. 23.9),
зависящей от амплитуды напряжения на затво-
ре, получаем У. с. а. для схемы АГ на Рис.
19.6, a: Sc(Um) = rC/М. В общем случае У. с. а.
ГС-АГ, полученное из (3), имеет вид:
/СсО<цСт)Р(Усо)=1, (4)
откуда следуют условие баланса фаз (УБФ):
Ф* )+фр(со) =0; 2л, (5)
и условие баланса амплитуд (УБА):
АГс(сцСш)Р(со)=1, (6)
где Kc(j(a>Um) = Kc((a>Um)Qj^wm) — сред-
ний (т.е. по первой гармонике частоты генера-
ции (От) коэффициент передачи усилителя, за-
висящий от амплитуды входного колебания Um.
Таким образом, стационарная амплитуда
Umr и частота генерации сог являются решени-
ями системы уравнений (5), (6). Часто зависи-
Глава 19. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
509
19.2. ГЕНЕРИРОВАНИЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
мостью (PktUm) можно пренебречь, и тогда ус-
ловия стационарности сводятся к УБА на час-
тоте, найденной из УБФ. На КвМ и У. с. а. ба-
зируется большинство методов нахождения
амплитуд стационарных колебаний (АСтК)
Г С-АГ, которые рассмотрим подробнее.
Метод средней крутизны использует для
описания нелинейных свойств АЭ зависи-
мость Sc(Um), полученную экспериментально
или рассчитанную по аппроксимации ВАХ НЭ.
Метод состоит в решении относительно Um
(аналитически, численно или графически —
см. Рис. 19.10, а) уравнения SC(U„^ = SC T, где
Sc т— средняя крутизна НЭ, требуемая по У. с. а.,
определяемая линейной частью схемы АГ (на-
пример, для схемы на Рис. 19.6, a SC T = гС/М)\
— зависимость средней крутизны НЭ
от амплитуды входного сигнала.
Метод колебательных характеристик ис-
пользует для описания нелинейных свойств АЭ
колебательную характеристику полу-
ченную экспериментально или рассчитанную
по аппроксимации ВАХ НЭ. Метод состоит в
решении относительно Um (аналитически, чис-
ленно или графически — см. Рис. 19.10, б)
уравнения ImX(Um) = где /т,т = Sc.TUm —
прямая обратной связи, определяемая линей-
ной частью схемы АГ (например, для схемы на
Рис. 19.6, a ImiT = (rC/M)Um); — колеба-
тельная характеристика НЭ — зависимость
амплитуды первой гармоники выходного тока
от амплитуды входного гармонического напря-
жения.
Метод нахождения АСтК в ZC-АГ с внут-
ренней ОС аналогичен рассмотренному и со-
стоит в решении относительно Um уравнения
|гвн(^т)| = г, где г — сопротивление потерь ко-
лебательного контура; rBH(^4i) — среднее (т.е.
по первой гармонике) отрицательное сопротив-
ление, вносимое АЭ в колебательный контур,
зависящее от амплитуды напряжения на АЭ.
Мягкий режим самовозбуждения — ре-
жим, при котором возбуждение и срыв автоко-
лебаний происходят при одном и том же значе-
нии параметра ОС (например, М) — см. Рис.
19.11, а. Этот режим обусловлен монотонным
уменьшением средней крутизны характеристи-
ки АЭ с ростом амплитуды Um на его входе, что
имеет место при выборе рабочей точки на уча-
стке ВАХ с максимальной дифференциальной
крутизной. Мягкий режим удобен тем, что при
Л/> Мкр автоколебания возникают при включе-
нии питания сами, без постороннего толчка, но
невыгоден энергетически из-за относительно
большого тока покоя АЭ.
Жесткий режим самовозбуждения — ре-
жим, при котором возбуждение и срыв автоколе-
баний имеют место при неодинаковых значени-
ях параметра ОС (например, М) и происходят
скачком, несмотря на плавное увеличение или
уменьшение М (Рис. 19.11, б). Этот режим обус-
ловлен немонотонным изменением средней кру-
тизны АЭ с ростом амплитуды Um на его входе и
имеет место при выборе рабочей точки вблизи
нижнего загиба ВАХ НЭ. Жесткий режим неудо-
бен тем, что приМкр\ <М< Мкр2 генератор не за-
пускается сам, без постороннего толчка, но зато
выгоден энергетически (мал ток покоя АЭ).
Метод медленно меняющихся амплитуд —
метод анализа переходных процессов (процес-
сов установления автоколебаний) в Г С-АГ, ос-
нованный на учете инерционности высокодоб-
ротных колебательных контуров, входящих в
состав АГ (относительной инерционности из-
510
РАДИОТЕХНИКА
19.3. ДИСКРЕТИЗАЦИЯ СИГНАЛОВ
менения амплитуды, частоты и фазы колеба-
ний в них). Такой учет позволяет снизить поря-
док нелинейного дифференциального уравне-
ния, описывающего работу АГ [1, 3—5].
19.3. ДИСКРЕТИЗАЦИЯ СИГНАЛОВ —
процедура, состоящая в замене несчетного
множества мгновенных значений сигнала
счетным (дискретным) множеством его значе-
ний (отсчетов). С математической точки зре-
ния Д. с. является операцией умножения не-
прерывной функции ДО на решетчатую функ-
цию, т.е. на последовательность 5-импульсов.
С технической точки зрения Д. с. является (в
простейших случаях) процессом стробирова-
ния (отпирания канала передачи) сигнала ДО
последовательностью коротких импульсов
или процессом AM этой последовательности
сигналом ДО (АИМ). Укажем, что ШИМ,
ЧИМ, ФИМ и прочие виды импульсной моду-
ляции также являются техническими способа-
ми Д. с., объединяющими взятие отсчетов сиг-
нала с преобразованием их в приращения со-
ответствующих параметров — длительности,
частоты, фазы импульсной последовательнос-
ти. Д. с. используют для организации вре-
менного уплотнения канала связи и реализа-
ции цифровых методов передачи (обработки)
сигналов. Д. с. должна осуществляться так,
чтобы число отсчетов аналогового сигнала
было достаточным для его восстановления с
заданной точностью. Условия достаточности
числа отсчетов сигнала с постоянным шагом
(периодом) At формулируются теоремой от-
счетов (теоремой Котельникова).
Выборка — одно или несколько (совокуп-
ность) дискретных значений (отсчетов) сигна-
ла. Объем выборки — число отсчетов, состав-
ляющих совокупную выборку. Сигнал с огра-
ниченным (финитным) спектром — сигнал, в
спектре которого нет компонент с частотами
выше некоторой предельной частоты fm. Стро-
го финитными могут быть спектры лишь не-
финитных (во времени) сигналов. Финитный
сигнал — это сигнал ограниченной длительно-
сти Тс Спектр этого сигнала, строго говоря, не
финитен, но с учетом тенденции к уменьше-
нию спектральной плотности с возрастанием
частоты может считаться условно ограничен-
ным частотой fm (эффективной шириной спек-
тра — см. ст. 19.12, 19.13). Частота дискре-
тизации — частота отсчетов Д = (од/2л = 1/Дл
Число степеней свободы (база) сигнала — об-
щее число отсчетов (объем выборки), мини-
* В гл. 16, 17, 18, 24 принято традиционное обозначение несущей частоты —
мально необходимое для полного задания фи-
нитного сигнала длительностью Тс с гранич-
ной частотой fm.
Дискретизация узкополосного сигна-
ла — дискретизация радиосигнала a(t) =
= Л(0соз [0V + в(г)] с узким (в относительном
смысле) физическим спектром, ограниченным
частотами cd2 и (02 > ©ь отвечающими условию
Д(0 = со2 - Oh «сон = (СО2 + (01 )/2. Отличается от
дискретизации широкополосных сигналов тем,
что взятие отсчетов a(nAt) мгновенных значе-
ний а(0, требующее (по Котельникову) высо-
кой частоты дискретизации (0д > 2(02 = 2(сон +
+ Д(о/2), здесь может быть заменено взятием
одновременных отсчетов огибающей A(nAt) и
фазы 0(иДО с намного меньшей частотой дис-
кретизации Ид > 2(Д(0/2) = Д(0. Это обусловле-
но возможностью представления радиосигнала
не только обычным рядом Котельникова (6),
но и рядом [3, 4, 6, 7]
a(t) = A(nAt) sinc[Q(r - «ДО] cos[(0Hr+0(лДО],
П=-оо
(1)
где Q = л/Д/; At < 2л/Д(0 = 1/ДД Д(о = 2лД/—
ширина физического спектра радиосигнала;
sinc[x] = (sin х)/х — функция отсчетов (см. ст.
1.7); (0н — несущая частота .
Одновременное взятие отсчетов A(t) и 0(0
необходимо лишь при условии смешанной мо-
дуляции (AM с УМ). При AM (когда 0(0 = 0Н =
= const) достаточно отсчетов A(nAt), а при УМ
(когда A(t) = Ан = const) — отсчетов Q(nAt).
Синтез сигнала по его отсчетам — про-
цедура восстановления аналогового сигнала
ДО по последовательности его отсчетов ДиДО,
т.е. процесс, обратный дискретизации. С мате-
матической точки зрения С. с. е. о. является ин-
терполяцией функции ДО рядом Котельникова
— бесконечным (6) в случае нефинитных сиг-
налов ДО (с истинно ограниченным частотой
fm спектром) и конечным в случае финитных с
длительностью Тс сигналов ДО (с условно ог-
раниченным частотой fm спектром):
f(f) = f(t) = ^/(«Az)sinc[n(z -пД/)/Д/];
п=о (2)
N=TC/At.
Если при частоте дискретизации
Д = 1/At>> 2fm ряд (6) точно (с нулевой сред-
неквадратической ошибкой) воспроизводит
ДО в любые моменты времени, то ряд (2) —
©о-
Глава 19 РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
511
19.3. ДИСКРЕТИЗАЦИЯ СИГНАЛОВ
лишь в моменты t = nAt взятия отсчетов, т.е.
финитный сигнал в промежутках между от-
счетными точками всегда восстанавливается
с некоторой погрешностью, тем меньшей,
впрочем, чем больше N. С технической точки
зрения С. с. е. о. — процесс демодуляции им-
пульсно-аналогового сигнала, т.е. выделение
закона модуляции параметра (амплитуды,
длительности, временного сдвига и т.д.) им-
пульсной последовательности. В простей-
ших случаях (при дискретизации стробиро-
ванием или АИМ) С. с. е. о. реализуется про-
пусканием дискретного сигнала через ФНЧ с
характеристикой Д/со), обеспечивающей не-
искаженное (в идеале) выделение централь-
ного парциального (частичного) спектра при
подавлении всех остальных (Рис. 19.12, б).
Так как реальные сигналы финитны, а ФНЧ
— не идеальны, С. с. е. о. всегда сопровож-
дается погрешностью (из-за частичного пе-
рекрытия и неполного подавления боковых
парциальных спектров), тем меньшей, одна-
ко, чем сильнее неравенство Д > 2fm. Поэто-
му на практике частоту дискретизации все-
гда выбирают с некоторым запасом, напри-
мер,/д> 3fm.
Спектр дискретизированного сигнала —
спектр 5д(со) сигнала fjj), полученного дис-
кретизацией аналогового сигнала ДО со спект-
ром S(co) (Рис. 19.12, а). При моделировании
процесса дискретизации операцией умноже-
ния на периодическую последовательность 5-
импульсов С. д. с.
S»=F{/(0 £ 8(г-лД/)}=^- £5(®-&од)
П = -оо к-~оо
(3)
и представляет собой периодически повторяю-
щийся через со = 2п/д рад/с спектр S (со) исход-
ного сигнала ДО (модули спектров показаны на
Рис. 19.12, б), т.е. дискретизация сигнала при-
водит к периодизации его спектра. При дис-
кретизации сигнала стробированием, т.е. ум-
ножением на периодическую последователь-
ность коротких импульсов Д(0 одинаковой
(например, прямоугольной) формы со спект-
ром 5и(со), С. д. с. имеет вид:
и = —оо
1 “ (4)
= д7 ^5и(^С0д)^(С0-^ГОд).
к=-о°
В отличие от (3) здесь парциальные спект-
ры, сохраняя форму S (со), изменяются по мо-
дулю с возрастанием номера |£| пропорцио-
нально 15и(£а>д)| (Рис. 19.12, в). При дискрети-
зации формированием сигнала с АИМ, т.е. с
сохранением формы отсчетных импульсов
(плоской вершины прямоугольных импуль-
сов), С. д. с. имеет вид:
512
РАДИОТЕХНИКА
19.4. КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
5Д((О) = К{/И(Г)* ^/(лДг)8(г-иД0} =
и = —ОО
1 °° (5)
= д7^и(ю) 5/(со-£сод).
£=-оо
В отличие от (3) и (4), здесь (Рис. 19.12, г)
парциальные спектры всегда несколько иска-
жены по сравнению с S(co) (даже при к = 0).
При использовании в качестве стробирующих
или отсчетных прямоугольных импульсов дли-
тельностью т в (4) и (5) следует подставить со-
ответственно
5И (Агсо д) = Т8тс(Аходт/ 2);
5И (со) = т sinc(cox / 2).
Теорема отсчетов во временной области
(теорема Котельникова) — одна из осново-
полагающих теорем теоретической радиотех-
ники и теории связи, регламентирующая вы-
бор частоты дискретизации, исходя из значе-
ния высшей частоты fm спектра сигнала, подле-
жащего дискретизации. Т. о. в. о. гласит, что
сигнал ДО с ограниченным частотой fm (финит-
ным) спектром 5 (со) полностью определяется
последовательностью своих дискретных зна-
чений (отсчетов) Д«Дг), взятых с шагом (вре-
менным интервалом) Дг < 1/(2/^,) (с частотой
дискретизации/^ = 1/Дг > 2fm). Доказательст-
вом Т. о. в. о. является возможность аппрокси-
мации такого сигнала (на бесконечном интер-
вале времени с нулевой среднеквадратической
ошибкой) рядом Котельникова (см. ст. 1.7)
f(t)= £/(M0sinc[£2(z-M/)] (6)
При условии Q = 71/Дг = тг/д и Дг = l/fa< l/(2fm).
Смысл требования сод > 2со,„, илиД > 2fm, оче-
виден из рассмотрения спектра дискретизиро-
ванного сигнала (Рис. 19.13): только при его
выполнении соседние парциальные спектры не
перекрываются и, следовательно, выделив с по-
мощью ФНЧ центральный, аналогичный S (со)
спектр, можно точно восстановить сигнал fit).
Теорема отсчетов в частотной области
регламентирует выбор шага дискретизации Дсо
спектра финитного сигнала, исходя из его дли-
тельности Тс, т.е. эта теорема аналогична тео-
реме Котельникова для временной области.
Она утверждает, что спектр 5 (со) финитного
сигнала длительностью Тс полностью опреде-
ляется своими дискретными значениями (от-
счетами) 5 («Дсо), взятыми с шагом Дсо < 2тг/Тс.
$д(<0) о
(Од > 2(от
Рис. 19.13
Доказательством является возможность ап-
проксимации такого спектра (на бесконечном
интервале частот с нулевой среднеквадратиче-
ской ошибкой) рядом Котельникова [3, 4, 6, 7]:
5 (со) = ^5 («Дсо) 8*пс[^~ (ю ~ «Асо)]
при Дсо < 2тг/Тс. (7)
Особенностью дискретизации спектра
S (со) = S(co)e7V(60) является его комплекс-
ность, требующая в каждой отсчетной точке
отсчета двух параметров: модуля 5(«Дсо) и фа-
зы ^(«Дсо) (или Re{5(«Aco)} и Im{5(«Дсо)}).
Последнее, впрочем, не требует удвоения
объема выборки, поскольку четность функ-
ций S(co) и Re{S(co)} и нечетность функций
'Р(со) и Im{ 5 (со)} дают возможность обойтись
отсчетами лишь в области положительных ча-
стот.
19.4. КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ
ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ —
анализ сигналов во временной области с целью
выявления и оценки их подобия (сходства), ос-
нованный на изучении КФ. Корреляция — со-
ответствие, взаимозависимость, взаимосвязь
явлений или процессов, количественная харак-
теристика их подобия. Корреляционная функ-
ция — зависимость корреляции двух (в общем
случае комплексных) сигналов f\(t) и /2(/) от
временного сдвига между ними, определяемая
выражениями:
для сигналов конечной энергии
5|>2(т) = }/1(/)/2(г+т)Л; (1)
для сигналов конечной средней мощности (в том
числе случайных эргодических — см. ст. 21.3)
Глава 19 РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
513
19.4. КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
1 7. •
В, 2 (т) = lim - Г /, (0/2 (,+т)Л; (2)
Т —х» / J
-Т/2
для периодических сигналов с периодом Т
1 7. *
Яи(т)=- $J\(t)f2(t+x)dt. (3)
1 -Т/2
Заметим, что для вещественных сигналов
символы комплексности и комплексной сопря-
женности (точку и звездочку над функциями)
не ставят.
Автокорреляционная функция (АКФ) —
КФ двух одинаковых сигналов (сигнала и его
копии), определяемая согласно (1)—(3) при
/1(0 = Л(0= /(О — одна из важнейших вре-
менных характеристик сигнала. АКФ действи-
тельного сигнала конечной энергии/(О
S(0= J f(t)f(t+x)dt= (4)
выражается в единицах энергии (джоулях), яв-
ляется действительной четной [В(-т) = В(т)]
функцией сдвига т с максимумом в точке т = О,
равным энергии сигнала В(0) = Е > В(т). АКФ
однозначно связана с энергетическим спект-
ром сигнала FF(co) = 5(со)5(со) (см. ст. 19.12)
преобразованиями Фурье:
В(т) = F~l {Г (го)} = 7^ JW(e>)eJtt"da;
FK(ro) = F{B(T)}= j В(т)е_><атЛ.
(5)
Аналогичная связь В(т) со спектральной
плотностью мощности G(co) случайных сигна-
лов известна под названием формул (теоремы)
Винера — Хинчина (см. ст. 21.3).
АКФ действительного периодического
сигнала/(0 =flj + кТ), где к = 0, ±1, ±2, ...,
S(T)=y J /(0/(Г + Т)Л=1 \f(t-T)f(t)dt
-Т/2 -Т/2
(6)
выражается в единицах мощности (ваттах), яв-
ляется действительной периодической четной
[В(-т) = В(т)] функцией т с главными максиму-
мами при т = О, ±Т, ±2Т,..., равными средней за
период мощности сигнала В(0) = В(кТ) = Р, и
однозначно связана со спектрами средних
мощностей сигнала рядами Фурье
В(т)= £|С„ |2 =Л2 +£(4/2)coSnQr,
П=—оо И=1
2 (7)
где | Сп |2 и Л о, Ajj 2 — компоненты математи-
ческого и физического спектров мощностей
сигнала соответственно.
Однозначное восстановление сигнала fit)
по его АКФ невозможно, поскольку FF(co), а
следовательно, и В(т) не содержат информации
о фазовом спектре сигнала.
Коэффициент корреляции сигнала — нор-
мированная АКФ, отнесенная к энергии
(мощности) сигнала 7?(т) = 2?(т)/В(0) < 1. Ин-
тервал корреляции сигнала — сдвиг т = тк, в
пределах которого АКФ отличается от нуля
(см. ст. 21.3).
Автокорреляционная функция аналити-
ческого сигнала АКФ Д2(т) комплексного
сигнала Z (/) = a(t) + ja(t), мнимая и действи-
тельная части которого сопряжены по Гильбер-
ту, т.е. a(t) = H{a(t)} (см. ст. 19.10). Для финит-
ных сигналов a(t) имеем:
Bz(t)= j Z(0z(t + Vdt =/[«(')+ Ja(Z)]X
X [a(Z+T)-ja(t + ?)]<* = Ba(t) + Вй(т) +
+jBS,M =2SO(T)+J2BM (8)
где Ba(x) = Ba(t) — АКФ сигналов a(f) и a(t), a
^а,а(У) = ~ Ba,a(y) — взаимная корреляционная
функция (ВКФ) этих сигналов.
Результат в форме (8) справедлив для лю-
бых разновидностей детерминированных сиг-
налов a(t). Если аналитический сигнал пред-
ставлен как Z(Z) = j(Z)e7<Oh', то его АКФ имеет
вид:
В2(т)= р(г)7(г+г)Л=В/г)е-^т, (9)
где BA(-c)=Jd(t)A(t+T)dt
— АКФ комплекс-
ной огибающей аналитического сигнала.
Автокорреляционная функция узкопо-
лосного радиосигнала — АКФ Ва(х) модули-
рованного колебания a(t) = Л(0соз[сон/ + 0(Z)] с
медленно изменяющимися параметрами A(t),
0(t). Для сигнала конечной энергии a(t) [напри-
мер, в случае финитной огибающей Я(0] АКФ
равна:
514
РАДИОТЕХНИКА
19.4. КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
Ва(т)=^-J^(/)^(z+T)cos[coHT+0(/+T)-0(z)]t7z.
(Ю)
Функцию Ва(х) можно выразить через
АКФ аналитического сигнала В2 (т) и его ком-
плексной огибающей ВА(х):
Ва (?) =yRe{Bz (?)} =| Re{B, (?)е^т}. (11)
АКФ AM радиосигнала (когда 0(7) = 0(/ + т) = 0):
ва (т) =у[ jA(t)A(t+t)]cosgv=
~ (12)
= ВЛ(?)-СО8СЦ1?,
т.е. является произведением АКФ ВА(т) огиба-
ющей A(t) и АКФ Bcos(t) =—coscqj несущего
колебания cos(cOhT + 0Н).
Взаимно корреляционная функция
(ВКФ) — КФ двух различных (в отличие от
АКФ) сигналов, определяемая в соответствии
с (1)—(3). В этом случае каждой паре сигналов
отвечают две ВКФ: ВЬ2(т) и В2 д(т). ВКФ дей-
ствительных сигналов конечной энергии fx(f) и
f2(t) определяются так:
51,2 (Т) = j/l W/2 (?+Т)Л = J/1 -Т)/2 (0^ ,
Т Т (13)
S2.I СО = J7i (t +Ыг (t)dt = J/i (Z)/2 (/-r)dt.
Они выражаются в единицах энергии (джо-
улях), являются действительными взаимообра-
щенными [Bj 2(-т) = В2д(т)], не обязательно
четными, функциями т, максимумы которых не
обязательно находятся в точке т = 0. Эти ВКФ
связаны с взаимными энергетическими спект-
рами сигналов И/2(о>) ^2,i(a>) преобразовани-
ями Фурье
Bj 2 (?) = F~' {И)>2 (со)} = F~l {51 (со)52 (со)};
. (14)
*2,1 СО = {^(со)} = F-'
ВКФ действительных периодических сиг-
налов /1(0,/?(0 с периодом Т
ей (о=у
—Т/2 —Т/2
52,1(т)=у j/,(/+T)/2(Z)^=y
-Т/2 -Т/2
(15)
отличаются от (13) тем, что выражаются в еди-
ницах мощности (ваттах), являются периоди-
ческими (с тем же периодом Т) и связаны со
спектрами сигналов соотношениями:
*1,2 С) = ХС|„С2ле>',£1т=40Л2>0 +
п = — оо
+1 У, Ain А2„ cosfnQ? - Т1П + Ч»2и ];
”=‘ ~ , (16)
*2,1 (t) = £С1„ С2п eJnS* = Л1;0Л2>0 +
«=-оо
+ 5 £ А2п cos[«Q? + Ч^ - Ч/2я ],
п=\
где СХп = СХп^п, С2п = С2п^2п, АХп, Т1Л, А2п,
Т2„, — параметры соответствующих дискрет-
ных спектров сигналов/(/) и/^7).
Хотя ВКФ (в отличие от АКФ) частично
сохраняют информацию о фазовой структуре
исходных сигналов (в виде разности фазовых
спектров), но однозначно восстановить по ним
эти сигналы невозможно.
Взаимный энергетический спектр сиг-
налов — спектр взаимной корреляционной
функции (ВКФ) этих сигналов. Для действи-
тельных сигналов конечной энергии /(/) и f2(t)
со спектрами 5i(co) и ^(со) В. э. с.:
WX2 (со) =F{BX2 (х)} =5i (со)52 (со) =^2,i (со);
(17)
W2 л (со)=F{B2 л (х)} =5j (со)52 (со)= И/2 (со)
являются непрерывными комплексными (в об-
щем случае) и комплексно-сопряженными
функциями частоты, выражаемыми в единицах
спектральной плотности энергии (джоулях на
герц). В частном случае, когда/(/) =/2(7) =/7)
и 5/со) = 52(со) = 5(со), ВКФ вырождается в
автокорреляционную функцию (АКФ) В(т), а
В. э. с. — в собственный энергетический
спектр сигнала 1Г(со) = 5(со) ^(со) = | 5(co)|z.
Для действительных периодических сигналов,
представляемых рядами Фурье
/1(1)=ЁС1йеу"П'; я=2л/т
Глава 19 РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
515
19.4. КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
с периодическими ВКФ (16), В. э. с. определя-
ются таким образом:
Г, 2 (<о)=2я J,C,„ C2„8(co-nQ);
"Т . (18)
W2,! (со) =2к ^С(„ С2» 8(С0-пЯ)
Л=>-оо
и отличаются от (17) дискретностью и размерно-
стью спектральной плотности мощности (ватт
на герц). Поскольку сигналы J\(t), f2(t) могут
описывать любые процессы (в том числе не име-
ющие энергии или энергетически не взаимодей-
ствующие), В. э. с. не обязательно характеризу-
ют распределения какой-то действительной
энергии (мощности), а могут быть формальны-
ми представлениями ВКФ в частотной области.
19.5. ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ УСИЛЕ-
НИЕ И ВОЗБУЖДЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ —
усиление радиосигналов (РС) и возбуждение
автоколебаний за счет энергии, поставляемой
(накачиваемой) в электрическую колебатель-
ную систему путем периодической вариации
(модуляции) параметров ее энергоемких эле-
ментов (реактивностей). В качестве парамет-
рических элементов используются нелиней-
ные емкости (индуктивности), управляемые
периодическим напряжением (током) с часто-
той накачки (ЧН) /нк, обеспечиваемой генера-
тором накачки (ГНк). Таким образом, парамет-
рические усилители и генераторы, в отличие
от обычных, питаются не постоянным, а пере-
менным напряжением (током) накачки, превра-
щая эту энергию в энергию полезных колеба-
ний, чаще всего другой частоты. Вариация
Ap(t) параметра p(t) = ро + &p(t) возможна по
различным периодическим законам (от меанд-
ра до синусоиды), а ее интенсивность оценива-
ется коэффициентом модуляции параметра
(КМП) т = &pm/pQ, где Дрт — максимальное
абсолютное приращение параметра (ACW или
&Lm) благодаря накачке, а р0 — значение пара-
метра (Со или Lq) при отсутствии вариации.
Начальная фаза закона вариации параметра от-
носительно колебаний напряжения (тока) на
параметрической емкости (индуктивности) на-
зывается фазой накачки (ФН).
Контур параметрический — колебатель-
ный контур (КК), одна из реактивностей кото-
рого (преимущественно емкость), изменяясь во
времени по периодическому закону с частотой
накачки fHK, осуществляет обмен энергией меж-
ду генератором накачки и КК (Рис. 19.14, а). В
зависимости от ЧН и закона накачки АС(/), ее
интенсивности и фазирования энергия, боль- ;
шая или меньшая, может или вноситься в КК,
частично или полностью компенсируя потери в ’
нем, или отбираться от КК, увеличивая его за- <
тухание (ухудшая добротность). Трактуя это как '
внесение в КК отрицательного или положи-
тельного активного сопротивления, К. п. пред-
ставляют эквивалентной схемой (Рис. 19.14, б).
В самом распространенном случае гармониче-
ской накачки C(t) - Со[1 + wsin(coHKZ + ф)] со-
противление, вносимое в КК, имеет вид [1—3]:
гвн = - (т/2) р cos ф, где т = ACW/CO— коэф-
фициент модуляции параметра; сонк = 2(Оо ~
~ 2/ JlCq — ЧН; р - 4l/Cq\ ф — начальная
фаза накачки относительно напряжения на ем-
кости КК uc(t) = Um sino>(/.
Одноконтурный параметрический усили-
тель — усилитель, выполненный по схеме по-
следовательного колебательного контура параме-
трического (ККП) (см. Рис. 19.14, в), настроен-
ного на несущую частоту усиливаемого радио-
сигнала и регенерированного благодаря накачке
(как правило, гармонической вариации емкости).
Этим и объясняется эффект усиления мощности
РС, снимаемой с одной из реактивностей.
Синхронный режим работы О. п. у. — ре-
жим, когда ЧН точно равна удвоенной частоте
усиливаемого PC: сонк = 2соо ~ 2/^LCq. В этом
случае О. п. у. имеет:
резонансный коэффициент передачи на-
пряжения
__^вых/и
Q _ Q .
1-(дп/2)2созф 1— т/тк?9
(1)
коэффициент регенерации КК
516
РАДИОТЕХНИКА
19.5. ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ УСИЛЕНИЕ И ВОЗБУЖДЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ
резонансный коэффициент усиления мощ-
ности [5, 7] (отношение мощностей в нагруз-
ке при наличии и отсутствии ККП соответст-
венно)
р — [(ГИ + ГН ) /(ГИ гн + гвн + гк )] . (2)
Здесь Q = р/г — добротность КК без на-
качки; Q3 — эквивалентная добротность КК
при накачке; ткр = 2/(Q coscp) — критическое
значение коэффициента модуляции параметра,
соответствующее порогу возбуждения автоко-
лебаний; ги — сопротивление источника сиг-
нала; гн = р2/Ян — сопротйййение нагрузки RH,
пересчитанное в КК; гк — собственное сопро-
тивление потерь КК; г = гк + ги + гн — эквива-
лентное сопротивление потерь КК. Усиление
возможно лишь при условии гвн < 0, т.е при фа-
зе накачки |(р|<я/2 , и максимально при ф = 0.
Оно тем больше, чем ближе т к дпкр, но это
приближение ограничено возрастающей неус-
тойчивостью работы и чрезмерным сужением
полосы пропускания ККП. Синхронный ре-
жим трудно реализовать (в особенности в слу-
чае приема слабых сигналов), поскольку нуж-
на синхронизация генератора накачки с точно-
стью до фазы.
Асинхронный режим работы О. п. у. отлича-
ется тем, что ЧН не точно равна удвоенной час-
тоте PC: сонк = 2соо + Q, где Q «соо- Это делает
фазу закона накачки C(t) = С{1 + wsin[2coo^ +
+ ф(/)]} «медленной» функцией времени ф(/) =
= Qt + фо, приводит к периодической вариа-
ции с частотой Q вносимого сопротивления
rBH =-ypcos(Qr + (p0) И к соответствующей
модуляции коэффициентов (1) и (2). Для того
чтобы эта паразитная AM не искажала закона
полезной AM, выделяемой АД приемника, час-
тоту Q выбирают исходя из условия Q »
(Qw — верхняя частота в спектре огибающей
AM PC), а постоянную времени нагрузки АД —
из условия [2]:
1/Q «RC« 1AV
Параметрический генератор — генера-
тор, выполненный по схеме параметрического
колебательного контура, в котором незатухаю-
щие автоколебания (АК) с частотой ov ~ U^LCq
возникают и поддерживаются благодаря энер-
гии генератора накачки, преобразуемой в энер-
гию АК нелинейно-параметрической реактив-
ностью (НПР), например, емкостью варактора.
Условия возбуждения П. г.: гвн < 0 и |гвн| > г, т.е.
/и > >Икр> причем, в отличие от одноконтурного
параметрического усилителя, фаза накачки
(ФН) произвольна, поскольку в спектре тепло-
вых флуктуаций тока колебательного контура
(КК), «провоцирующих» начало возбуждения,
всегда найдется составляющая, для которой
ФН будет оптимальной (т.е. cos ф = 1). Она и ра-
зовьется в АК, определив их фазу. Критическое
значение коэффициента модуляции параметра
дИкр зависит от закона накачки C(z), соотноше-
ния частот 2соо/сонк и затухания КК d = \/Q.
Характер этой зависимости, найденной
для C(t) = Со( 1 + т cos coHKZ) путем анализа не-
устойчивости решений дифференциального
уравнения (ДУ) Матье (к которому сводится
ДУ П. г. [1, 2]), показан на Рис. 19.15. Из ри-
сунка следует, что возбуждение П. г. возмож-
но, если ЧН сонк « 2сорез/К; К = 1, 2, 3, ... , но
оптимальной (требующей наименьшего коэф-
фициента модуляции параметра) является ЧН
сонк « 2соо, когда дпкр = wKp min = 2d. Условие
стационарности колебаний П. г. определяется
уравнением т - ткр(Ат), решением которого
является установившаяся амплитуда АК Лтстац.
Зависимость ткр(Ат), обусловленная нели-
нейными свойствами НПР, должна учитывать
все возможные механизмы ограничения нара-
стания амплитуды АК Ат. Наиболее сущест-
венными из них (для П. г. с варактором) явля-
ются: расстроенный механизм — нарушение
оптимальности ЧН при расстройке КК, обус-
ловленной увеличением средней емкости Со с
ростом амплитуды Ат; диссипативный меха-
низм (связанный с тепловым рассеянием элек-
трической энергии) — увеличение эквива-
лентного затухания d3 КК из-за возрастания
средней активной проводимости варактора
(шунтирующей КК) с ростом Ат.
Уравнения Мэнли—Роу — математичес-
кая формулировка теоремы Мэнли—Роу, уста-
навливающей связь между частотами и мощ-
ностями колебаний в цепи, содержащей нели-
нейную реактивность, при произвольном по-
Глава 19. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
517
19.5. ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ УСИЛЕНИЕ И ВОЗБУЖДЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ
рядке ее нелинейности и произвольном числе
генераторов, питающих цепь [1—3]. У. М.—Р.
выведены для модели цепи (Рис. 19.16) в виде
системы идеальных узкополосных фильтров
(например, последовательных колебательных
контуров), связанных между собой через об-
щую нелинейную реактивность (HP) (напри-
мер, емкость) и настроенных на частоты fnf2
генераторов и все комбинационные частоты
(КЧ) mf + nf2, возможные в спектре тока HP
(при данном порядке ее нелинейности). Отбор
мощности от HP на данной КЧ учитывается
активным сопротивлением соответствующей
ветви схемы. У. М.—Р. получены для HP с без-
гистерезисной вольт-кулонной или ампер-ве-
берной характеристикой. В частном, но важ-
ном для теории и практики параметрического
усиления случае, когда в схеме есть лишь один
вспомогательный («холостой») контур, настро-
енный на частоту fmn = mJнк + nfc, где т и п —
целые числа, а /нк = f и /с = /2 — частоты на-
качки и сигнала, У. М.—Р. имеют вид
Лк тР
нк । тп _q.
/нк W/hk +П/с
Рс пРтп л (3)
_с__|_---тп = Q
/с <к+#с
Здесь Рнк, Рс, Ртп — средние мощности на ча-
стотах /нк,/с,/т«, считающиеся положительны-
ми, если поступают в HP, и отрицательными,
если отбираются у нее (т.е. всегда Ртп < 0).
У. М.—Р. определяют частоты, на которых воз-
можны усиление или генерация колебаний,
предельное значение коэффициента усиления,
условия устойчивости таких цепей [1—4].
Усилитель параметрический двухкон-
турный отличается от одноконтурного нали-
чием второго («холостого», т.е. без генератора)
резонансного контура, настроенного на одну
из комбинационных частот, чаще всего — вто-
рого порядка: fHK ± fc. У. п. д. способны рабо-
тать при произвольном соотношении частот
сигнала и накачки и произвольном их фазиро-
вании. Принципы действия и потенциальные
возможности У. п. д. следуют из уравнений
Мэнли—Роу(3)[1—4].
У. п. д. нерегенеративного типа — У. п. д.
с «холостым» контуром, настроенным на час-
тоту f+ =fHK + fc, что соответствует т = п = 1 и
Ртп = Р+ в (3), откуда следует: Р„к//нк = Рс//с =
= ~Р+/(/нк + А)- Так как в «холостом» контуре
нет источника с частотой f+, то очевидно, что
Р+ < 0, а Рнк > 0 и Рс > 0. Следовательно, мощ-
ности отбираются от источников сигнала и на-
качки, преобразуясь в нелинейной реактивнос-
ти в мощность Р+ суммарной частоты f+. Уси-
ление мощности возможно лишь с одновремен-
ным преобразованием частоты сигнала вверх.
Коэффициент усиления Кр= |Р+|/Рс = (/нк +fcWc
тем больше, чем больше отношение выходной
частоты к входной. В таких У. п. д. отсутствует
регенерация, они устойчиво работают при лю-
бой мощности накачки.
У п. д. регенеративного типа — У. п. д. с
«холостым» контуром, настроенным на часто-
ту f_ =/нк -fc, что соответствует т = 1, п = -1,
Рт„ = Р_в (3), откуда следует: -Pm/fm = PJfc =
= PJ(fnK -fc). Так как Р_ < 0, то Рнк > 0, а Рс < 0.
Следовательно, усиление возможно как на час-
тоте сигнала, так и с одновременным ее преоб-
разованием вниз,т.е. на частоте/_.То, что Рс< 0,
указывает на регенерацию сигнального конту-
ра и на возможность самовозбуждения в нем
автоколебаний с частотой/. ~fpe3 в случае чрез-
мерной мощности накачки. Таким образом, по-
вышение усиления такого У. п. д. за счет увели-
чения накачки ограничено снижением устой-
чивости работы и чрезмерным сужением ПП.
Шумы и применение параметрических
усилителей — см. ст. 17.30.
19.6. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДЕТЕРМИ-
НИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ В ЛИНЕЙ-
НЫХ ЦЕПЯХ осуществляется при их про-
хождении через частотозависимые (инерцион-
ные) линейные цепи (ЛЦ) — фильтры, диффе-
ренцирующие и интегрирующие схемы, ЛЗ.
Цель анализа П. д. с. ЛЦ — выявление и оцен-
ка искажений сигнала, выяснение их причин и
выработка рекомендаций по их уменьшению
или по синтезу ЛЦ, заданным образом преоб-
разующих сигнал. Основная задача — отыска-
ние выходного сигнала y(f) по известному
входному x(t) и характеристикам цепи — реша-
ется методами, основанными на принципе су-
518
РАДИОТЕХНИКА
19.6. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ В ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ
перпозиции. При этом сигнал x(f) представля-
ют суммой (дискретной или интегральной)
элементарных колебаний, отклики ЛЦ на кото-
рые хорошо известны или легко определяются.
Выходной сигнал y(f) является аналогичной
суммой этих откликов.
Дифференцирование сигнала — преоб-
/ч /ч dx(t)
разование сигнала x(t) в сигнал y(t)=a——
dt
(а — коэффициент пропорциональности). Иде-
альная дифференцирующая цепь (ДЦ) физиче-
ски нереализуема, так как должна иметь функ-
цию передачи K(Jcn) = q/co = а|со|е±7Л/2. Прибли-
женно дифференцировать сигналы могут про-
стейшие RC- или 7?£-ФВЧ (Рис. 19.17, а) с
К(/со) =усот/( 1 + усот), где т = RC или т = L/R, при
условии сот « 1, выполняемом на высшей час-
тоте cow спектра ^(со). При т = const дифферен-
цирование тем точнее, чем длиннее импульс
x(t) (чем уже его спектр). Более совершенны
ДЦ на ОУ с отрицательной ОС (см. ст. 24.1).
Интегрирование сигнала — преобразова-
t
ние сигнала x(t) в сигнал y(t) = Рjx(t)dt (р —
о
коэффициент пропорциональности). Идеаль-
ная интегрирующая цепь (ИЦ) физически не-
реализуема, так как должна иметь функцию
передачи A7(jco) = р/ усо=-^-е+;л/2. Прибли-
|со|
женно интегрировать сигналы могут простей-
шие RC- или Я£-ФНЧ (Рис. 19.17, б) с =
= 1/(1 + усот), где т = RC или т = L/R, при усло-
вии сот » 1, выполняемом на самой низкой ча-
стоте спектра 5х(со). Понятно, что в случае
т = const интегрирование тем точнее, чем коро-
че импульс x(t) (чем шире его спектр). Более
совершенны ИЦ на ОУ с отрицательной ОС
(см. ст. 24.1). Интегратор часто дополняют
ключом, разряжающим накопительную ем-
кость по истечении периода интегрирования Т
Метод интеграла наложения (метод инте-
грала Дюамеля, временной метод) — способ
нахождения выходного сигнала линейной цепи,
реализуемый во временной области, при описа-
нии входного сигнала сверткой с 6-функцией
или единичным скачком (см. ст. 1.7), а свойств
ЛЦ — временными характеристиками [им-
пульсной g(t) или переходной Разумеется,
что, если g(t) является откликом ЛЦ на 6(/), а
h(t) — на 1(f) и x(t) = х(/)*6(/) = х'(0*1(0, то
y(t)=x(t)*g(t) = jx(z)g(t-z)dz =
= jx(t-z)g(z)dz;
y(t)=x'(t)*h(t)= ^x'(z)h(t—z)dz =
= ^x'(t—z)h(z)dz,
т.е. сигнал на выходе ЛЦ равен свертке (см. ст.
1.7) входного сигнала с импульсной характери-
стикой цепи или свертке производной х'(/) =
= dx(t)/dt входного сигнала с переходной харак-
теристикой цепи.
Метод комплексной огибающей (КО) —
приближенный (упрощенный) метод анализа
передачи радиосигналов (PC) через избиратель-
ные цепи. Основывается на комплексном (ана-
литическом) представлении PC (см. ст. 19.10).
Метод состоит в отыскании КО Y(t) =
выходного PC y(f) по известной КО X(f) =
= входного PC x(t) =X(t) cos[coH/+0x(/)]
и приближенным функциям цепи. Переход от
найденной КО Y (/) к физическому выходному
PC осуществляется по формуле
у(/) = Re {Y (t)eJ^} = Y (t) cos[coHZ + 0y (Z)]
В методе приняты обозначения: Q = со - сон;
Acoz = сон - co0z, где Q — новая текущая частота
(с началом отсчета в точке со = сон); Acoz — рас-
стройка между несущей частотой сон и резо-
нансной частотой coOz f-го колебательного кон-
тура (если их в избирательной цепи несколь-
ко). Под приближенной функцией цепи следу-
ет понимать функцию, записанную через при-
ближенные выражения обобщенных расстроек
колебательных контуров: %z = 2gz(co- coO/)/coOz =
= (Во,) = + Дев,), т.е. K(ja) = К^Лг,
... JX,;...) = );...] =
Глава 19. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
519
19.6. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ В ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ
=^[>(£2+^)], или в операторной форме
Л(/СО) =^(/> + /Д<0,);^ = /О;т, =26,/(Оь,..
Так, для одноконтурного резонансного усили-
теля
^[j(Q + Aco)] = -/C0/(1 + jx) =
= -Ко /[1 + jt(Q + Асо)] = -Kq /(1 + jtAco + рт),
а при настройке на несущую частоту (Асо = 0)
К[ j(Q + Асо)] = -Ко /(1 + уПт) = -Kq /(1 + рт).
Различают две разновидности метода:
спектральный (операторный) М. к. о.
?(t) = F~} {Sx ООД7(Я+До>)]} =
=L-'{Sx(p)K(p+j^)},
где Sx(JQ) и Sy(p) — изображения КО
входного PC по Фурье и Лапласу; F~] и L1—
символы обратных преобразований Фурье и
Лапласа соответственно (см. ст. 1.7);
временной М. к. о.
Y(f)=0.5X(t)*G(t),
где G(t) = 2F~l {К[j(Q+Aco)]} = 21-1 {К(р +
+уАсо)} — КО импульсной характеристики
g(t) = G(z)cos[co0/ + Фё(0] цепи; * — символ
свертки двух функций (см. ст. 1.7).
Метод мгновенной частоты — прибли-
женный метод анализа передачи радиосигналов
(PC) с угловой модуляцией через избиратель-
ные цепи. Основан на предположении о доста-
точно медленном изменении частоты входного
сигнала, что дает возможность пренебречь пе-
реходными процессами в цепи. Метод состоит
в нахождении отклика y(t) на входной сигнал
x(Z)=JfoCOSVx(^)=^oCOS[COHZ + 0xW] в ВИДе
y(t) = COS {(0HZ + 0X(Z) + <p[(O(Z)]} =
= К (7) cos v/Z),
где K(co) и ф(со) — АЧХ и ФЧХ цепи, a co(z) =
= V х(0 = сон + 0 х(/) = сон + Асох(/).
Условиями применимости М. м. ч. для PC с
тональной ЧМ со(/) = соо + Acowcos Qt являются
соотношения Q/Acoo.7 « 1; Acow/Acoo,7 , где
Асоо 7 — половина ПП цепи (например, резо-
нансного усилителя); Acow — девиация часто-
ты; О — частота модуляции. Из (1) следует:
искажение отклика y(t) по сравнению с сигна-
лом x(t) объясняется тем, что закон ФМ Gy(f) =
= 0Х(/) + ф[со(/)] отличается от входного слагае-
мом ф[со(/)], а закон ЧМ Асо/Г) = 0'^(0 =
= Acox(Z) + ф'[со(0] — слагаемым ф'[со(/)]. Кро-
ме того, возникает сопутствующая AM: Y(t) =
= JfoX[co(0]- Весомость этих отличий зависит от
особенностей АЧХ и ФЧХ цепи, ее настройки,
параметров сигнала и может быть оценена по
приведенным формулам (см. также ст. 17.19).
Операторный метод — это строгий (точ-
ный) метод нахождения выходного сигнала
линейной цепи, реализуемый в операторной
области при представлении входного сигнала
x(t) лапласовым изображением Sx(p), а свойств
ЛЦ — операторной, функцией цепи К(р). При
этом операторным изображением выходного
сигнала y(t) является Sy(p) = Sx(p)K(p), а сам
сигнал y(t) = L~J{Sy(p)} = L~! {Sx(p)K(p)}. Пре-
имущество О. м. (по сравнению со спектраль-
ным) состоит в техническом упрощении вы-
полнения обратного преобразования Лапласа
(ОПЛ) (в отличие от преобразования Фурье), в
особенности для самых распространенных
случаев дробно-рациональных изображений
Sy(p\ когда
^(р)=^1(р)/^(Р) =
=(aQ+axp+...+anpn)l(bQ +bxp+...+bmpm) =
(/>)/[(/>~Р\ )(р-Р2 )• • \Р - Pk )N L
где п < т, a pi — корни уравнения S2(p) = 0, ко-
торые называются полюсами функции Sy(p),
простыми (рь р2; рз) или кратности N (рк).
Тогда ОПЛ от Sy(p) равно сумме вычетов:
к
y(t) =L~l {Sy(p)}=L~' {5,(p)/s2(p)} =£res„
/=1
где вычеты вычисляются по формулам:
для простых полюсов
гсз _ SdP)ep‘ -S^p^,..
‘ dS2(p)/dp S'2(Pl) ’
для полюсов кратности N
1 dN-l
feS; (N-W'dpV-i
Кроме интегрирования по методу вычетов
(теоремы разложения) для получения ОПЛ
широко используют таблицы операторных изо-
бражений [8].
Спектральный метод — это строгий (точ-
ный) метод нахождения выходного сигнала ли-
520
РАДИОТЕХНИКА
19.6. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ В ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ
нейной цепи, реализуемый в частотной облас-
ти при представлении входного сигнала спект-
ром 5х(/со) [или коэффициентами ряда Фурье
Спх =Спхе^пх для периодических сигналов
x(t) — см. ст. 19.12, 19.13], а свойств ЛЦ —
комплексной функцией цепи = К’(со)е/Ф(<о).
Как следует из самого смысла Х(/со) (см. ст.
23.10), спектр сигнала y(t) на выходе ЛЦ равен
произведению входного спектра на функцию
цепи:
=SX ,
а для периодических входных сигналов
С„/»=С„К[7(л£2)] =
=Спх/С(лП)елч'"’н₽(''П)] =Спу^пу.
Сам же выходной сигнал находят с помо-
щью обратного преобразования Фурье (ОПФ)
или ряда Фурье (для периодических сигналов):
я?) =F-' {£/>)} =F~l {SxO<o)£(»};
y(t)=^CmK[j(na)]e^ =
П=-°о
= ^C„A'(nQ)e7[nft+4'“+<₽<''n)l.
Л=-оо
Преимуществом С. м. (по сравнению с опе-
раторным) является простота и наглядность
получения выходного спектра, недостатком —
математические трудности выполнения ОПФ.
Условие неискаженной передачи сигнала
через ЛЦ состоит в независимости АЧХ от час-
тоты и линейности ФЧХ функции цепи К(/со)=
= Х0е-7аПф в пределах спектра 5х(/со). В случае
выполнения этого требования выходной сигнал
с точностью до коэффициента Ко и времени за-
держки ЛЦ тф будет повторять входной:
XO=F-1{5x(»^oe’7“^} =
=K0F~1{Sx(»e-y<^} =Kox(t-xv).
В противном случае возникают частотные
искажения сигнала, относящиеся к категории
линейных искажений.
Фильтрация линейная узкополосная —
преобразование радиосигналов (PC) x(t) =
= X(t) cos[coHZ + 0Х(/)] в активных или пассив-
ных линейных фильтрах, ПП которых значи-
тельно меньше их средней частоты соо (узко-
полосные фильтры). При анализе искажений
РС в узкополосных фильтрах наибольший ин-
терес представляют искажения закона моду-
ляции РС (огибающей X(t) для AM, прираще-
ния фазы 0(Z) для ФМ, приращения частоты
Дсо(/) для ЧМ). Например, в случае передачи
AM PC через резонансный фильтр, настроен-
ный на несущую частоту соо = сон, возникают
линейные частотные искажения, обусловлен-
ные относительным ослаблением верхних ча-
стот спектра огибающей (см. ст. 17.29, 17.17).
К ним относятся, в частности:
— затягивание фронта (среза) радиоим-
пульсов — замедление, сглаживание резких пе-
репадов (скачков) амплитуды РС, тем большее,
чем более узкополосен (инерционен) резонанс-
ный фильтр. При условии Дсо = сон - соо 0 к
этому добавляются осцилляции огибающей с
частотой Дсо (см. ст. 17.20).
— изменение глубины тональной AM— см.
ст. 17.17.
Фильтрация линейная широкополосная
— преобразование управляющих сигналов (со-
общений) в активных или пассивных линей-
ных фильтрах (ЛФ), ПП которых соизмерима
со средней частотой fQ (Рис. 19.18). Искажения
сигналов, возможные при Ф. л. ш., наиболее
наглядны в случае прямоугольных видеоим-
пульсов. Затягивание фронта (среза) импуль-
сов (Рис. 19.19, а, б) — замедление, сглажива-
ние резких перепадов (скачков) входного сиг-
нала x(f). Обусловлено относительным ослаб-
лением верхних частот спектра сигнала из-за
спада АЧХ на ВЧ. Возникает в ФНЧ с недоста-
точной ПП, что часто связано с влиянием пара-
зитных емкостей (например, в R С-у силите лях).
Уменьшается при расширении ПП в сторону
ВЧ. Скалывание вершины импульса (Рис.
19.19, в) — искажение, обусловленное относи-
тельным ослаблением нижних частот спектра
сигнала за счет спада АЧХ на НЧ. Возникает в
ФВЧ, что часто объясняется влиянием разде-
лительных емкостей между каскадами усили-
Глава 19. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
521
19.6. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ В ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ
телей. Уменьшается при расширении ПП в сто-
рону НЧ. В цепях с АЧХ, подобной изображен-
ной на Рис. 19.18 (например, в 7?С-усилите-
лях), это искажение сопровождается затягива-
нием фронта импульса (Рис. 19.19, г).
19.7. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДЕТЕРМИ-
НИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙ-
НЫХ ЦЕПЯХ — преобразование, лежащее в
основе нелинейных радиотехнических процес-
сов (НРП), связанных с трансформацией спект-
ров сигналов. Их строгий анализ часто затруд-
нен, поскольку требует решения нелинейных и
нелинейно-параметрических дифференциаль-
ных уравнений (ДУ). Анализ намного упроща-
ется, если можно смоделировать реальную
цепь сочетанием взаимно развязанных (т.е. не
влияющих друг на друга) нелинейного или па-
раметрического безынерционного преобразова-
теля (НБП или ПБП) и линейного фильтра (ЛФ)
(Рис. 19.20, а). При этом суть многих нелиней-
ных радиотехнических процессов сводится к
тому, что НБП (ПБП), искажая форму входных
сигналов, обогащает их спектры новыми со-
ставляющими, а ЛФ выделяет из них полезные
компоненты, подавляя ненужные. Принципы
реализации таких НРП рассматриваются далее
на примерах НБП в виде нелинейных двухпо-
люсников (например, диода, как на Рис. 19.20,
0) или трехполюсника (например, транзистора,
как на Рис. 19.20, в) и ЛФ в виде частотозави-
симого сопротивления нагрузки ZH(cn) . функ-
цией у =fix) = i(u) задана динамическая (т.е. с
учетом реакции нагрузки) ВАХ НБП, что в пер-
вом приближении эквивалентно развязке НБП
и ЛФ. Для ПБП в тех же схемах НЭ заменяется
линейным элементом с переменными парамет-
рами — сопротивлением (проводимостью) R(f)
= l/g(f) для двухполюсника и крутизной про-
ходной ВАХ S(t), напряжением отсечки U3(f)
для трехполюсников.
Транспонирование спектра — сдвиг спект-
ра сигнала вдоль оси частот с сохранением
внутриспектральных амплитудных и фазовых
соотношений — суть таких НРП, как преобра-
зование частоты, амплитудная модуляция и де-
тектирование. Применяется для переноса спе-
ктра сигнала в область частот, удобную для об-
работки. С математической точки зрения явля-
ется результатом умножения преобразуемого
сигнала и = u(t) на гармонический сигнал
v = v(z) = V cos(covz+cpv) (см. теорему смещения
в ст. 19.12).
Перемножение сигналов (ПС) в ПБП осно-
вано на модуляции коэффициента передачи
одного из сигналов (или параметров g(f), S(t),
его определяющих) другим сигналом. Так, для
g(Z) = go + av(z) или S(f) = So+ av(z) в составе
токов i(t) = g(f)uBX(f) или i(t) = S(f)uBX(f) на схе-
ме Рис. 19.20, б, в появляется произведение
сигналов auBX(Z)v(Z) (здесь g0, So — значение
параметров ВАХ НЭ в рабочей точке (РТ);
522
РАДИОТЕХНИКА
19.7. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ
а — коэффициент пропорциональности). ПС
в НБП базируется в простейшем случае на
квадрировании их суммы ивх = и + V.
Так, для ВАХ, аппроксимируемой относи-
тельно РТ полиномом
i =bQ +Ь}ивх +b2u2x +Ь3иъйХ +...=
=bQ +b{u+by+b2u2 +2b2uv+b2v2 + (1)
+Z>3w3 +3Z>3u2v+3Z>3uv2 +Z>3v3 +...,
в составе тока присутствуют полезная (под-
черкнутая) составляющая и побочные продук-
ты преобразования. Если их спектры не пере-
крываются со спектром полезной составляю-
щей, то она может быть выделена с помощью
ЛФ. В противном случае применяют более
сложные схемы НБП (см. балансные и кольце-
вые амплитудные модуляторы в ст. 16.11 и сме-
сители в ст. 17.15, 24.19) с характеристикой
преобразования, близкой к у = Ь2х2, дающие
наиболее чистое перемножение сигналов еще
до ЛФ. Если один из сигналов [например, u(t)]
настолько мал, что относительно него цепь
практически линейна, а другой намного боль-
ше его [v(Z) » «(/)], то перемножение сигналов
в НБП можно представить как параметричес-
кое, где сильный сигнал модулирует диффе-
ренциальную крутизну или проводимость НЭ
для слабого сигнала:
5(Z) =5[v(Z)] +v) 1^ =Z>, +2b2v+3b,v2;
du
i(t) =S(t)u(t) =b}u 4-2b2wv4-3b3uv2. (2)
Для наиболее эффективного перемножения
сигналов (максимизации коэффициента b2) РТ
надлежит выбирать вблизи нижнего или верх-
него (если он существует) загиба ВАХ НЭ (РТ j
или РТ3 на Рис. 19.20, г).
Амплитудная модуляция — процесс
формирования AM радиосигнала (PC), транс-
понирующий спектр управляющего (модули-
рующего) сигнала (УС) с частоты сон = 0 на ВЧ
несущую сон Ф 0 путем перемножения УС u(f)
и несущего колебания v(Z) = P,„cos(coH/ + 0Н)
(см. также ст. 19.10). При реализации AM в
нелинейных безынерционных преобразовате-
лях (НБП) (см. Рис. 19.20, б, в; Рис. 19.21)
uBX(Z) = w(0 + v(0, а в параметрических безынер-
ционных преобразователях (ПБП) uBX(f) = v(z),
при этом сигнал u(t) управляет параметром
[крутизной 5(и), напряжением отсечки u3(u),
проводимостью g(u)], воздействуя на второй
вход НЭ с двойным управлением (транзистора,
электронной лампы). Сопротивлением нагруз-
ки ZH (со) в простейшем случае является парал-
лельный колебательный контур с резонансной
частотой соо = и 2лП > 2coWM (2лП — ПП;
coWM — ширина спектра УС), играющий роль
ЛФ с выходным напряжением ивых(/). Техни-
ческая реализация модуляторов различных ви-
дов рассмотрена в ст. 16.9, 16.11.
Статическая модуляционная характерис-
тика (СМХ) — основная характеристика НБП
(ПБП) как преобразователя приращений УС в
приращения амплитуды PC — зависимость 1тХ=
= y(U) амплитуды первой (т.е. с частотой сон)
гармоники тока i(t) в сопротивлении нагрузки от
величины постоянного управляющего напряже-
ния при Vm = const. В идеале (для неискаженной
AM) СМХ должна быть линейной. Реальные
СМХ имеют ограниченный линейный участок
АОВ (Рис. 19.22), середина которого определяет
требуемое стационарное напряжение смещения
Eq, а полуширина — допустимую (с точки зре-
ния искажений закона AM) амплитуду Umaon УС
и коэффициент модуляции тока = (4Ш -
Глава 19. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
523
19.7. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ
- 4и1аУ(2/,„ю), который может быть достигнут
при этих условиях. СМХ определяют методами,
изложенными в ст. 19.1. Так, для полиномиаль-
ной аппроксимации ВАХ i: = а0 + ахизх + а2^вх +
+ ЯзИвх-.- и изх = U 4- KwcoscoH/ имеем
1т\ = («i + 2a2U+ 3a3U2+ т.е. не-
искаженная AM (линейная СМХ) возможна
лишь при условии а3 = а4 = ... = 0. Для кусочно-
линейной ВАХ (см. Рис. 19.3) ImX = SKmYi(0),
где S — крутизна наклонного участка ВАХ;
Yi(0) — коэффициент Берга; 0 = arccos(t/3 -
- U)/Vm\ U3— напряжение отсечки тока (запи-
рания НЭ).
Детектирование — процесс восстановле-
ния управляющего сигнала (сообщения) по ра-
диосигналу, им промодулированному, т.е. про-
цесс, обратный модуляции (демодуляция). Ви-
ды Д. аналогичны видам модуляции: ампли-
тудное, фазовое и частотное. Детектор — ус-
тройство, выполняющее Д., т.е превращающее
изменения параметра, несущего сообщение
(амплитуды, частоты, фазы), в аналогичные
или близкие к ним изменения выходного на-
пряжения (тока). Детекторная характеристи-
ка (ДтХ) — зависимость значения (или его
приращения) постоянного напряжения (тока)
на выходе детектора от значения (или его при-
ращения) параметра, несущего сообщение. В
идеале ДтХ должна быть линейной функцией
этого параметра. Коэффициент передачи де-
тектора — отношение приращения выходного
напряжения детектора к вызвавшему его при-
ращению детектируемого параметра. Для ли-
нейной ДтХ коэффициент передачи детектора
— величина постоянная.
Детектирование амплитудное — детек-
тирование AM радиосигнала (РС), процесс,
обратный AM (см. ст. 24.4, 17.7).
Линейное амплитудное детектирование
(ЛАД) характеризуется линейной детекторной
характеристикой (ДтХ) ид = КД}т, т.е является
неискажающим Д. а., превращающим AM PC
“(О = CU0cos(aw + 0„) = + Д(4(/)]Х
Xcos(gv + 0Н) в сигнал Ua(t) = или
АС/Д(О = КДД&т(1), повторяющий закон AM (где
Хд — коэффициент передачи детектора). Со спе-
ктральной точки зрения ЛАД — это транспони-
рование спектра AM PC Su (ы) с высокой несу-
щей частоты на частоту (Он = 0, поскольку
lim Х.(со)= lim -k&y (со - сон) 4-(С0 4-
сон-»0 (dh->0 2 т т
4- сон)] = SVm (со) — спектр огибающей AM PC.
ЛАД имеет место при Д. а. сильных РС, когда
ВАХ НЭ достаточно точно аппроксимируется
кусочно-л инейной функцией. В этом случае
ДтХ, найденная для схем на Рис. 19.20, б, в (с
развязанными НЭ и сопротивлением нагрузки
ZH =RH и Eq = Е3) методом Берга (см. ст. 19.1),
линейна: 1/д = I(yRH = SUmyo(90°)RH = XsRHUm =
= KnUm, а коэффициент передачи детектора
Кд = SRh/ti — постоянен (здесь S — крутизна
ВАХ НЭ). Практические схемы и расчет ЛАД—
см. ст. 17.7.
Квадратичное*Д. а. — детектирование, от-
личающееся квадратичной ДтХ (см. ст. 17.7).
Синхронное детектирование — парамет-
рическое детектирование, для реализации ко-
торого параметр параметрического безынерци-
онного преобразователя (см. Рис. 19.20, а) дол-
жен изменяться во времени по периодическо-
му закону синхронно с несущим колебанием
детектируемого радиосигнала. Простейший
пример — электронный ключ, включающий
сигнал в цепь резистивной нагрузки лишь на
время положительных полу периодов. Форма
тока в нагрузке при этих условиях совпадает с
формой тока детектора на основе нелинейного
безынерционного преобразователя, и ФНЧ
также выделит из него полезную НЧ составля-
ющую. Требование синхронности вариации
параметра делает синхронный детектор фазо-
чувствительным, что в одних случаях является
недостатком, а в других — преимуществом.
Подробнее об этом — см. ст. 17.7. С. д. может
также рассматриваться как преобразование ча-
стоты РС вниз на ПЧ сопр = 0 с ФНЧ в качестве
ФПЧ.
Преобразование частоты — процесс изме-
нения несущей частоты радиосигнала (РС) с со-
хранением видов и законов модуляции, т.е. пре-
образование PC uc(t) = £/c(f)cos[ciV + 0(0] в PC
wn4(0 = ^t/c(Z)cos[conpt 4- 0(г) ± фг], где к и фг —
константы). П. ч. является транспонированием
спектра РС с одной несущей частоты сос на
другую сопр = сос ± сог, называемую промежу-
точной частотой, и достигается перемножени-
ем сигналов: входного uc(t) и вспомогательно-
го V = wr(0 = C7rcos(aV 4- фг), который генери-
руется специальным генератором — гетероди-
ном (см. ст. 24.19,17.15). Различают П. ч. вверх,
когда сопр > сос, и П.ч. вниз, когда сопр < сос.
Резонансное нелинейное усиление — ре-
зонансное усиление сильных радиосигналов
(РС), т.е таких, относительно которых ВАХ АЭ
существенно нелинейна. Несмотря на это, зна-
524
РАДИОТЕХНИКА
19.7. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ
чительные нелинейные искажения усиливае-
мого PC не возникают благодаря фильтрую-
щим свойствам резонансного сопротивления
нагрузки ZH(co) (см. Рис. 19.20, в) в виде па-
раллельного колебательного контура, настро-
енного на несущую частоту сон и выделяющего
из спектра тока НЭ только спектр входного PC.
Поэтому Р. н. у. анализируют квазилинейным
методом, заменяя дифференциальную крутиз-
ну проходной ВАХ средней (т.е. по первой гар-
монике) крутизной Sc(U3xm), зависящей от амп-
литуды входного сигнала. Таким образом, для
схемы Рис. 19.20, в АХ усилителя изыхт =
= 41(^вхт)^оэ = Sc(U3xm)R03U3xm аналогична
колебательной характеристике Im\(U3Xm) НЭ, а
коэффициент усиления К = U3UXm/U3Xm =
= Sc(U3xm)R03 зависит от U3X подобно средней
крутизне (7?оэ — эквивалентное резонансное
сопротивление нагрузки).
Характер этих зависимостей для различ-
ных рабочих точек (РТ) на ВАХ (см. Рис.
19.20, г) показан на Рис. 19.23. При кусочно-
линейной аппроксимации ВАХ (см. Рис. 19.3)
U3bixm = SRM^)U3xm; К = SRM&h где 0 =
= arccos[(t/3 - E^)/U3Xm — угол отсечки; S —
крутизна наклонного участка ВАХ; U3 и Eq —
напряжения запирания (отсечки) и смещения
соответственно; Yi(0) — коэффициент Берга
(см. ст. 19.1). При этих условиях наиболее ли-
нейной и пригодной для неискаженного усиле-
ния PC является АХ при U3 = Ео, т.е. 0 = 90°,
когда коэффициент Yi (G) = 0.5 и не зависит от
U3Xm. Одно из главных достоинств Р. н. у., су-
щественное для мощных усилителей, — боль-
шой КПД, обусловленный малым током покоя
в PTj (см. Рис. 19.20, г). Нелинейный резо-
нансный усилитель при достаточно сильных
входных сигналах может служить ограничите-
лем амплитудных значений PC (см. также ст.
16.2, 24.9).
Умножение частоты резонансное — про-
цесс увеличения частоты (а точнее, полной
фазы) гармонического ВЧ колебания в целое
число раз п, т.е. преобразование u3X(t) =
~ 4" Од) В WBbrx(Z) — ^Дых/иСОЗ niy^t 4“ Он)-
Основано на обогащении спектра сигнала гар-
мониками входной частоты (благодаря нели-
нейности ВАХ нелинейного безынерционного
преобразователя (НБП), см. Рис. 19.20, б, в) и
выделении одной из них линейным фильтром в
виде резонансного сопротивления нагрузки
ZH (со) (параллельного колебательного контура
с соо = «сон). В этом случае изыхт = ImnR03, где
R03 — эквивалентное резонансное сопротивле-
ние нагрузки, 1тп — амплитуда и-й (полезной)
гармоники тока НБП, которая в зависимости от
характера и аппроксимации ВАХ определяется
одним из методов, рассмотренных в ст. 19.1.
У. ч. р. наиболее эффективно при сильных вход-
ных сигналах, когда ВАХ НБП близка к кусоч-
но-линейной (см. Рис. 19.3) и, в соответствии с
методом Берга (см. ст. 19.1), Imn = SU3Xm7n(Q) =
= Imax&nCQy Максимум 1тп может быть достиг-
нут при оптимальных значениях угла отсечки
0 = arccos[(E3 - ^оУ^вхт], зависящих от усло-
вий оптимизации: для U3xm = const имеем
0opt = 180%; для /щах = SUBXfn(l - cosO) = const
(т.е. в случае использования максимума импуль-
са тока, на который рассчитан НЭ) 0opt = 120%.
Вследствие быстрого уменьшения амплитуд
1тп с возрастанием п и одновременного ухуд-
шения условий подавления самых близких к
полезной гармоник (которые приводят к пара-
зитной AM выходного сигнала) коэффициент
умножения выбирают не более пяти. Для обес-
печения п > 5 применяют каскадное включение
нескольких умножителей (см. также ст. 16.3).
Фазовая модуляция — процесс формиро-
вания фазомодулированного радиосигнала (см.
ст. 16.12). Наиболее распространены следую-
щие способы ФМ [1]:
ФМ методом фазирования несущей, когда
ФМ радиосигнал получают суммированием
выходного сигнала балансного амплитудного
модулятора (БАМ) со сдвинутым по фазе ( от-
носительно ВЧ входа БАМ) на 90° несущим
колебанием;
ФМ посредством электрически управляе-
мого фазовращателя, например, резонансного
усилителя (РУ) с модулируемой управляющим
сигналом u(t) (с помощью варикапа) резонанс-
ной частотой соо(0 = сон + Acowx(r), а следователь-
но, и фазой коэффициента усиления ф(г) - фн +
+ Дф(г) = ф„ - arctgx(r) = <р„ - arctg {т[со„ - <Оо(0]} =
Глава 19. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
525
19.7. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ
=фн+arctg[TAcowx(0] = <Рн+arctg[(Acow/AcOo.7>(0]-
Здесь сон,фн — несущая частота и ее фаза на вы-
ходе РУ; Acow — девиация резонансной часто-
ты; x(t) = u(t)/\ u(t) I max — модулирующая функ-
ция (см. ст. 19.10); % — обобщенная расстрой-
ка; т — постоянная времени РУ; Асоо i = 1 /т —
половина полосы пропускания РУ;
ФМ путем частотной модуляции колеба-
ний автогенератора предварительно продиф-
ференцированным управляющим сигналом
(см. ст. 16.12).
Во всех случаях максимально достижимое
(без искажений закона ФМ) значение индекса
угловой модуляции ограничивается шириной
линейного участка модуляционной характери-
стики Аф = f(x) и допустимой глубиной неиз-
бежно сопутствующей процессу ФМ ампли-
тудной модуляции.
Фазовое детектирование — процесс, об-
ратный фазовой модуляции: восстановление
управляющего сигнала, которым была промо-
дулирована начальная фаза радиосигнала PC
(см. ст. 24.5).
Частотная модуляция — процесс форми-
рования частотно-модулированного радиосиг-
нала PC (см. ст. 16.12).
Частотное детектирование — процесс,
обратный частотной модуляции: восстановле-
ние управляющего сигнала, которым была про-
модулирована частота радиосигнала PC (см. ст.
17.8, 24.6).
19.8. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СЛУЧАЙ-
НЫХ СИГНАЛОВ В ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ
— преобразование статистических характери-
стик случайных сигналов при прохождении их
через частотозависимые (инерционные) ли-
нейные цепи (ЛЦ). Задача анализа состоит в
определении законов распределения, их мо-
ментов, энергетического спектра, КФ и других
характеристик (см. ст. 21.3) сигнала Х0 на вы-
ходе ЛЦ по аналогичным характеристикам
входного сигнала x(t) и цепи.
Распределение вероятностей случайного
сигнала на выходе линейной цепи. Общего
точного метода нахождения закона распределе-
ния (ЗР) случайного сигнала на выходе часто-
тозависимой линейной цепи не существует.
Известные же приближенные решения этой за-
дачи [3, 4, 6, 9] основываются на специальных
предположениях о свойствах входного процес-
са и цепи, к которым прежде всего относятся:
свойство устойчивости гауссовского (или
нормального) ЗР — отклик ЛЦ на гауссовский
входной процесс также является гауссовским
процессом, хотя в общем случае и с другими
параметрами (моментами); свойство нормали-
зации случайных сигналов линейными узкопо-
лосными (инерционными) цепями — ЗР
1Гу(у)выходного процесса y(t) ЛЦ (независимо
от ЗР Wx(x) входного процесса) тем ближе к га-
уссовскому, чем более узкополосной (инерци-
онной) является цепь, т.е. чем сильнее нера-
венство Асог/Асо = т/тк = а » 1, где Асог и тк —
ширина энергетического спектра (ЭС) и интер-
вал корреляции входного сигнала, а Асо = 2яП
ит — ПП и постоянная времени ЛЦ соответст-
венно. Значение а, необходимое для практиче-
ской реализации гауссовского ЗР Wy(y), зави-
сит от вида ЗР 1Ту(х): для распределения Релея
а = 2... 3, для других может быть а = 5... 6.
Объяснение свойства нормализации воз-
можно на основе центральной предельной те-
оремы Ляпунова, согласно которой сумма
большого числа независимых или слабо зави-
симых равномерно малых слагаемых имеет
распределение, стремящееся к гауссовскому с
ростом числа слагаемых, независимо от их соб-
ственных ЗР. Действительно, описав выходной
сигнал интегралом Дюамеля (см. ст. 19.6)у(0 =
= Jx(T)g(Z-T)rfT и заменив его интегральной
суммой y(r)=^x(Z;AT)g(r-MT)AT, видим, что
к
при Ат > тк процесс на выходе цепи является
суммой слабо зависимых слагаемых одного по-
рядка. Число членов суммы, реально отличных
от нуля в каждый момент времени, тем больше,
чем медленнее затухает импульсная характери-
стика g(r), т.е. чем более инерционной (более уз-
кополосной) является цепь. Если невозможно
найти ЗР Wy(y), то довольствуются нахождени-
ем спектрально-корреляционных характеристик
выходного сигнала, а по ним — моментов пер-
вого и второго порядков (которыми иногда мож-
но обойтись при решении ряда прикладных за-
дач): математического ожидания (постоянной
составляющей сигнала) у(0, среднего квадрата
(средней мощности сигнала) j>2(0 и дисперсии
(средней мощности переменной составляющей
сигнала) о2 = y\t) - [у(/)]2 (см. ст. 21.3).
Спектрально-корреляционные характе-
ристики случайного сигнала на выходе ли-
нейной цепи — энергетический спектр (ЭС)
(зависимость спектральной плотности мощно-
сти от частоты) Gv(co) и автокорреляционная
функция (АКФ) Ву(т) выходного сигнала y(t).
Так как эти характеристики однозначно связа-
526
РАДИОТЕХНИКА
19.9. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ
ны формулами Винера—Хинчина (см. ст.
21.3), задачу их отыскания можно считать ре-
шенной, если найдена хотя бы одна из них. В
связи с этим различают спектральный и вре-
менной методы анализа.
Спектральный метод: энергетический
спектр 6j,(co) на выходе линейной цепи (ЛЦ)
равен произведению ЭС 6х(со) входного сигна-
ла на квадрат модуля функции цепи (например,
функции передачи напряжения), т.е.
Gy (со)=Gx «о)КОсо)К(усо)=Gx (со)К2 (со). (1)
Временной метод: АКФ выходного сигнала
линейной цепи Ву(х) равна свертке АКФ вход-
ного сигнала Вх(т) с АКФ импульсной характе-
ристики цепи Bg(x). Действительно, времен-
ным эквивалентом (см. теоремы спектрального
анализа в ст. 19.12) выражения (1) является
By(T)=Bx(T)*g(T)*g(-T)=Bx(T)*Bg(r), (2)
где g(T)*g(-T)= jg(r)g[-(T-0]rf< =
= jg(/)g(/~ t)dt=Bg(t) — АКФ импульсной
характеристики цепи, * — символ операции
свертки (см. ст. 1.7).
Моменты, определяемые по By(t), пред-
ставляют собой: математическое ожидание
у=^В/оо); средний квадрат у2 =Ву(0) и дис-
персию ОТ =у2 -(у)2 =5/0)-5/оо).
19.9. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СЛУЧАЙ-
НЫХ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕ-
ПЯХ — преобразование статистических ха-
рактеристик случайных сигналов при прохож-
дении их через нелинейные или параметриче-
ские цепи. Задача анализа — отыскание ста-
тистических характеристик (законов распре-
деления (ЗР), энергетического спектра (ЭС),
автокорреляционной функции (АКФ) момен-
тов и других характеристик) сигнала y(t) на
выходе нелинейной или параметрической це-
пи по аналогичным характеристикам входно-
го сигнала x(t) и цепи. Задача намного слож-
ней, чем для линейной цепи, так как кроме
инерционности имеет место нелинейность.
Для упрощения ее решения стараются по воз-
можности смоделировать реальную цепь со-
четанием взаимно развязанных (т.е. не влияю-
щих друг на друга) нелинейного или парамет-
рического безынерционного преобразователя
(НБП или ПБП) и линейного фильтра (ЛФ)
так же, как в случае детерминированных сиг-
налов (см. Рис. 19.20, а).
Детектирование амплитудное гауссовско-
го узкополосного шума. Задача анализа —
отыскание статистических характеристик про-
детектированного сигнала — решается с учетом
того, что: входной сигнал АД a(t) = Л(/)со8[сон/ +
4- 0(/)] нормализован узкополосным ФПЧ, т.е. он
является узкополосным гауссовским центриро-
ванным процессом с дисперсией а2 и автокор-
реляционной функцией Ва(х) = o2Po(t)cos(OhT,
где р0(т) < 1 — нормированная огибающая
АКФ; по отношению к огибающей A(t) радио-
сигнала АД можно считать безынерционным
преобразователем с линейной или квадратичной
характеристикой преобразования и = мДВЬ1Х =
= \|/(Л). Для линейного диодного детектора
(и = А ) статистические характеристики выход-
ного сигнала детектора аналогичны характерис-
тикам огибающей A(t) [3, 4, 9]: закон распреде-
ления — закон Релея И^и(н) = (и/о2)е~и /2а\ и > 0;
математическое ожидание (постоянная состав-
ляющая) u(t) = A(t) = aVn72; средний квадрат
(средняя мощность) u2(f) = A2(t) = 2а2; диспер-
сия (средняя мощность флуктуаций) о2 = о2 =
= (2 -тг/2)о2; АКФ 5„(т) = ВА(т) ~ ±м2[1 +
+ ро(т)/4]; энергетический спектр GM(co) = (7л(со) =
=F{5B(T)}« 1яо2[2я5(со)+1^{р^(т)}], где
F{...}— символ преобразования Фурье (ПФ).
Для квадратичного детектора (и = аА2) ста-
тистические характеристики u(t), найденные по
характеристикам A(t) методами, развитыми для
нелинейных безынерционных преобразовате-
лей (с учетом последующей линейной фильтра-
ции) [4, 6, 9], таковы: ЗР — односторонний экс-
поненциальный
Wu(u) =
1 -ц/СЗао2)
2аа2
; и > 0;
основные моменты u(t) = 2ао2, u\t) = 8а2о4,
а2 = 4а2о4; АКФ Ви(г) = 4а2о4[1 + ро(т)]; ЭС
Gu (со) =F{5„ (т)} =4aV [2n8(co)+F{p2 (т)} ].
Детектирование амплитудное (ДА) сум-
мы гармонического сигнала и гауссовско-
го узкополосного шума, т.е. процесса a(t) =
= ac(/) + an(0 =JccoscoHr+Jn(Ocos[coHr+<p(r)] =
= A(f)cos[av + 0(0] c огибающей A(t) =
= A(t) =^A2 +A2 (r)4-2JcJn (0coscp(0, pacnpe-
Глава 19 РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
527
19.9. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ
деленной по закону Релея—Райса (обобщенно-
му закону Релея) [2, 5, 7] (Рис. 19.24):
^(Л)=4-7о<——)е4Я2+Л'>/<2^>’ (1)
оп °п
где Оп — дисперсия помехи (шума); Iq(z) — мо-
дифицированная функция Бесселя нулевого
порядка от аргумента z (см. ст. 19.1).
= (С/П)вх/2, т.е. КДО всегда ухудшает отноше-
ние С/П [3, 4].
Распределение вероятностей случайного
сигнала на выходе нелинейного безынерци-
онного преобразователя. Если характеристи-
ка НБП Xх) =/(х), связывающая выходной y(t)
и входной x(t) сигналы (Рис. 19.25, а), такова,
что обратная ей функция х(у) = ф(у) однознач-
на (Рис. 19.25, б), то одномерную плотность
вероятности (ОПВ) выходного процесса Wy(y)
можно получить из очевидного соотношения
Wy(y)dy = Wx(x)dx, где Wx(x) — ОПВ входного
сигнала:
При Лс/оп« 1, /о(0) = 1 закон (1) вырожда-
ется в закон Релея, а при Лс/оп » 1 — стремит-
ся к гауссовскому ЗР с математическим ожида-
нием А = Ас. Математическое ожидание огиба-
ющей A(t), описываемое громоздким выраже-
нием [3, 4, 9], в отдельных предельных случаях
определяется следующим образом: для h2 =
= Л2/2о2 « 1J = GnVn/2(l + Л2/2) - опл/л/2;
для h2 » 1 А = Ас(1 4- 1/4А2) ~ Ас, где h2 =
(С/П)вх — отношение мощностей сигнала и по-
мехи (шума) на входе детектора; дисперсия
огибающей о2 = 2g2 + А2 - (А)2.
Полезным эффектом детектирования
смеси сигнала с шумом является прираще-
ние постоянной составляющей выходного
напряжения детектора за счет сигнала. Для
линейного детектора огибающей (ЛДО) оно
равно АМд = ЛА = Ас+п - Ап = А - опл/л/2 (при
коэффициенте передачи детектора К% = 1). От-
ношение мощности сигнала к мощности поме-
хи на выходе ЛДО имеет вид:
(С/П)вых = (ДЛ)2 / о j =
= (А - опV^/2)2 /[2а2 + £ -(А)2].
В частных предельных случаях оно опреде-
ляется следующим образом: для (С/П)вх « 1
(С/П)ВЬ1Х = (С/П)2ВХ, а для (С/П)вх » 1 (С/П)вых =
= 2(С/П)ВХ, т.е. при ДА слабых сигналов ЛДО
ухудшает отношение С/П, а при ДА сильных
сигналов — улучшает его (происходит подавле-
ние слабого сигнала сильной помехой или на-
оборот). Для квадратичного детектора огибаю-
щей (КДО) при условии (С/П)вх « 1 имеем
(С/П)вых = (С/П)2ВХ, а при (С/П)вх » 1 (С/П)вых =
Если в области возможных значений х харак-
теристика НБП у(х) имеет горизонтальный учас-
ток, например на интервале [а; 6], где у = const =
= уаЬ, то выражение (2) следует дополнить 5-
функцией рб(у ~Уаь)с весовым коэффициентом
Р, равным вероятности Р(а < х < Ь) попадания
x(t) в этот интервал. Так, для диода с кусочно-ли-
нейной ВАХ i = \(u)Su и ОПВ приложенного на-
пряжения Wu(y) = ex^-^/lc^/GuX/lK имеем:
i/S;i>0
w(0=<
-oo;f =0;
0;z<0
du(i)
di
<p5(z);z=0,
0;z<0
а ОПВ тока диода
^(0 =
1(0 , -i
--^=exp(——
S<5uj2n 2$2С?и
)+0.56(0
(P = 0.5, поскольку в половине случаев м <0, Z = 0).
Если функция ф(у) двузначна (Рис. 19.26, а),
т.е. каждому значению у соответствуют два
значения х (Рис. 19.26, б), то выражение (2)
следует применить к каждой ветви х = х}(у) и
х = х2(у) кривой:
^У(У) = ^Х[Х1(У)]
dx,(y)
dy
+Wx[x2(y)]
dx2(y)
dy
.(3)
528
РАДИОТЕХНИКА
19.9. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ
В случае многозначной функции х(у) = ф(у)
поступают аналогично. Например, для квад-
ратора с характеристикой у(х)= ах2 и №х(х) =
=----!j=e-x ^2<Тх\ x(y)=±Jy/a —двузначной
функцией, будем иметь
^i,2W = 1
dy 2^
для
обеих ветвей; поэтому, в соответствии с (3),
Wy(y) =----р-----^Xp[-j/(2<XG?)].
ахЛ]2пау
Если интересоватьсй только моментами, то
РУу(у) можно не находить, поскольку
У= J y^y(y)dy= Jy(x)Wx(x)dx;
У2 = J y2Wy(y)dy= Jy2(x)U'x(x)dx;
Gy =] (у-у)2 Му (y)dy =
= ][y(x)~y]2ff'x(x)dx = (y-y)2.
Характеристическая функция выходного
процесса
Qy(jv)= jj?y(y)eJvydy = jwx(x)ejvy<x>dx,
откуда получаем другой способ определения
ОПВ:
* 1 °°
^У(у) = F~l {ey(jv)} = — J e/7v)e->v^.
Двухмерная плотность вероятности (ДПВ)
сигнала на выходе НБП с характери-
стиками yi =/1(х1;х2),У2 Х2) и однознач-
ными обратными им функциями jq = (pj (уь^2),
х2 = ФгСУь У2), определяемая из очевидных со-
отношений И2О1; y2)dyxdy2 = f^2(xi; x2)dxxdx2,
имеет вид:
Иг2(Л;у2)=^2(х,;х2)р| =
=И'2(х|;х2)
dxx
dy\ ’
dx2
dyt ’
dxx
dy2
dx2
dy2
где ^1^2) — ДПВ входного процесса; |D| —
якобиан преобразования [9,10].
Распределение вероятностей случайного
сигнала на выходе параметрического безы-
нерционного преобразователя. Отклик y(t) =
= k(f)x(f) цепи с функцией передачи k(t) на вход-
ной сигнал x(t) является случайным, если: x(t) —
случайно с ЗР — одномерной плотностью веро-
ятности (ОПВ) Wx(x), a k(t) — детерминирова-
но; x(t) — детерминировано, a k(t) = к0 + &k(t),
где k0 = const, Д£(г) — случайно с ЗР Идь(М); как
x(t)9 так и k(t) — случайны с ЗР ИЦх) и Wi^k) со-
ответственно. В первых двух случаях [при ста-
ционарности и центрированности x(t) или ДОД]
ЗР (ОПВ) Wy(y) аналогичен Wx(x) или ^ГдДДЛ),
но отличается изменяющимися во времени дис-
персиями о^7) = о^(/) или = а^х2^), т.е.
отклик y(t) является нестационарным процес-
сом. При случайных независимых x(t) и k(t) [4,9]
Wy(y)=lwx(x)Wk(±)^-.
Д х |х|
Спектрально-корреляционные харак-
теристики случайного сигнала на выходе
нелинейного безынерционного преобразо-
вателя — энергетический спектр 6у(со) и ав-
токорреляционная функция Ву(т) выходного
сигнала НБП. В отличие от линейной цепи
прямое определение ЭС на выходе нелиней-
Глава 19. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
529
19.9. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ
ной цепи (НЦ) по известному ЭС Gx(co) на
входе невозможно (что объясняется неприме-
нимостью к НЦ принципа суперпозиции), по-
этому единственный путь — отыскание АКФ
Ву(т) с дальнейшим переходом к 6у(со) =
F{By(x)} (в соответствии с теоремой Вине-
ра—Хинчина — см. ст. 21.3). Выбор метода
отыскания АКФ на выходе НБП зависит от
вида нелинейной характеристики, закона рас-
пределения входного процесса, а также от до-
пущений, возможных в пределах конкретно
поставленной задачи.
Прямой метод — это метод отыскания
АКФ выходного сигнала НБП, основанный на
классическом определении смешанного мо-
мента второго порядка = Bfififa) + (у)1 2 *
двумерного ЗР [двумерной плотности вероят-
ности (дпв)] №2(у1;у2, И, t2):
f У1У2^2(УЬУ2^1^2)^У2- (4 *)
Для однозначных нелинейностей^ =/(xi)>
=ЛХ2) имеем
K\('bz2)= j jf(xi)f(x2)W2(x1;x2;tt;t2)dxIdx2,
(5)
где FF2(xi; х2; tf, t2) — ДПВ входного сигнала.
Для стационарных процессов Kfifa = Ку(т),
где т = z2 ~ л; »2(*i; Х2, л; t2) = W2(xt; х,+т) =
= ^2(^Ь ХЪ ^) ПОЛуЧИМ
ку(х)= J jf(xl)f(x2)W2(X}-,x2,r)dxldx2. (6)
Для эргодических процессов возможно
также усреднение по времени:
1 Т
Ку(т) = Hmyj7[x(0]/[x(Z+T)]A. (7)
О
Искомая АКФ определяется выражением
Ву(х) = Ку(х) - (у)2, где у = тх {у} = <у> — ма-
тематическое ожидание сигнала y(t). Взятие
интегралов (4)—(6) часто затруднено, из-за
чего на практике прибегают к разложению
FF2(xi; х2; /ь /2) в РЯД по одномерной функции
распределения ^(хь ^) [3, 4, 6, 9, 10].
Метод характеристических функций (ме-
тод Райса, метод контурных интегралов) —
метод отыскания АКФ на выходе НБП [вычис-
ления интегралов (6), (7)], основанный на за-
мене ДПВ двумерной характеристической
функцией (ХФ), а нелинейных зависимостей
fix) — их изображениями по Фурье или Лапла-
су. Так, для стационарных входных процессов,
если Иг(Х1; х2;т) <=> вгСЛ'ь.Л'г;!), a fix) » F(jv),
выражение (6) сводится [6, 9] к виду
к/т)=-У
4л (8)
x02(/vi;7V2;t)6/vi</v2-
Иногда этот интеграл вычисляется проще,
чем прямым методом, хотя и здесь есть воз-
можность разложить 02(/Vi;jv2;T) в ряд по ор-
тогональным полиномам, соответствующим
одномерной характеристической функции [3,4,
6,9, 10].
Метод производных (метод Прайса) со-
стоит в отыскании производной АКФ выход-
ного процесса по коэффициенту корреляции
р = р(т) = Вх(т)/<з2 входного процесса с после-
дующим переходом к искомой АКФ путем ин-
тегрирования. Для входного стационарного га-
уссовского процесса x(t) со средним значением
х и дисперсией о2 формула Прайса имеет вид:
dnKy(r) о2"-2
Ф"(т) 271-^1-р2
„ „ xl+xj-lpxfy (9)
X f ft'n)(x})ft'n\x2)e 2ст20-Р2> dx}dx2,
где Xi = х(Г); х2 = x(t +т); х i = Xi - х; х2 = х2 - х;
= а п = 1, 2, 3,...
— порядок
производной /(л)(х), при котором впервые по-
являются 6-функции.
Формула (9) наиболее пригодна для таких
кусочно-гладких нелинейных характеристик
fix), которые «-кратным дифференцировани-
ем сводятся к сумме 6-функций, благодаря
фильтрующему свойству которых интеграл
(9) берется легко. Дальнейшее отыскание
Ку(т) состоит в решении обыкновенного диф-
ференциального уравнения w-го порядка
^Ky(x)/dpn(x) = Ф[р(т)]. Постоянные интег-
рирования определяют, исходя из начальных
условий [9, 10]. Например, при действии ста-
ционарного гауссовского центрированного
процесса x(t) с р(т) = В(х)/б2 на вход идеаль-
ного двустороннего ограничителя с характери-
стикой у(х) = fix) = j>osign х будем иметь « = 1
530
РАДИОТЕХНИКА
19.10. РАДИОСИГНАЛ
[поскольку df[x)/dx = 2у08(*)], и (9) приобре-
тает вид
dKv(t) 4vZ f f
ZTlA/ 1 — p —oo —oo
_ Xt2+X2~2p-Xi-X2
Xe 2g2(i-p2) <&1<&2=2^/(7га/(1-Р2 )•
Интегрируя, находим
К (Т) =^- Г . =—^-arcsin[p(T)]+C.
п I.h-n2 п
Так как С = (у)2 = 0, то
2 Ул 9 9
Ву = —^-arcsin[p(T)], а дисперсия О^=уо-
Спектрально-корреляционные характе-
ристики случайного сигнала на выходе па-
раметрического безынерционного преобра-
зователя — энергетический спектр [спект-
ральная плотность мощности (СПМ)] 6у(со) и
автокорреляционная функция Ву(т) отклика
y(t) = K(t}x(t) ПБП на входной сигнал x(t). По-
скольку K(t) и x(t) — случайные или детерми-
нированные функции времени, не обязательно
стационарные, но чаще всего независимые,
В у (t; т) = у(Оу(г + т) = K(t)x(t)K(t+ x)x(t+т) =
K(t)K(t + T)x(t)x(t+T) = Bk(t\т)Вх(t\т), т.е. КФ
отклика ПБП равна произведению КФ входно-
го сигнала Bx(t;T) и цепи Bk(t;t). Так как для
нестационарных процессов КФ зависит не
только от т, а и от t, что неудобно, то часто
пользуются АКФ и ЭС, усредненными по вре-
мени [3, 4, 6, 9]:
_____ ! т
Вс (т) = B(t; т) = lim — Г B(t; x)dt;
Т->°° 1 J
о
Gc(co) = G^) = F{5c(T)}.
19.10. РАДИОСИГНАЛ — высокочастот-
ный и узкополосный (в относительном смысле,
см. ст. 1.7) сигнал
a(t) = A(r)cos[coHr + 0(z)] =
= [До + AA(r)]cos[coHr + 0Н + Д0(О1,
несущий сообщение в колебаниях прираще-
ний одного или нескольких своих парамет-
ров [ AA(r);A0(r);Ac»XO=d0(r)/dr ], модулиру-
емых с этой целью управляющими сигнала-
ми (УС). Благодаря относительным высоко-
частотности и узкополосности радиосигналы
эффективно излучаются антеннами конст-
руктивно приемлемых размеров, распростра-
няются в пространстве в виде волн соответ-
ствующей физической природы, не искажа-
ются частотозависимыми элементами кана-
лов передачи, обеспечивают возможность
многоканальной связи с частотным разделе-
нием каналов.
Несущее колебание — гармоническое ВЧ
колебание Лнсо8(сон/ + 0Н), параметры которо-
го модулируются при формировании Р. Несу-
щая частота — частота сон несущего колеба-
ния. Управляющий сигнал — модулирующий
сигнал, пропорционально которому изменяет-
ся параметр Р.
Модуляция — процесс управления любым
параметром несущего колебания по закону пе-
редаваемого сообщения, а также результат это-
го процесса, т.е. свойство Р., состоящее в изме-
нениях его параметра. Модуляция может быть
как полезной (формирование Р), так и вред-
ной, сопутствующей (искажение Р. в избира-
тельных цепях).
В зависимости от параметра, модулируе-
мого по закону УС, различают амплитудную,
фазовую и частотную модуляции и соответст-
вующие им виды Р. (AM R, ФМ Р, ЧМ Р). ФМ
и ЧМ объединяют общим термином угловая
модуляция. Перспективной, но пока практиче-
ски нереализованной, является поляризацион-
ная модуляция, т.е. модуляция вида поляриза-
ции электромагнитных волн. Модулирующая
функция (МФ) — нормированный УС, не со-
держащий постоянной составляющей: x(t) =
= u(t)/\u(t)\^ MOI < 1, где ц(0 — УС; \u(t)\m —
его абсолютный максимум. Записанные с по-
мощью МФ приращения параметров Р. имеют
вид: для AM — АЛ (г) = kxu(t) = | АЛ !„,%(/); для
ФМ — A0(Z) = k2u(t) = |Д0|,„х(О; для ЧМ —
Дсо(?) = k3u(t) = |Дсо|тх(г), где |ДА|т, |Д6|т,
|Асо|т — максимальные абсолютные прираще-
ния амплитуды, фазы и частоты за счет моду-
ляции. Использование МФ дает возможность
при записи Р. абстрагироваться от конкретных
значений u(t) и свойств модуляторов (коэффи-
циенты к\, к2, к3). Манипуляция — разновид-
ность импульсной модуляции — дискретная
модуляция, отличающаяся квантованностью
значений модулируемого параметра и дис-
кретностью промежутков времени между их
сменами.
Глава 19. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
531
19.10. РАДИОСИГНАЛ
Сигнал с медленно изменяющимися пара-
метрами — временная особенность Р., отно-
сительная узкополосность которого всегда
обусловлена относительной медленностью
изменения параметров. Критерием такой
медленности (временным критерием узкопо-
лосности) является малость относительных
приращений параметров Р. за время, равное
периоду Гн = 2л/сон несущей частоты. Для
AM Р. — это \dA(t)ldt\T„IA(t) « 1, для ФМ Р.
— |г/2е(?)/^|Гн/®н « 1, а для ЧМ Р. —
|t/co(0/^| Гн/сон « 1.
Аналитический сигнал — соответству-
ющий данному физическому сигналу a(f) ком-
плексный сигнал Z(r), действительная часть
которого равна самому физическому сигналу,
а мнимая — сопряжена ему по Гильберту
(см. ст. 1.7):
Z(t) = a(f) + ja(t) = A^ff^,
где a(t) = A(t) = Va2(r) + a2(t);
\|/(0 = arctg[a(r)/a(r)].
В случае узкополосных P. a(t) = J(z)cos[gv +
4- 0(/)], для которых a(t) = Л(/)8т[сон* + 0(01,
А. с. имеет вид Z(t) =A(t)e^Ht+Q^ = A(t)eJ(°Ht ,
где A(t) = A(t)eje(t) — комплексная огибающая
(КО) P. — «медленная» функция времени, опи-
сывающая все присущие сигналу виды и зако-
ны модуляции, т.е. содержащая ту же, что и он,
информацию; A(t) — огибающая амплитуд Р.;
Х|/(0 = сон/ + 0(0 — мгновенная фаза', со(0 = сон 4-
4- d§(t)/dt — мгновенная частота Р.
А. с. может быть изображен на комплексной
плоскости вектором ОА переменной длины
A(f) (Рис. 19.27), вращающимся против движе-
ния часовой стрелки с переменной частотой
со(0- Его проекция на действительную ось
равна физическому радиосигналу, поскольку
а(/) = Re{Z(/)} = Re{ j(r)eW}.
Понятия А. с. и КО лежат в основе упро-
щенных методов анализа передачи Р. через из-
бирательные цепи (см. ст. 19.6). Спектр А. с.
S7 ((fj) существует лишь в области положитель-
ных частот, где вдвое превышает по модулю
спектр Р. S„ (со) (Рис. 19.28):
52(<в) = Sa(co) +jS^((0) =
—Sa (со) +j[-jSa (a>)signco]=
=5Дсо)[1 +sign®]=25a (©)!(©)=
2Sa (co); co>0
0;co<0
(здесь Sa(oj) — спектр a(t) — см. ст. 1.7). Спе-
ктром КО в соответствии с теоремой смещения
(см. ст. 19.12) является 5д(со) = Sz(co + сон) —
см. Рис. 19.28.
Корреляционные функции аналитичес-
кого сигнала и комплексной огибающей —
см. ст. 19.4.
Радиосигнал с модуляцией амплитуд-
ной — радиосигнал с постоянными частотой
сон и начальной фазой 0Н, но амплитудой A(t),
изменяющейся по времени (у полезных Р. м. а.)
по закону AA(t) управляющего сигнала (УС)
(передаваемого сообщения) (Рис. 19.29, б):
a(t) = A(r)cos(ov+0н) =
=[4 +A4(r)]cos(<iV +©„) =
= 4[l+M(Z)/4]cos(av+eH) =
= AH[l+rt«(7)]cos(ov+eH),
где Лн, сон, 0Н — параметры несущего колеба-
ния; x(t) - модулирующая функция (Рис.
19.29, я); т = ААт/Ан — коэффициент модуля-
ции (максимальное относительное прираще-
Рис. 19.27
532
РАДИОТЕХНИКА
19.10. РАДИОСИГНАЛ
ние амплитуды за счет модуляции) — количе-
ственная характеристика глубины AM, выра-
жаемая в дробях или процентах; ЛАт — мак-
симальное абсолютное приращение амплиту-
ды за счет AM (см. Рис. 19.29, б и 19.30, б).
В случае несимметричных УС (с неравны-
ми максимальными приращениями вверх и
вниз) различают коэффициент модуляции
«вверх» т3 = ЛАтв/Ан и коэффициент модуля-
ции «вниз» тн =
Амплитудная модуляция — свойство Р., со-
стоящее в колебаниях амплитуды; управление
колебаниями огибающей Р. по закону переда-
ваемого сообщения (см. также ст. 19.7). Пере-
модуляция — AM с коэффициентом модуляции
вниз тн > 1 (см. Рис. 19.29, в и Рис. 19.30, в).
Приводит к искажению огибающей Р. [по-
скольку при тн > 1 p4(z)l * Л(0] и потому недо-
пустима, если предполагается детектирование
Р. обычным АД, реагирующим на |Л(/)|.
Балансная амплитудная модуляция (БАМ)
— AM с полным подавлением несущего коле-
бания в моменты и отрезки времени, когда УС
[следовательно, и АЛ (г)] обращается в нуль.
Радиосигнал с БАМ (см. Рис. 19.29, г и Рис.
19.30, г) можно записать в виде a(t) =
= A4(z)cos(coH/ + 0Н)> т.е. получить из (1) при
Лн = 0, A(t) - ДА((). Преимуществом БАМ по
сравнению с обычной AM является лучшее ис-
пользование мощности передатчика [не расхо-
дуемой на передачу несущей Лнсоз(сон/ + 0н)]>
недостатком — сравнительная сложность де-
тектирования Р. в приемнике.
По характеру УС различают непрерывную
или импульсную, непериодическую или пери-
одическую AM и БАМ. Частным случаем пе-
риодической AM является тональная ампли-
тудная модуляция — AM одним тоном, т.е. по
гармоническому закону х(/) (Рис. 19.30, а), ког-
да (см. Рис. 19.30, б) a(t) = Лн[1 4- mcos(Qr +
<p)]cos(av + 0Н); при периодической БАМ (см.
Рис. 19.30,г) a(t) = AAmcos(£2t + <p)]cos(ov + 0H)-
Математический спектр [спектральная плот-
ность амплитуд (СПА)] Р. м. а. (1) согласно те-
ореме о модуляции (см. ст. 19.12) равен:
За (®) =у$А (со—<4, )еув" +^SA (<о+<он )е“ув" (2)
и является суммой двух спектров, аналогич-
ных (с точностью до коэффициента е±70н/2)
математическому спектру огибающей ^(со) =
= F{J(/)}, но сдвинутых на ± сон вдоль оси час-
тот (Рис. 19.31, а). Вследствие узкополосности
Р. эти спектры практически не перекрываются,
так что физический спектр AM радиосигнала
повторяет (с коэффициентом 2) правую (т.е.
для со > 0) часть математического спектра (Рис.
19.31, б).
Таким образом, физический спектр AM ра-
диосигнала сосредоточен вблизи несущей час-
тоты и состоит из верхней боковой полосы
Глава 19. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
533
19.10. РАДИОСИГНАЛ
(ВБП), аналогичной (с коэффициентом еу0н/2)
физическому спектру огибающей радиосигнала,
и нижней боковой полосы (НБП), симметрич-
ной ВБП относительно Он (см. Рис. 19.31, 0);
ширина спектра AM радиосигнала вдвое боль-
ше ширины спектра его огибающей: Дсос = 2сош.
Спектры радиосигналов с непериодической
AM — сплошные и описываются спектральной
плотностью амплитуд (СПА) (см. Рис. 19.31), а
с периодической AM — дискретные и описыва-
ются коэффициентами рядов Фурье (Рис. 19.32)
или дискретной СПА. Так, для непериодичес-
кой AM с x(t) <=> ^((о) и A(t) = Лн[1 + mx(t)] <=>
« ^(®)=Лн[2л8(со) + т ^х(со)] в соответствии
с (2) имеем СПА Р.:
состоит лишь из несущего и двух боковых ко-
лебаний с частотами сон ± Q(Q — частота мо-
дуляции) и амплитудами тАп/2. В случае слож-
ной периодической AM и представлении оги-
бающей рядом Фурье
A(t) = Ан + ЛАп cos(w£h + ф„) =
и—1
= ЛП + cos(«£2z + <р„)],
радиосигнал имеет вид
a(t) = Ан cos(coHt + 9Н) +
+ cos[(toH - n£l)t + 0„ - ф„ ] +
И=1
+ j£-^y^-cos[(toH + n£l)t + 0H + <р„ ],
И=1
подтверждающий упомянутые ранее особен-
ности спектров AM радиосигналов (здесь
тп = &Ап/Ай — парциальный (т.е. частичный)
коэффициент модуляции — коэффициент
модуляции несущего колебания п-й гармони-
кой УС).
Радиосигнал с модуляцией угловой —
радиосигнал с постоянными амплитудой Ан и
средней частотой сон и переменной начальной
фазой \|/(0, прирастающей во времени (в слу-
чае полезной модуляции) под действием УС:
a(t) = Ан cos<p(f) = Ан cos[coHf + ф(0] =
= Ан cos[coHf + + A V(0] • (3)
Здесь ф(/) — полная мгновенная фаза Р.;
А\|/(/) — ее приращение за счет УМ, связанное
с мгновенной частотой co(z) и ее приращением
Дсо(0 такими соотношениями:
+[яй(со+(ц1)+у5х(а>+сц1)]е_у9"},
а для БАМ с таким же законом модуляции
СПА отличается отсутствием членов с 6-функ-
циями.
Физический спектр радиосигнала с тональ-
ной AM
а(О=Лсо8(<ц,/+0н)+-^со8[(<ц, -Q)/ +
+0Н -<p]+Z^!LC0S[K +Q)/+0H +ф]
Рис. 19.32
534
РАДИОТЕХНИКА
19.10. РАДИОСИГНАЛ
z ч d(p (t) A z x
G)(Z) = = (OH + Дсо(0;
Деф) =^^1 =d£m^(t)ldf,
dt
t
<P(O = j <о(/)Л + vH = <oH/ + v„ + Д v(0;
0
t
Ay(0 = Jaco(/)^. (4)
о
Угловая модуляция — отличительная осо-
бенность радиосигнала с УМ состоит в колеба-
ниях начальной фазы \|/(0 и неразрывно свя-
занных с ними в соответствии с (4) колебаниях
частоты; процесс управления колебаниями на-
чальной фазы или частоты Р. происходит по за-
кону передаваемого сообщения.
Фазовая модуляция — разновидность УМ,
при которой пропорционально УС прирастает
начальная фаза радиосигнала: А\|/(/) =
(а частота прирастает пропорционально произ-
водной УС: Дсо(г) = \ут )• Таким образом,
Р. с ФМ — это радиосигнал вида a(t) =
= Лнсо8[сон/ + ун + Vm*(0L где х(/) — модули-
рующая функция (МФ); — индекс угловой
модуляции — максимальное абсолютное при-
ращение фазы за счет УМ — количественная
характеристика глубины ФМ.
Частотная модуляция — разновидность
УМ, при которой пропорционально УС прира-
стает частота радиосигнала: Aco(Z) = Асо^х(/)
(а фаза прирастает по закону интеграла от УС:
t
Ay(z)=Acozn jx(t)dt ). Таким образом, Р. с ЧМ
о
— это сигнал вида
л (0=Ан cos[oy + ун +Аш„ jx(/) dt ],
о
где Асош — девиация частоты — максималь-
ное абсолютное приращение частоты за счет
УМ — количественная характеристика глуби-
ны ЧМ.
Спектр Р. с УМ (3) находят, представляя его
в виде суммы двух квадратурных (с разностью
фаз несущей 90°) AM колебаний:
a(t) =АН cos\|/(/)cosco^/—Лн siny(/)sino^/.
В соответствии с теоремами линейности и
смещения (см. ст. 19.12), если cos y(f) <=> Sc(co),
a sin y(f) <=> S/co), то
Д
a(0«Sa(co)=^[Sc(co-<^) +
+$с (со+сц,) + Л(со-сц,) - JSs (со+сц,)].
Таким образом, физический спектр Р. с УМ
состоит из симметричных относительно несу-
щей частоты сон нижней и верхней боковых по-
лос (НБП и ВБП), которые, в отличие от AM,
не аналогичны сдвинутому на сон спектру УС,
а намного сложнее его; спектр радиосигнала с
УМ — сплошной при непериодической и дис-
кретный при периодической УМ. Ширина спе-
ктра Р. с УМ оценивается по эмпирической
формуле Асос ~ 2(Асош + £1т), где Асош — деви-
ация частоты, которая для ФМ равна Acow =
= ; £1т — наивысшая частота в спек-
dt
max
тре управляющего сигнала. Примером этого
может быть радиосигнал с тональной ЧМ
[Асо(0 = Aco^cosQ/]:
a(t) - Ан cos(coHf + \\fm sin О/) =
= 4i[-Wm)cos®HZ + (Vm)C0S(®H + +
n=l
+ <-1)" (Vm ) cos(®h - и£ВД,
71—1
где Q — частота модуляции; = Acow/Q —
индекс УМ; J„(Vm) — функция Бесселя пер-
вого рода и-го порядка от аргумента
Спектр радиосигнала с тональной ЧМ —
дискретный с интервалом О, в его составе
множество пар боковых колебаний с ампли-
тудами, сложно зависящими от « и \|/т. Ши-
рина спектра АОС ~ 20(1 + vw); для <<: 1
(узкополосная ЧМ) АОС ~ 20, а для » 1
(широкополосная ЧМ) АОС ~ 2Acow.
Радиосигнал с однополосным спектром,
или однополосный радиосигнал (ОР) — Р. с
полностью (или в значительной мере) подав-
ленной одной из боковых полос спектра, т.е. с
шириной спектра, примерно вдвое меньшей,
чем у обычных Р с AM или Р. с УМ, несущих
ту же информацию. Применение ОР дает воз-
можность почти удвоить число каналов связи,
сосредоточенных в диапазоне частот, улучшает
использование мощности передатчика, повы-
Глава 19. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
535
19.10. РАДИОСИГНАЛ
шает помехозащищенность, хотя и усложняет
процесс детектирования в приемнике. Процесс
получения ОР — однополосную модуляцию
можно трактовать как фильтрацию обычных
(двухполосных) радиосигналов идеальными
ФВЧ или ФНЧ с частотами среза, равными не-
сущей частоте, различая однополосные AM,
ФМ, ЧМ (ОАМ, ОФМ, ОЧМ). Следует по-
мнить, что в действительности любой ОР есть
радиосигнал с одновременной амплитудной и
фазовой (частотной) модуляциями. Например,
Р. с ОАМ, несущий сообщение Д/), можно
представить в виде
a(t) =f (Ocosoy ±/(/)sinoy =
=.4(Ocos[ay±x|/(0],
где f(t) сопряжен с fit) по Гильберту (см. ст. 1.7);
А(0 = v/2W + /2(0 —закон AM;
V(O=arctg[/(r)//(r)] —закон ФМ.
Спектр этого радиосигнала, найденный
на основе соотношений fit) <=> S(co), f (t) <=>
<=> -j S(co)sign(co) (cm. ct. 1.7) и теорем линей-
ности и смещения (см. ст. 19.12), имеет вид:
Sa(®)=-^{S(co-<4,)[l+sign(co-cq,)]+
2 (6)
+5(сн-сц, )[1 ±sign(«H-coH)]},
причем верхние (из двойных) знаки в (5) и (6)
отвечают сигналам с нижней, а нижние — с
верхней боковой полосой (Рис. 19.33). Несо-
впадение формы A(t) и fit) делает обычные
приемники с линейным АД непригодными для
приема сигнала с ОАМ. Об ОР и системах од-
нополосной передачи, совместимых с бытовы-
ми приемниками [11], см. ст. 16.11, 17.18. Раз-
новидностью рассмотренных сигналов явля-
ются ОР с частично подавленной несущей —
пилот-сигналом, используемым в приемниках
с синхронным детектированием для синхрони-
зации гетеродина.
19.11. СИСТЕМЫ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ
НЕЛИНЕЙНЫЕ ПОД ВНЕШНИМ ВОЗ-
ДЕЙСТВИЕМ.
Асинхронное гашение и возбуждение ко-
лебаний — явление подавления или стимуля-
ции автоколебаний (АК) генератора асинхрон-
ным периодическим внешним воздействием
(ВВ). Воздействие (например, напряжение
v(0 = r^cosov, подаваемое на вход АЭ от по-
стороннего источника) называют асинхрон-
ным ВВ, если отношение его частоты к часто-
те генерации отличается от отношения не-
больших целых чисел и не приводит к синхро-
низации автогенератора (АГ). А. г. в. к. может
быть проанализировано квазилинейным мето-
дом (см. ст. 19.2) и пояснено влиянием ВВ на
среднюю крутизну (см. ст. 19.2) характеристи-
ки (или среднюю проводимость) АЭ [1]:
S=ImJUm =у(С/ ;Е0;У ),
где — амплитуда АК на входе АЭ, Ео — на-
пряжение смещения. Если Ео соответствует
мягкому режиму самовозбуждения АГ, то воз-
можно лишь асинхронное гашение колебаний
с возрастанием Vm, а если жесткому, то воз-
можно как асинхронное возбуждение, так и га-
шение АК [1].
Деление частоты — процесс преобразо-
вания периодических колебаний в когерент-
ные им колебания с частотой, в целое число
раз меньшей входной частоты: совых = совх/п.
Д. ч. гармонических колебаний возможно, на-
пример, путем синхронизации АГ на субгар-
монике входного сигнала (см. далее «Синхро-
низация АК») или методом регенеративного
Д. ч. Регенеративный делитель частоты —
устройство типа АГ (Рис. 19.34), в цепь внеш-
ней ОС которого включен умножитель часто-
ты 2 в (п - 1) или (п + 1) раз и преобразователь
частоты (смеситель) 1, выделяющий разност-
ную частоту, на второй вход которого подает-
ся преобразуемый сигнал. Так как в стацио-
нарном режиме частоты на входе и выходе
усилителя 3 АГ одинаковы, то имеют место
такие соотношения: совх - (п - 1)соВых = совых
или (п + 1)соВых ~ совх = Фвых, из которых сле-
дует, что совых - <дъх/п. Всем способам Д. ч.
свойственна многозначность фазы выходного
колебания, которая может иметь п значений,
различающихся на Аф = 2л/и.
536
РАДИОТЕХНИКА
19.12. СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НЕПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Регенерация — процесс частичной ком-
пенсации потерь в колебательном контуре вне-
сением в него энергии за счет положительной
ОС, а в параметрических системах — за счет
накачки (см. ст. 17.27).
Резонанс в нелинейном контуре — резо-
нанс в колебательном контуре (КК), имеющем
хотя бы один нелинейный реактивный элемент,
т.е. такой, параметр которого зависит от напря-
жения или тока в нем [например, С(и) или L(i)].
Вследствие этого резонансная частота соо ста-
новится функцией напряжения (тока) в КК и в
конечном счете — функцией напряжения (то-
ка) и частоты источника, питающего КК. Так,
для достаточно добротного (чтобы воспользо-
ваться квазилинейным методом) параллельно-
го КК при аппроксимации вольт-фарадной ха-
рактеристики варикапа С(и) = Со + b\u + b2u2
можно показать [1, 2], что средняя (по первой
гармонике) емкость Сс = Со + b2U™l4, а эквива-
лентная резонансная частота зависит от ампли-
туды Um напряжения на контуре (варикапе):
1
=~Г77Г= / О
дМ Jl+b2U2„/(4C0)
8С0 "
Это приводит к наклону резонансной кри-
вой Ци(со) = 1т\ в сторону НЧ (тем
большему, чем больше амплитуда 1т тока, пи-
тающего контур) вплоть до появления неодно-
значности (гистерезисной петли, как на Рис.
19.35), и соответствующего искажения ФЧХ.
В КК с нелинейной индуктивностью явления
аналогичны, но резонансные кривые наклоня-
ются в сторону ВЧ.
Сверхрегенерация — см. ст. 17.27.
Синхронизация автоколебаний (АК) —
явление, при котором благодаря периодическо-
му с частотой сос воздействию на автогенера-
тор он так изменяет частоту своих АК сог, что
она становится равной частоте сос синхронизи-
рующего колебания или кратной ей (сог = п сос
или сог = сос/я, где п = 1,2, ...). Различают: С. а.
на основной частоте {захватывание частоты),
когда собственная частота соо и частота сос
близки, а сог = сосj С. а. на гармонике (умноже-
ние частоты), когда соо ~ п(йс, а сог = п сос; С. а.
на субгармонике (деление частоты), когда
соо ~ tojn, а сог = сос/« и С. а. для дробного
т
соотношения частот, когда сог = —сос (т и
п
п — малые целые числа). Синхронизация (за-
хватывание, умножение, деление частоты) про-
исходит в узких областях частот, называемых
полосами синхронизации (полосами захваты-
вания, умножения, деления соответственно —
см. Рис. 19.36). Вне этих полос сог = соо и в си-
стеме существуют биения собственных и вы-
нуждающих колебаний. Ширина этих полос
Дсос возрастает с ростом амплитуды синхро-
сигнала и уменьшением амплитуды свободных
АК, заметно суживаясь с возрастанием и. С. а.
поддаются автогенераторы колебаний любой
формы и для нее пригодны синхросигналы раз-
личных форм — от гармонических до им-
пульсных. Для исследования процессов С. а.
используют квазилинейный метод, метод мед-
ленно меняющихся амплитуд, а также им-
пульсно-фазовый метод [1,7, 11].
19.12. СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НЕ-
ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ (НС) —
разложение детерминированных НС на несчет-
ное множество микрогармоник (гармоничес-
ких колебаний с бесконечно малыми комплекс-
ными амплитудами dC((Q)=dC((ii)Qjw(ai) и бес-
конечно близкими частотами, отличающимися
на d(f) = 2jtd/) и представление этого множест-
ва комплексной спектральной плотностью
Глава 19. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
537
19.12. СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НЕПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
5(<о)=5((о)еУч'(ш)
С. а. н. с. — это описание и исследование
свойств НС в частотной (спектральной) облас-
ти с помощью частотных распределений (спек-
тров) — спектральных плотностей амплитуд
(СПА) и спектральных плотностей энергии
(СПЭ). Цель С. а. н. с. — представление (ап-
проксимация) НС интегральной суммой мик-
рогармоник — ориентирована на использова-
ние принципа суперпозиции и метода ком-
плексных амплитуд для отыскания отклика ли-
нейной цепи (ЛЦ) на сложный НС и достигает-
ся с помощью преобразований Фурье (ПФ)
(см. ст. 1.7). Прямое ПФ решает задачу С. а. н. с.
[отыскание S(co)], а обратное преобразование
Фурье (ОПФ) — задачу спектрального синтеза
[восстановления сигнала fit) по его СПА 5(со)
с нулевой среднеквадратической ошибкой]. Та-
ким образом, любой физически возможный НС
можно однозначно и равноточно представить
во временной и частотной областях функциями
времени fit) = F”1 {£(©)} и частоты £(со) =
- F{fit)}, взаимное соответствие между которы-
ми обозначают так: fit) <=> S(co). Спектры НС
— сплошные (континуальные), чем они прин-
ципиально отличаются от дискретных спект-
ров периодических сигналов.
Спектральная плотность амплитуд
(СПА) — физическая величина, имеющая
смысл удельной (отнесенной к единице поло-
сы частот) комплексной амплитуды микро-
гармоник Sс размерностью (для
электрических сигналов) вольт на герц или ам-
пер на герц. СПА — комплексная функция ча-
стоты 5(со) с тем же физическим смыслом и
размерностью, представляющая сигнал fit) в
частотной области и часто (для сокращения)
называемая просто спектральной плотностью
или спектром сигнала. Общие свойства СПА
основаны на ее математическом определении:
$(®)=Г{ЯО}=/ЛОе-'“'Л =
=Л(со)-уВ(®)=5(<о)еЖт),
где Л(со)= J/\t)co&<stdf, В ((£>) = J/(/)sincoz<ft;
S(co) = д/ Л 2(со)+В2(<о); v((i>)=- arctg[5(<o)A4(<o)],
и состоят в следующем: СПА четной функ-
ции времени fi-t) - fit) — действительна, т.е.
5(со) = Л(со), нечетной функции fi-t) = -fit) —
мнима, т.е. 5(со) = -jB(w), а в общем случае —
комплексна; S(co) = 15(со)| и Re{ 5(со)} = Л(со) —
четные функции частоты, а у(со) и Im{S(co)} =
= -В(со) — нечетные функции частоты; СПА
на нулевой частоте равна площади под кри-
вой fit) (площади импульса — для импульс-
ных сигналов), т.е.
s(0)=pWt
Различают и представляют соответствую-
щими спектрограммами (Рис. 19.37): ампли-
тудный спектр (АС) НС — частотное распре-
деление модуля СПА S(co) = | S(co)|; фазовый
спектр (ФС) НС — частотное распределение
фазы (аргумента) СПА \|/(со) и энергетический
спектр (ЭС) НС — частотное распределение
спектральной плотности энергий (СПЭ) РЦсо) =
= |S(co)|2. Если эти спектры представлены в об-
ласти сое [-°о;°о], то они называются матема-
тическими спектрами £(со) (Рис. 19.37, а).
а если в области сое [0;«>] — физическими спе-
ктрами 5ф(со) (Рис. 19.37, б). Связь между ни-
ми понятна из сопоставления комплексной и
тригонометрической форм ОПФ:
/(/) = F-1 {5(®)} = 2^ J 5(со)е7[ш<+'*'(“,1<7со =
1 00
= —J 2S(co)cos[cor + \|/(co)]dco ;
о
538
РАДИОТЕХНИКА
19.12. СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НЕПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
25(со); со>0
5ф(со)=25(со)1(со)=^5(0);со=0 ;
0; со<0
у(со);со>0
0; со<0
ЙГф(со)=2йГ(со)1(со),
V*(®)=
где 5ф(со), Уф(со), Иф(со) — физические спектр
амплитуд, фазовый спектр и энергетический
спектр соответственно. Спектры некоторых
импульсных сигналов приведены в Табл. 19.1.
Спектральная плотность энергии (СПЭ)
сигнала—физическая величина W = dE/df, име-
ющая смысл удельной (отнесенной к единице
полосы частот) энергии сигнала с размерностью
джоуль на герц. Частотное распределение СПЭ
JT(m) =5(со)5(со) =| 5(со) |2=S2 (со)
называется также энергетическим спектром
(ЭС) сигнала. Энергия сигнала — энергия, вы-
деляемая сигналом Д/) на сопротивлении 1 Ом
— может быть вычислена как по временному,
так и по спектральному его представлениям,
что подтверждается равенством Парсеваля (те-
оремой энергии):
Е = 7/2 (t)dt =— 7 ^(co)rf<o=-7s2
£ 2л Д nJQ
ЭС и автокорреляционная функция (АКФ)
сигнала связаны между собой преобразовани-
ями Фурье (ПФ) (см. ст. 19.4): FK(co) = F{B(x)} ;
Таблица 19.1
№ п.п. Сигнал f(t) Спектр (СПА) S(©)
1 ^=1(06-^ w 1 S(©) = -Д- v ’ a + j® S(©b V(<^\ 1л/2
0 -я/2 ©
0
2 f(f) = e-alfl 1. S(©) = ^-o or + or S(®)< 2/a^,
0 0 ©
3 S(®) = —Цъ (ot + j®)2 S(©)i
0 0 -n
4 Г(П = 1(Г+т/2)- -1 (Г-т/2) 1 S(w) = Tsinc(©r/2)
| --2^/tO Цл/т ® ;2яЛ!
-t/2 0 x/2
5 f(0 = sinc(Qf) 1 f -2я/п/ \ 2vq S(©) = (jc/Q)x x[1(©+Q) - 1(©-Q)] 5(©); [n/Q
x/ o xz 7 -я/Q n/Q
-Q 0 Q’w
6 Г1-21М/Т _ при 1П<т/2 m io (при lfl>t/2 Mi S(®) = (t/2)x xsinc2(©r/4) S(©)A JL.
-т/2 0 т/2 t . < 0 > , -4л/т u 4л/т
7 f(() = e^/(2a2) S«») = <rffiIe-()-5m2a2 S(®)i
0 Э 0 ©
Глава 19. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
539
19.12. СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НЕПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
В(х) = {FP(co)}. Восстановить сигнал Д/) по
его ЭС невозможно, поскольку отсутствует ин-
формация о фазах микрогармоник, но это не
уменьшает важности ЭС как характеристики
сигнала. Ширина спектра (ШС) непериодичес-
кого сигнала — полоса частот физического
спектра Дсос = comax - comin, в которой сосредо-
точена основная часть (например, у = 0.9; 0.95
или 0.99) полной энергии Е сигнала. Для ши-
рокополосных управляющих сигналов, когда
comin ~ 0, ШС Д(0с ~ ютах может быть найдена
решением уравнения
. ®тах
- Jnr(co)Jco = y£. (1)
о
Так, для экспоненциального видеоимпульса
u(t) = со СПА 5(со) = С//(а +»,
ЭС JF(co) = S2(co) = U2/(a2 + со2) и энергией
£'=J(L/e”a/)2dt=U2/2а уравнение (1) имеет
о
вид:
спектры которых уже известны или легко нахо-
дятся. Переход от найденной таким образом
СПА п-й производной к СПА анализируемого
сигнала осуществляется, в соответствии с
ТСП, делением спектра п-й производной на
(/со)". Метод наиболее эффективен для сигна-
лов в виде функций времени, п-я производная
которых состоит лишь из 6-функций или функ-
ций, повторяющихся при последовательном
дифференцировании (отрезков синусоид, экс-
понент). Дифференцируя сигнал и его произ-
водные, следует помнить, что
^-{A-l(t±t0)}=AS(t±t0), а
at
dt
Проиллюстрируем метод несколькими
примерами.
Пример 1. Определим спектр (СПА) видео-
импульса в виде равнобедренного треугольни-
ка с амплитудой Е и длительностью т:
1V и2 , и2 f/a^aX4 уи2
- —-----гс/С0=--arctg(—^-)
я J а +со ла а 2а
-(<+-); — <t<0
т 2 2
Т 2 2
с решением comax = atg(yTt/2), которое и опреде-
ляет ШС этого сигнала для выбранного значе-
ния у. При у = 0.9 ШС иногда называют актив-
ной (или технической) шириной спектра сигна-
ла, т.е. это полоса частот, в которой сосредото-
чено 90% полной энергии сигнала. Следует от-
метить, однако, что для большинства реальных
сигналов с более сложными (чем в приведен-
ном примере) ЭС FK(co) интеграл в (1) аналити-
чески не берется; интегрировать и решать урав-
нение (1) приходится численными методами.
ШС узкополосных радиосигналов опреде-
ляется аналогично в области частот, примыка-
ющих к несущей частоте. Существуют и дру-
гие определения понятия ШС, например, как
ширины основания прямоугольника, площадь
которого равна площади под кривой FK(co), а
высота — максимальному значению СПЭ, или
как среднеквадратического значения частоты
ЭС [3, 5—7].
Спектральный анализ методом диффе-
ренцирования — отыскание СПА НС, осно-
ванное на широком использовании теорем о
спектрах (см. ст. 19.12), в особенности теоре-
мы о спектре производной (ТСП). Метод со-
стоит в и-крагном дифференцировании сигна-
ла с целью свести его к функциям времени,
/(0 =
обозначив искомый спектр как 5(со). Вторая
производная по времени такого импульса
т т
f'\t)=— [50+1)+50-1)-2ад], (2)
Т 2 2
т.е. состоит только из 6-функций, спектры ко-
торых известны:
8(г +т/ 2) <=>е 'ют/2; 8(г -т/ 2) <=>е"-'<от/2; 5(r) <s=>l.
Кроме того, согласно теореме о спектре произ-
водной /"(/)<=>(усо)2 5(со)=-со25(со). Поэто-
му в спектральной области выражению (2) со-
ответствует
- ®25(со) =3£[е^2 +е->«^2 —2] =
т
ЛЕ г , 8Е 2/ I л\
=—[cos(cot/2)-1] =-------sin (сот/4).
т т
Решив это уравнение относительно искомого
спектра, получим
540
РАДИОТЕХНИКА
19.12. СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НЕПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
ч $>Е Sin2(СОТ/4) „Т . 2} /,ч
5(со) =------i=Е—sine (ап/4).
т со 2
Преимущества метода очевидны — он не тре-
бует трудоемкого непосредственного интегри-
рования по Фурье.
Спектр сигнала с бесконечной энергией
— существующий в предельном смысле спектр
£(со) сигнала^/), формально не имеющего пре-
образования Фурье (ПФ),т.е. не удовлетворяю-
щего условию
или Е =
Необходимость спектрального анализа та-
ких сигналов обусловлена их широким ис-
пользованием для моделирования реальных
сигналов и процессов в радиоцепях. Посколь-
ку С. с. б. э. не может быть найден прямым ин-
тегрированием по Фурье, его определяют или
с помощью теорем о спектрах (например, ме-
тодом дифференцирования), или предельным
переходом от спектра сигнала с существую-
щим ПФ к С. с. б. э. Например, для
f(!) е[0;~] S(co) = F{/(?)}= lim F{f(t)^},
a->0
где — множитель сходимости, a a > 0 и до-
статочно велико для существования F{flt)e~at].
Спектры часто встречающихся сигналов с бес-
конечной энергией приведены в Табл. 19.2.
Спектр текущий — спектральная плот-
ность амплитуд (СПА) части процесса Д/), со-
стоявшейся к текущему моменту времени t
(моменту наблюдения), определяемая как:
t
S(a>;t) = \f(tfiFjw,dt
или, при отсчете времени от начала сигнала
fit), как:
t
О
Текущий спектр является функцией не
только частоты, но и времени; в предельном
случае (/ —><») он стремится к обычной СПА.
Мгновенный спектр — в простейшем слу-
чае это СПА отрезка процесса ft) продолжи-
тельностью Г, непосредственно предшествую-
щего данному моменту времени t, определяе-
мый как
5г(со;О= j/(Z)e->'A =
t-T
= /[1(/ + Г)-1(0]Л0е~'“'Л,
т.е. это спектр отрезка сигнала, попадающего в
прямоугольное «временное окно» шириной Г,
скользящее вдоль оси времени. Вообще «вре-
менное окно» может быть и другой формы
(экспоненциальной, гауссовой, в виде функции
отсчетов и т.п.).
Текущими и мгновенными спектрами опе-
рируют в теории аппаратурного и численного
спектральных анализа и синтеза [12].
Теоремы спектрального анализа (теоре-
мы о спектрах, свойства преобразований Фу-
рье (ПФ)) — теоремы, устанавливающие соот-
ветствие между эквивалентными математичес-
кими операциями во временной и частотной
областях, т.е. над сигналами и их спектрами —
мощное средство теоретического спектрально-
го анализа и синтеза, а также выявления и ос-
мысления фундаментальных особенностей и
свойств сигналов и цепей. Самые важные из
них приводятся далее в таком кратком виде:
«если (условие) ft) <=> S(co), то (следствие)
ф{Д7)} <=> ^{^(со)}». Это означает, что матема-
тической операции ф над сигналом ft) во вре-
менной области отвечает (эквивалентна) мате-
матическая операция над его спектром S(co)
в частотной области. Аналогичность условий
всех теорем дает возможность, записав их
один раз (вначале), излагать в дальнейшем
лишь следствия с краткими комментариями.
Таким образом, еслиД/) <=> 5(со) = S(co)e7V(co)
или fi(t) «> S’, (a>), f2(t) <=> 52(ю), ТО можно
сформулировать следующие теоремы.
Теорема запаздывания (свойство вре-
менного сдвига):
/(Г±Г0) <=>S(co)e±7CO'0 =5(co)e7[v(co)±coz°],
т.е. сдвигу сигнала во времени на ±/0 отвечает
умножение его спектра на е±7“'°, что, не изме-
няя амплитудного спектра, лишь прибавляет к
фазовому спектру линейный член -сого в слу-
чае запаздывания или см0 в случае опережения
на tQ. Из теоремы вытекает инвариантность
ПФ к началу отсчета времени, которое можно
выбирать произвольно, исходя из удобства за-
писи или интегрирования сигнала по Фурье.
Найденная таким образом СПА корректирует-
Глава 19. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
541
19.12. СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НЕПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Таблица 19.2
ся для истинного начала отсчета времени дом-
ножением ее на е ±7С0'°.
Теорема (свойство) линейности:
(‘) (СО),
Z=1 Z=1
т.е. умножению на константу а, и суммирова-
нию во временной области соответствуют ана-
логичные операции в частотной области.
Теорема масштабов:
f(at) а),
а
где а — положительная константа, т.е. сжатию
(а > 1) сигнала во времени в а раз соответству-
ет расширение его спектра и уменьшение амп-
литуды (модуля СПА) во столько же раз, а рас-
тяжению (а < 1) сигнала в 1/а раз — сужение
его спектра и увеличение модуля СПА во
столько же раз.
Теоремы о дифференцировании и интегри-
ровании во временной области (теоремы о спе-
ктрах производной и интеграла):
dt Д усо
т.е. дифференцированию (интегрированию)
сигнала во временной области соответствует
умножение (деление) его спектра наусо (при п-
кратном повторении этих операций — на
0®)л).
542
РАДИОТЕХНИКА
19.13. СПЕКТРАЛЬНЫЙ (ГАРМОНИЧЕСКИЙ) АНАЛИЗ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Теоремы о дифференцировании и интегри-
ровании в частотной области:
den -jt Д
т.е. умножению (делению) сигнала на -jt соот-
ветствует дифференцирование (интегрирова-
ние) его спектра по частоте.
Теорема о спектре обращенного сигнала:
/(-t) <=> S(co) = = А(т) + jB(a),
т.е. спектр сигнала, обращенного во времени
(зеркально симметричного исходному относи-
тельно оси ординат), является комплексно со-
пряженным спектру 5(со) = S(co)e7V(co) исход-
ного сигнала ДО; отличается только знаками
фазового спектра и Im{ £(со)}.
Теорема о спектре произведения:
Z7C
1 °°
=—p!(v)S2(«>-v)<7v,
т.е. произведению двух сигналов во временной
области соответствует свертка (см. ст. 1.7) их
спектров с коэффициентом 1/(2л) в частотной
области.
Теорема о спектре свертки:
Л (0 * fi (0 = J/i (' <=>$ 1 (®)S 2 (®),
т.е. свертке (см. ст. 1.7) двух сигналов во вре-
менной области соответствует произведение
их спектров в частотной области.
Теорема (свойство) симметрии ПФ:
если f(t) <=>5(со), то 5(z) <=>2Tgf(-co),
т.е. функции оригинала и изображения сигнала
по Фурье являются взаимозаменяемыми при
условии одновременной замены со на t и t на
- со (с домножением на 2л). Наиболее наглядна
эта теорема для четных сигналов f-t) - fit)', ес-
ли ft) <=> Я(со), то A(t) <=> 2лДсо), т.е. если, на-
пример, прямоугольный импульс имеет спектр
в виде функции отсчетов, то импульс в форме
функции отсчетов будет иметь прямоугольный
спектр (см. Табл. 19,1).
Теорема смещения (свойство частотного
сдвига):
/(r)e±70V <=>5(<d+o^),
т.е. умножению сигнала на e±7ftV соответст-
вует смещение (сдвиг) его спектра на + С0н
вдоль оси частот (с сохранением внутриспек-
тральных амплитудных и фазовых соотноше-
ний). Следствиями теоремы смещения, кото-
рые можно получить, пользуясь формулами
cosx = (е7Х + е ~Jx)/2 и sinx = (ejx - е ~jx)/2j, яв-
ляются такие соотношения:
/(/)cos(o^/+eH)<=>|[S(co-o^)eA +
+5(aH-o^)e_yeH ];
/(z)sin(c^/+eH)<=>Z7[5'(co-cflii)eA -
2у
-S(aH-o^)e-y0H],
которые иногда называют теоремой о модуля-
ции [3—7, 12].
19.13. СПЕКТРАЛЬНЫЙ (ГАРМОНИ-
ЧЕСКИЙ) АНАЛИЗ ПЕРИОДИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ (ПС) — разложение их на счет-
ное множество гармонических колебаний (гар-
моник) с кратными частотами; описание и ис-
следование свойств ПС в частотной области с
помощью частотных распределений (спектров)
амплитуд, фаз и мощностей этих гармоник.
Цель С. а. п. с. — представление (аппроксима-
ция) ПС суммой гармоник — ориентирована на
использование принципа суперпозиции и мето-
да комплексных амплитуд для отыскания от-
клика линейной цепи на сложный ПС. С. а. п. с.
осуществляется разложением ПС в тригономе-
трический или комплексный (экспоненциаль-
ный) ряд Фурье (РФ) по таким формулам:
Тригонометрический ряд Фурье
f (t) =—+^(аи cosnQt +bn sinwQO =
2 и=1
=Л +£An cos(wQt+\|/„);
И=1
2 to+T
a =— f f(t) cos nQidt = 2Cnc;
n rji J ** y 7 nc y
f0
2'° г
b„=- J/(0sinnQtdz=2C„s;
*0
Глава 19 РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
543
19.13. СПЕКТРАЛЬНЫЙ (ГАРМОНИЧЕСКИЙ) АНАЛИЗ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
. го+т
A)=v=7 (ЖЛ=С0;
2 1 J
го
Ап =-\1ап +Ьп = ;
у„ =—arctg(Z>„/а„);
р =7\ё>=р0 +&„ =ф2 +х4-
и=1 2 л=1 2
Комплексный ряд Фурье
/(0= ^C„eJna =
п=—оо п=—оо
. 10+Т
С„=- ff^adt=cm-jc„s-,
to
1 zo+r
cm =~ J f(t)cosnQtdt=^--,
Z0
1 to+T h
cns=- J /(r)sin^=^;
1 J 2
'o
Со=у7/(,)Л=Л°:
'о
C„=Jc2l+C2s = A„/2;
V„=-arctg(C„s/€„<.);
Здесь T — период сигнала; Q = 2я/Т — его
частота.
Отыскание коэффициентов РФ является за-
дачей С. а. п. с., суммирование РФ (восстанов-
ление ПС по его спектру) — задачей спект-
рального синтеза. Оба ряда, обладающие все-
ми свойствами обобщенного РФ (см. ст. 1.7),
аппроксимируют с нулевой среднеквадратиче-
ской ошибкой любой физически возможный
сигнал ft) на конечном интервале времени
[WiL Однако вследствие кратности частот
гармоник, суммы РФ — периодичны с перио-
дом /1 - г0, что Дает возможность распростра-
нить аппроксимацию ПС на интервал [-©о;©©].
Для этого достаточно выбрать интервал орто-
гональности t\ -10 так, чтобы он был равен пе-
риоду Т аппроксимируемого ПС. РФ инвари-
антны к выбору начала отсчета времени; по-
этому его можно выбирать произвольно, исхо-
дя из удобства записи и интегрирования ПС
(например, интегрировать в пределах [0; Т] или
[—772; 772].
Гармоника — составляющая Ancos(nQt + \|/„)
гармонического спектра ПС/(г) =ft + kT) с ча-
стотой, равной или в целое число раз п боль-
шей частоты Q = 2 л/Г ПС. Число п называют
кратностью или номером гармоники; п = 0 со-
ответствует постоянной составляющей [сред-
нему значению ft)] ПС. Спектры ПС всегда
дискретны (линейчаты), не могут иметь частот,
не кратных частоте ПС, и имеют общую тен-
денцию к спаду амплитуды с ростом частоты:
lim Ап =0.
л—к»
Спектр периодического сигнала мате-
матический — совокупность гармоник, пред-
ставленных в комплексной форме Сле7"^
- С„е-/("П/+'Ил), которая в сумме представляет
данный действительный ПС, результат разло-
жения ПС в комплексный (экспоненциальный)
ряд Фурье (РФ) (см. ранее). Совокупности и
распределения по частотам со = п£1 модулей
|С„ |=С„ , фаз \|/„ и мощностей Рп = С2п этих
комплексных колебаний называют соответст-
венно математическими амплитудным, фазо-
вым спектрами и спектром мощностей ПС
(АС; ФС; СМ). Математическими эти спект-
ры называются в связи с наличием в их соста-
ве компонент с отрицательными частотами
(для п = -1, -2, ..., -о®), лишенными физиче-
ского смысла, но удобными для математичес-
кого (комплексного) моделирования гармо-
ник. Графически математические спектры
можно изобразить спектрограммами (Рис.
19.38, а). Связь между математическим и фи-
зическим спектрами наглядно прослеживает-
ся по приведенным ранее формулам разложе-
ния ПС в РФ.
Комплексный (экспоненциальный) ряд
Фурье — обобщенный РФ по полной систе-
ме ортогональных функций {еу"П/}, где п =
= 0, ±1, ±2, ... , ±оо; Q = 2л/Т (см. ранее), ап-
проксимирующий ПС с минимальной сред-
неквадратической ошибкой при конечном
числе N членов ряда и с нулевой ошибкой
при их бесконечном числе. Спектральная
плотность амплитуд (СПА) aS'(co) = 5(co)e/v(<o)
одиночного импульса ft) и математический
спектр периодической последовательности
таких импульсов ft ± k Т) связаны между со-
бой соотношениями
544
РАДИОТЕХНИКА
19.13. СПЕКТРАЛЬНЫЙ (ГАРМОНИЧЕСКИЙ) АНАЛИЗ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
C„=y5(»Q); С„=15(лЙ); =vO»Q),
т.е. огибающие дискретных спектров ПС по-
вторяют по форме непрерывные АС и ФС (мо-
дуль и фазу СПА) одиночного импульса.
Поэтому вместо непосредственного раз-
ложения в РФ спектр ПС можно находить
так: выделив из ПС fj{t) один период и рас-
сматривая его как непериодический сигнал
(одиночный импульс)У(/), определить его СПА
S (со) любым рациональным способом (напри-
мер, методом дифференцирования — см. ст.
19.12), а потом перейти к коэффициентам РФ
по приведенным ранее формулам. Например,
если СПА одиночного треугольного импульса,
взятого из периодической (с периодом Т) по-
следовательности, равна (см. Табл. 19.1, № 6)
S(co) = £(T/2)sinc2(cor/4), то общий член ком-
плексного РФ для этой последовательности
имеет вид:
С„ (со) =(l/2)£(T/7’)sinc2 (иОт/4).
Разумеется, отыскание спектров ПС таким
способом имеет смысл лишь в случае, когда
СПА £(со) одиночного импульса может быть
найдена без прямого интегрирования по Фурье.
Спектр периодического сигнала физичес-
кий — совокупность гармоник (и постоянной
составляющей), в сумме образующая данный
ПС, результат разложения ПС в тригонометри-
ческий ряд Фурье (РФ). Совокупности и распре-
деления по частотам со = п£1 амплитуд Ап, фаз
и средних мощностей Рп гармоник называют со-
ответственно амплитудным, фазовым спектрами
и спектром мощностей ПС и отображают в виде
спектрограмм (Рис. 19.38, б). Определение «фи-
зический» подчеркивает наличие в спектре
лишь компонент с положительными (т.е. реаль-
ными) частотами, что отличает его от математи-
ческого спектра. Связь между физическим и ма-
тематическим спектрами понятна из приведен-
ных ранее формул разложения ПС в РФ.
Тригонометрический ряд Фурье — обоб-
щенный РФ (см. ст. 1.7) по полной системе
ортогональных функций {coswQz; sinwQz}, где
п = 0, 1, 2, 3, ... , о® (см. ранее), аппроксимиру-
ющий ПС с минимальной среднеквадратичес-
кой ошибкой при конечном числе N членов
(усеченный РФ) и с нулевой ошибкой при их
бесконечном числе.
Спектральная плотность периодического
сигнала (СППС) — прямое преобразование
Фурье ПС, второй (после обычных спектров)
способ описания ПСД/) в частотной области.
Состоит из 8-функций, расположенных на час-
Глава 19 РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ
545
19.13. СПЕКТРАЛЬНЫЙ (ГАРМОНИЧЕСКИЙ) АНАЛИЗ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
тотах гармоник ПС, с весовыми коэффициен-
тами, в 2л раз превышающими соответствую-
щие коэффициенты комплексного РФ. Дейст-
вительно, поскольку F{ejnQr} =2л5((0-иО),
то СППС, представленного комплексным РФ,
имеет вид
SKco)= F{/r(0}=F{£c„e^} =
П=—оо
=2п ^Сл8(со—и£2).
п=—°°
СППС необходима, например, для единообраз-
ного спектрального представления периодиче-
ских и непериодических компонент сложного
сигнала.
Ширина спектра периодического сигна-
ла — полоса частот физического спектра ПС
Асос = wmax - comin, в которой сосредоточена не
меньшая, чем заранее оговоренная часть (на-
пример, у= 0.9; 0.95 или 0.99) средней мощнос-
ти сигнала Р . Для широкополосных управляю-
щих СИГНаЛОВ C0min ~ 0, Так ЧТО АСОс ~ ^тах = М2,
где N — номер гармоники, начиная с которого
действительно неравенство
2 Л=1
Для радиосигналов Ш. с. п. с. определяется
аналогично в области частот, примыкающей к
несущей частоте.
Средняя мощность ПС—средняя за период
мощность, развиваемая сигналом//) на сопро-
тивлении 1 Ом:
1 Т
р=
1 о
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Андреев В.С.Теория нелинейных электрических цепей. — М.: Радио и связь, 1982.— 328 с.
2. Кушнир В.Ф., Ферсман Б.А. Теория нелинейных электрических цепей. — М.: Связь, 1974.
— 382 с.
3. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. — М.: Сов. радио, 1977. — 608 с.
4. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. — М.: Радио и связь, 1986. — 512 с.
5. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. — М.: Высш, шк., 1983. — 536 с.
6. Зиновьев А.А., Филиппов Л.И. Введение в теорию сигналов и цепей. — М.: Высш, шк., 1975.
— 264 с.
7. Радиотехнические цепи и сигналы / Д.В. Васильев, М.Р. Витоль, Ю.Н Горешников. и др.:
Под ред. К.А. Самойло. — М.: Радио и связь, 1982. — 526 с.
8. Конторович М.И. Операционное исчисление и процессы в электрических цепях. — М.: Сов.
радио, 1975. — 320 с.
9. Филипский Ю.К. Случайные процессы в радиотехнических цепях. — К.: Высш, шк., 1987.
— 112 с.
10. Заездный А.М. Основы расчетов по статистической радиотехнике. — М.: Связь, 1969. —
447 с.
И. Воллернер Н.Ф., Шуваев В.А. Сигналы с однополосными спектрами. —К.: Техника, 1976.
— 180 с.
12. Харкевич А.А. Спектры и анализ. — М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1962. — 236 с.
546
РАДИОТЕХНИКА
ГЛДВД 20
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС
• При традиционных методах проектирования
сложных радиотехнических систем время
проектирования оказывается соизмеримым
со временем морального старения
разрабатываемой аппаратуры.
Единственным способом разорвать
этот замкнутый круг является
переход к автоматизированным
системам проектирования.
• Если отвергнуть гипотезу о божественном
происхождении человека, то можно прийти к
выводу: машина может все, что может
человек, а то и намного больше.
• Оптимальная стратегия определяется
только установленным заданием,
а также текущим
состоянием системы и не зависит
от поведения системы в прошлом.
Принцип оптимальности Беллмана
• Так бывает — сомнения точат,
Что не все нам машина отдаст,
Что засбоит она, не захочет
Подневольно работать на нас.
В. Высоцкий
• Теоретические исследования возможности
решения электрических, радиотехнических
и конструкторских задач на ЭВМ, создание
первых программ — 60—70-е годы.
• Создание первых САПР коллективного
пользования — 70—80-е годы.
• Формирование САПР на основе
автоматизированных рабочих
мест — 80—90-е годы.
• Внедрение САПР на основе персональных
ЭВМ — начиная с 90-х годов.
Система автоматизированного проектиро-
вания — организационно-техническая система,
которая состоит из комплекса средств автомати-
зации проектирования, взаимосвязанного с не-
обходимыми подразделениями проектной орга-
низации или коллективом специалистов (поль-
зователей системы), и выполняет автоматизиро-
ванное проектирование. Комплекс средств авто-
матизации проектирования — совокупность
различных видов обеспечения, включающая:
математическое, техническое, программное, ин-
формационное, лингвистическое, методическое
и организационное обеспечения.
Принципы построения САПР РЭС, как и
иных сложных систем, включают концептуаль-
ные, методологические, теоретические и тех-
нологические аспекты. Концептуальные ас-
пекты определяют САПР как систему для со-
здания объектов проектирования средствами
автоматизации вычислений, получения и пре-
образования информации, организации целе-
вого человеко-компьютерного процесса проек-
тирования. Концептуальная структура САПР
включает компоненты: библиотеку моделей
объекта и процесса проектирования; библиоте-
ку проектных процедур и совокупность оценок
эффективности проектных решений; инстру-
ментальные средства создания баз данных, си-
стем управления ими; технологию создания
систем прикладных и сервисных программ.
Методологические аспекты касаются системы
научных взглядов и структур отношений разра-
ботчиков и пользователей САПР, которая опре-
деляет выбор маршрутов проектирования. Тео-
ретические аспекты касаются формирования
теории автоматизированного проектирования и
создания аппарата такой теории. Основная за-
дача создания САПР включает разработку: ме-
тодики проектирования РЭС; математического
обеспечения (определение структуры, выбор
математического аппарата, разработку: моде-
Глава 20 СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС
547
ГЛАВА 20
лей, методов и алгоритмов решения наиболее
трудоемких задач); системы технического
обеспечения (выбор ЭВМ, периферийных
средств для отображения, редактирования, до-
кументирования текстовой и графической ин-
формации). Технологические аспекты касают-
ся построения системы программного ком-
плекса САПР. Основное внимание уделяется
концептуальным, методологическим и теоре-
тическим основам построения и функциониро-
вания САПР РЭС, и в первую очередь — мате-
матическим моделям схем и конструкций РЭС,
алгоритмам автоматизированного проектиро-
вания. Общие принципы автоматизированного
проектирования, виды обеспечения САПР це-
лесообразно рассматривать в такой последова-
тельности: ст. 20.1, 20.17, 20.16, 20.11, 20.12,
20.9, 20.10, 20.18, 20.2. Методологические ос-
новы автоматизированного проектирования из-
ложены в ст. 20.15, также можно использовать
материал ст. 1.6. Математические модели схем
и конструкций РЭС, алгоритмы автоматизиро-
ванного проектирования рекомендуется рас-
сматривать в последовательности: ст. 20.13,
20.3, 20.6, 20.14, 20.4, 20.7, 20.8, 20.5.
20.1 . АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИ-
РОВАНИЯ — целенаправленная последова-
тельность действий по принятию и реализации
проектных решений с целью получения описа-
ния, необходимого и достаточного для созда-
ния нового изделия, удовлетворяющего задан-
ным требованиям. При этом отдельные про-
ектные операции, процедуры и этапы выпол-
няются при взаимодействии человека и ЭВМ.
Проектное решение — описание объекта
проектирования, необходимое и достаточное
для рассмотрения и определения дальнейшего
направления или окончания проектирования.
Проектная процедура — формализованная со-
вокупность действий, выполнение которых за-
канчивается проектным решением. Проектная
операция — действие или совокупность дейст-
вий, составляющих часть проектной процеду-
ры, алгоритм которых остается неизменным
для ряда проектных процедур. Этап проекти-
рования — условно выделенная часть автома-
тизированного проектирования, состоящая из
одной или нескольких проектных процедур.
Зачастую этап проектирования включает про-
цедуры, связанные с получением описания в
рамках одного аспекта и одного или несколь-
ких соседних уровней абстрагирования. По-
следовательность процедур или этапов проек-
тирования называют маршрутом автомати-
зированного проектирования. Различают два
вида маршрутов: снизу вверх и сверху вниз.
Типичная последовательндсть этапов проекти-
рования РЭС по маршруту сверху вниз (в скоб-
ках приведены примеры проектных процедур,
которые могут быть автоматизированы): систе-
мотехническое проектирование (анализ ТЗ, оп-
ределение основных принципов функциониро-
вания, разработка структурных схем); схемо-
техническое проектирование (разработка
функциональных и принципиальных электри-
ческих схем); конструкторское проектирова-
ние (выбор форм, компоновка и размещение
конструктивов, трассировка соединений, изго-
товление конструкторских документов); тех-
нологическое проектирование (разработка
маршрутной и операционной технологии, вы-
бор оснастки, определение технологических
баз). Типичная последовательность этапов ав-
томатизированного проектирования интег-
ральных схем по маршруту снизу вверх: техно-
логическое проектирование (выбор базовой
технологии, расчет параметров активных и
пассивных компонентов, формирование топо-
логии компонентов); схемотехническое проек-
тирование (синтез принципиальных схем, оп-
тимизация параметров компонентов); функци-
онально-логическое проектирование (логичес-
кое моделирование, синтез контрольных и ди-
агностических тестов); конструкторско-топо-
логическое проектирование (размещение ком-
понентов и элементов, трассировка соедине-
ний, проверка соответствия топологической и
электрической схем, расслоение, вычерчива-
ние послойной топологии) [1—3].
20.2 АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ РАБО-
ЧЕЕ МЕСТО (АРМ) проектировщика — ком-
плекс технических, информационных и про-
граммных средств, который обеспечивает про-
ектировщику оперативный доступ ко всем ре-
сурсам САПР и помогает реализации циклов
проектирования в диалоговом режиме работы.
АРМ проектировщика может использоваться
как основа автономных САПР или подсистем
системотехнического, функционального, логи-
ческого, схемотехнического, конструкторского
и технологического проектирования РЭС.
Комплексы АРМ могут быть использованы
как уровни иерархических САПР, в составе
вычислительных сетей, как рабочие места цен-
трального вычислительного комплекса, техно-
логических комплексов адаптации к различно-
му технологическому оборудованию, а также
как инструментальные комплексы для разра-
548
РАДИОТЕХНИКА
20.3. АЛГОРИТМЫ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ
ботки системного и прикладного программно-
го обеспечения подсистем САПР. В автоном-
ном режиме АРМ используют для реализации
отдельных проектных этапов и процедур, не
требующих высокой производительности и
больших объемов памяти ЭВМ и предназна-
ченных в основном для редактирования графи-
ческой и текстовой информации. В режиме не-
посредственной связи в вычислительных сетях
АРМ играют роль интерактивно-графического
комплекса САПР и обеспечивают выполнение
проектных операций и процедур, связанных с
вводом и редактированием больших массивов
данных, управлением режимами работы
САПР, отображением и редактированием ре-
зультатов проектирования, выпуском техниче-
ской документации. Технические средства
АРМ группируются возле высокопроизводи-
тельной ЭВМ, оснащенной каналами доста-
точной пропускной сг/особности для подклю-
чения периферийного оборудования и связи с
ЭВМ других комплексов или других САПР.
Программное обеспечение АРМ состоит из
базового и прикладного. Базовое программное
обеспечение имеет в своем составе операцион-
ную систему АРМ, тестовые средства и вспо-
могательные программы. Основные функции
операционной системы АРМ: организация об-
служивания периферийного оборудования, ре-
ализация прикладных программ, обеспечение
диалогового режима работы. Главный элемент
операционной системы АРМ — монитор, осу-
ществляющий динамическое распределение
памяти и общее управление работой системы.
Операционная система АРМ включает драйве-
ры (программы непосредственного обслужи-
вания) всех внешних устройств. Тестовая сис-
тема АРМ обеспечивает автоматическую про-
верку работоспособности всех технических
средств, входящих в состав АРМ. Вспомога-
тельные программы реаййуют взаимодейст-
вие проектировщика в диалоговом режиме со
всеми составляющими АРМ. Прикладное про-
граммное обеспечение создают с целью эф-
фективного распределения работ между вы-
числительными и периферийными средствами
АРМ с расчетом на взаимодействие с проекти-
ровщиком — лицом, которое принимает реше-
ние, например: общая качественная оценка
проектного решения; выделение частей из це-
лого по неформальным Признакам; классифи-
кация вариантов и выбор самого лучшего; вы-
яснение ошибок и «узких мест». Важными
функциями программ прикладного программ-
ного обеспечения АРМ являются выполнение
рутинных операций, предоставление источни-
ков дополнительной информации, возможнос-
тей обучения и тренинга [2, 4].
20.3 АЛГОРИТМЫ АНАЛИЗА ЭЛЕКТ-
РИЧЕСКИХ СХЕМ — алгоритмы решения
систем интегродифференциальных, алгебраи-
ческих, трансцендентных и логических урав-
нений, которые являются математическими
моделями электрических схем. Хотя разрабо-
таны и методы символьного анализа, в совре-
менных САПР зачастую используют числен-
ные алгоритмы [5—9].
Одновариантный анализ сопровождается
использованием численных методов и алгорит-
мов решения систем дифференциальных и ко-
нечных уравнений при фиксированных пара-
метрах математических моделей схем. Много-
вариантный анализ состоит в многократном
решении систем перечисленных уравнений
при варьировании внутренних и (или) внешних
параметров математических моделей схем. Вы-
числительная математика предоставляет боль-
шое число методов и алгоритмов численного
решения систем уравнений, однако примене-
ние большинства из них в САПР малоэффек-
тивно (объясняется особенностями математи-
ческих моделей), что выдвигает дополнитель-
ные требования к этим алгоритмам. Многомер-
ность математических моделей, обусловленная
сложностью современных РЭС, с одной сторо-
ны, и ограниченные быстродействие и объем
памяти ЭВМ — с другой, предъявляют требо-
вания экономичности алгоритмов анализа, т.е.
минимизации вычислительных процессов. Не-
обходимость получения правильных результа-
тов при использовании алгоритмов анализа для
решения задач определенных классов обуслов-
ливает требование надежности. Вычислитель-
ные особенности методов и математических
моделей, положенных в основу алгоритмов, ог-
раниченность разрядности ЭВМ определяют
погрешности результатов анализа. Для повы-
шения эффективности методов и алгоритмов
анализа используют: способы декомпозиции и
диакоптики (разделение математической моде-
ли схемы на части и раздельный анализ каждой
из них); учет разреженности матриц математи-
ческих моделей схем путем отказа от сохране-
ния нулевых элементов матриц и игнорирова-
ния арифметических действий над нулевыми
элементами; учет латентности, состоящий в
том, что на каждом шаге (итерации) вычисли-
тельного процесса обрабатывают информа-
Глава 20. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС
549
20.3. АЛГОРИТМЫ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ
цию, которая относится только к активным эле-
ментам общей модели; многоуровневое и адап-
тивное моделирование, при котором синхрон-
но используют математические модели объек-
тов проектирования различных уровней иерар-
хии; интерактивные режимы анализа.
Алгоритмы анализа логических и функ-
циональных схем цифровой РЭА — алгорит-
мы проверки правильности логического функ-
ционирования, проверки временных характе-
ристик, анализа конкуренции сигналов и риска
сбоев, анализа полноты и диагностических
свойств тестов для математических моделей
цифровых схем. Алгоритмы решения логичес-
ких уравнений как математических моделей
логических схем базируются на основе син-
хронного и асинхронного моделирования.
Синхронное моделирование применяют для
анализа устойчивых состояний логических
схем. При этом в качестве математических мо-
делей используют системы логических уравне-
ний вида V = F(V,U), где V — вектор выходных
и внутренних переменных, U — вектор входных
переменных. Эта система для комбинационных
схем каждому входному вектору U ставит в со-
ответствие одно решение V системы логических
уравнений, а для последовательных схем имеет
столько решений, сколько устойчивых состоя-
ний имеет схема. Для нахождения корня V урав-
нения V = F(V,U) используют алгоритм метода
простых итераций и алгоритм Зейделя. Первый
совпадает с алгоритмом синхронного моделиро-
вания при к = 1. На первой итерации выбирают
начальное приближение Ео и подставляют в
правую часть уравнения, при этом вычисляют
новое приближение . На второй итерации вы-
числяют И2 при подстановке в правую часть
уравнения и т.д. Условием завершения итераций
является совпадение результатов двух послед-
них итераций или достижение /тах —
максимально допустимого числа итераций. В
последнем случае делают вывод о несходимос-
ти процесса вследствие генерирования колеба-
ний в схеме.
Синхронное моделирование на основе дву-
значного алфавита {0,1} позволяет проверить
схему на отсутствие грубых ошибок типа непра-
вильного соединения элементов. Употребляя
трехзначный алфавит {0,1, X}, можно опреде-
лить статический риск сбоя, который проявля-
ется в виде ошибочных сигналов на выходе схе-
мы при неблагоприятном несогласовании време-
ни переключения входных сигналов. Для выяс-
нения статического риска сбоя необходимо на
каждом такте синхросигналов провести дву-
кратное решение уравнения синхронной моде-
ли. Первое решение проводят при промежуточ-
ных значениях входных переменных, при этом
все входные переменные, которые изменяют со-
стояния (1 или 0), получают значение X, а те, ко-
торые не изменяются, оставляют свои началь-
ные значения. Второе решение проводят при ко-
нечных значениях входных переменных. Если
для некоторой переменной в схеме входное, про-
межуточное и конечное значения имеют после-
довательности 0 — X— 0 или 1 — X— 1, то та-
кая переменная показывает ошибочный сигнал,
т.е. свидетельствует о наличии статического ри-
ска сбоя. Пятизначный алфавит {0,1 XJXE} поз-
воляет дополнительно обнаружить динамичес-
кие риски сбоя, которые характеризуют возмож-
ность многоразового изменения некоторой пере-
менной вместо правильного одноразового изме-
нения на протяжении одного такта синхрониза-
ции схемы. Если после получения решения си-
стем логических уравнений при промежуточ-
ных и конечных значениях входных перемен-
ных в некоторых переменных в модели схемы
последовательность входного, промежуточного
и конечного значений отличается от корректной
(0 — Е — 1 или 1 — D — 0), то в схеме имеет
место динамический риск сбоя.
Асинхронное моделирование позволяет вы-
полнить анализ переходных процессов в логи-
ческих схемах. Асинхронная модель имеет вид:
И' = F(V,U), где U — вектор входных перемен-
ных, V — вектор текущих значений внутренних
и выходных переменных, V' — вектор будущих
значений тех же переменных. Алгоритм асин-
хронного моделирования состоит в подстановке
в текущий момент времени t известных значе-
ний Ии Uв правую часть уравнения V' =F{V,U),
вычислении новых значений переменных V и
их задержек t3i, увеличении времени моделиро-
вания на значение такта т, корректировании век-
тора V с учетом задержки значений вектора V'.
Дальше такты асинхронного моделирования по-
вторяют до окончания заданного интервала ана-
лиза. Асинхронное моделирование используют,
как правило, с дву- или трехзначным алфавитом
переменных. Трехзначное моделирование позво-
ляет учесть разброс задержек прохождения сиг-
налов в элементах. Если в момент времени t\ на
вход элемента подают сигнал, изменяющий со-
стояние элемента с 0 на 1 с задержкой t3, которая
находится в интервале [Z3min, tjmaxL то в асин-
хронной модели элемента значения внутренней
переменной у определяются из условий:
550
РАДИОТЕХНИКА
20.3. АЛГОРИТМЫ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ
0 при/| < t < t, + 13mln ;
У = И при/| +t Jmln <t<tt+ r,max
1 при t > tx + t Jmax .
С помощью асинхронного моделирования
можно проанализировать прохождение сигна-
лов в цифровых схемах с учетом реальных за-
держек элемента при различных последователь-
ностях входных сигналов, но асинхронное мо-
делирование требует значительно больших вы-
числений по сравнению с синхронным. Разно-
видностью многоуровневого анализа является
логико-электрическое моделирование, при кото-
ром в алгоритмах анализа одновременно ис-
пользуют модели и методы, относящиеся как к
функционально-логическому, так и к схемотех-
ническому уровням. Такие алгоритмы исполь-
зуют для анализа дискретно-аналоговых схем.
Алгоритмы анализа переходных процес-
сов в электрических схемах —алгоритмы ма-
тематического моделирования электрических
схем, которые зачастую используют числовые
алгоритмы решения систем обычных диффе-
ренциальных уравнений первого порядка
F{x, у(х), dy(x)/dx} = 0;
систем обычных дифференциальных уравне-
ний второго порядка
F{x,y(x), dy(x)/dx, d2y(x)/dx2} = 0;
систем дифференциальных уравнений в част-
ных производных первого порядка
F{X,Y(X),dY(X)/ ЭХ} =0;
систем дифференциальных уравнений в част-
ных производных второго порядка
F{X,Y(X),dY(X)/dX,d2Y(X)/dX2} =0;
систем интегральных уравнений
F{X, Y(X), jK(Xfy Y(fy =0
Q
и систем интегродифференциальных уравне-
ний общего вида
F{X, Y(X), dY(X)/dX,
JK(X£) У© G(Xfy dY(ty% = 0,
где х — независимая переменная в одномерном
пространстве (х = t для временного простран-
ства); Х= (хь х2, хп) — вектор переменных в
многомерном пространстве; у(х), Y(X) — реше-
ние уравнения; Q — область интегрирования в
n-мерном пространстве; £ = ^2, • ••> ^п) — пе-
ременные интегрирования. При этом независи-
мые переменныеX = (хь х2, ..., хп) соответству-
ют координатам временно-параметрического
пространства, функции Y(X) — токам в ветвях
и напряжениям в узлах электрической схемы;
Е К, G — функции, которые связывают незави-
симые переменные X и функции Y(X) в соответ-
ствии с электрической схемой.
Решение перечисленных уравнений состо-
ит из двух этапов: на первом проводят алгеб-
раизацию входных уравнений, т.е. их сведение
к системам линейных, нелинейных алгебраи-
ческих и трансцендентных уравнений вида
(р(Х) = 0, на втором — решают систему этих
уравнений. Алгебраизацию дифференциальных,
интегральных и интегродифференциальных
уравнений проводят с помощью аппроксими-
рующих функций. Общий подход к их исполь-
зованию состоит в том, что при нахождении
решения операторного уравнения Ly(X) =J(X),
X е О, удовлетворяющего предельным усло-
виям Му(Х) = \|/ (X), X е О, где Lh М — нели-
нейные интегродифференциальные операто-
ры, искомое решение у(Х) аппроксимируют
известной функцией (p(JV,oc) от т параметров
а = (аь а2, otw), которая удовлетворяет пре-
дельным условиям при всех а. Подстановка
(p(JV,ot) в операторное уравнение определяет
невязку ДрСа) = Acp(JV,oc) -fiX), минимизация
которой может быть выполнена методами не-
линейного программирования для любых за-
данных критериев в пространстве неизвестных
коэффициентов а. Наиболее распространен-
ным является случай, когда решение находят
линейной комбинацией известных функций:
т
<р(Х) = £ akqk(X).
k=\
В соответствии с методом коллокаций ак,
k = 1, 2, ..., т выбирают так, чтобы невязка
A(XZ, а) равнялась нулю в т заданных точках
Х2, ..., Хт. В соответствии с методом наи-
меньших квадратов ак выбирают из условия
dH(a)/daj= 0, i =1, 2,т,
где Н(а)= J |А(^,а)|2<^— квадрат невязки по всей
области или в N заданных точках Х2,..., XN
с весовыми коэффициентами со15 со2, ..., coN,
w
причем Н (а) = со* |А(ХА,а)|2.
к=\
Глава 20 СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС
551
20.3. АЛГОРИТМЫ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ
В соответствии с методом Галеркина кри-
терий определяют так, чтобы
J uz(^)A(^,a)^ = 0, i = 1, 2, ..., т
о.
для т заданных линейно-независимых весо-
вых функций Ui (АЭ, «2 (А),... , и т (X).
Для задач анализа на конечных пространст-
венных, частотных и временных интервалах за-
частую используют системы дифференциаль-
ных уравнений, которые приводят к алгебраи-
ческим системам с линейной функцией ф(А)
методами конечных разностей, конечных эле-
ментов, операторными методами. Метод ко-
нечных разностей позволяет привести внут-
ренние краевые задачи для систем дифферен-
циальных уравнений к алгебраическим систе-
мам путем дискретизации — введением регу-
лярного или нерегулярного множества отдель-
ных точек в пространственно-временном мно-
жестве. Представление непрерывных функций
у(Х) дискретным набором их значений vz в за-
данных точках Хь замена непрерывных пре-
дельных условий на дискретные одновременно
с заменой первых у'(Х) и вторых у"(Х) произ-
водных их первыми у;+1 - Vi и вторыми vz+1 - 2vz
+ vz_i конечными разностями приводят к систе-
мам уравнений вида F(V) = 0, где И — вектор,
элементами которого являются значения фазо-
вой переменной во внутренних узлах решетки.
В методе конечных элементов дискретизацию
пространственно-временной сферы выполняют
путем ее раздела на непересекаемые подоблас-
ти — конечные элементы. Для одномерных за-
дач это отрезки линий, для двухмерных — тре-
угольники, прямоугольники, для трехмерных
— тетраэдры, параллелепипеды. В границах
каждого конечного элемента выбирают конеч-
ное число узловых точек. Непрерывную фазо-
вую функцию У, которую используют в моде-
лях, заменяют конечным числом значений vk
фазовой переменной в точках Хк. Отличие ме-
тода конечных элементов от метода конечных
разностей состоит в способе алгебраизации
дифференциальных уравнений: в методе конеч-
ных разностей аппроксимируют производные
dY/ЭХ, а в методе конечных элементов аппрок-
симируют решение Y(X) локальными сплайна-
ми — рациональными функциями или много-
членами ограниченной степени (как правило,
не выше третьей). В силу локальных свойств
такого базиса применение метода Галеркина
приводит задачу аппроксимации к простым ли-
нейным алгебраическим системам. Примене-
ние интегрального преобразования Лапласа со-
стоит в формальной замене интегродифферен-
циального оператора/, функции-оригиналау(х)
элементами алгебраического оператора функ-
ции-отображения
v(p): v(p) = J y(x)exp(-px)dx.
о
Реализация задачи состоит в решении полу-
ченных алгебраических уравнений и обратном
преобразовании изображения в оригинал с по-
мощью теории вычетов и разложения функции
в ряды, которые быстро сходятся.
Алгоритмы численного интегрирования
обычных дифференциальных уравнений во вре-
менном пространстве являются наиболее рас-
пространенными при анализе переходных про-
цессов в электрических схемах. После дискре-
тизации независимой переменной t систему
обычных дифференциальных уравнений
F{t,Y(t),Y\t)} = 0 представляют в виде системы
п алгебраических у^внений F(tk,Yk,Yk) = 0 с2п
неизвестными: Yk = Y(tk) и Yk = Y'(tk). Эту сис-
тему доопределяют уравнениями Yk =fliYk), ко-
торые зависят от метода численного интегриро-
вания. Формулы численного интегрирования, в
которых неизвестными величинами являются
Yk, Yk, и соответствующие этим формулам мето-
ды интегрирования называют неявными. В не-
явных формулах, кроме Yk и У^, присутствуют
значения Yk_t и У^2 в р предыдущих точках ин-
тегрирования t k_h i - 1,2,...,/?. При р > 2 ме-
тод интегрирования называют многошаговым, а
величину р — порядком многошагового метода.
При р = 1 метод называют одношаговым. При
записи системы алгебраических уравнений в
форме <p(^-i, Y'k_i) = 0; Y'k^ =j{Yk), где Y'k_{,
Yk — неизвестные величины, Yk_\ — значения
функции, вычисленные на предыдущем шаге,
методы интегрирования называют явными. Яв-
ные методы тоже к^бгут быть одношаговыми и
многошаговыми. В Практике вычислений наи-
более распространенными являются алгорит-
мы численного интегрирования обычных диф-
ференциальных уравнений на основе методов
Гира, Адамса и Рунге—Кутта [1, 3, 7, 8]. Об-
щий вид формул интегрирования с использова-
нием неявных методов Гира\
Y'k-C^aiYk_x)/hk,
где h к = t к - t k_i — значение А-го шага интег-
рирования; а^ — коэффициенты, значения ко-
торых зависят от порядка р.
552
РАДИОТЕХНИКА
20.3. АЛГОРИТМЫ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ
Формула Гира при р = 1 совпадает с неяв-
ной формулой Эйлера'. Y'k - (Yk- Yk~\) /h к.
Формулу Гира для р = 2 называют форму-
лой Шихмана'. Y'k = (ЗУ*/2 - Yk_x + Yk_2/2)/hk.
Общий вид формул интегрирования в яв-
ных методах Адамса при р > 2:
П-i = «I (Ук - П-i) hK + ^at Y'k_,
i=2
в неявных методах Адамса".
Yk = a0(Yk-Yk_x)/hk + ^atY'k_x.
Z=1
Явную формулу Адамса при р = 1 называют
также явной формулой Эйлера’.
Y'k_i=(Yk-Yk_x)/hk.
Явная формула Адамса при р = 2:
Y'k-X=2(Yk-Yk_x)/3hk+Y'k_2/3.
Неявный метод Адамса при р = 2 называют ме-
тодом трапеций, которому соответствует фор-
мула интегрирования
Y\ = 2(Yk-Yk_x)/hk-Y'k_x.
К одношаговым относят метод Рунге—Кутта,
которому соответствуют формулы:
K*+i = Yk+fk,
гдеfk = (su + 2s2k + 3s3k + s4jt) /6; = */(xfe№);
sik = hflxk + h/2, yk + 514/2); s3k = hf (xk + h/ 2,
Ук + W2}; s4k = hf (xk + h,yk + s3k).
В САПР РЭС зачастую используют алго-
ритмы, построенные на неявных методах тра-
пеций и Гира, а также на явном методе Эйле-
ра. Среди рассмотренных имеются А-устойчи-
вые и ограниченно устойчивые методы интег-
рирования. Применение А-устойчивых мето-
дов интегрирования к любой системе обыч-
ных дифференциальных уравнений приближа-
ет погрешность решения к нулю при любом
значении постоянного шага h > 0 и при к —> «>.
К A-устойчивым относят неявные методы Ги-
ра и Адамса первого и второго порядков точ-
ности. Остальные из рассмотренных методов
являются ограниченно устойчивыми, т.е. со-
хранение устойчивости вычислений возможно
лишь при выполнении ограничений на значе-
ние шага интегрирования. Так, для анализа пе-
реходных процессов в электрических схемах
условие устойчивости явного метода Эйлера
имеет вид: 0 <h < 2Tmin, где Tmin — минималь-
ное значение среди постоянных времени объ-
екта моделирования. Большинство алгоритмов
использует автоматический выбор шага интег-
рирования, обеспечивая устойчивость метода
и минимизацию локальной погрешности на
каждом шаге.
Алгоритмы анализа статических режи-
мов реализуют численные методы решения
линейных и нелинейных алгебраических и
трансцендентных уравнений F(X) = 0, где X =
~ (xi,x2, •••, хп) — вектор независимых перемен-
ных, например, токи / в ветвях и напряжения U
в узлах схемы. Большинство методов численно-
го решения таких уравнений относятся к итера-
ционным. В этих методах последовательное
приближение к корнюX* = (хх*,х2*,..., хп*) про-
водят по формуле Хк+х = Х*+АХ*, начиная с на-
чального приближениях0 = (х^,х2,...,х„°), где
АХ* — поправка на к + 1 итерации. Вычисли-
тельный процесс завершается при выполнении
условий: || Хк+х -Хк || < Ei или || F(Xk+x) || < е2 ,
где 81, е2 — допустимые погрешности вычисле-
ния корней или приближения к нулю уравне-
ния. Численные методы решения уравнений
F(X) - 0 различаются способами вычисления
поправки АХ*. В методе простой итерации
ЛХк = h(Xk), где h — положительная константа
(шаг), F(X*) — вектор невязок. Метод простой
итерации характеризуется медленной сходимо-
стью. Условие сходимости: |1 + Л А,* | < 1, где
X* — собственное значение матрицы Якоби
Я* = dF(X) / д(Х) в точке X*. В методе Якоби
ЛХк = -hDk~x F(Xk), где Dk = diag^*) — вектор
диагональных элементов матрицы Якоби.
Ускорение сходимости можно достичь, ис-
пользуя релаксационные методы, когда прово-
дят такое упорядочение уравнений, чтобы ди-
агональные элементы матрицы Якоби были бы
отличными от нуля. На к + 1 итерации вектор
неизвестных переменных вычисляют по фор-
муле: Х*+1 = со Х*+1 + (1 - со ) X*, где Хк+х =
= Xk-h Dk_x F(Xk); со — параметр релаксации,
который выбирают в границах 0...2 (при со < 1
получают метод последовательной нижней ре-
лаксации, со = 1 — метод Зайделя, со > 1 — ме-
тод последовательной верхней релаксации). В
методе Ньютона поправка АХ* = - Я*-1 F(X*),
где Я*-1 — обратная матрица Якоби. Метод Нью-
тона характеризуется самой высокой скоростью
сходимости, но его реализация в сравнении с
предыдущими методами связана с увеличением
объемов памяти для размещения матрицы Яко-
би и увеличением трудоемкости вычислений на
каждой итерации. Во многих алгоритмах, ис-
пользующих метод Ньютона для вычисления
поправки АХ*, вместо обращения матрицы Яко-
Глава 20. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС
553
20.3. АЛГОРИТМЫ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ
би используют решение системы линейных ал-
гебраических уравнений: ЯаАЛ7 = - F (Хк).
Алгоритмы решения систем линейных ал-
гебраических уравнений — алгоритмы числен-
ного решения систем типа АХ = В, где А — ква-
дратная матрица коэффициентов, X — вектор-
столбец переменных, В — вектор-столбец сво-
бодных членов системы. Решение системы ли-
нейных алгебраических уравнений использу-
ют при анализе статических режимов на каж-
дой итерации по методу Ньютона, при анализе
переходных процессов после приведения мате-
матической модели схемы к алгебраической
линейной форме. Для решения систем линей-
ных алгебраических уравнений применяют ме-
тод последовательного исключения неизвест-
ных (метод Гаусса) и его разновидности. Вы-
числения по методу Гаусса имеют прямой и
обратный ход. При прямом ходе в уравнениях
последовательно исключают неизвестные, т.е.
входную систему приводят к виду, при котором
матрица коэффициента А становится треуголь-
ной. Такое сведение базируется на ^-разовом
применении формулы перерасчета коэффици-
ентов а *у = a jj - a i k a kj / a k кко всем элемен-
там матрицы коэффициентов А при i > k,j > k,
к = 1, 2, п - 1, где п — порядок системы
уравнений. При перерасчете столбец свобод-
ных членов В рассматривают как п + 1 столбец
преобразующейся матрицы А. Обратный ход
состоит в вычислении неизвестных, начиная с
х п. Далее, из п - 1 уравнения находят х „ j, ибо
в этом уравнении кроме х есть только пере-
менная х значение которой на данный момент
вычислено, и т.д. до нахождения хь т.е.:
п
% к & к, п + \ ~ а к j %
]=к+\
где к = п, п - 1, ..., 2, 1.
Если использовать процедуру, которая за-
ключается в том, что на первом шаге все эле-
менты первой строки матрицы коэффициентов
А делят на яц и прибавляют к соответствую-
щим элементам других строк, умноженных на
-«л, то в результате будет получено ап = 1, а ос-
тальные элементы первого столбца будут рав-
няться 0: aiX = 0, / = 2, 3, ..., п. Далее, при при-
менении этой процедуры к строкам 2, 3,..., п ма-
трица коэффициентов А будет превращена в
единичную матрицу, а элементы п + 1 столбца
расширенной матрицы А будут равняться значе-
ниям Х\ , х2 , ..., хп . Такую разновидность реа-
лизации метода исключения называют алгорит-
мом Гаусса—Джордана.
Разработано много различных вариантов
метода гауссового исключения, которые отли-
чаются способами выбора ведущих элементов
и уточнения решения, распределением памяти
ЭВМ. Все разновидности связаны, по сути, с
разложением неособенной квадратной матри-
цы А в произведение двух треугольных мат-
риц: нижней L и верхней U, т.е. А = LU. Такое
разложение называют треугольным, или LU-
разложением. Алгоритм Краута получения
£ (7-разложения состоит в вычислении элемен-
тов матриц L, U по компактной схеме на осно-
ве рекуррентных формул:
7-1
hj = а и hsusi при i > j;
5=1
/-1
— (aIjsusi) /1ij
S=1
при i < j; Ua = 1; i = 1,2, ..., n.
Разложение матрицы А в произведение L и
U позволяет представить систему линейных
алгебраических уравнений АХ = В в виде:
LUX = В п свести к двум системам: LY = В;
UX = Y. Благодаря треугольной структуре ма-
триц L и U решение этих уравнений находят
последовательной подстановкой/
У, = (Ь, - i= 1,2....п;
5=1
п
хк = Ук~ ик sxs, к = п, п - 1,..., 2, 1.
5 =А +1
Учитывая ленточные свойства матрицы ли-
нейных алгебраических уравнений при алгеб-
раизации дифференциальных уравнений по
методу конечных элементов (ненулевые эле-
менты размещаются на к главных диагоналях)
для трехдиагональных матриц используют раз-
новидность метода Гаусса, которую называют
методом прогонки. Прямой ход сводится к вы-
числению прогоночных коэффициентов rb ql
по рекуррентным формулам:
г\ = «н, q\ = Ьь г, = ац-ак а^ . , /г^;
q j = Ь/ - а, (Z-i q^i / i = 2, 3, n. Обрат-
ный ход выполняют по рекуррентной формуле
х , = (qt - а, /+1 х/+1) /^; i = п, п-1, ...,2, 1, при-
нимая х„+1 = 0. При больших порядках систем
линейных алгебраических уравнений исполь-
зуют приближенные методы, обеспечивающие
линейную связь между числом вычислитель-
ных операций и порядком системы [1,3].
Алгоритмы анализа чувствительности
схем — алгоритмы многовариантного анализа,
554
РАДИОТЕХНИКА
20.4. АЛГОРИТМЫ КОМПОНОВКИ СХЕМ
которые позволяют определить коэффициенты
влияния ау внутренних и внешних параметров
Xj е X, i = 1, 2, ... , п на вектор выходных харак-
теристик Y = {уь у..., уу,..., ут} при заданных
входных воздействиях. В большинстве случаев
анализ чувствительности выполняют на основе
численного дифференцирования: а у = дуу/ Эх,•«
- \уу /Ххь где Axz = Xt - х/ном, А уу = у у - ууном. Та-
кой метод называют методом приращений. По-
высить точность алгоритмов, построенных на
методе приращений, можно путем проведения
одновариантного анализа при значениях пара-
метров Xi: Xi = х ZHOM + Axz, х{ = xZHOM - Axz. Тог-
да ay = \уу (х ZHOM + Axz) - уу (xZHOM - Axz)] / 2Axz,
но в этом случае вдвое увеличивается трудоем-
кость алгоритма. Регрессионный метод базиру-
ется на обработке результатов статистического
анализа, выполненного по методу Монте-Кар-
ло. Коэффициенты влияния ay = T|z О/ / где
Г|/ — элемент вектора Г|, который является ре-
шением системы уравнений Dx\ = R. Здесь D —
корреляционная матрица случайного вектора
внутренних параметров X; R — вектор, элемен-
тами которого являются оценки коэффициен-
тов корреляции ryi между выходными характе-
ристиками уу и внутренними параметрами xz.
Коэффициенты корреляции вычисляют по ре-
зультатам статистических испытаний:
N
ГЛ = (- NMjM^ /[(N-\)(5y (Si ],
л=1
где yjk, xik — значение уу и xz в к-м испытании;
Му Mt — математическое ожидание парамет-
ров yjf Xi; Gy,(Si — среднеквадратичное отклоне-
ние; N— число статистических испытаний.
20.4. АЛГОРИТМЫ КОМПОНОВКИ
СХЕМ — алгоритмы преобразования функци-
онального описания объекта проектирования в
конструктивный, т.е. алгоритмы распределе-
ния элементов схемы низшего уровня иерар-
хии на группы, которые соответствуют конст-
руктивам более высоких уровней (например,
распределение логических элементов по кор-
пусам ИС или ячейкам БИС, распределение
элементов электрических схем по типовым
элементам замены ЭВМ и т.п.). В результате
решения задачи компоновки определяется со-
став конструктивов более высокого уровня, а
входная схема трансформируется в схему со-
единений элементов каждого из конструктивов
и схему соединений конструктивов. Критерий
оптимизации в задачах компоновки — мини-
мум числа соединений между конструктивами.
При использовании в качестве математической
модели схемы графа элементных комплексов
задача компоновки формулируется в виде: рас-
пределить множество элементов схемы
Е = {еь е2, ...» eit ..., ejf ..., еп} на подмножества
Е\,Е2,..., Ег,..., Es,...,Ek^m образом, что-
бы минимизировать целевую функцию:
1 , и л п т
F(X) = min ZZZZZ Qit QjtXirXjs •
r=l 5=r+l Z=1 /=1
При выполнении условий
n
'^aiXif. < br, r =; ku e, = E;u Er = E;
i=\
ErnEs= 0;
r =1, к- 1,5 = r + 1Д, где qit> qjt — элементы ма-
трицы комплексов (см. ст. 20.13); at — физиче-
ские характеристики элементов eh i = l,n (мас-
са, габариты, число выводов, мощность и т.п.);
b„r= 1, к — соответствующие физические ха-
рактеристики конструктивов; X = [xir]nxk — ре-
шение задачи, каждый элемент матрицы xzr = 1,
если ez G Ег, и xir = 0, если ez £ Ег. При исполь-
зовании взвешенного графа схемы целевая
функция имеет вид:
к п н
F(X) = min Z Z Шм.
r=l 5=r+l i=] j=\
где Cy — элемент матрицы связей (см. ст.
20.13).
В зависимости от степени учета функций и
фг, выполняемых соответственно элементами
eze Е, i = 1, п и конструктивами Erc:E,r = 1, к ,
различают три постановки задачи компоновки:
покрытия (задача минимизации числа извест-
ных типовых элементов конструктивов для реа-
лизации заданной функционально-логической
схемы); разрезания (задача разделения схемы на
подсхемы конструктивов с минимальным чис-
лом соединений между ними); типизации (зада-
ча минимизации видов типовых элементов кон-
струкции для реализации заданной электричес-
кой схемы).
Алгоритмы покрытия схем — А. к. с.,
учитывающие наперед заданные функции f,
выполняемые элементами et е Е, i = 1, п , и
функции фГ2_вьшолняемые конструктивами
ErcE,r= 1, к . Для этого используют моди-
фицированные алгоритмы разрезания схем, к
которым прилагается процедура проверки ус-
ловий вхождения элемента е;- в группу Ег по
функциям /z е фг [2, 10].
Алгоритмы разрезания схем — А. к. с., в
которых не учитываются функции и ф,, вы-
Глава 20. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС
555
20.4. АЛГОРИТМЫ КОМПОНОВКИ СХЕМ
полняемые элементами ег е Е, i = 1, п и конст-
руктивами Er а Е, г = 1, к .
Выделяют три основные группы алгоритмов
разрезания схем: использующие методы цело-
численного математического программирова-
ния [1, 2], эвристические [1, 2, 10] и смешан-
ные [2]. Алгоритмы первой группы использу-
ют методы нелинейного программирования и
позволяют получить точное решение, но тре-
буют значительных затрат машинного време-
ни. Эвристические алгоритмы используют
последовательные или итерационные проце-
дуры и обеспечивают приближение к опти-
мальному решению. Последовательные про-
цедуры включают этапы: выбор первого эле-
мента, выбор следующего элемента, проверка
выполнения ограничений. Первый элемент
конструктива может быть выбран из следую-
щих условий: имеющий наибольшее число
связей с еще не скомпонованными элемента-
ми; имеющий наименьшее число связей с уже
скомпонованными в другие конструктивы эле-
ментами; произвольный элемент. Следующий
элемент может быть выбран из условий: эле-
мент, имеющий самую большую абсолютную
или относительную связность с элементами,
которые уже распределены в конструктив; эле-
мент, который имеет наименьшую абсолют-
ную или относительную связность с еще не
скомпонованными элементами. Итерацион-
ные процедуры применяют для улучшения ре-
зультатов компоновки, полученных последо-
вательными алгоритмами или другими мето-
дами начального разрезания схем на части, пу-
тем парной или групповой перестановки эле-
ментов из различных групп. При парном обме-
не элементов е, е Er, ej е Es критерием эффек-
тивности перестановки является показатель
Угу — Cis + Cjr — Cjr — Cjs — 2су > 0, где Cjs, Cjr
связность элемента et с элементами, входящи-
ми в группы Es, Ег соответственно; Cjr, CJS —
связность элемента е, с элементами, входящи-
ми в группы Еп Es соответственно; с у- — связ-
ность элементов eb ej между собой. Смешан-
ные алгоритмы обеспечивают решение задачи
компоновки, как правило, в два этапа: получе-
ние начального разрезания и его улучшение
итерационными процедурами.
Алгоритмы типизации схем — А. к. с.,
учитывающие наперед заданные функции /,
выполняемые элементами е{е Е, i = 1, п , и не-
известные функции фг, выполняемые конст-
руктивами, как результат минимизации числа
изоморфных групп конструктивов. Это наибо-
лее сложные А. к. с., использующие методы
распознавания образов [2, 10].
20.5. АЛГОРИТМЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ
ГРАФИКИ — алгоритмы описания объектов
проектирования, которые обладают геометриче-
скими свойствами. А. к. г. используют при гео-
метрическом моделировании и графическом
представлении объекта проектирования (ма-
шинной графике). Геометрическое моделирова-
ние — использование изоморфизма между алге-
браическим и геометрическим представлением
объекта проектирования. Аппарат алгебры ис-
пользуют для моделирования геометрических
построений на основе реализации модели дви-
жения точки в пространстве как простейшей
операции геометрии с установлением взаимоод-
нозначного соответствия между предыдущими
и следующими положениями. Операция движе-
ния точки положена в основу машинной графи-
ки — средств создания, сохранения и обработки
графических модё/Нг объектов проектирования
с помощью ЭВМ. Геометрические модели име-
ют иерархическую структуру. Различают двух-
мерное и трехмерные геометрические модели.
Двухмерные модели возникают при решении
задач с различными геометрическими условия-
ми: прохождение прямых линий и кривых раз-
личных порядков через точки, касательные к
прямым и кривым и т.п. Типичным примером
двухмерной геометрической модели является
обвод, который представляет кривую, состав-
ленную из нескольких кривых. Это — алгебра-
ические кривые различных порядков, степен-
ные и специальные функции, сплайн-функции.
Аналитические кривые задаются в явной, неяв-
ной или параметрической форме. В двухмерном
геометрическом моделировании распростране-
ны задачи аппроксимации, интерполяции и
сглаживания. Геометрический образ, который
заменяет входной с определенной точностью,
называют аппроксимирующим, а процесс его
нахождения — аппроксимацией. Если аппрок-
симирующий образ проходит через заданные
точки (узлы), то он называется интерполяцион-
ным. Названные виды построения возникают
при необходимости сглаживания — когда задан-
ную последовательность точек необходимо со-
единить плавной кривой. Аналогичные опера-
ции возникают и при трехмерном геометричес-
ком моделировании, когда интерполяцию и ап-
проксимацию нужно выполнить для поверхнос-
тей, заданных дискретно в виде регулярного
или нерегулярного набора точек и линий. При
этом используют каркасно-параметрическое
556
РАДИОТЕХНИКА
20.5. АЛГОРИТМЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ
представление поверхностей, что позволяет при
необходимости переопределять каркас линий
при геометрических преобразованиях. Важным
разделом трехмерного геометрического модели-
рования в САПР является формирование и вы-
вод на экран дисплея или графического оснаще-
ния изображений объекта в различных проекци-
онных системах: перспективе, аксонометрии
или в ортогональных проекциях. К задачам гео-
метрического моделирования относят также
преобразование объекта проектирования, ана-
лиз видимости линий на экране дисплея, реше-
ние позиционных и метрических задач на изоб-
ражаемых объектах. Машинная графика ис-
пользует такой путь от модели к модели визуа-
лизации объекта проектирования: модель —
оформление — вычисление параметров — па-
раметры оформления — алгоритмы подготовки
к визуализации — модель визуализации.
Алгоритмы геометрических преобразова-
ний в различных координатных системах —
алгоритмы представления и вычисления коор-
динат точек в выбранной пользователем САПР
координатной системе. Координатная систе-
ма — совокупность правил, по которым каждой
точке пространства ставят в соответствие набор
чисел (координат). Число координат, необходи-
мое для определения точки, задает размерность
пространства. В зависимости от структуры
представления изображений и процесса обра-
ботки графических данных в компьютерной
графике используют различные координаты: аб-
солютные, относительные, координаты пользо-
вателя, мировые, физические, нормализованные
[11]. Абсолютная координата определяет пози-
цию точки относительно начала заданной коор-
динатной системы, относительная координа-
та — по отношению к некоторой другой точке.
Координата пользователя задается пользовате-
лем в выбранной им координатной системе и не
зависит от конкретных устройств. Мировая ко-
ордината — не зависящая от конкретных уст-
ройств декартова координата, используемая в
прикладной программе при задании графичес-
ких данных. Физическая координата задается в
координатной системе и зависит от конкретного
устройства, например, 1024x1024 единиц рас-
тра дисплея. Нормализованная координата за-
дается в промежуточной координатной системе
и нормируется относительно некоторого диапа-
зона, например от 0 до 1.
В зависимости от характера задач в А. к. г.
используют различные координатные систе-
мы: декартову, аффинную, полярную, цилинд-
рическую, сферическую. В А. к. г. также широ-
ко используют систему однородных координат,
в которой любая тройка чисел (х, у, 1) опреде-
ляет положение точки в двухмерном простран-
стве, а четверка (х, у, z, 1) — в трехмерном. Ос-
новные геометрические преобразования — пе-
ренос, масштабирование и вращение в системе
однородных координат могут быть записаны в
матричной форме:
перенос П о 0"
[Wnl] = [х,у,1] 0 10
Дх Ду 1
масштабирование
тх 0 0
г 11 г и 0 0
0 0 1
вращение
[-W1J] = [х, у, 1]
cosa
-sin а
0
sin а
cosa
0
0
0
1
Обобщенная матрица преобразований для
трехмерных однородных координат имеет раз-
мерность 4x4. Если представить ее в виде
блочной
’ 3x3 : 3x1
1x3 : 1x1
то матрица [3 х 3] реализует линейное преоб-
разование (перенос, масштабирование, враще-
ние), матрица-строка [1x3] реализует пере-
нос, а матрица-столбец [3 х 1] — преобразова-
ние в перспективе. Скалярный элемент [1x1]
осуществляет общее изменение масштаба.
Алгоритмы формирования перспектив-
ных, аксонометрических и объемных изоб-
ражений трехмерных объектов проектиро-
вания — алгоритмы отображения трехмерного
пространства в двухмерном. Концептуально
такие алгоритмы для геометрических элемен-
тов, заданных в трехмерных мировых коорди-
натах, выполняют функции: отсечения видимо-
го объема; проецирования на плоскость проек-
ций; преобразования в поле вывода, заданного
в нормированных координатах; преобразова-
ния в физические координаты. Для представле-
ния точек объекта проектирования в перспекти-
ве используют матрицы преобразований раз-
мерностью 4x4 и однородные координаты. Об-
щий вид такого алгоритма Vp = V0Tp, где
Vp — вектор перспективных координат точки;
Глава 20 СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС
557
20.5. АЛГОРИТМЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ
Уо — вектор однородных координат точки;
Тр — конечная матрица преобразований. Ее
вычисляют как произведение матриц отдель-
ных преобразований в порядке их выполнения:
Тр = Т\Т2Т3Т\где — матрица параллельного
переноса; Т2 — матрица вращения вокруг оси
ОХ; Т3 — матрица вращения вокруг оси OY;
Т4 — матрица перспективного преобразования.
Для вычисления аксонометрических координат
используют конечную матрицу Тр = Т\Т2Т3. Ак-
сонометрические координаты вычисляют по
выражению [и v 0 1 ] = [х у z 1 ] Тр. Объемные
(стереоскопические) изображения для гологра-
фических, стереотелевизионных систем фор-
мируют как два перспективных изображения
для правого и левого глаза. Для этого матрицу
преобразований объекта проектирования умно-
жают соответственно на матрицы:
для левого глаза для правого глаза
’1 0 0 0 “1 0 0 0
0 1 0 0 0 1 0 0
0 0 0 -ш 0 0 0 -ш
Ы2 0 0 1 -ZV2 0 0 1
где d — расстояние от начала координат до кар-
тинной плоскости, b — базис глаз. Алгоритмы
установления видимости многогранных прост-
ранственных объектов проектирования — алго-
ритмы определения видимых граней и ребер при
взгляде из центра проекции. Используют два
подхода. При первом, который базируется на
действиях в пространстве изображения, объект
рассматривают как совокупность многоуголь-
ных граней и определяют, какая из граней види-
ма в поле вывода, т.е. какая из граней находится
ближе к наблюдателю. Для каждой из N точек
необходимо проверить все п граней, т.е. число
проверок пропорционально nN. При втором под-
ходе, который базируется на действиях в прост-
ранстве объекта, каждая из п граней сравнивает-
ся с остальными п - 1 гранями. Число проверок
пропорционально п2. При реализации этих под-
ходов используют алгоритмы сортировки много-
угольников по глубине, порядкового сканирова-
ния, разделения областей и т.п. [11].
Алгоритмы формирования штриховых
и тоновых изображений кривых поверхнос-
тей — алгоритмы формирования каркасных
моделей объекта проектирования и выделения
их частей. Эти алгоритмы базируются на поня-
тии близости точек и диаметра ячейки на по-
верхности. Для анализа используют теоретико-
множественные и алгебрологические модели
линий, фигур, кривых [1,11].
А. к. г. как часть инженерной графики, кото-
рая включает геометрические построения, ге-
нерацию символов, векторную и растровую
графику, геометрическое моделирование, пост-
роение отдельных видов и многовидовых изоб-
ражений, нанесение геометрических размеров
и допусков, другие элементы конструкторской
графики, детально рассмотрены в [1,11—13].
20.6. АЛГОРИТМЫ ОПТИМИЗАЦИИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ — алгоритмы
структурной и структурно-параметрической
оптимизации, которые используют в задачах
оптимального проектирования аналоговых,
дискретных и аналого-дискретных схем. Мето-
дологическим основанием этих алгоритмов яв-
ляются методы и модели, изложенные в ст. 1.6,
20.13, 20.3. Особенностью А. о. э. с. является
нахождение решения экстремальных задач в
частотной и временной областях. Процедуры
оптимизации, разработанные на основе этих
методов, учитывают также особенности задач
оптимизации сложных объектов проектирова-
ния, присущие электрическим схемам: значи-
тельный разброс чувствительности выходных
характеристик е Y(X) к варьированию со-
ставляющих вектораХ = (хь х2, ... , х,,... , хп\
существенный перепад в абсолютных значени-
ях компонентов xz- е X, отдаленность точки Хо
от точки оптимума X*. Эти особенности про-
являются при выборе целевой функции, стра-
тегии одно- и многомерного поиска, шага,
оценки моментов перехода от одной процеду-
ры к другой и т.п. Наиболее распространенной
задачей оптимизации электрических схем явля-
ется оптимизация допусков и технических тре-
бований, которая состоит в определении мак-
симально допустимых диапазонов изменения
внутренних параметров xz е X при заданных
диапазонах выходных характеристик е Y и
диапазонах изменения внешних параметров
qk е Q. При этом в качестве целевой функции
используют такие зависимости:
взвешенную функцию
m N
fw = XX aJ ₽" [ № w - у я w]2,
/=1 k=l
где yJk (X), yjk(X) — соответственно реальные и
необходимые значения j-й выходной характе-
ристики в к-й точке оптимизации; ау, р* — ве-
совые коэффициенты; m — число характерис-
тик оптимизируемой схемы; N — число точек
оптимизации;
558
РАДИОТЕХНИКА
20.7. АЛГОРИТМЫ РАЗМЕЩЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
критерий абсолютной близости реальных и
необходимых характеристик схемы:
т N
F(X) = £ Ца, ₽* I yjk (X) - yJk (A) |;
y=l £=1
функцию контроля нахождения выходных
характеристик в зоне допустимых величин:
т N
fw = х mn U w-yJk (X) -
/=1 £=1
-Dik\]\
где Djk — допуск на j-ю характеристику в к-й
точке; K(Djk) — штрафная функция за наруше-
ние условий допуска. Детально эти алгоритмы
рассмотрены в [1,7—9].
20.7. АЛГОРИТМЫ РАЗМЕЩЕНИЯ
ЭЛЕМЕНТОВ — алгоритмы определения опти-
мального пространственного местонахождения
элементов на коммутационном поле конструк-
тивного модуля. Задача размещения элементов
предшествует задаче трассировки соединений и
тесно с ней связана, поэтому критерии оптималь-
ности размещения элементов — это матричные и
топологические критерии, которые используют и
при трассировке соединений: минимум суммар-
ной длины всех соединений; минимум наиболее
протяженного соединения; максимум комплек-
сов с наиболее простой конфигурацией; мини-
мум числа изгибов соединений. Специфически-
ми критериями оптимальности размещения эле-
ментов РЭС являются: минимум паразитных свя-
зей между элементами и проводниками, равно-
мерность температуры на поверхности конструк-
тивного модуля, максимум (минимум) собствен-
ной механической резонансной частоты. В боль-
шинстве А. р. э. используют критерий минимиза-
ции суммарной длины всех соединений, который
опосредованно учитывает другие критерии и яв-
ляется простым с математической точки зрения.
В зависимости от видов элементов РЭС различа-
ют два типа задач размещения: элементов с оди-
наковыми установочными размерами и разнога-
баритных элементов. Для каждого типа задачи
размещения используют соответствующие мате-
матические модели схем и конструктивных мо-
дулей (см. ст. 20.13, 20.14). При представлении
схемы в виде взвешенного графа схемы и матри-
цы соединений С = [Су\п хп, а двухмерного кон-
структивного модуля — в виде графа-решетки
Т(Р), где Р = {рь р2, рт} — множество пози-
ций для размещения элементов, длина соедине-
ния между элементами е;, ej е Е, которые разме-
щены в узлах решеткиpr,ps е Р соответственно,
задается метрикой dtJ = drs=\xr-xs\ + \yr-ys I, где
xr> xs, yr, ys — соответствующие координатыx,у
вершин решетки. Целевая функция при такой по-
становке имеет вид:
п п
F = min
i=l j=l
Алгоритмы размещения элементов можно
разделить на группы: алгоритмы, в основе ко-
торых лежат математические методы решения
задачи о назначении; алгоритмы, использую-
щие модели, основанные на физическом пред-
ставлении о размещении элементов; конструк-
тивные алгоритмы начального размещения;
итерационные алгоритмы размещения, осно-
ванные на идеях парного или группового обме-
на элементов; алгоритмы случайных размеще-
ний [2, 3, 10]. К первой группе относят алго-
ритмы, использующие модель квадратичного
назначения теории математического програм-
мирования. Для этой группы алгоритмов при-
суща такая постановка задачи размещения:
найти минимум целевой функции
п п т т
~ Су drs zir zjs •)
1=1 j=\ r=\ 5=1
где zir, zjs — элементы матрицы назначений,
определяемые по правилу:
zir(zjS) = если элемент е; (е7) назначен в по-
зицию pr(Ps); zir(zjs) = 0 в остальных случаях.
Матрица назначений Z = [zir]n х т имеет в
каждой строке и столбце только один элемент,
который равен 1, а остальные равняются 0. Ос-
новой таких алгоритмов является схема пере-
бора возможных вариантов: полного перебора,
по методу «ветвей и границ» и т.п. [10]. Эти ал-
горитмы обеспечивают точное решение зада-
чи, но требуют значительного времени для вы-
числений. Алгоритмы, которые будут рассмот-
рены далее, являются приближенными, но поз-
воляют получить решение с меньшими затра-
тами машинного времени.
Алгоритм обратного размещения —
один из простейших алгоритмов начального
размещения, сущность которого состоит в упо-
рядочении (ранжировании) элементов и пози-
ций по определенным признакам. Для каждого
элемента Е , i = 1,п по матрице связей
С = [Су]п хп (см. ст. 20.13) определяют его связ-
ность с остальными элементами схемы
п
С( — .
у=1
Для каждой позиции pre Р по матрице рассто-
яний D = [drs]m хт (см. ст. 20.14) находят сум-
Глава 20 СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС
559
20.7. АЛГОРИТМЫ РАЗМЕЩЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
марное расстояние до остальных позиций:
Dr=±drs.
5=1
Упорядочение элементов проводят по уменьше-
нию показателя Cz, упорядочение позиций —
по возрастанию показателя Dr. Размещение эле-
ментов находят по правилу: элементы et е Е
размещают в позицию pr g Р, положение кото-
рой (индекс) в ранговом ряду Р совпадает с по-
ложением (индексом) в ранговом ряду Е. Алго-
ритм обратного размещения используют вместе
с итерационными для получения начального
размещения.
Алгоритм парных перестановок при раз-
мещении элементов — итерационный алго-
ритм размещения элементов, который исполь-
зует процедуру оценки эффективности пере-
становки каждого элемента ez g Е, i =1, п, раз-
мещенного в позиции pr g Р, с другими элемен-
тами g E,j =1, п, z у, размещенными в соот-
ветствующих позициях ps g Р. Перестановку
считают эффективной, если она приводит к
улучшению критерия оптимизации. Разнообра-
зие алгоритмов парных перестановок формиру-
ется стратегией выбора претендентов на пере-
становку и условиями окончания процесса пе-
рестановок. Как аналог градиентного алгоритм
парных перестановок приводит к локальному
экстремуму целевой функции, который опреде-
ляется начальным размещением элементов.
Алгоритм последовательного размеще-
ния элементов — алгоритм получения началь-
ного (приближенного) решения задачи размеще-
ния элементов, базируемый на последователь-
ном применении процедур выбора элементов и
позиций для их размещения. Алгоритм последо-
вательного размещения элементов составляют п
шагов. На каждом шаге k = 1, 2, ..., п существу-
ет множество размещенных элементов Е к_\ с:Е
и множество занятых позиций Pk_Y с:Р. Элемент
ez е Ек = Е - Ек_х выбирают исходя из критери-
ев: максимум связности с уже размещенными;
минимум связности с еще не размещенными,
максимум относительной связности. Позицию
prE Рк = Р - Рк_х выбирают по критерию мини-
мума приращения целевой функции, например:
Ы |Пц|
&F (ёьРг) = min zL X cij drs.
7=1 5=1
В последовательных алгоритмах особенно
выделяют процедуру выбора первого элемента
и позиции для его размещения. Так, если
внешние выводы размещаются с одной сторо-
ны конструктива, то первым выбирают эле-
мент, который имеет наибольшее число соеди-
нений с внешними выводами, и размещают его
вблизи этой стороны. Если внешние выводы
конструктива размещены по периметру, то пер-
вым выбирают элемент, имеющий максималь-
ную связность с другими элементами схемы, и
размещают его в центре конструктива.
Алгоритм размещения элементов по ме-
тоду силовых функций — итерационный ал-
горитм размещения элементов, базируемый на
физическом представлении задачи размещения
элементов и механической аналогии. Все эле-
менты схемы считают материальными точками
с единичной массой, на которые действуют си-
лы притяжения со стороны остальных элемен-
тов, пропорциональные их связности. Для на-
чального размещения элементов на конструк-
тивном модуле определяют условные моменты
сил. Так, для элемента ez е Е, i = 1, п момент
М, = (х) + М,2 (у);
Я я
М (х) = 2_си (*, - м> О') = Ъу О'; - Уу),
7=1 /=1
где Mi (х), Mi (у) — проекции момента на оси х,
У\ Xi, yt — координаты элемента ez в решетке
Т(Р). Для элемента ez°, который характеризует-
ся значением М® = шах {М^, i = 1, п, вычисля-
ют оптимальные координаты
п п п п
Xi ~ CijXj / ^^Czy , yi — ^^СуУ} /
7=1 7=1 7=1 7=1
и округляют к ближайшим целым значениям.
Проводят перестановку элементов е;° и е/, ко-
торые находились соответственно в позициях
Рг (Х[°, yz°) и ps(x*, у*). Если расчетные и дейст-
вительные координаты элемента ez° совпадают,
вычисления завершают. Динамический алго-
ритм силовых функций использует не только
силы притяжения, но и силы отталкивания, об-
ратно пропорциональные расстоянию между
элементами. Решение задачи размещения на-
ходят как решение систем дифференциальных
уравнений, которые моделируют движение
элементов на плоской модели конструктивного
модуля. Такая процедура позволяет получить
равномерное размещение разногабаритных
элементов на конструктивном модуле.
Алгоритм случайного размещения — ал-
горитм размещения элементов, базируемый на
процедуре статистических испытаний (метод
Монте-Карло). Используя генератор случай-
ных чисел, многократно формируют по равно-
560
РАДИОТЕХНИКА
20.8. АЛГОРИТМЫ ТРАССИРОВКИ
мерному закону распределения варианты раз-
мещения элементов. После каждой генерации
вариант оценивается в соответствии с выбран-
ным критерием оптимизации. Если очередной
вариант лучше, чем предыдущие, он запомина-
ется. При достаточно большом объеме вариан-
тов, вычисленных по формулам математичес-
кой статистики, можно получить вариант, кото-
рый с заданной вероятностью Р имеет показа-
тель F (Z) не хуже оптимального F*(Z) на вели-
чину X- Алгоритмы случайных размещений
могут быть использованы для размещения эле-
ментов с одинаковыми установочными разме-
рами и разногабаритных элементов при раз-
личных критериях оптимизации.
20.8. АЛГОРИТМЫ ТРАССИРОВКИ —
алгоритмы конструктивной реализации соеди-
нений между выводами элементов в соответст-
вии с электрической схемой и конструктивно-
технологическими ограничениями. Алгоритмы
трассировки соединений существенным обра-
зом зависят от типа конструктива и технологии
изготовления РЭС. Различают алгоритмы трас-
сировки проводного и печатного монтажа. Ал-
горитмы трассировки соединений проводного
монтажа базируются на модели коммутацион-
ного поля в виде графа, вершины которого ха-
рактеризуются определенными координатами
выводов элементов, а процедура трассировки
сводится к построению на каждом комплексе
электрической схемы дерева минимальной дли-
ны. Для этого используют алгоритмы Прима
или Краскалла, реализующие принципы: каж-
дая вершина графа соединяется с иной верши-
ной или связанной группой вершин кратчай-
шим ребром [10]. Алгоритмы трассировки пе-
чатных (пленочных) проводников используют
различные модели конструктивного модуля:
аналоговое рабочее поле, дискретное рабочее
поле, канальное рабочее поле (см. ст. 20.14).
Наиболее распространенными являются моде-
ли в виде дискретного и канального рабочих
полей. Основные процедуры алгоритмов трас-
сировки соединений: определение порядка
трассировки комплексов; определение порядка
трассировки соединений (выводов) в комплек-
се; трассировка соединений (комплексов); рас-
слоение соединений (комплексов). Определе-
ние порядка трассировки комплексов осуще-
ствляют с помощью эвристического алгоритма
прямоугольников: для каждого комплекса фор-
мируют прямоугольник, охватывающий все вы-
воды элементов комплекса; подсчитывают чис-
ло выводов элементов иных комплексов, попав-
ших в прямоугольник; ранжируют комплексы в
порядке возрастания числа выводов других
комплексов в прямоугольниках. Определение
порядка трассировки соединений (объединение
выводов) комплекса осуществляют с помощью
алгоритма Прима или Краскалла. Расслоение
соединений (комплексов) осуществляют: до
трассировки соединений, когда не допустимы
переходы от слоя в слой в произвольных местах
конструктива; во время трассировки соедине-
ний (комплексов) для двухслойных конструк-
тивных модулей; после трассировки соедине-
ний (комплексов) в совмещенном коммутаци-
онном поле конструктива, что присуще много-
слойным печатным платам. Основной процеду-
рой алгоритма трассировки является формиро-
вание топологии, т.е. геометрическое построе-
ние на коммутационном поле комплексов дан-
ного конструктива. Основными критериями оп-
тимизации являются минимумы: суммарной
длины соединений; числа пересечений провод-
ников на совмещенном коммутационном поле;
числа межслойных переходов. Выбор алгорит-
ма определяют модели конструктивного моду-
ля и избранного критерия оптимизации.
Волновой алгоритм трассировки соеди-
нений — алгоритм, который использует дис-
кретное рабочее поле в качестве модели конст-
руктивного модуля (см. ст. 20.14) и волновую
процедуру построения трассы. В дискретном
рабочем поле определяют занятые и свобод-
ные дискреты: контактные площадки выводов
элементов и все ранее проложенные трассы —
занятые дискреты, остальные — свободные.
Нахождение положения трассы производится
моделированием распространения числовой
волны в свободные соседние дискреты (сосед-
ними называют дискреты, координаты которых
х, у отличаются на 1). Распространение волны
для каждого соединения (комплекса) начинает-
ся от начальной дискреты Л, где находится вы-
вод элемента, к дискрете 5, где находится иной
вывод элемента, который принадлежит данно-
му комплексу, или построенный ранее фраг-
мент трассы. Числовая волна на каждом шаге
(фронте) может распространяться лишь в сво-
бодные дискреты. Вводят целевую функцию:
fk =fk-\ + Ф1 + q>2 + Фз + Ч>4 + 1, где/*-, — зна-
чение целевой функции предыдущего фронта
волны дискреты, соседней со свободной; ф1 —
штраф за пересечение проводника; ф2 —
штраф за перегиб; ф3 — штраф за соседство с
Глава 20. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС
561
20.8. АЛГОРИТМЫ ТРАССИРОВКИ
занятой дискретой; ф4 — штраф за переход в
другой слой. Если на очередном фронте волны
не найдется ни одной свободной дискреты, то
трассу построить невозможно. Построение
трассы осуществляется от дискреты В к дис-
крете А через свободные соседние дискреты с
самым малым значением целевой функции.
Для устранения неопределенности, если две
или больше соседних дискрет имеют одинако-
вые значения целевой функции, используют
приоритетные направления, например: вверх,
направо, вниз, налево. Характерной особенно-
стью волновых алгоритмов трассировки явля-
ется их универсальность — возможность за
счет штрафов учитывать любые конструктив-
но-технологические характеристики конструк-
тивного модуля. Недостатки волновых алго-
ритмов трассировки — большие объемы памя-
ти для описания дискретного рабочего поля и
распространения волны, значительные затраты
машинного времени. Для повышения быстро-
действия волновых алгоритмов трассировки
используют: одновременное генерирование
волн от дискрет А и В к их встрече; распрост-
ранение волны в пределах прямоугольника, ко-
торый создает искусственные границы по дис-
кретам соединений; распространение волны в
некотором секторе; задержку волны и т.п.
Вследствие своей универсальности различные
модификации волновых алгоритмов трасси-
ровки используют в большинстве прикладных
программ трассировки современных САПР
[10, 14]. При трассировке соединений в боль-
ших интегральных схемах, иных конструкти-
вах с регулярной структурой установочных
мест элементов применяют алгоритмы совме-
стного решения задач размещения элементов и
трассировки соединений. При значительной
плотности проводников на конструктивном
модуле алгоритмы трассировки не гарантиру-
ют автоматическую трассировку всех соедине-
ний, поэтому в САПР конструкторского проек-
тирования также используют процедуры кор-
рекции топологии трасс [2, 10].
Канальный алгоритм трассировки со-
единений — алгоритм, использующий каналь-
ную модель конструктивного модуля (см. ст.
20.14). Канальный алгоритм трассировки
включает две основные процедуры: трассиров-
ку соединений канала, раскладку соединений
по магистралям [10]. Задачу трассировки со-
единений в каналах рассматривают как задачу
трассировки соединений в укрупненном дис-
кретном рабочем поле, в котором каждая клет-
ка соответствует пересечению горизонтально-
го и вертикального каналов и характеризуется
определенной пропускной способностью. На-
хождение вертикальных и горизонтальных
фрагментов соединения выполняют волновым
или лучевым алгоритмом. Размещение гори-
зонтальных и вертикальных отрезков соедине-
ния на магистралях осуществляют с помощью
алгоритма решения задачи назначения [10].
Лучевой алгоритм трассировки соедине-
ний — алгоритм, использующий дискретное
рабочее поле в качестве модели конструктив-
ного модуля (см. ст. 20.14) и лучевую процеду-
ру поиска возможного варианта трассы [10].
Сущность лучевой процедуры поиска варианта
трассы состоит в цифровом моделировании на
дискретном рабочем поле распространения лу-
чей из начальной и конечной дискрет соедине-
ния. Если лучи пересекаются, то вариант трас-
сы (соединения) найден. Лучевой алгоритм
можно рассматривать как упрощенный вари-
ант волнового алгоритма. Он эффективен при
простых конфигурациях соединений.
20.9. БАЗА ДАННЫХ - совокупность
специально организованных данных, рассчи-
танных на применение в различных приклад-
ных программах. Программное обеспечение и
методы, которые осуществляют управление
Б. д., составляют систему управления базой
данных (СУБД). Совокупность Б. д. и СУБД, а
также технических, языковых и организацион-
ных средств, предназначенных для централи-
зованного накопления и коллективного много-
аспектного использования данных, называют
банком данных. Главная особенность данных в
Б. д. — их структурированность. Общее опи-
сание структуры данных называют концепту-
альной моделью (схемой) Б. д. В схемах Б. д.
выделяют описание некоторых частей базы
данных (файлов), которые обслуживают груп-
пы прикладных программ. Для структурных
частей данных используют такие наименова-
ния: элемент — сегмент — запись — файл —
база данных. Элемент — наименьшая струк-
турная единица, сегмент слагается из элемен-
тов, запись — из сегментов и т.д.
По степени универсальности различают
общецелевые и специализированные СУБД.
Общецелевые СУБД используют в различных
автоматизированных системах, специализиро-
ванные СУБД ориентированы на применении в
автоматизированных системах определенного
назначения, например в САПР. В зависимости
от масштабов использования различают Б. д.
562
РАДИОТЕХНИКА
20.10. БАЗА ЗНАНИЙ
всей САПР (общая или интегрированная база
данных) или ее частей (локальная база дан-
ных). В зависимости от места сохранения ин-
формационного фонда различают централизо-
ванные и распределенные базы данных. Цент-
рализованная база данных хранится в памяти
центрального вычислительного комплекса
САПР, распределенная база данных — в терми-
нальных комплексах. В зависимости от степени
специализации различают проектно-независи-
мые и проектно-зависимые Б. д., а в зависимо-
сти от принятой структуры информационного
фонда — дескрипторные, объектно-характери-
стические, триадные, иерархические, сетевые
и реляционные базы данных. В дескрипторных
базах данных информационный фонд — сово-
купность текстовых документов, а в объектно-
характеристических — одна или несколько не
связанных между собой таблиц. Строки таблиц
соответствуют разновидностям объектов, а
столбцы — их характеристикам. В клетках таб-
лицы записывают значения характеристики.
Триадные базы данных — разновидность объ-
ектно-характеристических таблиц, заданных с
учетом разреженности таблиц в форме списка,
в котором каждая строка включает сведения об
одном из элементов: название объекта, назва-
ние характеристики и ее значение. В иерархи-
ческих базах данных структура информацион-
ного фонда подается в виде дерева графа. Каж-
дый элемент такого фонда, кроме главного,
имеет один и только один непосредственно
предшествующий элемент. Элементы имеют
ряд признаков (ключей), которые отображают
иерархические связи. В сетевых базах данных
информационный фонд имеет структуру Б. д. с
бинарными связями различных типов, включая
контуры и циклы. В реляционных базах данных
информационный фонд представляется в виде
совокупности таблиц (отношений), в которых
строки соответствуют записям, а столбцы —
различным признакам и характеристикам объ-
ектов предметной области (атрибутам). Записи
отличаются друг от друга значениями ключей.
Ключом может быть любой из атрибутов.
СУБД реализует два интерфейса: между логи-
ческими структурами данных в программах и
базах данных, между логическими и физичес-
кими структурами Б. д. [1—3].
Производительность СУБД зависит от мето-
дов организации данных и доступа к ним. В
СУБД используют методы доступа: физический
последовательный; индексно-последователь-
ный; индексно-произвольный; инвертирован-
ный; прямой; хеширования. Первый метод хра-
нит физические записи в логической последова-
тельности. В основе индексно-последователь-
ного метода доступа лежит способ создания от-
дельного индексного файла, который упорядо-
чивается по первичному ключу — основе атри-
бута физической записи. По значению ключа
идентифицируется физическая запись. При ин-
дексно-произвольном методе доступа записи
хранятся в произвольном порядке. Создается
отдельный файл статей, которые включают зна-
чения ключей и физические адреса записей. Ин-
вертированный метод доступа используют для
поиска записи. Каждому инвертированному по-
лю отвечает строка в таблице: имя поля, значе-
ние и адрес записи. Прямой доступ устанавли-
вает взаимно однозначное соответствие между
ключом записи и его физическим адресом. Ме-
тод доступа с хешированием базируется на ал-
горитме определения адреса физической записи
по значениям ключей. В отличие от прямого до-
ступа этот метод позволяет отображение мно-
гих ключей в одном адресе. Алгоритмы превра-
щения ключа в адрес называют алгоритмами хе-
ширования или рандомизации.
20.10. БАЗА ЗНАНИЙ — совокупность си-
стематизированных основных сведений, отно-
сящихся к определенной области знаний и
средств, с помощью которых происходит на-
копление, сохранение, обновление и использо-
вание знаний. Отличием базы знаний от базы
данных является возможность формирования
новых знаний. Относительно САПР основны-
ми функциями базы знаний являются: описа-
ние предметной области САПР; поддержка ин-
теллектуальных методов решения задач, входя-
щих в состав САПР; реализация возможностей
экспертного анализа проектных задач. Знания в
Б. з. описывают на некотором внутреннем язы-
ке в виде таких объектов: понятия, индивиду-
альные объекты, отношения, факты и законо-
мерности. Понятие — общее описание предме-
тов и событий, которые характеризуются оди-
наковыми наборами свойств и могут находить-
ся в подчиненности друг к другу. Наиболее об-
щее понятие является базовым. Каждое более
общее понятие относительно соседнего, менее
общего, играет роль сверхпонятия. Индивиду-
альные объекты представляются описаниями
самого низкого уровня иерархической структу-
ры понятий. Они характеризуют терминальные
значения свойств. Отношения выражают связи
между предметами и действиями. Конкретиза-
ция отношений является фактом. Закономерно-
Глава 20. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС
563
20.10. БАЗА ЗНАНИЙ
сти описывают процедуры, отображающие раз-
личные актуальные знания. Для описания на-
званных объектов используют специальные
языки баз знаний, которые должны предостав-
лять возможность: агрегатирования для обес-
печения легкого описания предметной области
Б. з.; определения состава знаний в языке; упо-
рядочения знаний; представления знаний в ви-
де, пригодном для решения интеллектуальных
задач автоматизированного проектирования
широкого класса [4].
20.11. ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕ-
ЧЕНИЕ САПР — совокупность имеющихся в
заданной форме данных, необходимых для вы-
полнения автоматизированного проектирова-
ния, в том числе описание стандартных проект-
ных процедур, типичных проектных решений,
типичных элементов схем, конструкций и т.п.
[2—4]. Информационное обеспечение — со-
ставная часть САПР, которая осуществляет: на-
копление, документирование, сохранение и вы-
дачу необходимой для проектирования инфор-
мации; автоматическую передачу информации
между этапами проектирования; выдачу спра-
вочных данных; накопление опыта проектиров-
щиков и предоставление возможности его ис-
пользования. Основу информационного обес-
печения САПР составляют базы данных и сис-
темы управления базами данных (см. ст. 29.9),
база знаний (см. ст. 20.10.), информационно-по-
исковые и информационно-справочные систе-
мы, экспертные системы (см. ст. 20.18).
Информационно-поисковая система —
составная часть информационного обеспече-
ния, осуществляющая: заполнение информаци-
онного фонда (инфотеки) данными; арифмети-
ческую обработку цифровых данных и лекси-
ческую обработку текстов; обработку инфор-
мации запросов с целью поиска необходимых
данных; обработку выходных данных и форми-
рование документов. Возможности информаци-
онно-справочных систем ограничены послед-
ними двумя функциями. Особенности инфор-
мационно-поисковых и информационно-спра-
вочных систем состоят в том, что запросы к
ним формируются не программным путем, а
непосредственно пользователем и не на фор-
мальном языке, понятном монитору, а на обыч-
ном для пользователя языке в виде последова-
тельности ключевых слов-дескрипторов^ Каж-
дый объект информационного фонда представ-
ляется описанием, включающим некоторый оп-
ределенный набор слов или словосочетаний,
число которых значительно меньше общего
числа слов в описании, а совокупность их в не-
котором значении соответствует описанию.
Указанные слова и словосочетания называют
ключевыми или дескрипторами. Перечень дес-
крипторов, составляющих информационный
запрос, называют поисковой задачей, а собст-
венно описание, имеющее определенное число
дескрипторов, — рефератом. Перечень дес-
крипторов, находящихся во всех принятых для
сохранности описаниях, составляет словарь де-
скрипторов или тезаурус, который используют
для формирования поисковых задач.
Каждый новый дескриптор заносят в теза-
урус, при этом система ставит ему в соответст-
вие некоторый внутренний индекс. Совокуп-
ность индексов, соответствующих полному на-
бору дескрипторов реферата, называют поис-
ковым образом. Процесс формирования поис-
кового образа называют индексированием. Но-
вому поисковому образу присваивают поряд-
ковый номер и заносят (регистрируют) в мас-
сив поисковых образов. Сформированная та-
ким образом инфотека слагается из четырех
различных по объемам и назначению частей:
массива рефератов, массива поисковых обра-
зов, тезауруса и массива регистрационных но-
меров. В САПР используют и более сложные
информационно-поисковые системы по срав-
нению с дескрипторными, в которых важную
роль играет информационно-поисковый язык,
учитывающий семантические взаимосвязи
между информационными объектами: причин-
но-следственные, принадлежности, конверсив-
ные, структурно-иерархические, ассоциатив-
ные, синонимические, категорийные.
20.12. ЛИНГВИСТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕ-
ЧЕНИЕ САПР — совокупность языков, тер-
минов, определений, необходимых для выпол-
нения автоматизированного проектирования.
Лингвистическое обеспечение состоит из язы-
ков программирования, проектирования и уп-
равления [2, 3, 15].
Язык программирования используют для
разработки и редактирования системного и
прикладного программного обеспечения. При
разработке САПР используют три вида языков:
машинные, ассемблеры и алгоритмические
языки. Машинные языки и ассемблеры наибо-
лее экономичны в эксплуатации, поэтому их
применяют в основном при разработке систем-
ного программного обеспечения. При разработ-
ке прикладного программного обеспечения ас-
семблеры используют в узловых, наиболее час-
то применяемых, блоках, от которых сущест-
564
РАДИОТЕХНИКА
20.13. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОМПОНЕНТОВ СХЕМ И СХЕМ РЭС
венным образом зависит производительность
или эффективность вычислительного, терми-
нального или технологического оснащения.
Алгоритмические языки Бейсик, Фортран, Пас-
каль, Си и другие используют для разработки
прикладного программного обеспечения.
Язык проектирования используют для
представления необходимых выходных дан-
ных, формирования задач и оформления про-
ектных решений на различных этапах автома-
тизированного проектирования. Языки проек-
тирования могут быть универсальными (инва-
риантными) и проблемными (специализиро-
ванными). В зависимости от ориентации на па-
кетный или диалоговый режим работы пользо-
вателя в САПР различают языки пассивные и
диалоговые. Диалоговые языки составляют со-
общения системы и сообщения пользователя.
Сообщения системы: информационные (сооб-
щения о ходе проектирования, вычисления); за-
просы (обращения к пользователю, требующие
его конкретных действий); подсказки (сообще-
ния о возможных вариантах действий, ошибках
и путях их исправления). Сообщения пользова-
теля: пассивные (выбор из меню); активные
(введение рабочих или служебных директив).
Язык управления — язык, которым зада-
ют команды. Информационную часть команд
составляют параметры. Предложения в языках
управления называют шагами или кадрами. В
информационных языках предложения объе-
диняют в запросы и поисковые задания.
20.13. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
КОМПОНЕНТОВ СХЕМ И СХЕМ РЭС —
совокупность математических объектов (чисел,
переменных, множеств, матриц и др.) и отно-
шений между ними, заданных в форме функ-
ций, уравнений, неравенств, которые адекватно
описывают объект проектирования с точки зре-
ния структурного, функционального и схемо-
технического проектирования. Выполнение
проектных операций и процедур в САПР бази-
руется на оперировании с математическими
моделями. В зависимости от сложности РЭС
используют иерархические уровни абстракции
схем: микро-, макро- и метауровни. На микро-
уровне применяют математические модели,
описывающие физические состояния и процес-
сы в сплошных средах. На макроуровне прово-
дят дискретизацию пространств с выделением
отдельных элементов и компонентов. На мета-
уровне получают достаточное по сложности
описание информационных процессов в объек-
тах проектирования. Для представления мате-
матических моделей используют такие основ-
ные формы: инвариантную, аналитическую,
алгоритмическую и схемную. Инвариантная
форма — запись соотношений математической
модели с помощью традиционного математиче-
ского языка безотносительно к методу решения
уравнений модели. Аналитическая форма —
описание математической модели в виде ре-
зультата аналитического решения уравнений
модели. Как правило, математическую модель
в аналитической форме представляют в виде
явных выражений выходных характеристик в
зависимости от внешних и внутренних параме-
тров. Алгоритмическая форма — запись соот-
ношений математической модели и избранного
числового метода решения в форме алгоритма.
Схемная (графическая) форма — представле-
ние математической модели на некотором гра-
фическом языке, например на языке графов, эк-
вивалентных схем, диаграмм и т.п.
Основными требованиями, предъявляемы-
ми к математическим моделям, являются тре-
бования адекватности, универсальности и эко-
номичности. Модель считают адекватной, если
она отображает заданные свойства объекта
проектирования с достаточной точностью.
Точность определяется как степень совпадения
значений выходных характеристик модели и
объекта. Универсальность математической мо-
дели определяют числом и составом ее внеш-
них и выходных параметров. Экономичность
математической модели характеризуют затра-
тами вычислительных ресурсов для ее реали-
зации. Для формирования математической мо-
дели используют теоретические и эксперимен-
тальные методы. Теоретические методы бази-
руются на изучении физических закономерно-
стей в объекте проектирования, определении
соответствующего математического описания,
обосновании и принятии упрощающих поня-
тий, выполнении необходимых преобразова-
ний и приведении результата к принятой фор-
ме представления математической модели.
Экспериментальные методы базируются на ис-
пользовании внешних проявлений свойств
объекта проектирования, которые фиксируют-
ся во время его эксплуатации или при проведе-
нии целенаправленных экспериментов. Основ-
ные этапы макромоделирования: определение
тех свойств объекта проектирования, которые
должны быть отображены в математической
модели; сбор априорной информации о свойст-
вах объекта проектирования; формирование
общего вида уравнений математической моде-
Глава 20. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС
565
20.13. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОМПОНЕНТОВ СХЕМ И СХЕМ РЭС
ли; определение числовых значений ее параме-
тров; оценка точности математической модели
и определение области ее адекватности; пред-
ставление модели в форме, принятой в САПР
для библиотеки математических моделей.
Взвешенный граф схемы — математиче-
ская модель схемы, в которой множеству эле-
ментов схемы ставится в соответствие множе-
ство вершин £, а множество ребер X графа
G (Е, X) отображает наличие связей (общих
комплексов) между элементами Е. Матричной
формой взвешенного графа схемы служит ма-
трица связей С = [су\п х п, каждый элемент ко-
торой Су определяет число общих комплексов
элементов схемы eit ej . Элементы матрицы
связей можно вычислить по формуле:
т
cij ~ /R Qit Qjt,
r=l
где qit, qjt — элементы матрицы элементных
комплексов.
Взвешенный граф схемы и матрицу связей С
используют как макромодели электрических
схем при компоновке и размещении элементов
на этапе конструкторского проектирования РЭС.
Граф коммутационной схемы — графи-
ческая форма математической модели струк-
турной, функциональной или электрической
схемы РЭС, в которой множество элементов
Е= {ех, е2,..., eif..., еп},
множество выводов элементов
С — {Ci, с2,... , ск , ..., С/},
множество комплексов
{V1 , V2, ..., Vj, ... , vm}
отображаются как вершины, а множества ребер
U = {щ , w2, ...-, иг, ..., us} и
W= {wb w2,... , wp, ... , wq}
отображают принадлежность выводов ком-
плексам и элементам соответственно. Ребра
множества U называют сигнальными, а ребра
множества W — структурными. Граф коммута-
ционной схемы используют как макромодель
схемы при начальном ее описании для этапа
конструкторского проектирования.
Граф элементных комплексов схемы —
графическая форма математической модели
коммутационной схемы, в которой каждому
элементу схемы g Е, i = 1, п и элементу кру-
га (комплекса) v,g V,j = 1, т поставлены в соот-
ветствие вершины графа G(E, V; U), а ребра гра-
фа Uy е U идентифицируют вхождение выводов
элементов в комплексы. Матрица элементных
комплексов — матрица инциденций графа эле-
ментных комплексов Q = [<?/,]„ х™, элементы ко-
торой определяются по правилу: qy = 1, если
вывод элемента схемы е, входит в комплекс иг
Макромодели схем в виде графа и матрицы эле-
ментных комплексов используют на этапах
компоновки схем и размещения элементов кон-
структорского проектирования РЭС.
Компонентные уравнения схем — мате-
матическая модель элементов на макроуровне
описания электрических схем, которые связы-
вают между собой фазовые переменные двух
типов: потенциала и потока. В электрических
схемах различают три вида простых элемен-
тов: емкостного, индуктивного и резистивного
типов, которым соответствуют компонентные
уравнения CdU / dt = I, Ldl / dt = U, U = RI, где
C, L, R — соответствующие параметры эле-
ментов. Элементы подсхем в зависимости от
числа одинаковых фазовых переменных, вхо-
дящих в математические модели элементов,
делят на двухполюсники и многополюсники.
Двухполюсник характеризуют парой перемен-
ных U, I и определяют так же, как и простой
элемент. Многополюсник представляют как
совокупность взаимосвязанных двухполюсни-
ков. Компонентные уравнения используют как
составные части макромоделей электрических
схем при анализе.
Топологические уравнения схем — мате-
матические модели описания электрических
схем на макроуровне, отображающие способ
связи элементов схемы между собой. Тополо-
гические уравнения формируют исходя из за-
конов Кирхгофа, которые в матричной форме
имеют вид: П1 = О, PU = 0, где /7, Р — матри-
цы независимых сечений и контуров графа
электрической схемы соответственно. Для ав-
томатизированного формирования топологиче-
ских уравнений используют метод переменных
состояния [3, 5—8, 16].
20.14. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
КОНСТРУКЦИЙ РЭС — совокупность мате-
матических объектов (графов, матриц), адек-
ватно описывающих объект проектирования с
точки зрения конструкторского проектирова-
ния [2, 3, 10, 11, 17].
Аналоговое рабочее поле конструктива
— математическая модель плоскостного конст-
руктива в графической форме, представляемая
в виде триангулированного графа, вершины
которого соответствуют выводам радиоэле-
ментов, а ребра соединяют ближайшие верши-
ны. Аналоговое рабочее поле используют как
макромодель коммутационного поля в алго-
566
РАДИОТЕХНИКА
20.15. МЕТОДЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПОИСКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
ритмах гибкой трассировки соединений на эта-
пе конструкторского проектирования.
Граф-решетка конструктива — матема-
тическая модель плоскостного конструктива в
графической форме, представляемая в виде
прямоугольной решетки, каждая вершина ко-
торой соответствует месту установки элемен-
та, а ребра соединяют ближайшие вершины.
На граф-решетке задают матрицу расстояний
D = [<7Г5], где drs — число ребер граф-решетки,
соединяющих вершины рг и ps. Граф-решетку
используют как макромодель конструктива в
алгоритмах размещения элементов с одинако-
выми установочными размерами на этапе кон-
структорского проектирования.
Дискретное рабочее поле конструктива
— математическая модель плоскостного конст-
руктива в матричной форме, представляемая в
виде прямоугольной матрицы, каждый элемент
которой (дискрет) соответствует узлу коорди-
натной сетки, нанесенной на коммутационное
поле с шагом, достаточным для прокладки од-
ного проводника. Дискретное рабочее поле ис-
пользуют как макромодель конструктива в ал-
горитмах трассировки соединений на этапе
конструкторского проектирования.
Канальное рабочее поле конструктива
— математическая модель плоскостного конст-
руктива в матричной форме, представляемая в
виде прямоугольной матрицы, каждый элемент
которой соответствует сечению горизонталь-
ного и вертикального каналов для прокладки
соединений. Элемент матрицы канального ра-
бочего поля характеризует часть дискретного
рабочего поля, слагаемую из соответствующих
горизонтальных и вертикальных линий (магис-
тралей), с точки зрения пропускной способно-
сти, т.е. максимального числа горизонтальных
и вертикальных фрагментов проводников, ко-
торые могут быть реализованы в этой части се-
чения. Канальное рабочее поле используют
как макромодель конструктива в алгоритмах
трассировки соединений.
Математические модели геометрических
объектов — модели, которые используют в за-
дачах геометрического моделирования и ком-
пьютерной графики САПР [1, И]. К ним отно-
сятся такие формы: внешняя (^-модель), языко-
вая (Z-модель), внутренняя (D-модель), ^-мо-
дель — явная аналитическая запись уравнений
и условий ограничений, позволяющая соста-
вить четкий алгоритм определения произволь-
ной точки объекта проектирования. Z-модель —
математическая модель, позволяющая с помо-
щью специальных языковых средств ввести в
ЭВМ графические и семантические данные, ко-
торые будут интерпретированы как описание
геометрического объекта. D-модель является
способом внутреннего описания в памяти ЭВМ
геометрического объекта, представленного во
внешнем мире Л-моделью и описанного при
введении языком L. Такую модель называют ин-
формационной, и она соответствует выбранной
структуре данных, которые полностью опреде-
ляют некоторый класс геометрических объек-
тов. По способу организации информации об
отдельных поверхностях объекта проектирова-
ния выделяют два различных типа D-моделей:
кусочно-аналитическую и алгебро-логическую.
В кусочно-аналитической модели объекта про-
ектирования поверхности рассматривают как
совокупность отдельных частей, которые назы-
вают гранями. Каждая грань объекта проекти-
рования задается уравнением поверхности (но-
сителем грани) и границей грани, которая рас-
сматривается как пространственно-ориентиро-
ванный граф. Дуги графа являются ребрами
объекта проектирования и лежат на линиях се-
чения соседних носителей граней. Концы дуги
на ее носителе определяют вершины графа. Ал-
гебро-логическая модель объекта проектирова-
ния состоит из совокупности уравнений, ориен-
тированных предельных поверхностей объекта
проектирования и вспомогательных поверхнос-
тей. Для объекта проектирования составляют
предельное уравнение D = F(DX , Dz), где
Dt — каждая из поверхностей, F — булева
функция, зависящая от структуры объекта. В
САПР используют также модели, связанные с
понятием каркаса поверхности. Дискретным
каркасом поверхности называют конечное мно-
жество точек, линий, которые принадлежат по-
верхности.
20.15. МЕТОДЫ АВТОМАТИЗИРОВАН-
НОГО ПОИСКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕ-
НИЙ — методы синтеза решений, которые бази-
руются на программном поиске в пространстве
возможных вариантов и их анализе [1,3, 18, 19].
Алгоритм решения изобретательских за-
дач — формализованный метод поиска новых
технических решений, базируемый на исполь-
зовании совокупности принципов творческой
деятельности. Алгоритм включает этапы: ана-
лиз задачи; анализ модели задачи; формирова-
ние идеального конструктивного решения и оп-
ределение физических противоречий; мобили-
зация и использование ресурсов пространства,
времени, веществ и полей; применение инфор-
Глава 20 СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС
567
20.15. МЕТОДЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПОИСКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
мационного фонда; изменение и (или) замена
задачи; анализ способа устранения физических
противоречий; применение полученного отве-
та; анализ хода решения. Детальное описание
этих этапов рассматривается в [18, 19].
Дерево поиска — графическая форма запи-
си задачи проектирования, которая формирует-
ся путем декомпозиции объекта проектирова-
ния на блоки (фрагменты) с учетом альтернатив
их реализации. При этом вершинами графа яв-
ляются фрагменты технического решения объ-
екта проектирования и их признаки, а ребра гра-
фа определяют соответствие между фрагмента-
ми и их признаками. Каждому варианту реше-
ния задачи соответствует частный случай вы-
борки из графа альтернатив, т.е. частичный путь
на графе от конечной вершины к корневой.
Морфологическая матрица — таблич-
ная форма записи процедуры выбора альтер-
нативных вариантов технических решений
объекта проектирования, в которой каждой
строке матрицы соответствует альтернатив-
ный вариант, каждому столбцу — показатель
качества или классификационный признак. В
поле матрицы проставляют значения показа-
телей качества и наличие того или иного клас-
сификационного признака.
Фонд технических приемов поиска тех-
нических решений — совокупность формали-
зованных действий проектировщика для уст-
ранения технических противоречий [18, 19].
Фонд включает основные принципы устране-
ния технических противоречий: дифференци-
рования объекта проектирования; вынесения
отдельных частей; местного качества; асимме-
трии; объединения частей; универсальности;
противовеса; предыдущего действия; эквипо-
тенциальности; динамичности; периодическо-
го действия; обратной связи; копирования; ис-
пользования гибких оболочек и тонких пленок;
применения пористых материалов; изменения
агрегатного состояния объекта проектирова-
ния; применения фазовых переходов и др. Вы-
бор основных принципов и приемов проводят
с использованием таблицы, строки которой со-
ответствуют основным полезным показателям
конструктивного решения, а столбцы — пока-
зателям, мешающим получить идеальное кон-
структивное решение. В клетках таблицы на-
ходят номера принципов и приемов, позволяю-
щих устранить физические противоречия.
20.16. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕ-
НИЕ САПР — совокупность машинных про-
грамм, представленных в заданной форме и не-
обходимых для автоматизированного проекти-
рования [1, 3]. Программное обеспечение
САПР состоит из двух частей: общего и специ-
ального программного обеспечения. Общее
программное обеспечение предназначено для
планирования и организации процесса выпол-
нения прикладных программ и определяется
номенклатурой операционных систем и ком-
плексом программ технического обслужива-
ния. Специальное программное обеспечение —
это пакеты прикладных программ, которые ре-
ализуют алгоритмы выполнения проектных
операций и процедур.
Интегрированные структуры программ-
ного обеспечения — составные части общего
программного обеспечения, под которыми по-
нимают комплекты системных программ, осу-
ществляющих руководство всеми ресурсами
САПР: оперативной памятью, работой процес-
сора, каналами обмена данными и периферий-
ными устройствами, программными модулями и
т.п. Пакеты прикладных программ — составля-
ющие специального программного обеспечения,
ориентированные на решение задач автоматизи-
рованного проектирования и реализованные как
надстройка к операционной системе. Основу па-
кетов прикладных программ составляет множе-
ство программных модулей, каждый из которых
является программой реализации определенной
проектной процедуры или некоторого алгорит-
ма (фрагмента алгоритма) проектирования. Об-
ращение к пакетам прикладных программ реа-
лизуют в форме запроса, включающего в себя
требования к выполнению проектных процедур
и входные данные для проектирования. После-
довательность присоединения программных мо-
дулей к выполнению проектных процедур опре-
деляет программа-монитор САПР.
20.17. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕ-
НИЕ САПР — совокупность взаимосвязан-
ных и взаимодействующих технических
средств, предназначенных для осуществления
автоматизированного проектирования [2, 4].
Технические средства САПР включают: сред-
ства программной обработки данных, к кото-
рым относят универсальные или специализи-
рованные ЭВМ; способы подготовки и ввода
данных; средства отображения и документиро-
вания (печатающие устройства, графопострои-
тели, устройства для микрофильмирования);
средства архивирования проектных решений;
средства передачи данных.
Графопостроитель — устройство, которое
выводит графическое изображение на обыч-
568
РАДИОТЕХНИКА
20.18. ЭКСПЕРТНЫЕ СИСТЕМЫ
ную чертежную, специальную листовую или
рулонную бумагу с помощью электромехани-
ческих или магнитомеханических перемеще-
ний пишущего узла и (или) бумаги. Регистри-
рующими элементами являются разноцветные
игольчатые и шариковые стержни, рапидогра-
фы, рекордеры и т.п. Развертка изображения
происходит контурным или растровым спосо-
бом. По физическим принципам работы графи-
ческие устройства делят на электромеханичес-
кие, электронные, электрохимические, термо-
электрические. Планшетные графопостроите-
ли создают ограниченные по размерам изобра-
жения на обычных чертежных листах бумаги с
электростатической, механической или ваку-
умной фиксацией листов на рабочем поле
планшета. Рулонные графопостроители требу-
ют использования рулонов специальной бума-
ги с краевой перфорацией. Для нанесения изо-
бражения используют также струйные много-
цветные регистраторы, электротермические и
электрохимические устройства.
Дигитайзер — устройство ввода графиче-
ской информации. По принципу действия ди-
гитайзеры могут быть полуавтоматическими и
автоматическими. По методу считывания коор-
динат различают устройства непрерывного,
дискретного и непрерывно-дискретного дейст-
вия. В зависимости от способа считывания те-
кущих координат устройства ввода графичес-
кой информации делят на электромеханичес-
кие, оптико-механические, магнитные, кон-
тактные и акустические.
Дисплей — оптико-электронное устройство
отображения текстовой и графической инфор-
мации. Дисплеи реализуют на электронно-луче-
вых трубках трех типов: запоминающих с види-
мым изображением, с регенерацией изображе-
ния, с растровым сканированием. Дисплеи де-
лят на монохромные и цветные. В текстовом ре-
жиме экран дисплея условно делят на отдель-
ные участки — знакоместа, зачастую на 25
строк по 80 символов (знакомест). В каждом
знакоместе может быть выведен один из 256
символов (большие и малые буквы латиницы,
кириллицы, цифры, специальные и псевдогра-
фические символы). В цветных дисплеях каждо-
му знакоместу может соответствовать свой цвет
символа и фона. В графическом режиме экран
дисплея состоит из точек, каждая из которых мо-
жет быть темной или светлой для монохромных
или одного из нескольких цветов для цветных
дисплеев. Число точек по горизонтали и верти-
кали называют разрешающей способностью.
Компьютер — универсальное средство
программной обработки данных. В современ-
ных САПР используют универсальные персо-
нальные компьютеры и рабочие станции. Пер-
сональный компьютер включает следующие
устройства: системный блок, осуществляю-
щий управление компьютером, вычисления и
т.п.; клавиатуру, позволяющую вводить коман-
ды и текстовую информацию; монитор (дис-
плей) для отображения текстовой и графичес-
кой информации; накопители на жестких и
гибких дисках. Системный блок составляют
основной и вспомогательный микропроцессо-
ры, контроллеры и порты ввода-вывода дан-
ных. Компьютер характеризуют следующими
основными параметрами: средним быстродей-
ствием процессора, разрядностью арифмети-
ко-логического устройства, объемом оператив-
ной памяти, пропускной способностью кана-
лов ввода-вывода.
Принтер — устройство вывода текстовой
и графической информации на механический
носитель. Наиболее распространенным явля-
ется матричный принтер, принцип действия
которого состоит в том, что печатающее уст-
ройство, состоящее из ряда тонких металличе-
ских игл, двигается вдоль строки, а иглы ударя-
ют в носитель через красильную ленту. Безу-
дарные печатающие устройства используют
струйные, термографические, электростатиче-
ские, ксерографические и прочие, принципы
печати. Самое высокое качество изображения
обеспечивают лазерные принтеры.
20.18. ЭКСПЕРТНЫЕ СИСТЕМЫ —
класс систем искусственного интеллекта, спо-
собных получать, накапливать, корректиро-
вать знания (которые представлены в основ-
ном экспертами) в некоторой предметной об-
ласти, формировать новые знания, решать на
их основе практические задачи и объяснять
ход решения [3,4]. Основные компоненты экс-
пертных систем: база знаний (см. ст. 20.10),
машина логического вывода, диалоговый про-
цессор. Машина логического вывода — про-
грамма или комплекс программ, которые обес-
печивают выбор последовательности сужде-
ний для достижения цели, т.е. формирование
вывода по заданной проблеме. Основная схе-
ма логического вывода: прямая цепочка суж-
дений, обратная цепочка суждений и смешан-
ная схема, объединяющая возможности двух
предыдущих. Прямая цепочка суждений
включает суждения, которые идут от данных
к определенным выводам, гипотезам. Обрат-
Глава 20. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЭС
569
20.18. ЭКСПЕРТНЫЕ СИСТЕМЫ
ная цепочка суждений включает суждения,
необходимые для получения данных, которые
подтверждают или опровергают выдвинутые
ранее гипотезы. Характерные свойства вход-
ных данных: ненадежность, неопределен-
ность, нечеткость, размытость. Диалоговый
процессор — комплекс программного и линг-
вистического обеспечения взаимодействия с
экспертной системой пользователя и инжене-
ра по знаниям. Диалоговый процессор реали-
зует режимы расспрашивания эксперта и по-
яснения логического вывода. Основное назна-
чение эксперта — представить надежные вы-
воды при неполной информации и отсутствии
четких правил. Использование экспертных
систем в САПР позволяет: имитировать мыс-
лительную деятельность человека при реше-
нии широкого класса задач автоматизирован-
ного проектирования; осуществлять эвристи-
ческий поиск в пространстве возможных ре-
шений; обучать САПР и пополнять базы зна-
ний в процессе работы.
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Петренко А.И., Семенков О.И. Основы построения автоматизированного проектирования. —
К.: Вища шк., 1985. — 294 с.
2. Системы автоматизированного проектирования в радиоэлектронике / Е.В. Авдеев, А.Т. Ере-
мин, И.П. Норенков, М.И. Песков; Под ред. И.П. Норенкова. — М.: Радио и связь, 1986. — 368 с.
3. Корячко В.П., Курейчик В.М., Норенков И.П. Теоретические основы САПР. — М.: Энерго-
атомиздат, 1987. — 400 с.
4. Казеинов Г.Г. Соколов А.Г. Основы построения САПР и АСТПП. — М.: Высш, шк., 1989. —
200 с.
5. Автоматизированное проектирование силовых электронных схем / В.Я. Жуйков, В.Е. Сучик,
П.Д. Андриенко, М.А. Еременко. — К.: Техшка, 1988. — 184 с.
6. Автоматизированное проектирование цифровых устройств / С.С. Бадулин, Ю.М. Барнаулов, В.А
Бердышев и др.; Под ред. С.С. Бадулина. — М.: Радио и связь, 1981. — 240 с.
7. Влах И., Сингхал К. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем. — М.:
Радио и связь, 1988. — 560 с.
8. Ильин В.Н. Основы автоматизации схемотехнического проектирования. — М.: Энергия, 1979.
— 392 с.
9. Каширский И.С., Трохименко Я.К. Обобщенная оптимизация электронных схем. — К.:
Техшка, 1979. — 192 с.
10. Селютин В.А. Машинное конструирование электронных устройств. — М.: Сов. радио, 1977.
— 354 с.
11. Геометрическое моделирование и машинная графика в САПР / В.Е. Михайленко, В.Н. Кис-
лоокий, А.А. Лященко и др. — К.: Вища шк., 1991. — 374 с.
12. Грайс Д. Графические средства персонального компьютера. — М.: Мир, 1989. — 376 с.
13. Райан Д. Инженерная графика в САПР. — М.: Мир, 1989. — 391 с.
14. Практическое пособие по учебному конструированию РЭА / В.Т Белинский, В.П. Гондюл,
А.Б. Грозин и др.; Под ред. К.Б. Круковского-Синевича, Ю.Л. Мазора. — К.: Вища шк., 1992. —
494 с.
15. Системы автоматизированного проектирования: Типовые элементы, методы и процессы /
Д.А. Аветисян, И.А. Башмаков, В.И. Геминтерн и др. — М.: Изд-во стандартов, 1985. — 180 с.
16. Сигорский В.П. Математический аппарат инженера. — К.: Техшка, 1977. — 768 с.
17. Лисицин Б.М., Кривенко В.И. Технические средства и математические методы САПР. — К.:
Вища шк., 1988. — 192 с.
18. Автоматизация поискового конструирования / Под ред. А.И. Половинкина. — М.: Радио и
связь, 1981. — 344 с.
19. Меерович И.И. Формулы теории невероятности. Технология творческого мышления. —
Одесса: ПОЛИС, 1993. — 232 с.
570
РАДИОТЕХНИКА
ГПДНА 21
СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ
ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
• И накрыла туча черная
Да белую тучу.
Т.Г. Шевченко.
• Чем глубже проблема, тем
неопределенней ее решение.
Л.А. Заде
• Чем глубже мы погружаемся в суть процессов,
событий или предметов, тем чаще соприкасаемся
с их статистической природой.
При этом хорошо известные
нам детерминированные законы
оказываются не более чем частными
случаями статистических закономерностей.
• Так быть или не быть — вот в чем вопрос.
У. Шекспир
• Нельзя быть сильным везде.
К. Клаузевиц
• Nihilo nihil — ничто не возникает из ничего.
• Основные теоремы начальной теории вероятностей
(Т. Байес, Англия, XVIII в.).
• Теория потенциальной помехоустойчивости
(В.А. Котельников, СССР, 1946 г).
• Теоретические основы статистической радиотехники
(А. Вальд, Ф.М. Вудворд, Д.М. Мидлтон,
В. Б. Давенпорт, С. О. Райс, США, 1950—1980 гг.;
А.М. Колмогоров, Б.Р. Левин, В.И. Тихонов,
А.А. Харкевич, СССР, 1960—1980 гг.).
• Синтез первых оптимальных линейных фильтров
(Н. Винер, Д.О. Норс, Д.М. Мидлтон,
США, 1941-1946 гг.).
• Оптимальные методы приема
(Л. С. Гуткин, СССР, 1950—1980 гг.;
Г. Ван Трис, США, 1960—1980 гг.).
• Адаптивные методы приема
(Р.Л. Стратонович, Я.З. Цыпкин, В.Г. Репин,
Г.П. Тартаковский, СССР, 1960—1980 гг.).
Статистический синтез информацион-
ных систем — синтез оптимальных и квази-
оптимальных систем, основанный на статис-
тическом подходе (математическом аппарате,
позволяющем оперировать случайными вели-
чинами). Такой подход обусловлен тем, что
эти системы обязательно испытывают влия-
ние случайных воздействий, а их работа свя-
зана с извлечением информации о случайных
величинах, процессах, событиях. Статистиче-
ский синтез сводится к такому выбору струк-
туры системы и определению ее параметров,
которые минимизируют или максимизируют
соответствующие статистические критерии
качества. Укажем, что сущность синтеза в зна-
чительной мере определяется видом решае-
мых задач. Так, при инженерном проектирова-
нии технических устройств под синтезом час-
то понимают только выбор параметров уст-
ройств априорно заданного вида, который
должен отвечать тому или иному частному
критерию оптимальности (см. ст. 17.28). При
синтезе в широком смысле рассматривают
структуру и параметры всей системы, вклю-
чая вид и характеристики сигналов.
Рекомендуется такой порядок изучения ма-
териала: рассмотрение случайных процессов и
их преобразований в линейных и нелинейных
цепях (ст. 21.3, 19.8, 19.9); ознакомление с об-
щими положениями и классификацией алго-
ритмов статистического синтеза (ст. 21.1); по-
сле этого по мере нарастания сложности алго-
ритмов обработки следует рассмотреть типо-
вой тракт обнаружения сигналов (см. ст.
17.28), составную часть оптимального прием-
ника — оптимальную фильтрацию (ст. 21.2);
оптимальные и квазиоптимальные приемники,
работающие в условиях априорной определен-
ности (ст. 21.5), оптимальные и квазиопти-
мальные приемники, работающие в условиях
априорной неопределенности (ст. 21.4).
Глава 21 СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
571
21.1. АЛГОРИТМЫ СТАТИСТИЧЕСКОГО СИНТЕЗА
21.1. АЛГОРИТМЫ СТАТИСТИК
ЧЕСКОГО СИНТЕЗА — алгоритмы реше-
ния задач обнаружения, различения, разреше-
ния и оценки параметров в РТС передачи и из-
влечения информации.
Задачи статистического синтеза. Задача
обнаружения сигнала, чаще двухальтернатив-
ная, или бинарная, сводится к тому, чтобы по
результатам обработки принятой на интервале
времени Т реализации x(t) получить по воз-
можности правильное решение D о принад-
лежности реализации помехе n(t) — гипотеза
Но, или смеси сигнала и помехи Д7) = s(t) + n(t)
— гипотеза т.е.
b(r) + «(r)-//1,D = l;
х(г) = <
[n(t)-HQ,D = 0.
(1)
х(/) =
Задача многоальтернативного различения
состоит в том, чтобы по результатам обработ-
ки принятой на интервале времени Т реализа-
ции, содержащей смесь одного из возможных
сигналов и помехи, вынести правильное реше-
ние D = i (выбрать правильную гипотезу о
наличии в смеси того или иного сигнала sz(0-
Так, при самой распространенной бинарной
альтернативе принятая реализация x(t), наблю-
даемая на интервале времени Т, может принад-
лежать смеси первого или второго рода:
Z1(/) = 51(r) + «(r)-//1,n = l;
l2(t) = s2(t) + n(t)-H2,D = 2. ()
Задача разрешения состоит в том, чтобы
по результатам обработки принятой на интер-
вале времени Т реализации, содержащей смесь
помехи n(t) и сумму одновременно существую-
щих N сигналов, выделить каждый из этих сиг-
налов в отдельности. Цель выделения может
быть двоякой: различение или оценка парамет-
ров.
Задача оценки параметров сигнала (часто-
ты, амплитуды, фазы, времени или направления
прихода) состоит в том, чтобы по результатам
обработки принятой реализации в конце интер-
вала наблюдения Т принять решение D = X*,
причем параметр X считается на этом проме-
жутке наблюдения постоянным. При значитель-
ном изменении Х(/) на промежутке наблюдения
Т находят текущую оценку D(t) = Х*(/), te Т.
Решение — результат целенаправленной
обработки информации, имеющей ряд харак-
терных особенностей, суть которых раскрыва-
ется далее.
1. Основой для принятия решения является
априорная и апостериорная информация (см.
ст. 1.6). Первая обобщает предыдущий опыт,
вторая является совокупностью данных, полу-
ченных при наблюдении на интервале времени
Т непосредственно перед принятием решения.
2. Как априорная, так и апостериорная ин-
формация имеет случайный (статистический
или стохастический) характер. Это обусловле-
но статистическим характером предыдущего
опыта, случайностью данных эксперимента,
статистической природой некоторых физичес-
ких процессов при формировании сигнала и
помехи, наконец, наличием ряда случайных
факторов, влияющих на принятие решения
(например, случайность появления цели). Все
это исключает возможность получения детер-
минированного (однозначного) ответа и прида-
ет процедуре принятия решения случайный
характер. Наибольшее, что мы можем потребо-
вать от системы, — это определить вероят-
ность того или иного решения.
3. Все разнообразие решений может быть
сведено к трем основным:
а) пространство решений U является дис-
кретным. Множество возможных решений U
включает элементы и2,..., ип g U, число ко-
торых конечно, а решение состоит в выборе по
результатам обработки принятой реализации
x(t) одного из возможных элементов D = 1, 2,...
. Примеры: радиолокационное обнаружение в
бинарной альтернативе, различение образов —
идентификация результатов наблюдения с од-
ним из заданных классов объектов;
б) пространство решений U непрерывно и
по условию задачи может быть ограниченным
или бесконечным, одно- или многомерным и
т.п. Примеры: оценка параметров с непрерыв-
ной областью изменения, формирование уп-
равляющих действий;
в) пространство решений U — дискретно-
непрерывное. Множество U состоит из сово-
купности подмножеств U2, ... , UNi все или
часть которых — непрерывны. Примеры: об-
наружение сигнала с одновременной оценкой
его параметров, классификация с определени-
ем характеристик данного класса.
Решение перечисленных задач статистиче-
ского синтеза целесообразно начинать с типич-
ных (штатных) трактов передачи и извлечения
информации (см. ст. 17.28) как простейших и
соответственно наиболее надежных и эконо-
мичных. И только в том случае, когда такие
тракты не позволяют получить необходимый
572
РАДИОТЕХНИКА
21.1. АЛГОРИТМЫ СТАТИСТИЧЕСКОГО СИНТЕЗА
результат, обращаются к оптимальным или
близким к ним, но более простым в реализации
квазиоптимальным системам.
Последствия принятого решения логично
оценивать по степени их соответствия постав-
ленной цели. Это позволяет получить количе-
ственную меру, определяющую потери и вы-
игрыш от принятого решения. Как правило,
используют понятие потерь и соответствую-
щую меру называют функцией потерь g(w),
считая, что выбранное решение приводит к
наиболее благоприятным последствиям, если
оно минимизирует эту функцию. Функция по-
терь g(w, X, х) является априорной оценкой по-
следствий принятия решения и в истинной си-
туации X, которая не наблюдается при нали-
чии данных эксперимента х, полученных ко
времени принятия решения. Пусть в задаче
различения по данным наблюдения x(t) на ин-
тервале времени Т необходимо принять реше-
ние о том, что наблюдаемый объект относится
к одному из заданных классов с номером Z, а
истинная ситуация состоит в том, что этот
объект относится к £-му классу. В этом случае
ожидаемая функция потерь g(zz,X) = g(z,£) = gik
является вероятностью ошибки, т.е. вероятно-
стью указанного сочетания: i — номер реше-
ния, к — номер истинной ситуации. При этом
потери rik = gikcik, где cik — цена допущенной
ошибки. Для количественной оценки послед-
ствий всей возможной совокупности приня-
тых решений вводят понятие средних потерь,
или среднего риска — математического ожида-
ния потерь
/? = A/(r) = A/[g(M,A)c(M,A)]. (3)
Выбор оптимального решения проводят,
минимизируя средний риск.
Рассмотрим возможные ошибки подроб-
нее. Так, при обнаружении сигнала возможны
ошибки первого и второго рода: пропуск цели
и ложная тревога. Пропуск цели — случайное
событие, состоящее в том, что при наличии
цели наблюдатель не фиксирует превышение
порога смесью сигнала и помехи и принимает
решение об отсутствии сигнала. Вероятность
пропуска Рпр = Р(НХ)(\ - £>), где Р(НХ) — ап-
риорная вероятность присутствия цели, (1 -
D) — условная вероятность пропуска цели
(см. ст. 17.28). Ложная тревога — случайное
событие, состоящее в том, что при отсутствии
цели наблюдатель фиксирует превышение по-
рога помехой и принимает решение о присут-
ствии сигнала. Вероятность ложной тревоги
РЛТ ==; P(Hq)F9 где P(Hq) — априорная вероят-
ность отсутствия цели, F — условная вероят-
ность ложной тревоги (см. ст. 17.28). При раз-
личении сигналов ошибка выражается в том,
что вследствие действия помехи наблюдатель
принимает решение о присутствии сигнала Sf
во время передачи сигнала sk. При оценке па-
раметра сигнала в результате воздействия по-
мехи возможна ошибка полученной оценки АХ
= X* - X. Средний риск в задаче многоальтер-
нативного различения
(4)
1=1 Jt=l
где Pa(sk) — априорная вероятность появления
сигнала sk, Pa(st/sk) — вероятность приема сиг-
нала Sf при условии, что был передан сигнал sk,
cik — цена за ошибочно принятый сигнал sz
при переданном сигнале sk (сц = 0); п — число
символов алфавита (1, 2, ... , z, к, ... , п).
Система (устройство или алгоритм) оп-
тимальная — система, лучше которой по за-
данному критерию качества и в рамках апри-
орно известной информации с учетом приня-
тых ограничений сделать нельзя, как нельзя
сделать двигатель внутреннего сгорания с
КПД лучшим, чем в цикле Карно. Для РТС в
понятие «оптимальность» вкладывают содер-
жание максимальной (потенциальной) помехо-
устойчивости (см. ст. 1.12). Очевидно, что по-
мехоустойчивость реальных систем не может
быть выше потенциальной. Степень прибли-
жения реальной помехоустойчивости к потен-
циальной свидетельствует об эффективности
системы и возможности ее улучшения. Отно-
сительно оптимальности системы следует от-
метить три обстоятельства.
1. Оптимальность системы является отно-
сительным понятием — прежде всего относи-
тельно принятого критерия оптимальности.
Так, широко используется уже упомянутый
критерий минимума среднего риска R. Кроме
того, система может быть оптимальной только
в рамках имеющейся априорной информации
— априорно установленных характеристик
сигналов и помех и способов их взаимодейст-
вия (как правило, аддитивного образования
смеси). Это означает, что оптимальные систе-
мы не универсальны, а применимы только к
конкретной сигнально-помеховой обстановке.
Так, алгоритм, оптимальный для выделения
шумового сигнала на фоне шума, не является
оптимальным для выделения радиоимпульса
Глава 21. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
573
21.1. АЛГОРИТМЫ СТАТИСТИЧЕСКОГО СИНТЕЗА
на фоне шума. Оптимальное решение при гаус-
совском законе распределения помехи может
оказаться существенно неоптимальным при
ином законе распределения. Соответственно
существует банк алгоритмов, оптимизирован-
ных для различных сочетаний конкретных ти-
пов сигналов и помех. Отсюда следует, что для
достижения оптимальности в широком смысле
(для широкого диапазона сигнально-помехо-
вых ситуаций) необходимо пользоваться ком-
плексом оптимальных систем или применять
адаптивные системы, в том числе инвариант-
ные к изменению ситуации.
2. Оптимизация дает наилучшие результа-
ты только в том нечастом счастливом случае,
когда существует априорная определенность,
т.е. наличие полной априорной информации о
статистических характеристиках случайных
процессов, от которых зависит принятие реше-
ния: сигналов, помех и их смесей. Как извест-
но, полной статистической характеристикой
случайных величин (процессов) является мно-
гомерная функция распределения или плот-
ность распределения вероятностей этих вели-
чин на множестве их возможных значений; при
решении отдельных задач можно ограничиться
частными характеристиками этих распределе-
ний: математическим ожиданием, дисперсией,
функцией корреляции, энергетическим спект-
ром и т.п. (см. ст. 21.3). В большинстве практи-
ческих задач такая информация отсутствует.
Так, мы не имеем характеристик сигналов по-
тенциального противника в пассивной лока-
ции или характеристик сигналов систем связи
в активной локации после их прохождения че-
рез турбулентную среду со случайными коэф-
фициентами преломления и поглощения. Так-
же неизвестны характеристики помех, которые
могут исказить сигнал на пути его распростра-
нения. Последние настолько разнообразны,
что «отгадать» конкретные мешающие обстоя-
тельства практически невозможно. Кроме то-
го, во многих задачах ситуация усложняется
тем, что вследствие ограниченной мощности
передатчика сигнал на больших расстояниях
оказывается слабым и (С/Ш)вх « 1. Так возни-
кает проблема априорной неопределенности —
незнание или неполное знание законов распре-
деления случайных величин или их частных
характеристик, необходимых для принятия ре-
шения. Возможные способы решения этой
проблемы рассматриваются в ст. 21.4. Укажем,
что переход от задач с полной априорной ин-
формацией к задачам с априорной неопреде-
ленностью целиком закономерен аналогично
тому, как ранее от детерминированных задач в
ряде областей радиотехники перешли к зада-
чам статистическим. Естественно, что при
этом имеет место принципиальное снижение
помехоустойчивости.
3. Адаптивные алгоритмы (см. ст. 21.4) —
наиболее универсальный метод преодоления
априорной неопределенности и приспособле-
ния к изменяющейся сигнально-помеховой об-
становке. Переход к адаптивным алгоритмам
обусловлен повышением сложности задач, ус-
ловий функционирования, усложнением поме-
ховых обстоятельств. Адаптация — характер-
ная особенность биологических информацион-
ных систем, работающих с эффективностью и
надежностью на несколько порядков выше,
чем технические системы (см. ст. 7.2). Усовер-
шенствование элементной базы и средств вы-
числительной техники расширяет возможнос-
ти реализации сложных адаптивных систем.
В заключение укажем, что статистический
синтез не исключает необходимости анализа,
когда по известным характеристикам сигналов
и помех нужно найти характеристики качества
синтезированного устройства. Кроме того, за-
дачи анализа возникают при необходимости
уточнения априорных данных.
Этапы статистического синтеза:
— выбор критерия оптимальности в соответ-
ствии с целевым назначением, физическим со-
держанием поставленной задачи, а также с уче-
том возможности ее математической реализации;
— четкая математическая формулировка
задачи с учетом всей имеющейся априорной
информации;
— синтез алгоритма обработки принятой
реализации;
— реализация полученного алгоритма ап-
паратурными или программными средствами.
В первом случае реализацией является струк-
турная схема устройства (системы) с парамет-
рами функциональных узлов, во втором —
программа вычислительного средства;
— анализ чувствительности предложенно-
го алгоритма к отклонениям от априорных дан-
ных, которые, как правило, возникают во вре-
мя эксплуатации РТС.
21.2. ОПТИМАЛЬНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ
— это фильтрация известных сигналов на фо-
не заданных помех наилучшим образом. Коли-
чественную меру качественного понятия «наи-
лучшим образом» называют критерием опти-
мальности. Выбор последнего непосредствен-
574
РАДИОТЕХНИКА
21.2. ОПТИМАЛЬНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ
но связан с характером задач, решаемых при-
емным устройством. Выделяют задачи обнару-
жения, различения, разрешения сигналов,
оценки параметров, воспроизведения первона-
чальной формы и экстраполяции сигнала [1—
4]. Колебание x(t), принятое на некотором ин-
тервале времени, является функцией сигнала
5[/, Х(/)], где Х(/) — параметр, несущий сооб-
щение; x(t) также является функцией помехи (в
частности, шума) «(/), т.е. x(t) = F{s[t, А.(/)],
n(t)}. Последнее уравнение называют уравне-
нием наблюдения. Сигнал s[t, А,(/)] в общем
случае может зависеть от нескольких парамет-
ров Xz(0 (z = 1; 2; 3...), причем и сам сигнал 5[/,
Х(/)], и его параметр Х(0 являются случайными
процессами.
Вид функции F{s, и}, т.е. комбинации сиг-
нала и шума, и некоторые их статистические
характеристики в большинстве прикладных
задач можно считать априорно известными.
Используя эти данные, нужно определить
структуру устройства, решающего оптималь-
ным образом, какая реализация сигнала 5[/,
Х(/)] или его параметра А,(/) содержится в при-
нятом колебании. Вследствие действия поме-
хи n(t) и случайного характера сигнала s[t,
Х(0] оценка реализации сигнала 5*[/, А,(/)] или
его параметра Х*(0 не будет совпадать с ис-
тинной реализацией, т.е. будут иметь место
ошибки фильтрации. Для количественной ха-
рактеристики качества фильтрации использу-
ют различные критерии. Наиболее часто ис-
пользуют критерии максимального отношения
С/Ш, минимума среднего квадрата ошибки и
критерий максимума апостериорной вероят-
ности. В зависимости от функциональной свя-
зи между сигналом и сообщением различают
линейную и нелинейную фильтрацию. Если
сигнал является линейной функцией от сооб-
щения s(t, X) = L(k) (как при AM), то фильтра-
цию называют линейной, а оптимальный
фильтр синтезируют в классе оптимальных
линейных фильтров; если зависимость s(t, X) =
ф(Х) — нелинейная (как при УМ), то фильтра-
цию считают нелинейной и оптимальный
фильтр синтезируют в классе оптимальных
нелинейных фильтров.
Квазиоптимальный линейный фильтр
по максимуму отношения С/Ш — фильтр,
форма частотной характеристики которого
сравнительно легко реализуется и задана зара-
нее, а максимальное отношение С/Ш обеспе-
чивается лишь соответствующим подбором
ПП. Введение такого фильтра обусловлено
тем, что реализация точно согласованного
фильтра в общем затруднена, потому что АЧХ
фильтра должна совпадать со спектром им-
пульсного сигнала, имеющего довольно слож-
ный характер. АЧХ квазиоптимального фильт-
ра выбирают так, чтобы отношение С/Ш на
его выходе было максимальным для данного
типа импульсного сигнала длительностью Тс.
Отношение С/Ш на выходе квазиоптимально-
го фильтра меньше, чем на выходе оптималь-
ного фильтра. Потери оценивают отношением
П = (Рс/Рш)квопт /(Рс/Рщ)ОПТ’ Здесь (PJPm) КВОПТ
— отношение пиковой мощности сигнала к
мощности шума на выходе квазиоптимального
фильтра (Табл. 21.1). Существенно также, что
значение ПП квазиоптимального фильтра
сравнительно малокритично: при отклонении
полосы Пф от ее оптимального значения не бо-
лее чем в 1.5 раза (в сторону увеличения или
уменьшения) проигрыш в энергии сигнала не
превышает 1 дБ. Для последовательности п
импульсов проигрыш становится большим,
увеличиваясь с увеличением числа п.
Таблица 21.1.
Форма импульсного сигнала Тип фильтрации Оптимальное значение ПфТс Потери П
Прямоугольная С прямоугольной АЧХ 1.37 0.83
Тоже Гауссовская 0.72 0.88
Гауссовская Тоже 0.63 1.0
Прямоугольная Одиночный резо- нансный контур 0.40 0.81
Тоже Двухкаскадный резо- нансный усилитель 0.61 0.86
Оптимальный линейный фильтр Кал-
мана—Бьюси — фильтр, позволяющий полу-
чить точечную оценку известного параметра
сигнала по минимуму среднеквадратической
ошибки. Точечной называют оценку в одной
точке на оси времени. При точечных оценках
интересуются в основном математическим
ожиданием и дисперсией оцениваемого пара-
метра. В качестве последнего в традиционных
системах обработки информации могут быть
амплитуда, частота, фаза или время запаздыва-
ния. Наблюдаемое колебание x(t) и сообщение
А,(/) описываются уравнениями:
x(t) = 5[/, Х(/)] + «о(0;
dk/dt = g(t, X) +
где «о и — независимые белые гауссовские
шумы с нулевым математическим ожиданием
Глава 21 СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
575
21.2. ОПТИМАЛЬНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ
и заданными дисперсиями; 5[/, Х(/)] — полез-
ный сигнал; g(t, X) — непрерывная детермини-
рованная функция, которая может дифферен-
цироваться (например, фаза колебания).
Уравнения наблюдения и сообщения могут
быть заданы как в скалярной (одномерной),
так и в векторной формах [4, 5]. Принятые ко-
лебание x(t) и сообщение Х(/) могут задаваться
или обрабатываться в непрерывном или дис-
кретном времени. При этом возможны четыре
варианта: наблюдение и сообщение заданы в
дискретном времени (дискретная фильтрация);
наблюдение и сообщение заданы в непрерыв-
ном времени (непрерывная, или аналоговая,
фильтрация); x(t) задано в дискретном време-
ни, а Х(/) — в непрерывном (непрерывно-дис-
кретная фильтрация); х(/) задано в непрерыв-
ном времени, а Х(/) — в дискретном (дискрет-
но-непрерывная фильтрация). Пусть наблюде-
ние и сообщение заданы в дискретном време-
ни, а уравнения наблюдения и сообщения — в
виде скалярных уравнений xt = + nOh
X, = Р/-1Х/-1 + n^i, Хо = Х(0), где Hi = H(tf) и [3Z =
P(/z) — заданные функции времени; поь —
дискретные белые гауссовские шумы с нуле-
выми математическими ожиданиями и диспер-
сиями DOh D^b соответственно. Примем, что
начальное значение Хо является нормально
распределенной случайной величиной с изве-
стной априорно плотностью вероятностей
FF(Xo). Оценка параметра X* и его дисперсия
D^i для этого случая определяются уравнения-
ми, называемыми уравнениями фильтра Кал-
мана:
А* =р,_Х_, +к^
где Ki = Hi(D?JDoi) — коэффициент усиления
фильтра Калмана.
Первое уравнение определяет алгоритм
формирования оптимальной оценки, а второе
— апостериорной дисперсии. Отметим, что в
уравнение дисперсии входят только известные
функции времени; оно не содержит наблюде-
ния х. Поэтому это уравнение может быть ре-
шено заранее, до начала работы фильтра, бла-
годаря чему функцию Z\(/z) и коэффициент
K(ti) можно считать известными функциями
времени. Как следует из уравнения для X*,
имея оценку на предыдущем (/ - 1) шаге,
фильтр соответственно уравнению сообщения
вырабатывает оценочное значение Pz_i Xz_i на
i-и шаг. После j-го наблюдения xz полученная
оценка корректируется на значение, пропорци-
ональное невязке, т.е. отклонению прогнозиро-
ванного слагаемого ЯД_1Х*_1 /-го наблюдения
от полученного отсчета xz. Коэффициент про-
порциональности Kh регулирующий вес новых
данных (невязки) в Xz по сравнению с прогно-
зом Р/-1Х*_ь называют коэффициентом усиле-
ния фильтра Калмана. Эта величина, помимо
коэффициента 7/z в уравнении наблюдения и
дисперсии шума наблюдения DOi, определяется
еще и апостериорной дисперсией D^. парамет-
ра сообщения Xz. Последняя задается квадра-
том разницы оценки Xz и истинного значения X,
усредненным по всем возможным шумам на-
блюдения, и, таким образом, характеризует
точность оценки на /-м шаге.
Структурная схема фильтра Калмана—
Бьюси изображена на Рис. 21.1. Элемент за-
держки осуществляет запоминание предыду-
щей (/ — 1)-й оценки до следующего /-го шага.
Этот фильтр является характерным примером
линейной дискретной замкнутой астатической
системы регулирования с переменными пара-
метрами. Его чувствительный элемент (дис-
криминатор Д) вырабатывает сигнал рассогла-
сования (невязку) входных данных xz и дан-
ных, поступающих по цепи ОС ЯД_1Х*_1. По-
сле взвешивания рассогласование суммирует-
ся с ранее накопленным результатом, что экви-
валентно введению в замкнутый контур инте-
гратора, исключающего статическую ошибку.
Шаговый (рекуррентный) характер алгоритма
Калмана, позволяющий получать текущую
оценку корректировкой ее предыдущего зна-
чения с учетом только очередного (/-го) на-
блюдения, удобен для реализации на ЭВМ,
особенно при необходимости фильтрации в
реальном времени, т.е. по мере поступления
данных. Фильтр Калмана—Бьюси имеет ука-
576
РАДИОТЕХНИКА
21.2. ОПТИМАЛЬНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ
занные оптимальные свойства также относи-
тельно иных (негауссовских) аддитивных по-
мех. Алгоритмы непрерывной, непрерывно-
дискретной и дискретно-непрерывной фильт-
рации и схемы соответствующих фильтров
Калмана—Бьюси подробно рассматриваются
в [3-5].
Оптимальный линейный фильтр по мак-
симуму отношения С/Ш — фильтр, на выходе
которого получают максимально возможное от-
ношение пикового значения сигнала к шуму во
время приема полностью известного сигнала на
фоне белого гауссовского шума. Задача опти-
мальной линейной фильтрации является харак-
терной для радиолокации. На вход линейного
фильтра с комплексной частотной характерис-
тикой Копт(/(0) поступает аддитивная смесь сиг-
нала и помехи x(t) = s(f) + «(/), где n(f) — стаци-
онарный случайный процесс со спектральной
плотностью G(co) = Go, < со < °°; s(t) — ста-
тистически независимый от n(f) полезный сиг-
нал, спектр которого S(/co) заранее известен. Оп-
тимальный линейный фильтр должен максими-
зировать отношение пикового значения сигнала
на выходе в некоторый момент времени t = tQ к
среднеквадратическому значению выходного
шума, т.е. р = |5вых(/0)|/пВыХ = шах. Комплексная
частотная характеристика такого фильтра опре-
деляется выражением
А'оптО'й) = C5(/o>)exp(-jco/o), (1)
г^е С — произвольное положительное число;
5(/со) — функция, комплексно-сопряженная с
ад.
Поскольку передаточная функция фильтра
полностью определяется спектром входного
сигнала, его называют согласованным. Из (1)
следуют два условия для фазовой и амплитуд-
ной характеристик согласованного фильтра:
фопт(ю) = - ф5(со) - COZO; ^опт(СО) = CS(co). Эти
соотношения имеют следующий физический
смысл. Первое означает компенсацию началь-
ных фаз в спектре сигнала. После прохождения
сигнала через фильтр с фазовой характеристи-
кой (ропт(а>) сложение всех компонентов спект-
ра, скорректированных по фазе, создает пик
выходного сигнала в момент времени t = t0.
Второе соотношение устанавливает, что АЧХ
модуля передаточной функции ХОпт(а>) по своей
форме должна совпадать с характеристикой мо-
дуля спектральной плотности сигнала S(co). Это
максимизирует р. Сигнал на выходе согласо-
ванного фильтра имеет вид 5ВЫХ(П) = CBs(t - t0),
т.е. с точностью до константы С воспроизводит
во времени автокорреляционную функцию
(АКФ) согласованного с ним сигнала, причем
так, что максимум достигается в момент t = По-
следовательно, при t = t0 имеем 5вых(/0) = СЭ,
потому что АКФ при этом равна энергии Э сиг-
нала.
КФ шума на выходе согласованного фильтра
Ввых(т)= ’ JcBbIX(a>)e-'<ot<Zco =
1 00
= JGoC2S2H Лсо = C2G0Bs(t).
Среднеквадратическое значение шума
о = Аых(0)=с7^Э.
Таким образом, отношение С/Ш на выходе
р = д/Э/О0
не зависит от формы сигнала, а определяется
его энергией и энергетическим спектром (ЭС)
шума Go. Из этого следует, что при заданной
энергии и ширине спектра сигналу можно
придавать различную форму и выбирать ту,
которая выгодна при решении конкретной за-
дачи. ИХ согласованного фильтра имеет вид
gonT (0 = Cs(t0 - t), т.е. она зеркально симмет-
рична сигналу с осью симметрии, проходящей
через точку По/2 на оси абсцисс. Поскольку ИХ
физической цепи не может начинаться при
t < 0 (отклик фильтра не может опережать воз-
действие), очевидно, что задержка /0 не может
быть меньше длительности сигнала Тс. Как
правило, to = Тс.
Оптимальный фильтр для прямоугольного ви-
деоимпульса, т.е. сигнала 5ВХ(П) = Л[1(П) - 1(/ - 7С)],
где А и Тс — соответственно амплитуда и длитель-
ность импульса, имеет передаточную функцию
^опт(/<о) = С4/(/со)[1 - ехр(-усоГс)], (2)
где СА — коэффициент усиления идеального
усилителя.
Здесь задержка t0 равна длительности сиг-
нала.
Структурная схема этого фильтра показа-
на на Рис. 21.2, а. Согласно (2) в состав схе-
мы входят усилитель, идеальный интегратор,
идеальная недисперсионная ЛЗ и схема вы-
читания.
Глава 21. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
577
21.2. ОПТИМАЛЬНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ
Оптимальный фильтр для прямоугольного
радиоимпульса имеет передаточную функцию
^опт(/*®) — (3)
= G4/[/(co - СОО)][ 1 - ехр(-7(со - соо)Гс)].
Структурная схема фильтра, соответствую-
щего (3), изображена на Рис. 21.2, б. Отличие
от предыдущей схемы состоит в замене иде-
ального интегратора высокодобротным LC-
контуром, который можно рассматривать в ка-
честве интегратора для огибающей на НсЧ о>о.
Оптимальный фильтр для импульсных сиг-
налов с линейной частотной модуляцией может
быть выполнен в виде сочетания двух линей-
ных четырехполюсников: полосового фильтра
с АЧХ, близкой к прямоугольной, и дисперси-
онной линией задержки ДЛЗ (Рис. 21.3). При
условии, что огибающая спектра сигнала имеет
прямоугольную форму, а фазовая характерис-
тика — форму квадратичной параболы, АЧХ и
ФЧХ фильтра определяются так:
£опт(со) = СЯГс/(2^) = const;
фонт (®) = (^4)т(со - со0)2 / Асо2 - cOflT; / 2;
(4)
co0-Acom < со < со0 + Acom,
Рис. 21.3
578
РАДИОТЕХНИКА
21.2. ОПТИМАЛЬНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ
где т = 2tymTc = А(дтТс/п; А и Тс — амплитуда
и длительность импульса; Acow — девиация ча-
стоты.
Сигнал на выходе оптимального фильтра
мвых 0) ~ ^вых (0COS Wo (t — Тс ) =
I— , sin Асо„, (t - Тс) z _ ч
= Дф„(г-тс) со^-т^-
Наибольшая амплитуда выходного сигнала
(в момент времени t = Тс) в 4m раз больше,
чем на входе, а длительность выходного им-
пульса на уровне 0.637 от максимального зна-
чения составляет Тсвых - 1/(2А/^). Отношение
Тс/Тс вых = 2Д/^ГС = т, совпадающее по значе-
нию с параметром модуляции т, называют ко-
эффициентом сжатия ЧМ импульсов в опти-
мальном фильтре. Компенсация фаз спект-
ральных составляющих сигнала, которая явля-
ется сущностью согласованной фильтрации,
приводит к сокращению длительности им-
пульса в т раз при одновременном возраста-
нии амплитуды сигнала в VwT раз. Это обсто-
ятельство является весьма ценным для прак-
тики, потому что дает возможность удлинять
импульс, генерируемый передатчиком, для
увеличения энергии сигнала без потери разре-
шающей способности, определяемой длитель-
ностью импульса на выходе согласованного
фильтра.
Оптимальный фильтр для последователь-
ности импульсных сигналов (пачки импульсов
с одинаковой длительностью Тс и разными ин-
тервалами Тп между соседними импульсами,
Рис. 21.4, а) должен иметь передаточную
функцию
копт(/Ю) = ^1(/'со)[1 + е_уш<т»-'_т"-2) + (5)
е-7^тп-1-тп-з> +... + e-^Tn-i-Ti) -ь е-7<оТп-1].
*
В этом выражении ^(jco) = CS1(jco)e“7°)7’c
— коэффициент передачи фильтра, согласо-
ванного с одиночным импульсом.
Структурная схема согласованного фильтра
изображена на Рис. 21.4, б. Такой фильтр дол-
жен иметь цепь с передаточной функцией
К\ (/со), обеспечивающей оптимальную обра-
ботку отдельных импульсов, ЛЗ с п отводами и
сумматор. Отводы размещают так, чтобы соот-
ветствующие им задержки нарастали в поряд-
ке, противоположном размещению импульсов в
пачке на входе фильтра. Построение согласо-
б)
в)
г)
Рис. 21.4
Глава 21. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
579
21.2. ОПТИМАЛЬНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ
ванного фильтра значительно упрощается, если
входной сигнал является последовательностью
равноотстоящих одинаковых импульсов, т.е.
когда 1\ = Т,Т2 = 2Т, Т3 = ЗГ, Тп_х = (п- 1)Г. В
этом случае Копт(/со) = ^(/соЦ! + ехр^’соТ) +
+ ехр(-усо2Г) + ... + ехр[-усо(и - 1)7]} =
= Kx(jm)K2(j(ji). При достаточно большом п
выражение в фигурных скобках можно свер-
нуть по формуле геометрической прогрессии
K2(jai} = 1/[1 - ехр(-7со7)]. Структурная схема
фильтра при этом имеет вид каскадного соеди-
нения двух четырехполюсников: одного — с
передаточной функцией ^(/со), согласованного
с одиночным импульсом, а другого — в виде
цепи с ОС, имеющей лишь одну ЛЗ Т (Рис.
21.4, в). Передаточная функция подобной цепи
(на Рис. 21.4, в обведена штриховой линией)
определяется выражением
K2(ja) = 1/[1 -*лзехр(->7)] =
= 1 + Л'лзехрС-усоГ) + ^лзехр(-7О>27) + ....
Символом Клз обозначен безынерцион-
ный четырехполюсник с учетом потерь в ЛЗ
(десятки децибел), содержащий усилитель,
компенсирующий эти потери. Для устойчиво-
сти к самовозбуждению Хлз должно быть
меньше единицы. Сама ЛЗ при этом может
рассматриваться как идеальная с передаточ-
ной функцией ехр(-у(о7). На частотах, отве-
чающих условию соГ= (2к + 1 )тс, где к = 0, 1,
..., ОС — отрицательная и К2(со) = 1/(1 + Клз),
а на частотах со = 2кп ОС — положительная
и К2((й) = 1/(1 - Клз). Фильтры с такой ха-
рактеристикой (Рис. 21.4, г) называют гре-
бенчатыми. Отметим, что построение гре-
бенчатого фильтра с использованием набора
резонансных фильтров, которые должны
быть довольно точно настроены на частоты,
кратные частоте повторения, является очень
сложной задачей. Цепь, обведенную штрихо-
вой линией на Рис. 21.4, в, называют рецир-
кулятором.
Оптимальный фильтр для фазоманипули-
рованных сигналов обеспечивает максималь-
ное отношение С/П на выходе при подаче на
его вход аддитивной смеси фазоманипулиро-
ванного сигнала и помехи в виде белого шума.
Сигнал с ФМн (Рис. 21.5, а) является последо-
вательностью N импульсных радиосигналов
продолжительностью Тс и амплитудой U, ко-
торые различаются сдвигом во времени на
значение, кратное Гс, и могут дополнительно
различаться сдвигом начальной фазы на тс:
(U sin[co0Z + 0(z)], 0 < t < NTC = Tj;
W”[0, /<0, t>NTc,
где начальная фаза 0(Z) = 0Z - const при
(i - 1 )TC < t < zTc, a i = 1.. .N, причем 0Z равняет-
ся 0 или л в зависимости от применяемого ко-
да. Как правило, значение соо^с кратно 2 л.
Обозначив cos 0Z = dh можно записать
и = Щ-sinov при (z - 1)ГС < t < iTc, где i =
= 1.. .N, а ф равно или +1, или -1. Последова-
тельность {di}, где z = 1.. .N, которую выбирают
так, чтобы при абсолютных значениях аргумен-
та /, превышающих или равных длительности
элементарного импульса Гс, нормированная
АКФ находилась в границах -UN < Я(т) < UN
при |/| > Гс, называют последовательностью (ко-
дом) Баркера. Коды Баркера существуют при N
= 2, 3, 4, 5, 7, 11, 13. Практический интерес
имеют последовательности Баркера при нечет-
ных значениях N. Амплитудный спектр после-
довательности Баркера определяется так:
S(co) =
sin(corc /2)
соГс/2
f sinNcoTJ.
1^ NaTc
Положительный знак перед скобками име-
ет место при N = 5 и 13, а отрицательный —
при N= 3, 7 и 11.
В широкополосных системах связи исполь-
зуют сигналы, манипулированные по фазе дво-
ичными псевдослучайными последовательнос-
тями [6]. Сигнал, манипулированный по фазе на
тс по закону кода Баркера, можно получить отно-
сительно простыми средствами. Если на вход
ЛЗ подать радиоимпульс с частотой соо и дли-
тельностью Тс, который образуется во время
возбуждения с помощью 8-импульса радиочас-
тотного оптимального фильтра для такого оди-
ночного сигнала РОФОС, то на выходе устрой-
ства сложения (Рис. 21.5, б) будет образован фа-
зоманипулированный кодовый сигнал (Рис.
21.5, в). ИХ этой системы совпадает с сигналом.
Известно, что ИХ отличается от функции,
изображающей сигнал, в основном знаком аргу-
мента — времени. Поэтому, если в устройстве
для генерирования сигнала (см. Рис. 21.5, б) по-
менять местами вход и выход, т.е. изменить на-
правление прохождения сигнала, то получим
оптимальный фильтр для данного сигнала
(Рис. 21.5, г), поскольку его отклик (Рис. 21.5, д)
на 8-импульс является зеркальным отображени-
580
РАДИОТЕХНИКА
21.2. ОПТИМАЛЬНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ
ем сигнала. При подаче на вход этого фильт-
ра оптимального согласованного сигнала
(см. Рис. 21.5, в) на выходе образуется напря-
жение, воспроизводящее с некоторым времен-
ным сдвигом автокорреляционную функцию
этого сигнала (Рис. 21.5, е). После его ампли-
тудного детектирования образуется напряже-
ние (Рис. 21.5, ж), которое в некотором мас-
штабе и с некоторым временным смещением
отображает модуль КФ комплексной огибаю-
щей сигнала. ЛЗ с задержкой (N - 1)ГС имеет
N - 2 отвода и обеспечивает задержку сигнала
на время, кратное Тс. Импульсы, снятые с нача-
ла линии, всех отводов и ее конца, суммируют-
ся с весовыми коэффициентами, соответствую-
щими значениям кода Баркера. Оптимальные
фильтры для сигналов, манипулированных по
фазе двоичными псевдослучайными последо-
вательностями, рассматриваются в [6].
Согласованная фильтрация заданного сиг-
нала при небелом шуме сводится к оптималь-
ной фильтрации на фоне белого шума приведе-
нием заданного шума к белому. Структурная
схема, показанная на Рис. 21.6, поясняет суть
Глава 21. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
581
21.2. ОПТИМАЛЬНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ
S(t) G((o) KiO'(o) 1 КМ Копт(/<°) 5вых (t)
Рис. 21.6
этого способа. На этой схеме Хопт(/со) обозна-
чает искомую передаточную функцию синте-
зируемого фильтра, а АГ1(/со) и l/X'i(/co) являют-
ся передаточными функциями вспомогатель-
ных, условных четырехполюсников, введение
которых никак не влияет на работу устройства,
поскольку их общая передаточная функция
равна единице. На выходе первого четырехпо-
люсника, модуль передаточной функции кото-
рого можно задать в виде АГ^со) = V(7o/(7(co),
будет действовать шум с равномерным ЭС
Ci (со) = Go = const, т.е. белый шум. Так как на
входе двух следующих четырехполюсников
(обведены штриховой линией) шум является
белым, эта часть схемы должна иметь пе-
редаточную функцию АГопт(/со)/Х'1(/со) -
= СУ1(/(о)ехр(-у(о/о), где ^(/со) = S(/co) Xi(/’co).
Очевидно, передаточной функцией оптималь-
ного фильтра при небелом шуме будет
Хопт(/со) = CGo/[G((o)]S(7'co)exp(-7CO/o).
Такой фильтр имеет в своем составе «отбе-
ливатель» шума и фильтр, который является
оптимальным для заданного сигнала при бе-
лом шуме.
Оптимальный линейный фильтр по ми-
нимуму среднеквадратической ошибки выде-
ляет из аддитивной смеси сигнала и шума x(f) =
s(f) + n(f) полезный сигнал s(f) с минимальной
среднеквадратической ошибкой. Помеха и сиг-
нал являются стационарными гауссовскими слу-
чайными процессами с известными КФ. Опти-
мальный фильтр минимизирует величину е2 =
Л/{[5*(/) - s(t + А)]2}, где Д — временной сдвиг.
При Д > 0 оценка s(f) на выходе фильтра должна
предсказывать (прогнозировать) значение выход-
ного сигнала s(f) на время Д; при Д = 0 задача сво-
дится к выделению (сглаживанию) сигнала s(f) из
колебания x(t). Для физически реализуемого
фильтра с ИХ g(t), t > 0 выражение среднеквадра-
тической ошибки фильтрации имеет вид
е2 = М{[ J g(z)x(t - t)dt - s(t + А)]2}.
О
При этом ИХ оптимального фильтра
gonT(Z), минимизирующего среднеквадрагичес-
кую ошибку, должна удовлетворять интеграль-
ному уравнению Винера—Хопфа [2]
J £опт (v)Bx (t - v)dv = Bsx (т + Д), т > О,
О
где 2?х(т) — КФ процесса x(Z), a Bsx(x) — взаим-
но корреляционная функция (ВКФ) процессов
s(t) и x(t).
Решение этого уравнения в общем случае
встречает серьезные трудности, обусловлен-
ные в основном требованием физической реа-
лизуемости оптимального фильтра [2]. Для ча-
стного случая сглаживания (Д = 0) аддитивной
смеси взаимно независимых стационарного
случайного процесса s(t) и белого шума n(t) с
нулевым математическим ожиданием тХп = 0
передаточная функция оптимального фильтра
имеет вид
А^опт(/а>) = 1 - (70 / [2(7Х<о) + (70]+,
где Gq — энергетический спектр (ЭС) белого
шума, Gs(co) — ЭС сигнала. Индекс «+» здесь
означает, что если выражение в квадратных
скобках разложить на простые дроби, то следу-
ет оставить только те из них, которые соответ-
ствуют полюсам, расположенным в верхней
полуплоскости. Все простые дроби функции
F(co) = (75(со) + (7о/2, соответствующие полю-
сам в нижней полуплоскости, а также целая
часть F(co) должны быть отброшены.
Если не накладывать на оптимальный
фильтр условия физической реализуемости, то
для отдельного случая статистически незави-
симых сигнала и шума комплексная частотная
характеристика оптимального фильтра будет
иметь вид
Х(/со) = GXco)/[G5(co) + Сш(со)],
где (7ш(со) — ЭС шума.
Хотя это выражение отвечает физически
нереализуемому оптимальному фильтру, оно
полезно для сравнения, так как никакой фи-
зически реализуемый фильтр не может дать
меньшей среднеквадратической ошибки, чем
фильтр, который не реализуется. Характери-
стики и схемы оптимальных фильтров,
минимизирующих среднеквадратическую
ошибку, для некоторых типов сигналов при-
ведены в [3].
582
РАДИОТЕХНИКА
21.3. СЛУЧАЙНЫЙ ПРОЦЕСС
Оптимальная нелинейная фильтрация
— это фильтрация, при которой наблюдаемое
колебание x(t) и сообщение \(t) связаны между
собой нелинейной зависимостью, а начальное
значение Хо не является гауссовской случайной
величиной [4]. Так, в системах связи с фазовой
или частотной модуляцией на входе приемника
действуют сигналы:
x(t) = ^sin[coo^ + wX(/)] + «(/);
x(Z) = ^sin[coo^ + ЧХ/)] + w(0>
где А и соо — амплитуда и НсЧ радиосигнала;
А,(0 — сообщение; ЧХО — случайный процесс,
связанный с Х(/) соотношением cW/dt = 'к\т —
постоянная, имеющая смысл индекса ФМ; n(t)
— аддитивный белый шум.
Записанные выражения являются частны-
ми случаями уравнения наблюдения вида
x(t) = 5[/, Х(/)] + n(t). Уравнение сообщения
имеет вид cDJdt = g(Z, X) + «ДО- Следствием
фильтрации будет оценка Х*(0 интересующего
нас параметра.
Как известно [5], оценкой, оптимальной по
критерию минимума среднеквадратической
ошибки, является условное математическое
ожидание А/{Х/х}, т.е. апостериорное матема-
тическое ожидание (обозначается X*). Для то-
го, чтобы найти оценку Х*(0, необходимо оп-
ределить апостериорную плотность вероятно-
сти W(t, X), удовлетворяющую уравнению
Стратоновича [4]. Оценка Х*(0 процесса x(f)
по критерию минимума среднеквадратической
ошибки определяется выражением
х.* =
Есть два методических подхода к решению зада-
чи оптимальной нелинейной фильтрации. Пер-
вый состоит в формировании текущей оценки.
Здесь знание фиксированного интервала наблю-
дения 0, Т не нужно и оценка Х*(0 вырабатыва-
ется непрерывно для любого момента времени.
Для этого подхода разработаны два метода полу-
чения алгоритмов наблюдения оптимальной не-
линейной фильтрации: на допущении о марко-
вости сообщения Х(0 — марковская теория оп-
тимальной нелинейной фильтрации (по Страто-
новичу) и гауссовская теория (по Большакову и
Репину). Отметим, что марковская теория дает
физически наглядные результаты только в слу-
чае гауссовской аппроксимации финальной апо-
стериорной плотности вероятности. Последняя
определяется выражением [7]
JT(Xz,Zz = iAt) =
= J... J
(z—1) раз
Второй подход состоит в формировании
оценки «в целом». Исходным допущением
здесь является гауссовость сообщения Х(0, что
дает возможность аппроксимировать его кано-
ническим разложением Карунена—Лоева
к
Г=1
Здесь А = [яь ..., а„ ..., — гауссово-распреде-
ленная векторная случайная величина с взаимно
некоррелированными компонентами аг. Детер-
минированные ортогональные функции Ч\(0
выбирают по заданной КФ сообщения ВД/, т).
Применение канонического разложения перево-
дит всю реализацию Х(0, заданную «в целом» на
интервале наблюдения 0 < t < Г, в функцию слу-
чайного параметра А, т.е. Х(0 = А). Это дает
возможность свести задачу оценивания функции
Х*(/) «в целом» на всем интервале наблюдения 0,
Т к задаче оценивания векторной случайной ве-
личины А* = [ai, ..., а„ ..., а*к\. Получив оценку
А*, нетрудно найти оценку сообщения
к
Г=1
Алгоритмы и структурные схемы фильтров
оптимальной нелинейной фильтрации приве-
дены в [5, 7].
21.3. СЛУЧАЙНЫЙ ПРОЦЕСС — это
процесс Х(0, каждое мгновенное значение ко-
торого (при t - ti) является случайной величи-
ной X(tt). Другими словами, С. п. — случайная
функция времени. Случайное значение X(/z),
которое приобретает С. п. при /==/, , называют
сечением С. п., соответствующим данному зна-
чению аргумента t. Реализацией случайного
процесса X(t) называют неслучайную функцию
х(0, в которую превращается С. п. X(t) после
проведения опыта. Если произведен не один
опыт, а несколько, после каждого из которых
на интервале времени [0, Т] обнаружена какая-
то реализация С. п. xz(0 (i — номер опыта), то
получим несколько различных реализаций
С. п.: Xj(fy x2(f), ..., xz(0, ..., или ансамбль (се-
мейство) реализаций (Рис. 21.7).
Глава 21. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
583
21.3. СЛУЧАЙНЫЙ ПРОЦЕСС
x(t)
Рис. 21.8
Определить заранее, какую реализацию мы
получим в текущем опыте на интервале времени
[О, 7], невозможно. Наибольшее, чего можно по-
желать, — это получить статистические характе-
ристики ансамбля реализаций, а на их основе —
искомый результат в вероятностных терминах. В
зависимости от того, непрерывное или дискрет-
ное множество значений приобретает случайная
величина X(t) и ее параметр /, различают пять
основных видов С. п. [1]: дискретная случайная
последовательность (квантованный по уровню
процесс с дискретным временем); случайная по-
следовательность (непрерывный процесс с дис-
кретным временем); дискретный С. п. (дискрет-
ный процесс с непрерывным временем); непре-
рывнозначный С. п.; случайный точечный про-
цесс (поток). Кроме того, возможны разнообраз-
ные, более сложные, смешанные виды С. п.
Белый шум — процесс, который имеет
равномерный энергетический спектр (ЭС) на
всех частотах, т.е. G(co) = Go, -°° < со < °°. КФ
Б. ш. В(х) = <7об(т), т.е. является 6-функцией в
начале координат. Таким образом, Б. ш. харак-
теризуется тем, что его значения в какие-либо
два, даже сколь угодно близкие, момента вре-
мени некоррелированы. Отметим, что понятие
Б. ш. касается только спектральной картины С.
п. и оставляет совсем открытым вопрос о зако-
нах распределения. Б. ш. является идеализаци-
ей (математической моделью), которая не реа-
лизуется в действительности, потому что, во-
первых, весьма близкие значения С. п. практи-
чески всегда зависимы, а, во-вторых, реальные
процессы имеют конечную мощность, а пол-
ная мощность Б. ш. бесконечна. Процесс, не
имеющий равномерного ЭС в полосе исследу-
емых частот, называют окрашенным шумом.
Выброс случайного процесса — событие,
которое состоит в пересечении реализацией С. п.
установленного уровня. Когда С. п. пересекает
уровень Н снизу вверх (Рис. 21.8), то говорят, что
имеет место положительное пересечение уровня
Н (положительный выброс). Если уровень Н пе-
ресекается сверху вниз, то говорят об отрица-
тельном пересечении (отрицательный выброс).
Реализация продолжительностью Т имеет п вы-
бросов на уровне Н. Величины т и 0 называют
соответственно длительностями положительных
и отрицательных выбросов [2]. Знание статисти-
ческих характеристик случайных величин и, т, 0,
Лги, Xmm необходимо при решении многих прак-
тических задач. Здесь Хт и Хтт — соответствен-
но максимальное и наибольшее максимальное
значение реализации. Так, в радиотехнических
устройствах, содержащих электронные реле и
триггеры, необходимо учитывать действие по-
лезных импульсных сигналов вместе с помеха-
ми. Последние могут вызывать «дрожание» как
момента срабатывания реле, так и момента окон-
чания его работы. Пороговый эффект приходит-
ся учитывать также в системах импульсной син-
хронизации, при оценке точности радиолокаци-
онных методов измерения дальности, в приборах
для измерения малых интервалов времени и в
других случаях. Для гауссовской стационарной
случайной функции X(t) среднее число положи-
тельных выбросов за уровень Н в единицу вре-
мени [2]
Хн= [1/(2л)]ехр[- (И-тх)2/(2сх)2](су/сх),
где Су — с.к.о. производной случайной функции
Y(t) = dX(t)dt, тхисх — математическое ожида-
ние и с.к.о. функции X(t). Аналогично определя-
ют среднее число пересечений сверху вниз.
Корреляционная функция — это функ-
ция, характеризующая степень зависимости
между сечениями С. п., взятыми в разные мо-
584
РАДИОТЕХНИКА
21.3. СЛУЧАЙНЫЙ ПРОЦЕСС
менты времени. КФ С. п. — двухмерная цент-
ральная моментная функция второго порядка
B(^2)=W*('1W'2)] =
=J j[xi-m1(Zj)][x2-™i(*2)]^2(xl>'i;x2,t2)dxxdx2,
где X(tx), X(t2) — центрированные случайные
величины, взятые в сечениях tx и t2, W2(xx, tx,
х2, tx)dxxdx2,— вероятность того, что в момент
времени tx функция X(t) находится в интервале
от Xi до X! + dxx, а в момент t2 — в интервале
от х2 до х2 + dx2. Двухмерную начальную мо-
ментную функцию второго порядка называют
ковариационной функцией
£('1>z2)J /*1*2^2 (*1> tx; х2, t2)dx\dx2.
Между КФ и ковариационной функцией
существует связь: К(/ь t2) = В(/ь t2) +
+ mx(tx)mx(t2). Для стационарного С. п. эти
функции приобретают вид В(т) и К(т), где т =
t2 - tx. КФ стационарного С. п. имеют такие
свойства: функции В(т) являются четными,
т.е. В(т) = 2?(-т); абсолютные значения КФ
при любом т не могут быть больше, чем ее
значения при т = 0, т.е. |В(т)| < В(0) = а2; при
неограниченном возрастании т функция
В(т) стремится к нулю, т.е. 1пп2?(т) = 0.
т—>оо
Если речь идет об одном С. п., то КФ называ-
ют автокорреляционной функцией (АКФ).
Кроме корреляционных, очень часто исполь-
зуют взаимно корреляционные функции
(ВКФ), характеризующие статистическую за-
висимость между значениями двух С. п. в два
одинаковых или разных момента времени.
Так, для двух стационарных С. п. X(t) и Y(t) с
математическими ожиданиями тХх и тХу ВКФ
имеет вид
Вху^\^2) =
= J j(* - т1х )(у - mly) W2 (*> zl; У, h )dxdy.
Функцию взаимной корреляции широко ис-
пользуют как критерий подобия двух сравнива-
емых процессов. На основе ВКФ построены оп-
тимальные корреляционные приемники, в кото-
рых сравнивают принятую реализацию смеси
сигнала и помехи с известной копией сигнала.
Если ВКФ зависит только от разности т = t2 - tx,
то процессы X(f), Y(t) называют стационарно
связанными и для них справедливо соотноше-
ние Bxy(tx, t2) = Вху(х) = Byx(-t). Для непрерыв-
ных и дискретных стационарных эргодических
процессов ВКФ определяются выражениями:
1 Т
В(т)=— (u(t)u(t+x)dt;
1 J
о
1 N
yv 1=0
где u(f) — случайное напряжение; То — интер-
вал дискретизации; Т — время наблюдения. В
символической форме записи
В(т) = u(t) и 0+т).
АКФ стационарного эргодического процесса
характеризует среднюю связь между значениями
этого процесса, разделенными интервалом т
(Рис. 21.9, а). Примерами АКФ, часто встречаю-
щимися на практике, являются АКФ на выходе
одиночного резонансного контура (Рис. 21.9, б) и
на выходе фильтра с прямоугольной АЧХ (Рис.
21.9, в). Для количественной характеристики сте-
пени линейной зависимости С. п. часто пользу-
ются нормированными КФ и ВКФ (коэффициен-
тами корреляции), которые определяются так:
, t2) = B(tx,t2)/сх2(tx) a2
Rxy ('i ,t2) = Bxy (q, t2) / 7a?Gi)<^G2)-
Для стационарных и стационарно связан-
ных процессов эти функции имеют вид:
/?(т) = В(т)/а2; Rxy(x) = Bxy(x)/(<sx<5y).
Степень коррелированности С. п. характе-
ризуют интервалом корреляции
тк =/|Л(Т) I dX
о
Значение тк дает ориентировочное пред-
ставление о том, на каком интервале времени в
среднем есть коррелированность между значе-
ниями С. п. (Рис. 21.10).
Винера—Хинчина формулы — энергетиче-
ский спектр и корреляционная функция стаци-
онарного С. п. являются парой преобразова-
ний Фурье (ПФ):
Глава 21 СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
585
21.3. СЛУЧАЙНЫЙ ПРОЦЕСС
G (со) = J В (т) ехр( -j сот) dv,
1 °°
В(т) = — j G(co)exp(ycoT)cZco.
Аналогичные соотношения действитель-
ны также для функции ковариации. Поскольку
К(т) = 2?(т) + т}2, можно записать 6(со) =
= F{/?(t)} + 2тии125(со). Формулы Винера—
Хинчина связывают между собой взаимный
энергетический спектр и ВКФ:
G„.«o) = F{Bxy(i)}; Bxy(t) = Г' {Gvv«o)};
Gyx(a>) = F{Byx(t)}; Byx(x) = F' {Gyx(<o)}.
Оценка характеристик случайных про-
цессов — определение характеристик С. п. на
основании ограниченного числа опытов. Любое
значение искомого параметра, вычисленное на
этой основе, всегда имеет элемент случайности.
Такое приближенное случайное значение назы-
вают оценкой параметра. Пусть а* есть оценка
параметра а. Естественно потребовать от оцен-
ки а*, чтобы при увеличении числа опытов она
приближалась (сходилась по вероятности) к па-
раметру а. Оценка, имеющая такое свойство,
называется состоятельной. Кроме того, жела-
тельно, чтобы, пользуясь величиной а* вместо
а, мы, по крайней мере, не делали систематиче-
ской ошибки в сторону завышения или заниже-
ния, т.е. чтобы выполнялось условие Л/(я*) = а.
Оценку, удовлетворяющую такому условию,
называют несмещенной. Наконец, желательно,
чтобы выбранная несмещенная оценка облада-
ла по сравнению с другими наименьшей дис-
персией, т.е. D(a*) = min. Оценку, обладающую
таким свойством, называют эффективной.
Чтобы оценить С. п., рассматривают ряд его
сечений для моментов времени /ь t2,..., tm и ре-
гистрируют значение функции X(t) в эти мо-
менты (см. Рис. 21.7). Каждому из моментов
/2, tm соответствуют п значений случайной
величины (п — число реализаций, полученных
после п независимых опытов). Оценки матема-
тического ожидания находят по формуле
= п,
1=1
где xt{t^ — значение, соответствующее z-й реа-
лизации в момент времени tk. Оценка дисперсии
586
РАДИОТЕХНИКА
21.3. СЛУЧАЙНЫЙ ПРОЦЕСС
D\tk) = ) - т* (tk )]2 /(п -1).
/=1
Оценка корреляционных моментов определя-
ется выражением
B\tk,te) =
= ) -т1 (Ze) “ml О “ *)•
>=1
Для стационарных эргодических процес-
сов оценки получают усреднением по времени
для одной реализации [3,4]. Оценки математи-
ческого ожидания и дисперсии для таких про-
цессов определяются выражениями (2), (3) —
см. далее.
Плотность вероятностей случайного
процесса — производная от соответствующей
функции распределения. Одномерной плотнос-
тью распределения вероятностей С. п. называ-
ют функцию W(x, Zi) = dF(x, t})/dx. Производная
от «-мерной функции распределения есть п-
мерная плотность распределения вероятностей
FFп(Х\, t\, ^2, /2, ••• 9 ХП> tn) ~
(*1 9 х2 ’ ^2 ’ )
3hqdr2 ... дхп
Плотность вероятностей имеет свойства:
положительности
Л? *2, ^2? ••• 9 -*719 ^1) — О9
нормировки
j... x2,t2;...; х„,Г„)ах^х2...(1хп =1;
симметрии
FFп(Х\, t\, Х2, ^9 ••• 9 -^Л9 tn) ~
— JFn(xn, tn, X„.j, tn_i, ... , X], /]),
согласованности
tl, ... , Xm, tm) —
= /••• ’ xndn)^xm+l“- dxn‘
Оценка плотности распределения опреде-
ляется выражением (1) — см. далее.
Преобразование случайных процессов в
линейных цепях — см. ст. 19.6 .
Преобразование случайных процессов в
нелинейных и параметрических цепях —
см. ст. 19.7 .
Проверка статистических гипотез отно-
сительно вида распределения случайного
процесса — подтверждение или опроверже-
ние гипотезы Н, состоящей в том, что С. п.
подчиняется определенному закону распреде-
ления F(x, Zi). Поскольку сечение С. п. в мо-
мент времени t = tx является случайной вели-
чиной, для проверки гипотезы относительно
закона распределения С. п. используют крите-
рий Колмогорова (см. ст. 1.18).
Случайный процесс гауссовский (нор-
мальный) — процесс, в котором для
какого-либо конечного множества моментов
времени t2i tn случайные величины
Х} = X(tx), ..., Хп = X(tn) имеют «-мерную
функцию плотности вероятностей вида
Wn(xx,t}-,x2,t2-,=
1 г 1
-----------1/ \ еХр[~2В Х
G1a2...aJ(27t)n£>
xz- - Шу
хк~т\к}
°к
где mik — математическое ожидание случай-
ной величины X(tk), ъ2к — ее дисперсия; D —
определитель «-го порядка, составленный из
коэффициентов корреляции Rik =
Dik — алгебраическое дополнение элемента Rik
в определителе D.
Одномерная функция плотности вероятно-
стей гауссовского процесса имеет вид
W(x, t) = [1/(ал/2я)]ехр[-(х - m1)2/(2o2)],
где «ii — математическое ожидание; а —
с.к.о.. Заметим, что «г/, а* являются соответ-
ствующими оценками этих параметров.
Вероятность нахождения значения X(t) в
интервале от а до b определяется выражением
Р(а<Х <Ь) =
1 b
—-г= [ехр[-(х -Ш\У /(2а2}\dx =
aV2n Ja
A b-m}\ ( а- т\
— Ф --- — Ф --
la) 1а
где Ф(х) = J— Гехр(—Г2 / 2) dt функция
41Т1 Д
Лапласа, или интеграл вероятностей, значения
которого протабулированы [2].
Глава 21. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
587
21.3. СЛУЧАЙНЫЙ ПРОЦЕСС
В радиотехнике гауссовский С. п. является
адекватной математической моделью актив-
ных и пассивных помех, внешних и внутрен-
них шумов, узкополосных и групповых сигна-
лов в многоканальных системах и пр. Адекват-
ность модели гауссовского С. п. многим реаль-
ным помехам и сигналам и ее универсальность
объясняются в большинстве случаев действи-
ем центральной предельной теоремы.
С. п. г. имеют несколько существенных ка-
честв: они исчерпывающе определяются мате-
матическим ожиданием mx^t) и нормированной
КФ R(tb tk); для С. п. г. некоррелированность зна-
чений процесса тождественна их независимос-
ти, а понятия стационарности в широком и уз-
ком смысле совпадают; результатом линейных
преобразований С. п. г. является также С. п. г.
Случайный процесс импульсный — по-
следовательность импульсов, параметры кото-
рых являются случайными величинами. Если
форма импульсов известна, то случайными мо-
гут быть отдельные параметры импульсов: амп-
литуда Аь длительность т£, время появления th
интервал прохождения Ть Случайные импульсы
могут быть не перекрывающимися (Рис. 21.11)
или перекрывающимися. Аналитическая запись
реализации импульсного сигнала имеет вид
N
/=1
С. п. и. с детерминированным тактовым ин-
тервалом называют периодическими (напри-
мер, при АИМ), а С. п. и., которые его не име-
ют, — апериодическими (например, случай-
ный телеграфный сигнал). Последователь-
ность квазипериодических случайных им-
пульсов встречается при разных видах им-
пульсно-временной модуляции [2], а также
при атмосферных, индустриальных, транс-
портных импульсных помехах.
Рис. 21.11
Случайный процесс марковский — про-
цесс, полйое вероятностное описание которого
задается двухмерным распределением. Мар-
ковские процессы называют еще процессами
без последействия. В зависимости от того, дис-
кретное или непрерывное множество значений
приобретают случайная величина X(t) и ее па-
раметр t в области задания процесса [0, 7], раз-
личают четыре основных вида С. п. м.: марков-
ские цепи (дискретный процесс с дискретным
временем), марковские последовательности
(непрерывный процесс с дискретным време-
нем), дискретный марковский процесс (дис-
кретный процесс ’ с нёпрерывным временем) и
непрерывнозначнйй марковский процесс (не-
прерывный процесс с непрерывным временем)
[4]. Кроме того, возможны иные, более слож-
ные процессы марковского типа. Случайный
процесс называют марковским, если для ка-
ких-либо п моментов времени t\ < t2 < ...<tnws
отрезка [О, Т ] условная функция распределе-
ния последнего значения Д/„) при фиксиро-
ванных значениях X(tx\ X(t2), ..., Х(г„_]) зави-
сит только от X(tn_i), т.е. при заданных значе-
ниях хь х2, ..., хп справедливо соотношение
P{X(t„) <х„/X(t}) = Xi, , X(t„_A) = х„_|} =
= P{X(t„)<x„/X(t„_i)=xn^}.
Для трех моментов времени tt > tj > tk это
выражение имеет вид
P{X(tl) < XiIX(tk) = хь X(tj) = xj} =
= P{X(tl)<xiIX{tj) = xj}.
Исходя из этого можно сформулировать ха-
рактерную особенность марковских процес-
сов: если точно известно состояние марковско-
го процесса в настоящий момент времени (гу),
то следующее его состояние (при /,) не зависит
от прошлого состояния (при tk). Для марков-
ских процессов «-мерная плотность распреде-
ления вероятностей может быть задана в виде
п-1
(х, ,х2,...,х„)= W(x} )П^+1 / xi) •
Условные вероятности FT(x/+i/xz) следует на-
зывать вероятностями перехода из состояния xz в
состояние х/+1 за промежуток времени (Zz+1 - /£).
Это означает, что любое «-мерное распределе-
ние марковского процесса может быть найдено,
если известно одномерное распределение про-
цесса и условные плотности распределения ве-
роятностей перехода. С. п. м. широко использу-
ют в радиотехнике при моделировании каналов
связи, анализе систем ФАПЧ, оптимальной
фильтрации и т.п. [4].
588
РАДИОТЕХНИКА
21.3. СЛУЧАЙНЫЙ ПРОЦЕСС
Случайный процесс стационарный и не-
стационарный — процесс, который удовлетво-
ряет или не удовлетворяет условиям стационар-
ности. С. п. называют стационарным в узком
(строгом) смысле, если плотность распределения
вероятностей произвольного л-го порядка не за-
висит от сдвига всех точек наблюдения /2,tn
вдоль оси времени на одинаковое значение /0‘
FFп(Х\, х2, ^2> ••• j хп> ^п)
— Wц(Х\9 + Zq, Х2, Z2 + /о, ... , Хп, tn + Zq).
Другими словами, это такой процесс, статис-
тические характеристики которого не изменяют-
ся во времени. Он является аналогом установив-
шегося процесса. Никакой переходный процесс
не может быть стационарным. Основные свойст-
ва стационарного в узком смысле С. п. рассмот-
рим на ансамбле реализаций (см. Рис. 21.7).
1. Одномерная плотность распределения
вероятностей не зависит от времени: 1Г(х, t\) =
= W(x, t\ + Zo) = №(х), где И%х, / J — плотность
распределения, определенная в сечении При
этом оценка плотности этого распределения
(Рис. 21.12)
( , . \ . m[x'<X(<i)<x' + Ax]
' МЛх
где т[х' < X(t\) <xf + Дх] — число реализаций,
которые попали в интервал Дх « х'; М — об-
щее число реализаций.
2. Двухмерная плотность распределения
вероятностей зависит только от одного параме-
тра т = t2 -1\ и при т = const не изменяется для
любых значений времени t\ и /2:
W2(xl,tl',X2,t2) =
= И"2(хь tx + t0; х2, t2 + to) = W2(xx, x2, T).
Следующие три свойства являются следст-
вием первых двух: математическое ожидание
не зависит от времени и является постоянной
Рис. 21.12
величиной /И1[А(/)] = а; дисперсия С. п. также
величина постоянная: D[X(Z)] = <*2; КФ зависит
только от т, т.е. В(1Ъ t2) = В(т).
При решении многих практических задач
многомерные плотности распределения вероят-
ностей не рассматривают, а используют постоян-
ное математическое ожидание и функцию корре-
ляции, зависящую только от временнэго сдвига .
В связи с этим введено менее строгое понятие
стационарности случайного процесса в широком
смысле, при котором математическое ожидание
процесса не зависит от времени (постоянно), а
КФ зависит только от разности аргументов . С.
п., стационарные в узком смысле, всегда стацио-
нарны в широком смысле, но не наоборот.
Нестационарные — это процессы, не удовле-
творяющие перечисленным выше условиям (на-
пример, атмосферные помехи, шумы ламп с пе-
ременным напряжением накала, сигналы про-
грамм радиовещания). Следует подчеркнуть,
что, хотя в общем радиотехнические процессы
являются нестационарными, в большинстве
практических применений их рассматривают как
стационарные или приводят к последним [4].
Случайный процесс узкополосный — С. п.
с нулевым математическим ожиданием, у кото-
рого ширина полосы ДГ той области частот, где
физическая спектральная плотность G(J) заметно
отличается от нуля, мала по сравнению с некото-
рой центральной частотой/0 этой области, т.е.
G(/)*0, /о-А//2</</о + А//2, Д/«/о.
В общем случае С. п. у. соответствует ква-
зигармоническому сигналу с медленно изменя-
ющимися амплитудой и фазой. Поэтому часто
С. п. у. представляют в виде
x(t) = Д/)со8[сОо/-ф(0], ^(0^0, 0<ф(/)<2л,
где A(t) и ф(0 — функции времени, медленно
изменяющиеся по сравнению с cosoV- Их на-
зывают соответственно огибающей и фазой
С. п. у. Такой процесс можно записать иначе:
x(t) = Ae(t)cos<o0t + ^5(Z)sincoo^
где Ac(t) = Л(()со8ф(0, As(t) = A(t)sincp(t) — ква-
дратурные составляющие. Очевидно, что
A(t)=^A^t) + Aj(t),
<р(0 = arctg^XO / ЛС(Г)].
Плотность вероятности огибающей гауссов-
ского С. п. у. с симметричной спектральной плот-
ностью распределена по закону Релея W(A) =
= (А/о2)ехр(-А2/2о2) (см. ст. 1.18), а фаза имеет
равномерное распределение РК(ф) = 1/(2л). Здесь
т
о2 =(1/ T)fx2(t)dt — дисперсия мгновенных
о
Глава 21. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
589
21.3. СЛУЧАЙНЫЙ ПРОЦЕСС
значений гауссовского процесса x(t) с нулевым
математическим ожиданием. Математическое
ожидание и дисперсия огибающей и фазы С. п.
у. определяются так:
те, (А) = J A JV(A) dA = ga/kTI;
О
Qj = 2а2 - а2я/2 « 0.43а2;
2л
М1(ф) = ]*ф^(ф) ^ф = л, а2 = л2/3.
о
Случайный процесс эргодический —
стационарный процесс, характеристики кото-
рого, полученные усреднением по одной реа-
лизации за весьма большой промежуток вре-
мени, эквивалентны характеристикам, усред-
ненным по ансамблю (множеству реализаций).
Характеристики С. п. э. определяются выраже-
ниями:
1 Т
mi = Wm —$x(t)dt;
о
I 1
а2 = lim — J[x(r) — m}]2dt;
т
В(т) = lim J[x(r) - mx ] [x(r + т) - mx ] dt.
о
Чаще используют усреднение по времени,
поскольку его проще реализовать, чем усредне-
ние по ансамблю, потому что исследователь не
всегда имеет в своем распоряжении ансамбль
реализаций. Действительно, какую-либо беско-
нечную реализацию С. п. э. можно разбить на
несколько довольно длинных отрезков, причем
длительность каждого из них должна быть
больше интервала корреляции процесса. Из-за
того, что процесс стационарный, вероятност-
ные свойства этих отрезков одинаковы. Следо-
вательно, их можно рассматривать как отдель-
ные реализации С. п. э., принадлежащие одно-
му ансамблю. Таким образом, одна довольно
длинная реализация С. п. э. эквивалентна ан-
самблю (множеству) реализаций.
Функция распределения случайного про-
цесса одномерная определяет вероятность того,
что при t = tx случайная функция X(t) находится
ниже уровня Xi, т.е. F(x, zO = P[X(tx) < xj. Вре-
мя t здесь играет роль параметра. В общем аргу-
мент X! может лежать в границах от -©о до +<*>.
Многомерная функция распределения определя-
ет вероятность того, что случайная функция X(t)
в моменты времени Zb t2, ..., tn находится ниже
соответствующих уровней хь х2,..., хп\
IV„(xl,tl;x2,t2;...;x„,t„) =
= P[X(t,)<х,; X(l2)<х2-...;X(tn)<х„].
Функция распределения имеет такие свой-
ства: вероятность того, что случайная величи-
на X(t\) находится ниже уровня хх = -©©, равна
t\)= ^И(/1) < -°°] = 0. Это вытекает из
того, что случайная величина по условию не
может быть меньше -©©; вероятность того, что
случайная величина Х(({) находится не выше
уровня Xi = ©°, равна 1 как вероятность пол-
ностью (абсолютно) достоверного события
F(©©, Ч) = ^[ДЧ) < ©°] = 1; «-мерная функция
распределения F„(xb х2, t2i ...; x„, tn) —
функция, не уменьшающаяся для каждого из
ее аргументов; из функции распределения
высшего порядка всегда можно выделить
функцию распределения низшего порядка, ес-
ли остальные аргументы равны ©©:
ч,..., xh t/f) —
= F„(xi, Г,; ...; tk; tk+i \...; <*>, tn).
Между одномерной функцией распределе-
ния и плотностью вероятностей существует
связь:
F(x,t\) = jw (x,t\)dx.
Связь между «-мерной функцией распреде-
ления и плотностью вероятностей такова:
j... jw„(xhtr, х2,12;...; х„, t„)dxtdx2...dx„.
Характеристическая функция одномер-
ная — математическое ожидание случайного
процесса exp[/vx(r)], т.е.
6] (Л, t) = {ехр[/v,x(t)]} =
= jexp[jv1x]wz(x,f1)dx.
Характеристическая функция и плотность веро-
ятностей связаны между собой парой комплекс-
но-сопряженных преобразований Фурье, т.е.
590
РАДИОТЕХНИКА
21.3. СЛУЧАЙНЫЙ ПРОЦЕСС
el(jVl,ti) = F^{W(x, Г,)};
W(x, /1)=^1{0|(/Уь«1)} =
= ^~ j6C/v1,?1)e-7V'\Zv1.
2Я J
Для стационарного С. п.
01(^)= °jw(x)ejv'xdx.
Произвольная конечномерная характерис-
тическая функция
6„0Wi;7V2>?2;...;/vn)/„) =
= m1{exp[j^vtx(rt)]} =
k=\
= J •• ^„(x^ x2,t2;x„,tn)exp(jvixl +
+ yv2 x2 + ...+ jv„x„) dx}dx2... dx„.
Характеристическая функция имеет свой-
ства: нормировки 0(0) = (х) dx = 1;
согласованности 0w(/Vi, ...; jvw, tm) =
= 0л (/V1, 6nJ o, tm+l-...; 0, tn) и симме-
трии ед/vi, л;...;JV„, tn) = Qn(jvn, tx).
Частные характеристики случайного
процесса — неслучайные характеристики, вы-
ражающие наиболее существенные особеннос-
ти распределения. В качестве частных характе-
ристик рассматривают начальные и централь-
ные моментные функции, ЭС, интервал корре-
ляции и др. Начальную моментную функцию
£-го порядка определяют по формуле
«*№)]=
Одномерную начальную моментную функцию
первого порядка m1[X(Z1)] = JxFT(x, t\)dx
—оо
называют математическим ожиданием С. п. В об-
щем случае математическое ожидание С. п. раз-
ное для разных моментов времени, поэтому оно
является функцией параметра t. Центральные
моментные функции вычисляют по формуле
Hi [* (<!)] = mk [A'C/j) - m, (tj)] =
Центральная моментная функция первого
порядка всегда равна нулю. Центральную мо-
ментную функцию второго порядка называют
дисперсией С. п.:
Н2[^('1)] = <А'1) =
= J[*-№1G1)]2^(^ h)dx-
Величина a(/i) есть с.к.о. С. п. Существуют
также «-мерные начальные и центральные мо-
ментные функции &-го порядка, выражающие
особенности «-мерного распределения [2]. Для
стационарных процессов начальные, а также
центральные моментные функции какого-либо
порядка являются постоянными величинами и
не зависят от времени наблюдения С. п., т.е.
это числовые характеристики:
mk = Jx*fP(x)t/x = const;
= J(x — m\)kW(x)dx = const.
Для стационарных эргодических процес-
сов математическое ожидание имеет физичес-
кий (радиотехнический) смысл постоянной со-
ставляющей (/_, а дисперсия — мощности
флуктуаций, которая выделяется на сопротив-
лении 1 Ом (Рис. 21.13). Эти частные (число-
Глава21. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
591
21.3. СЛУЧАЙНЫЙ ПРОЦЕСС
вые) характеристики определяются соответст-
венно по формулам:
____ 1 т
м[«(/)]=«w=-
О
------=Т- ] Т ___
О2 =[u(r)-u(z)]2 =—J[u(O-u(t)]2dt
о
при условии Т » тк, где Т — интервал наблю-
дения С. п.; тк — интервал его корреляции; u(t)
— случайное напряжение; с.к.о. имеет смысл
эффективного значения С. п.: а = £/эф.
Оценки характеристик находят так. Интер-
вал наблюдения С. п. делят на ТУ равных частей
длиной А/ = TIN и определяют середины полу-
ченных отрезков /2, •••> tn (Рис. 21.14). Тогда:
---7 1 N
«(о* <2>
Z=1
Р‘ = ^[и(/,)-и(гГ]/^-1). (3)
Z=1
Энергетический спектр (ЭС) — спект-
ральная плотность мощности С. п. Непосред-
ственное применение аппарата рядов и интег-
рала Фурье к С. п. невозможно, потому что, с
одной стороны, не каждая реализация x^t) яв-
ляется периодической функцией и может быть
представлена рядом Фурье, а с другой — инте-
грал Фурье от реализации бесконечной дли-
тельности не сходится. Кроме того, известно,
что спектральные функции содержат информа-
цию о вполне определенных соотношениях
между амплитудами и фазами колебаний раз-
ных частот; для С. п. определенности в этих
соотношениях быть не может. Однако, если
применить спектральные представления отно-
сительно реализаций по мощности, которые не
содержат информацию о фазах составляющих
С. п., то аппарат Фурье применить можно. Для
этого находят ЭС z-й текущей реализации
♦
_ . ч 5г/(со)5п(со)
(7. (со) = hm который характе-
г-ю Т
ризует частотное распределение усредненной
по времени мощности в z-й реализации про-
цесса на интервале времени [0, 7], где STz(co) —
текущий спектр (см. ст. 19.12). Умножение на
1/Г связано с неограниченным возрастанием
энергии при Т —> ©о. Спектральную плотность
мощности стационарных С. п. называют мате-
матическим ожиданием найденной спектраль-
ной характеристики:
Г-»оо Т
где усреднение проводится по ансамблю реа-
лизаций.
Последнее выражение дает возможность
найти аппаратурный ЭС (спектральную плот-
ность мощности), где S/co) рассчитывают как
БПФ. Средняя мощность стационарного С. п.
равна площади под кривой физического ЭС (спе-
ктральной плотности мощности), которая, как
правило, спадает с ростом частоты (Рис. 21.15):
Р=^р(<о)Ло.
О
Мощность, сосредоточенная в конечной
полосе CDj—со2, Р = — ^С(со)с7со. Отсюда
следует еще одно определение спектральной
Рис. 21.14
Рис. 21.15
592
РАДИОТЕХНИКА
21.4. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМ. СИСТЕМ ПРИ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
плотности мощности на частоте со, как мощно-
сти процесса, приходящейся на область час-
тотного диапазона (со/5 со, + Асо), отнесенной к
его ширине:
Асо
G(cOj)= lim G (cOj).
Д(О->0
Приведенные выражения удобны для аппа-
ратурной реализации — см. анализатор спект-
ра в ст. 14.1. Иногда в качестве характеристик
С. п. используют различные параметры спект-
ральной плотности. Самым распространенным
из них является эффективная ширина спектра
= |с(а>)Ло/С(аь).
Эту величину можно рассматривать как шири-
ну равномерного спектра в полосе Асоэф для
процесса, эквивалентного данному по средней
мощности.
21.4. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ
ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ПРИ
АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ —
синтез в условиях неполной априорной инфор-
мации относительно статистических характе-
ристик случайных величин, от которых зави-
сит принятие решения: априорных (предшест-
вующих приему реализации) законов распре-
деления вероятностей сигналов, помех, их сме-
си или частных характеристик этих распреде-
лений (моментов распределения, корреляцион-
ной функции, энергетического спектра), а так-
же параметров истинных ситуаций (состояний,
событий) и возможных потерь. В этих услови-
ях классический статистический синтез (см. ст.
21.5), требующий полной априорной опреде-
ленности, не может быть непосредственно ре-
ализован. Это не означает, что наработанный
банк оптимальных алгоритмов для различных
сигнально-помеховых обстоятельств становит-
ся ненужным. Так, при несущественной апри-
орной неопределенности можно использовать
оптимальный алгоритм с известной потерей
качества. Это также касается случаев неполно-
го статистического описания. При существен-
ной априорной неопределенности применяют
методы, в которых так или иначе используют
принципы оптимальной обработки. Наконец,
оптимальные алгоритмы позволяют получить
«оценку сверху», показывающую, насколько
мы приблизились к потенциальной помехоус-
тойчивости.
Следует подчеркнуть, что переход от ал-
горитмов, отвечающих условиям полной ап-
риорной определенности, к алгоритмам, ра-
ботающим при априорной неопределенности,
является закономерным переходом от частно-
го к общему. Он обусловлен двумя обстоя-
тельствами: с одной стороны, новыми прак-
тическими потребностями, а с другой — воз-
растающими возможностями реализации ал-
горитмов как относительно их сложности,
так и быстродействия.
Среди основных направлений преодоления
априорной неопределенности можно выделить
асимптотически оптимальные алгоритмы,
которые применяются в случае коррелирован-
ных и некоррелированных помех. Они облада-
ют высокой эффективностью только при боль-
ших массивах наблюдения и сложны при ис-
следовании скорости сходимости к оптималь-
ным алгоритмам. Метод инвариантности поз-
воляет синтезировать алгоритмы обнаружения
сигналов на фоне коррелированных помех,
имеет свойства оптимальности и устойчивости
при конечном времени наблюдения. Использо-
вание метода ограничено параметрической ап-
риорной неопределенностью и экспоненциаль-
ным классом законов распределения. Метод
контраста, отличающийся простотой и инва-
риантностью к анизотропному полю помех,
требует организации опорного канала, кото-
рый не всегда может быть реализован. Метод
адаптации — безусловно наиболее универ-
сальный; применяется, когда неизвестна не-
большая часть параметров сигналов и помех.
Основывается на использовании обучения, в
ходе которого находят неизвестные характери-
стики исследуемых объектов. Принципиаль-
ный недостаток метода — необходимость до-
полнительного времени на обучение. Непара-
метрические методы применяют, когда число
неизвестных параметров велико, а вид распре-
деления входных данных неизвестен. Основ-
ное ограничение — требование независимости
элементов выборки. При коррелированных на-
блюдениях свойства непараметрических алго-
ритмов теряются.
Адаптация — термин, заимствованный из
биологии, где он означает приспособление жи-
вых организмов к изменяющимся условиям их
жизнедеятельности. Это же свойство характер-
но для достаточно высокоорганизованных тех-
нических систем. Так, к адаптивным системам
Глава 21. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
593
21.4. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМ. СИСТЕМ ПРИ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
можно отнести: приемники с АРУ, где необхо-
димое усиление сигналов определяется мощно-
стью принимаемой радиостанции; приемники с
автоматическим регулированием ширины ПП в
зависимости от уровня шумов; телевизоры с
автоматическим регулированием яркости соот-
ветственно освещенности помещения; фотоап-
параты с автоматическим регулированием диа-
фрагмы в зависимости от освещения объекта и
т.п. В широком смысле термин А. понимают
как процесс автоматического изменения
свойств системы с целью достижения эффек-
тивного ее функционирования при изменении
условий эксплуатации. При этом адаптивным
системам, построенным на основе эмпиричес-
кого синтеза, могут быть присущи вообще не
самые лучшие свойства. Поэтому в дальней-
шем в понятие А. будем вкладывать более уз-
кий смысл.
Относительно оптимального синтеза ин-
формационных систем А. является универсаль-
ным способом преодоления априорной неопре-
деленности; в результате его применения про-
исходит оптимальное, по принятому критерию,
приспособление к неизвестной и изменяющей-
ся сигнально-помеховой обстановке. Общий
принцип построения адаптивных систем осно-
вывается на использовании обучения, в ходе ко-
торого измеряют неизвестные функции распре-
деления вероятностей или их частные характе-
ристики, а потом полученные оценки вводят в
выбранный функционал оптимальной обработ-
ки вместо априорно неизвестных истинных ха-
рактеристик исследуемых объектов. Иногда под
адаптивными понимают алгоритмы, инвариант-
ные к изменению сигнально-помеховой обста-
новки и условий эксплуатации систем.
Теория А. — одно из направлений теории
оптимальных статистических решений, харак-
теризующееся рядом особенностей: увеличен-
ным числом рассматриваемых параметров,
широким использованием стохастических ите-
рационных методов, заменой априорных веро-
ятностей эмпирическими оценками. Полная
оптимизация адаптивных систем возможна
только при одновременном рассмотрении про-
цессов обучения, обработки и принятия реше-
ния. Для того чтобы адаптивная задача была
решена эффективно, необходимо выдержать
условие «большого параметра»
N = M/r»l, (1)
где М = 77тк » 1 — статистическая представи-
тельность; Т — продолжительность реализа-
ции; тк — интервал корреляции; г — число не-
известных параметров, по которым ведется
адаптация [8].
В качестве примера рассмотрим общую
структурную схему адаптивного квазиопти-
мального обнаружителя (Рис. 21.16). В услови-
ях априорной определенности применяют ал-
горитм оптимальной обработки (см. ст. 17.14)
Н
Хопт = FF(x | E)/fF(x| и) % Р,
н
(2)
где FK(Z), W(n) — априорно известные распре-
деления смеси и помехи соответственно, с по-
мощью которых обрабатывают принятую реа-
лизацию x(t). Порог р определяется принятым
критерием оптимальности и формируется в
блоке выработки порога ВВП на основе апри-
орной информации АИ (см. ст. 21.5). В услови-
ях априорной неопределенности, когда распре-
деления FK(Z), W(n) неизвестны, их приходится
заменять оценками И^(Х), №*(п) и соответст-
венно переходить к квазиоптимальному обна-
ружителю
Н
Xm,om=W\x\'L)/W\x\n)^p. (3)
Н
О
Оценки распределения формируются в
блоке выработки оценок БВО на основе апри-
орной информации АИ и апостериорной ин-
формации: реализации х(/), которая поступает
из рабочего канала, и помехи n(t), приходящий
от опорного канала. Выходной продукт квази-
оптимальной обработки — отношение правдо-
подобия А,квопт направляют в решающее уст-
ройство РУ (в простейшем случае — порого-
вое устройство), где принимается решение в
бинарной альтернативе (Н\ или //0) с последу-
ющим отображением информации в средстве
отображения СОИ.
594
РАДИОТЕХНИКА
21.4. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМ. СИСТЕМ ПРИ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
Адаптация при пространственно-времен-
ной обработке (адаптивные антенные решетки)
рассмотрена в ст. 17.3.
Адаптивные квазиоптимальные алго-
ритмы обнаружения. Рассмотрим алгоритм
обнаружения шумовых сигналов на фоне шу-
мовой помехи как наиболее сложную задачу,
поскольку в ней существует наименьшее от-
личие между характеристиками сигнала и по-
мехи. В том счастливом случае, когда имеет-
ся априорная определенность, на основе ал-
горитма максимального правдоподобия мо-
жет быть сформирован рабочий оптималь-
ный алгоритм обнаружения, где статистиче-
ское описание дается не распределением ве-
роятностей, а их частной характеристикой —
спектральной плотностью мощности (СПМ)
*ОПТ = 2ОПТ(Г) = J р. (4)
AQ ^п.а С05)
Здесь ZonT(7) — выходной продукт, полу-
ченный в результате оптимальной обработки
реализации случайного процесса x(t) на интер-
вале времени (О, Т), который может быть либо
помехой в виде шумового стационарного гаус-
совского случайного процесса с априорно из-
вестной СПМ Сп.а(о)), либо аддитивной сме-
сью этой помехи со случайным сигналом с ап-
риорно известной СПМ Gca(w). Корреляцион-
ные функции сигнала и помехи произвольны и
удовлетворяют лишь условию статистической
представительности:
«Т; Ткс «т,
где тк п и тк с — интервалы корреляции помехи
и сигнала.
В формуле (4) 5Х05) — преобразование Фу-
рье реализации х(7); AQ — частотная область
существования сигнала Gc а(со) > 0; р — порог,
при превышении которого принимается гипо-
теза Нх о наличии сигнала против альтернатив-
ной гипотезы Но о его отсутствии.
Выполним адекватное преобразование ал-
горитма (4) к виду, удобному для аппаратурной
или программной реализации:
£опт(п=J (t)dt s3 • (5)
В (5) интегрирование в диапазоне частот
AQ заменено суммированием компонент вы-
ходного продукта, полученных в частотных ин-
тервалах Дсо = M1/N, в пределах которых СПМ
Gc.a(to) и Gn,а(со) существенным образом не из-
меняются. Эквивалентная структурная схема
алгоритма (5) изображена на Рис. 21.17, где
ПрС — широкополосный преселектор, пред-
назначенный для обеспечения предваритель-
ной избирательности и усиления входного ко-
лебания u(t) до уровня х(/), необходимого для
качественной обработки; Ф, — узкополосный
фильтр с полосой Дсо, собственной частотой соО/
и единичным коэффициентом усиления; £/ф/ —
огибающая отклика этого фильтра при воздей-
ствии на его вход колебания x(t); КвД, — квад-
ратичный детектор; Иг — интегратор с време-
нем интегрирования Т; Wai — весовой множи-
тель; РУ — решающее (пороговое) устройство;
ВВП — блок выроботки порога р; АИ — апри-
Глава 21. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
595
21.4. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМ. СИСТЕМ ПРИ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
орная информация, используемая при работе
схемы. Как следует из Рис. 21.17, выходной
продукт ZonT(7), поступающий на решающее
устройство, является взвешенной суммой:
Zom(T) = I Gca,Gna) = ар, (6)
Z=1 ^0
где мощность на выходе z-ro звена фильтр —
квадратичный детектор — интегратор
т
Рл=рФ,(')Л,
о
а весовой коэффициент, рассчитанный по ап-
риорно известным СПМ сигнала и помехи,
Wai=GcM/G2na(^)-
Функционал Х(х|(7са> 6Па) — функцио-
нальная запись принципа действия алгоритма,
которую понимают как оптимальный функцио-
нал обработки реализации x(f) с помощью ап-
риорно заданных характеристик Gc a, Gn а.
В случае априорной неопределенности от-
носительно СПМ сигнала и помехи необходи-
мо перейти к адаптивному квазиоптимально-
му универсальному алгоритму обнаружения
2кв.опт(Л = ЦЬтЧ JU*Vdt S ₽ ’ (7)
"О»/)» Но
где истинные значения СПМ сигнала и помехи
заменены их оценками G *ca(coz), G*na(coz).
Эквивалентная структурная схема алгоритма
(7) показана на Рис. 21.18. Схема содержит че-
тыре основных блока, выделенных штриховыми
линиями. Блок выработки оценок СПМ помехи
БВОП работает от опорной реализации un(f) —
помехи, статистические характеристики которой
совпадают (достаточно близки) с характеристи-
ками помехи в смеси u(t) основного канала, ко-
торый исследуется на наличие сигнала. Органи-
зация опорного канала бывает различной: реали-
зация un(t) может быть получена благодаря про-
странственному или временному сдвигу относи-
тельно рабочей реализации u(t). В БВОП введен
широкополосный ПрС с выходным напряжени-
ем помехи п(/) и устройство спектрального ана-
лиза УСА-П, которое имеет N парциальных ка-
налов фильтр — детектор — интегратор с поло-
сой анализа Д<о = M1/N. На выходе каждого пар-
циального канала формируется величина pni —
оценка мощности помехи на частоте coz в полосе
Дсо, которая тем ближе к спектральной плотнос-
ти мощности помехи, чем уже полоса Дсо. Блок
выработки оценок СПМ смеси БВОС имеет ана-
логичную структуру и формирует N оценок
СПМ смеси pxi. В блок формирования выходно-
го продукта БФВП введен БВВК — блок выра-
ботки весовых коэффициентов
W,’=GC’(®,)/Gn’2(<o,), (8)
где
с;(со/) = Рл/-Рп/; С*(со,.) = рп/., (9)
с помощью которых получают взвешенную
сумму
I Д нх
2кв.опт(Л = Х(хGC*,G*) = ^W*Pxi g р. (10)
i=l Но
Преимущество алгоритма (10) в его уни-
версальности, недостаток — значительная по-
грешность оценки СПМ сигнала G*c(coz), кото-
рая определяется как малая разность двух
больших случайных величин (9), вследствие
чего снижается точность весовых коэффициен-
тов (8) и выходного продукта (10). Этот прин-
ципиальный недостаток, обусловленный недо-
стоверностью оценки пороговых сигналов, со-
храняется и при других БФВП, например в ал-
горитме Репина—Тартаковского [9]
^кв.опт(^) “
или в более простом алгоритме Красного—
Пешкова
N
^кв.опт (О = [(1 ^Pni) “ 0 ^Pxi)] Pxi •
i=l
Дальнейшее улучшение качества обнару-
жения дает переход к адаптивному квазиоп-
тимальному специализированному алгорит-
му обнаружения. Идея последнего состоит в
том, что благодаря отказу от универсальнос-
ти при переходе к задаче обнаружения кон-
кретного класса объектов может быть ис-
пользована дополнительная априорная ин-
формация. Как указано выше, слабое место
универсального обнаружителя — погреш-
ность оценки СПМ сигнала (7*с (coz); поэтому,
сохранив предыдущую структуру алгоритмов
(7) и (10), применяют комбинированную (ап-
596
РАДИОТЕХНИКА
21.4. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМ. СИСТЕМ ПРИ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
риорно-оценочную) весовую обработку
I N
опт.сп(П = Цх|Gc‘a,Gn*) = (11)
/=1
=О*а(ц)/Оп*2(ц). (12)
Здесь оценка (*) спектра помехи остается
экспериментальной, а СПМ сигнала
Gc.a6{Gca}={Gc.a--Gcma} (В)
является к-м адаптивно подобранным вариан-
том из конечного множества (т) априорно за-
данных вариантов СПМ сигнала.
Рассмотрим один из возможных способов
преодоления априорной неопределенности для
нахождения множества {Gca}. Из физических
соображений примем спадающий характер за-
висимости <7с(со), а из тактических — ее моно-
тонность, которая увеличивает скрытность
объекта. Пусть по аналогии или по данным
эксперимента Gkc a(coz) = Лео,-* где А, к — по-
стоянные коэффициенты. При этом априорная
неопределенность сведена к параметрической,
которая может быть устранена методом пере-
бора возможных значений параметра к. По
правилу «большого параметра» (1) желательно
сосредоточить неопределенность в границах
небольшого числа неизвестных, откуда
= Аа>;к, к е {1,2,3}, т = 3. (14)
Очевидно, что ограничения для множества
(14) должны быть достаточно оправданы. Ус-
пех способа определяется тем, насколько удач-
но априорно задана модель (14) и насколько ма-
лым числом параметров (т) удается перекрыть
область их возможных значений. Дальше сле-
дует параллельная трехвариантная обработка
реализации x(f) и выбор наилучшего варианта
по конечному результату (Рис. 21.19, а, где БВ
— блок выбора). Более полная структурная схе-
ма адаптивного квазиоптимального специали-
зированного обнаружителя, которая иллюстри-
рует один из возможных методов отбора луч-
шего варианта, показана на Рис. 21.19, б, где
БВОП — блок выработки оценок СПМ помехи,
БВК — блок выбора варианта обработки и ком-
мутации, БВП — блок выработки порога, АИ —
Глава 21. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
597
21.4. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМ. СИСТЕМ ПРИ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
априорная информация, СОМ — система отбо-
ра по максимуму, КВО — коммутатор вида об-
работки. В схеме использован метод контраста,
при котором каждый вариант алгоритма обра-
ботки продублирован: на вход основного кана-
ла подают исследуемое колебание x(Z), на опор-
ный — помеху n(Z), статистические характери-
стики которой совпадают со статистическими
характеристиками помехи основного канала.
Оба выходных продукта обработки Zx и Znl по-
ступают в определитель качества Qb который
вырабатывает относительную оценку помехо-
устойчивости первого типа обработки
e,=(zi-zi)/zi.
где выходные продукты основного и опорного
каналов соответственно
N N
А 4 =
1=1 /=1
И'*' = А<0~‘ /G*2 («>,).
Формирование мощностей pxi pni на выхо-
де парциальных каналов УСА-% и УСА-П рас-
Дсо
а)
б)
Рис. 21.19
598
РАДИОТЕХНИКА
21.4. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМ. СИСТЕМ ПРИ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
смотрено при описании схемы Рис. 21.18.
Аналогично вырабатываются оценки каче-
ства Q2 и 23. Операцию завершает БВК, кото-
рый по наибольшему значению Q отбирает на-
илучший вариант обработки и отправляет его
на вход решающего устройства РУ.
Асимптотически оптимальный алгоритм
обнаружения сигналов. Его действие основы-
вается на организации системы с N параметра-
ми (данными наблюдения, прошлого опыта,
обучения, эмпирической статистики — всего,
что можно привлечь для компенсации априор-
ной неопределенности). При неограниченном
возрастании N (или его приближении к некото-
рому фиксированному пределу) А. о. а. о. с.
приводит к решению, наиболее близкому к оп-
тимальному в условиях полной априорной оп-
ределенности.
Пусть х = хь..., xN — независимая выборка,
поступающая на вход приемника. Проверяется
гипотеза Но о том, что выборка однородна и при-
надлежит стационарной помехе и(4), где i = 1,...,
А, против гипотезы Н\ о том, что выборка х при-
надлежит смеси Д4) детерминированного сигна-
ла s(ti) и помехи. Как известно, оптимальный ал-
горитм проверки таких гипотез состоит в сравне-
нии отношения правдоподобия с порогом:
N
X(x) = f[^(x|l)/^(x|«) Sep, (15)
,=1 я0
где W(x\l) и ИХх|и) — функции правдоподобия
смеси и помехи соответственно (см. ст. 17.14,
21.5).
Синтез А. о. а. о. с. на фоне помех основы-
вается на исследовании асимптотического раз-
ложения (15) при А—»оо [Ю]. При этом опти-
мальным считают алгоритм обнаружения, ко-
торый при фиксированной вероятности лож-
ных тревог обеспечивает минимальную веро-
ятность пропуска сигнала (критерий Нейма-
на—Пирсона). Для аддитивной гауссовской
помехи с нулевым средним неравенство (15)
может быть сведено к условию
а порог обнаружения
V=xaJcm=xJpc/<£-
(18)
Здесь рс — мощность сигнала; о* —
оценка дисперсии помехи; %а — процентная
точка гауссовского распределения по заданной
вероятности ложных тревог а.
Как следует из приведенных выражений,
алгоритм (16) частично совпадает с известным
алгоритмом корреляционной обработки. Он
может быть представлен структурной схемой
Рис. 21.20, которая содержит пять основных
функциональных узлов. В блоке ФДС в зависи-
мости от типа помехи происходит формирова-
ние достаточной статистики (17); при этом
вместо априорно неизвестной дисперсии поме-
хи используют ее оценку , полученную в блоке
выработки оценки помехи БВОП по обучаю-
щей выборке. В блоке перемножения получают
произведения /(xz)5(/z), где первый сомножи-
тель — элемент достаточной статистики, а вто-
рой — сформированная гетеродином Г копия
ожидаемого сигнала. Дальше в схеме исполь-
зуют сумматор — формирователь выходного
продукта Z и решающее устройство РУ поро-
говой обработки с порогом (18), обеспечиваю-
щим заданную вероятность ложных тревог.
Преимуществом рассмотренного алгорит-
ма является относительная простота и возмож-
ность его эффективной работы с более широ-
ким классом помех сравнительно с алгоритмом
корреляционной обработки. Последнее объяс-
няется частичной инвариантностью алгоритма
к типу помехи в том смысле, что от ее распре-
деления несущественно зависит только ФДС.
Асимптотическими методами оптимизации ча-
сто пользуются при адаптивной обработке.
Метод инвариантности — метод оптими-
зации алгоритмов обработки при априорной
неопределенности, который основывается на
представлении последней в виде воздействия
на наблюдаемый процесс определенного пре-
образования g (помехового параметра) из фик-
сированной группы воздействий G. При этом
где функционал достаточной статистики
(ФДС)
/(х,) = х, /а*2, (17)
Глава 21 СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
599
21.4. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМ. СИСТЕМ ПРИ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
правило принятия решения должно быть инва-
риантно к введенному преобразованию, что и
позволяет преодолеть априорную неопределен-
ность. Пусть G — группа взаимно однозначных
преобразований выбранного пространства X.
Правило выбора решения при проверке гипоте-
зы Но против альтернативы Нх называют инва-
риантным относительно группы G, если реша-
ющая функция Ф(х) при всех xeXngeG удов-
летворяет соотношение Ф(#х) = Ф(х).
Рассматриваемый метод позволяет синтези-
ровать алгоритм обнаружения сигналов на фоне
коррелированных помех в условиях априорной
неопределенности. Этому алгоритму присущи
оптимальность и устойчивость не в асимптотике,
а при конечной продолжительности наблюдения,
благодаря чему можно отказаться от обучения,
для которого необходимо дополнительное время.
М. и. позволяет также уменьшить размерность
обрабатываемых данных и параметров простран-
ства X Тем не менее при использовании М. и. су-
ществуют определенные ограничения. Прежде
всего, его можно применять лишь для решения
задач в условиях параметрической априорной
неопределенности. Кроме того, эффективность
использования М. и. ограничена классом экспо-
ненциальных распределений достаточных стати-
стик. Однако даже при этих ограничениях М. и.
может быть полезным в ряде практически важ-
ных задач радиолокации и связи.
В качестве примера рассмотрим задачу об-
наружения детерминированного сигнала с не-
известной амплитудой |Xs(0, Ц > 0 на фоне ад-
дитивной гауссовской помехи x(t) с нулевым
средним и неизвестной дисперсией Q2 [10].
Для наблюдаемой на интервале Т реализации
x(t) необходимо принять одну из двух гипотез:
х(г) е£(г)-гипотеза Я 0 ; 1
x(r) е |±у(Г) + £(г) - гипотеза Нj./
Правило выбора решения может быть записа-
но в виде
N
l/A’p- (19)
где порог
Р = ва
N ( N
^\Хк ~ ^\XkSk
к=\ U=i
Здесь хк, sk — элементы массивов с N незави-
симыми дискретными величинами, рассчитан-
ными по реализации x(t) и функции s(t).
Структурная схема обнаружителя изображе-
на на Рис. 21.21, где ДсП - дискретный преоб-
разователь; Кв — квадратор; РУ — решающее
устройство. Левая часть неравенства (19) явля-
ется взвешенной суммой наблюдаемых коорди-
нат процесса. При известной дисперсии адди-
тивной помехи оптимальный обнаружитель
сравнивает эту сумму с постоянным порогом,
который зависит от заданной вероятности лож-
ных тревог. Когда дисперсия помехи неизвест-
на, взвешенную сумму (19) сравнивают с поро-
гом Р (20), являющимся произведением про-
центной точки распределения Стьюдента по за-
данной вероятности ложных тревог на несме-
щенную оценку дисперсии, вычисленную по
наблюдаемой неклассифицированной выборке.
Метод контраста — метод обнаружения
сигнала с помощью противопоставления, когда
исследуемое колебание (поступающее под уг-
лом 0г на частоте coz), которое может быть сме-
сью сигнала и помехи или помехой, сравнива-
ют с опорным колебанием, являющимся только
помехой со статистическими характеристика-
ми, одинаковыми или близкими статистичес-
ким характеристикам помехи основного кана-
ла, и на основе этого сравнения принимают ре-
шение о наличии сигнала в исследуемом кана-
ле. Признак, по которому проводят сравнение
(дельта-критерий), может быть различным, но
желательно использовать такой, по которому
помеха более всего отличается от смеси. Для
упрощения системы (повышения ее надежнос-
ти) часто применяют простейшие критерии,
например, первый момент распределения вы-
ходного продукта типового тракта обнаруже-
/(^-1) -(20)
600
РАДИОТЕХНИКА
21.4. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМ. СИСТЕМ ПРИ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
ния (см. ст. 17.28); широко используют ранго-
вые обнаружители.
Опорный канал должен отличаться от основ-
ного положением ДН антенной системы (прост-
ранственный опорный канал — Рис. 21.22, а, б)
или частотой настройки фильтра (частотный
опорный канал — Рис. 21.22, в, г). По способу
формирования опорного напряжения различают
односторонние (Рис. 21.22, а, в), двухсторонние
(Рис. 21.22, б, г, где статистические характерис-
тики двух опорных каналов усредняются) или
более сложные схемы. При выборе пространст-
венной (Д0) или частотной (Дсо) расстройки ис-
ходят из двух противоречивых требований:
обеспечить как можно меньшее отличие статис-
тических характеристик помехи основного и
опорного каналов (необходима малая расстрой-
ка); обеспечить необходимое подавление сигна-
ла в опорном канале (необходима большая рас-
стройка). Преимуществом рассмотренной систе-
мы является инвариантность относительно ани-
зотропии поля помехи при пространственном
опорном канале или относительно частотной не-
однородности помехи при частотном опорном
канале.
М. к. широко применяется в гидро- и ра-
диолокации, частично — в радиоастрономии
(см. «Приемник радиометрический» в ст.
17.23).
Методы обучения — методы использова-
ния эмпирических данных, отображающих
априорный (предшествующий) опыт. Алго-
ритмы, в которых применяется обучение (О),
называют обучающими. Результаты О (оцен-
ка статистических характеристик сигнала и
помехи) должны быть получены при обстоя-
тельствах y(t), статистически однородных
или хотя бы статистически связанных с теми,
в которых принимается решение U по дан-
ным наблюдения x(t). По виду выборки (не-
классифицированной или классифицирован-
ной) различают О без учителя, с учителем и с
Глава 21. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
601
21.4. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМ. СИСТЕМ ПРИ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
поощрением; по способу обработки — про-
стое и рабочеподобное О.
Обучение без учителя (самообучение) —
О, при котором оценки распределений или их
параметров (частных характеристик) форми-
руют в блоке оценки БО по неклассифициро-
ванным обучающим выборкам у(/), т.е. по вы-
боркам, принадлежность которых помехе или
смеси помехи и сигнала неизвестна. Системы
такого типа, как правило, используют для
«обучения по помехе» (Рис. 21.23, а). Этот об-
наружитель в режиме обучения работает от
реализации y(t), а в режиме обнаружения — от
реализации x(t) по оптимальному функциона-
лу F(x) с решающим устройством РУ (Яь Но
— гипотезы о наличии и отсутствии сигнала).
Характеристики сигнала, необходимые для
формирования порога 0, задают на основе ап-
риорной информации АИ. Оптимальными
оценками помехи 0П* являются оценки макси-
мального правдоподобия.
Обучение с учителем — О, при котором
оценки распределений или их параметры фор-
мируют в БО по классифицированным обуча-
ющим выборками у(0, т.е. по выборкам, сопро-
вождаемым указаниями учителя о наличии или
отсутствии сигнала в той или иной реализа-
ции. Это позволяет с помощью специального
алгоритма БО сформировать оценки 0*с, 0*п и
ввести их в оптимальный функционал F(x) при
обработке рабочей реализации х(0 вместо ап-
риорно неизвестных истинных значений ха-
рактеристик 0С и 0П (Рис. 21.23, б).
б)
Рис. 21.23
Рассмотрим «учителей» двух видов: идеаль-
ного и реального (ИУ и РУ). Относительно за-
дачи обнаружения указания идеального учителя
{1 при наличии сигнала в i - й реализации;
О при его отсутствии.
Реальный учитель, в отличие от идеально-
го, точно не знает, есть ли сигнал в z-й реализа-
ции, и основывается на анализе выходного эф-
фекта приемника (см. Рис. 21.23, б, штриховая
линия):
т k, a r1 I1 при/гЦ)>Р;
Zpy, =sgn(F(x,)-PJ=^
10 при Г (xz ) < р.
При этом оптимальный адаптивный алго-
ритм осуществляет накопление байесовых
оценок отношения правдоподобия. Система с
ИУ характерна для предварительного обуче-
ния, а с РУ более универсальна и может быть
использована непосредственно в процессе
принятия решения.
Обучение с поощрением — О, при кото-
ром, в отличие от предыдущих случаев, БО
перестраивают или по структуре, или путем
изменения времени измерения. Указанием к
перестройке является выходной продукт при-
емника. При ИУ сопоставляют ZPyz с 7ИУ/, т.е.
решение U с указанием РУ, и, если они отли-
чаются, перестраивают БО. В случае РУ при-
меняют двухпороговую обработку: если вы-
ходной эффект F(x) находится между двумя
порогами, то подается команда на перестрой-
ку БО, в противном случае структура БО не
изменяется.
Простое обучение — это О, при котором
на каждой обучающей реализации проводят
только измерения данных и обработку, необ-
ходимую для получения оценки распределе-
ния вероятностей или его параметров. При
рабочеподобном обучении наряду с этим на
каждой z-й реализации принимают решение,
позволяющее получить информацию о поте-
рях во время его принятия и использовать ее
для улучшения правила принятия решения в
рабочей ситуации.
Непараметрические методы обработки
применяют, когда функциональный вид рас-
пределения входных данных неизвестней, а за-
дано только наиболее общее отличие между
ситуациями наличия и отсутствия сигнала.
Рассмотрим несколько примеров непараметри-
ческих систем [11, 12].
602
РАДИОТЕХНИКА
21.4. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМ. СИСТЕМ ПРИ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
Проверка гипотезы случайности. Пусть
массив выборочных значений реализации {X}
состоит из п элементов хь..., хп. Довольно час-
то плотность распределения вероятностей мас-
сива имеет свойство инвариантности к пере-
становке аргументов:
Wi,-,^|0) = W(xt,X*j0), (21)
где индексация {kb ... , kn} отображает произ-
вольную перестановку целых чисел; 0 — ис-
тинная ситуация, отвечающая принятой реали-
зации {X}.
В частном случае равенство (21) выполня-
ется, если выборки {%],..., хп} статистически
независимы, т.е.
W(x,,...,x„|0)=fIlV(x,.|9). (22)
Z=1
Если условия (21), (22) выполняются во вре-
мя приема помехи (0 = 0) и не выполняются во
время приема сигнала (0 = 1), то задачу обнару-
жения можно сформулировать как проверку вы-
полнения указанных равенств. Важно подчерк-
нуть, что знание конкретного вида распределе-
ния выборки {X} при этом не обязательно.
Проверка гипотезы симметрии. Информа-
ционным признаком распределения, не завися-
щим от его конкретного вида, может быть
свойство симметрии относительно нулевого
уровня. При этом задача обнаружения форму-
лируется как проверка равенства
W(x|0 = 0) =W(-x|e = 0) (23)
против альтернативной гипотезы о том, что
распределение несимметрично при наличии
сигнала.
Проверка гипотезы сдвига. Информацион-
ным признаком распределения, не зависящим
от его конкретного вида, может быть сдвиг рас-
пределения вправо при появлении входного
сигнала:
Р(х|е = О)<Р(х|0 = 1), (24)
где интегральная функция распределения (ФР)
вероятностей выборок {хь ... , хп}
Р(х|0) = •
Физически неравенство (24) означает, что
при наличии сигнала выборочное значение
реализации в среднем больше, чем при его
отсутствии.
Основные требования к непараметричес-
ким системам обработки следуют из рассмот-
ренных примеров. Априорная информация, ис-
пользуемая при синтезе непараметрических
обнаружителей, имеет скорее качественный,
чем количественный характер, что позволяет
легче преодолеть априорную неопределен-
ность. Соответственно отличаются от класси-
ческих и методы обработки. Первоначально
входную статистику преобразовывают в тесто-
вую. Ударение делают на инвариантность сис-
темы к условиям ее эксплуатации, обеспечение
постоянства уровня ложных тревог F. Так как
этот уровень определяется ФР тестовой (пре-
образованной) статистики FK(z), к ней предъяв-
ляются два требования: во-первых, при отсут-
ствии сигнала распределение FP(z) должно
быть точно известным и неизменным, каким
бы ни было распределение помехи на входе си-
стемы; во-вторых, при появлении сигнала ин-
вариантность распределения FP(z) должна на-
рушаться для того, чтобы обеспечить возмож-
ность различения ситуаций 0 = 0 и 0 = 1.
Оптимальный синтез непараметрическо-
го обнаружителя — синтез, удовлетворяющий
перечисленным в предыдущей статье требова-
ниям; выполняется преимущественно эвристи-
ческими методами. Синтез включает два этапа и
соответственно два основных блока непарамет-
рической обработки.
На первом этапе выбирают вид инвариант-
ного преобразования 5, в результате чего обра-
зуется новый массив z = Sx, распределение веро-
ятностей (плотности вероятностей) элементов
которого при отсутствии сигнала (0 = 0) извест-
но точно. Преобразование 5, выбираемое эврис-
тически, позволяет свести задачу обнаружения
сигнала на фоне помехи с неизвестными рас-
пределениями к задаче проверки простой гипо-
тезы относительно распределения массива {Z}.
Существует большое число 5-преобразований,
но центральное место среди них занимает пре-
образование с использованием ранговых проце-
дур (ранговых обнаружителей).
На втором этапе выбирают способ наилуч-
шей обработки преобразованных данных.
Структурная схема непараметрического обна-
ружителя показана на Рис. 21.24, где Д — дис-
кретизатор; ИПВС — инвариантный преобразо-
ватель входной статистики; ФОТС — функцио-
нал обработки тестовой статистики; РУ — ре-
шающее устройство; ВВП — блок выработки
порога; АИ — априорная информация.
Отметим, что вследствие сокращения избы-
точности, заложенной в 5-преобразовании, ве-
роятность правильного обнаружения сигнала
Глава 21 СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
603
21.4. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМ. СИСТЕМ ПРИ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
непараметрическими обнаружителями ниже
потенциальной. Эта потеря помехоустойчивос-
ти является неизбежной и оправданной платой
за возможность работы в условиях априорной
неопределенности и за расширение класса до-
пустимых входных распределений, для которых
после преобразования выдерживаются требова-
ния стабилизации уровня ложных тревог.
Первый этап синтеза непараметрического
обнаружителя содержит инвариантное преоб-
разование входной статистики {X} в выходную
статистику {Z}, распределение которой при от-
сутствии сигнала известно точно [11, 12]. Кри-
терием выбора приведенных далее преобразо-
ваний является не только достижение задан-
ных инвариантных свойств выходной статис-
тики {Z}, но и максимально возможное сохра-
нение информации о сигнале, позволяющее
его обнаружить.
Преобразование с жестким ограничением
zz = sgn(xz) =
1 приху >0;
0 при xz < 0
(25)
является простейшим и широко применяемым.
Если гипотеза симметрии (23) правильна, то
появление единиц и нулей на выходе ограни-
чителя (25) равновероятно:
P(Zi = 1|0 = 0) = P(Zi = 0|0 = 0) = 0.5. (26)
Следовательно, алгоритм (25) преобразует
массив {X} с произвольным симметричным от-
носительно нулевого уровня распределением
ИХ*1,..., хп) в новый массив {Z}, имеющий рав-
новероятное распределение FF(zb ... , zn) неза-
висимо от конкретного вида входного распре-
деления. Если при появлении сигнала симмет-
рия распределения нарушается, то задачу обна-
ружения можно сформулировать как проверку
простой гипотезы (26) против альтернативы
P(Zi = 1|0 = 1) > 0.5.
Оптимальное решение такой задачи — знако-
вый тест
п
V(Z)=¥ £sgn(x,) (27)
1=1
и сравнение накопленного значения с порогом.
Статистика (27) удовлетворяет двум указан-
ным раннее требованиям: при 0 = 0 ее распре-
деление точно известно и постоянно, каким бы
ни было входное симметричное распределе-
ние, а при 0 = 1 распределение статистики (27)
свидетельствует о появлении входного сигна-
ла. Непараметрические алгоритмы, в которых
используется знаковый тест, называют знако-
выми алгоритмами.
Преобразование с перестановкой элемен-
тов выборки основывается на применении ги-
потезы случайности (21), в соответствии с ко-
торой все перестановки элементов выборки
равновероятны независимо от вида их распре-
деления.
Преобразование с использованием ранго-
вых процедур. Рангом Rt элемента выборки х,
называется порядковый номер этого элемента
в вариационном ряду (ранжированной после-
довательности) из п элементов, упорядочен-
ных по какому-либо признаку, например, рас-
положенных в порядке возрастания. Нетрудно
заметить, что ранг Rt элемента х, может быть
найден с помощью знаковой функции:
k=\
{1 при xz > 0;
0 при xz <0.
Совокупность рангов (Яь ... , 7?„) всех эле-
ментов выборки (хь ... , х„) образует переста-
новки целых чисел от 1 до п. Согласно гипоте-
зе случайностей (21) все такие перестановки
равновероятны. Поэтому независимо от кон-
кретного закона распределения входной вы-
борки общее распределение рангов равномер-
но: ...,Rn)= 1/w!.
Если справедлива альтернатива F(x) <
<7(х), где F(x), G(x) — альтернативное и ги-
потетическое (предполагаемое) распределе-
ния соответственно, и в частном случае аль-
тернатива сдвига F(x) = G(x - а), то отсчеты
х будут располагаться преимущественно в
правой части ряда. Таким образом, значения
их рангов будут статистически большими,
чем при справедливости гипотезы. Эта раз-
604
РАДИОТЕХНИКА
21.4. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМ. СИСТЕМ ПРИ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
ность в значениях рангов может быть ис-
пользована для контрастного различения ис-
следуемой и опорной реализаций. Важным
свойством ранговых статистик является их
инвариантность относительно монотонных
нелинейных преобразований, поскольку они
не нарушают соотношение между отсчетами,
а следовательно, и их ранги. Отсюда следует,
что вероятности правильного обнаружения и
ложной тревоги остаются такими же, как и
до преобразования.
Одним из самых распространенных ранго-
вых тестов является тест, основанный на ста-
тистике, определяющейся суммой рангов. Тест
может быть использован для проверки гипоте-
зы Но симметрии распределения случайной ве-
личины х относительно нуля в задаче обнару-
жения сигнала на фоне аддитивной помехи с
нулевым средним и симметричным распреде-
лением. Гипотеза Но отбрасывается (принима-
ется решение о наличии сигнала), если
S=JX>p, (28)
х,>0
где Ri+ — ранг положительного элемента х в
вариационном ряду; Р — порог. Непараметри-
ческие алгоритмы, в которых используются
ранговые тесты, например (28), называются
ранговыми алгоритмами.
Укажем, что переход от выборочных значе-
ний Xi к их рангам Rt приводит к потере части
информации. Однако при увеличении объема
наблюдений связь между хг и возрастает и
эти потери уменьшаются, а ранговые алгорит-
мы могут быть так же эффективны, как и алго-
ритмы по выборочным значениям.
Второй этап синтеза непараметричес-
кого обнаружителя содержит выбор функци-
онала обработки U(z) тестовой статистики z =
Sx. Эта задача похожа на рассматриваемую
далее в условиях априорной определенности
(см. ст. 21.5), поскольку по результатам S-
преобразования непараметрическая гипотеза
относительно массива {X} сводится к про-
стой гипотезе относительно массива {Z} с из-
вестным распределением помехи. Однако
при наличии сигнала вид распределения мас-
сива неизвестен. Таким образом, альтерна-
тивная гипотеза остается непараметричес-
кой. Чтобы преодолеть эту ситуацию, прини-
мают такую постановку: вероятность пра-
вильного обнаружения должна быть макси-
мальной для наиболее вероятного распреде-
ления, которое в общем случае определяется
типом преобразования S(x).
Исходя из такого обоснования для широко-
го класса задач можно принять гауссовское
распределение как для простой, так и для аль-
тернативной гипотезы. Для большинства по-
мех это распределение совпадает с экспери-
ментом; появление сигнала обуславливает от-
клонение распределения от гауссовского, но
это отличие, как правило, проявляется на «хво-
стах» характеристики FK(z|0 = 1), тогда как ве-
роятность правильного обнаружения (0.5 < D <
1) определяется центральной областью распре-
деления FK(z|0= 1), которое близко к гауссов-
скому. При этом задача оптимизации тестовой
статистики сводится к вычислению отношения
правдоподобия в пространстве преобразован-
ных значений z, т.е.
t/(z) = X(z) =
W(z
W(z
0 = О)0 = о
где lF(z|0) — распределение вероятностей
массива z в истинной ситуации 0; Р — порог,
который рассчитывают по распределению по-
мехи исходя из заданной вероятности лож-
ных тревог.
Оптимизация в условиях априорной
неопределенности — закономерное развитие
методов классической оптимизации, обуслов-
ленное тем, что в большинстве практических
задач статистическое описание случайных
величин х (сигналов, помех, их смесей), а
также сообщений (истинных ситуаций) X, ко-
торые определяют принятие решения, явля-
ется неполным, и потому средний риск рас-
считать невозможно:
R[u (х)] = J J g[u(x), X, х]р(х|Х)pQtyixd'k, (29)
где и(х) — функционал обработки принятой ре-
ализации х(г); g[u(x), X, х] — функция потерь, за-
висящая от принятого функционала обработки и
параметров X, характеризующих реальную ситу-
ацию, относительно которой принимаются ре-
шения (сообщения в системе передачи информа-
ции); х — совокупность данных наблюдений, по-
ступивших к моменту принятия решения; р(х|Х)
— функция правдоподобия или априорное рас-
пределение плотности вероятностей результатов
наблюдения х при определенном значении пара-
метра X; /?(Х) — априорное распределение плот-
ности вероятностей параметра X.
Глава 21. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
605
21.4. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМ. СИСТЕМ ПРИ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
Незнание (29) не дает возможности орга-
низовать оптимальную обработку иопт(х) с ми-
нимизацией среднего риска, т.е. реализовать
байесовский приемник (см. ст. 17.14). Наи-
большее, что можно потребовать в этой ситуа-
ции, — это задать определенное множество ап-
риорных плотностей вероятностей р(х[к)еРх и
Р(к)еРх, которые различаются параметрами
распределения. Как следует из (29), каждой па-
ре такого множества [р(х|Х), /?(Х)]еР отвечает
свое значение среднего риска. Последний мо-
жет быть минимизирован с помощью байесов-
ской процедуры — применением оптимально-
го функционала обработки иОпт1л(0,Р]- В Даль-
нейшем все сводится к установлению правил
назначения приоритетов при принятии реше-
ний [9].
Согласно первому правилу, если все реР
достигают минимальных значений при одном
и том же решении иот(х,р), то существует рав-
номерно наилучшее решение, которое и являет-
ся абсолютно оптимальным, а априорная нео-
пределенность в этом случае несущественна.
Второе правило выбора решения может
быть предложено на основе принципа асимп-
тотической оптимальности. В практических
задачах синтеза в условиях априорной неопре-
деленности больший вес приобретают данные
наблюдения (прошлый опыт, данные обучения,
эмпирическая статистика и пр.), которые при
априорной определенности рассматривают как
чрезмерные. Эти данные в некоторой степени
компенсируют отсутствие полного априорного
описания задачи. Принцип асимптотической
оптимальности состоит в том, что преимуще-
ство предоставляют тому решению и(х), для
которого средний риск с увеличением объема
данных наблюдения п приближается к мини-
мальному байесовскому
R [м(х), р] = min R[u(x), р]
П^> {«(*)}
для всех априорных распределений ре Р. При
этом отбрасываются те правила принятия ре-
шения, которые даже асимптотически сущест-
венным образом отличаются от оптимального
байесовского.
Рассмотрим правило принятия решения на
основе минимаксного принципа. Пусть каждое
из решений мОПт(х> р) является оптимальным
байесовским решением для пары значений р
множества Р, а их совокупность образует неко-
торое подмножество байесовских решающих
правил иот(х)е UonT(x), которыми и ограничи-
ваем выбор решений. Правило принятия реше-
ния по принципу минимакса им(х) выбирают
так, чтобы обеспечить минимальный средний
риск при наихудшем сочетании р [9]:
R[uM min maxP[u(x),p], (30)
{и(х)} {р&Р}
где функция {w(x)} означает средства, с помо-
щью которых реализуется соответствующая
максимизация или минимизация среднего риска.
Этот принцип гарантирует, что при всех
ре Р средний риск для правила принятия реше-
ния им(х) не превысит того, который определя-
ется (30).
Рассмотренный принцип достаточно прост,
не требует разработки качественно новой ме-
тодики, поскольку основывается на технике
байесовского решения и автоматически приво-
дит к равномерному наилучшему правилу при-
нятия решения, если оно существует. Тем не
менее указанное ограничение в выборе и(х)
только на подмножестве Uom(x) не гарантиру-
ет от потери лучшего решения в условиях ап-
риорной неопределенности.
Статистическое описание неполное —
один из способов преодоления априорной нео-
пределенности. Самой плохой ситуацией С. о. н.
является случай, когда априорные данные огра-
ничиваются только областью возможных значе-
ний Хе А. Это не позволяет ограничить распре-
деление ничем, кроме условия нормировки
= 1.
л
Универсальный способ С. о. н. — наложение
ограничений, которые могут быть выведены на
основании предыдущих теоретического и экс-
периментального анализов. Так, при неизвест-
ном распределении плотности вероятностей
FK(X) можно задать класс распределений Ио, к
которому относятся все возможные FT(X)g Ио,
что позволяет сузить задачу синтеза (напри-
мер, задачу перебора), а в частном случае све-
сти априорную неопределенность к парамет-
рической.
Параметрическое описание априорной не-
определенности — частный случай С.о.н. В
большинстве задач статистического синтеза
информационных систем, использовав теоре-
тические и экспериментальные данные, преце-
дент, физические соображения, можно предпо-
ложить определенный вид распределения ве-
роятностей и, таким образом, свести априор-
ную неопределенность к более узкой парамет-
606
РАДИОТЕХНИКА
21.5. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМ. СИСТЕМ ПРИ АПРИОРНОЙ ОПРЕДЕЛЕННОСТИ
рической априорной неопределенности, где
неизвестными остаются только параметры рас-
пределения. Так, при работе с избирательным
трактом и выполнении условия T\f= 77тк » 1,
где Т — интервал наблюдения, Af— ПП трак-
та, тк — интервал корреляции, процесс на вы-
ходе нормализуется и не зависит от вида вход-
ного распределения; распределение на выходе
становится гауссовским и определяется только
двумя неизвестными параметрами: математи-
ческим ожиданием и дисперсией. В общем
случае распределения используют также мо-
менты высших порядков.
Параметрическое описание, характерное
для большинства задач, является универсаль-
ным средством учета качественных представ-
лений о статистическом поведении априорных
данных. Параметрическое описание должно
удовлетворять двум противоречивым требова-
ниям: с одной стороны, оно должно качествен-
но правильно и количественно точно отобра-
жать наши ограниченные знания; с другой —
число параметров не должно быть слишком
большим. Увеличение размерности приводит к
ухудшению качества решения основной задачи
как из-за сложности ее реализации, так и вслед-
ствие неизбежной потери входной информа-
ции, которую придется использовать для опре-
деления оценок этих параметров — см. (1).
Введение функциональных ограничений —
один из способов преодоления априорной нео-
пределенности. Пусть параметры Х= {Хь..., X,,...,
Zv} связаны функциональными ограничениями
Х, = Ф,(а), (31)
а= {а,,.. ,,ам], (32)
где параметры меньшей размерности
(M<N).
Примером такого ограничения является за-
дача фильтрации, где оценки дискретных во
времени отсчетов ограниченного по спектру
процесса с заданной точностью могут быть
выражены при помощи (32). При наличии ог-
раничений (31) функция правдоподобия IF(x|X)
фактически зависит от а, т.е. размерность сни-
жается от N к М, что существенным образом
упрощает процесс синтеза.
Во многих задачах синтеза РТС вместо об-
щего подхода, требующего знания априорных
законов распределения сигнала и помехи (см.
ст. 17.14), можно ограничиться частными ха-
рактеристиками распределения вероятностей,
например, первыми моментами, корреляцион-
ными свойствами и т.п. Так, при применении
дельта-критерия (см. ст. 17.28) оптимизирован-
ное отношение (С/П)вых может быть выражено
через два первых момента распределения вы-
ходного продукта:
(С/П)вых = /Ш[«вых(Г)]/л/Р[мвых(Г)],
где ДЛ/(мвых) — приращение математического
ожидания, обусловленное появлением входно-
го сигнала; £>(мВых) — дисперсия.
Такой подход существенным образом упро-
щает решение, поскольку во многих практиче-
ских задачах при неизвестных законах распре-
деления их частные характеристики могут быть
сравнительно просто рассчитаны или заданы.
Крайней ситуацией С. о. н. является случай
несущественной априорной неопределеннос-
ти, при которой функция распределения веро-
ятностей задана с незначительным разбросом
параметров. При этом априорную неопреде-
ленность устраняют, принимая средние значе-
ния параметров распределения.
21.5. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ
ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ПРИ
АПРИОРНОЙ ОПРЕДЕЛЕННОСТИ —
синтез в условиях полной априорной информа-
ции о статистических характеристиках сигна-
лов, помех и их смесей, от которых зависит
принятие решения.
Оптимальная обработка аналоговых сиг-
налов решает задачи, связанные с передачей не-
прерывных сообщений по каналу связи. Далее
кратко рассматриваются выводы из теории по-
тенциальной помехоустойчивости этих систем,
сделанные В.А. Котельниковым применительно
к основным видам модуляции, используемым
при гармонических несущих колебаниях. В ка-
честве помехи примем воздействие слабого бе-
лого шума. Пусть аддитивная смесь, поступаю-
щая на вход приемника, x(Z) = s(t) + и(/), где s(t) =
s[w(Z),Z] — входной сигнал, модулированный со-
общением u(t); n(t) — белый шум со спектраль-
ной плотностью мощности (СПМ) Gq. Посколь-
ку сообщения u(t) очень разнообразны, а распре-
деление их вероятностей, как правило, априорно
неизвестно, логично считать их равновероятны-
ми и соответственно использовать критерий
максимального правдоподобия (см. далее). Со-
гласно этому критерию система обработки выде-
ляет из смеси x(t) то сообщение u'(t), которое от-
вечает максимуму функции правдоподобия
Т
Щ(01 «'(!)] = к ехр{-(1 ZG0)J[х(0- 5'(Z)]2dt},
О
Глава 21. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
607
21.5. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМ. СИСТЕМ ПРИ АПРИОРНОЙ ОПРЕДЕЛЕННОСТИ
где к — постоянный коэффициент, не завися-
щий от вида реализации.
При отсутствии помех минимальное (нуле-
вое) значение показателя степени функции
правдоподобия имеет место в случае подстанов-
ки в нее истинного сигнала s(t) вместо 5Z(/). В то
же время при воздействии помехи максимум
функции правдоподобия может отвечать неко-
торому сигналу s\t), отличающемуся от истин-
ного. Поэтому и сообщение и'(f) на выходе сис-
темы будет отличаться от передаваемого; при
этом их разность Au = u(r) - u'(t) может рассма-
триваться как помеха на выходе канала. В.А.
Котельниковым показано, что СПМ помехи Аи:
при AM сигнале s(t) = Л[1 + wu(r)]coscoHr
определяется выражением
6п.вых.ам = 2Go/(Am)2, (22)
t
при ЧМ сигнале s(r) = Acos[wHr+Aww ju(r)dr]
о
— выражением
GnBUx4M=2G0/2/(Wm)2, (23)
а при ФМ сигнале s(t) = ?4cos[a>H* +
+ A(pwu(r)] — выражением
вых.фм = 2Go(^A(pw) , (24)
где т — глубина AM; сон — НсЧ; А — ампли-
туда несущего колебания; Acow — девиация ча-
стоты при ЧМ; А(рт — девиация фазы при ФМ.
Отношение сигнала к помехе на выходе
(c/n)L = £/э2ф / рп вых = и 2 /(к2прп вых),
где пик-фактор сообщения кп = Um/U3$.
С учетом нормировки сообщения \Um\ = 1
имеем
(С/П)2ЫХ =1/(*„2Рп.вых) =
(25)
= 1/[Ап2 рп.вых(/)#)],
О
где AFM — ПП последетекторного фильтра.
СПМ помехи на выходе Gnвых для разных
видов модуляции могут быть найдены из выра-
жений (22)—(24). Входное отношение
(С/П)вх = РСЪК / ^и.вх =
\ . (26)
= (1/Г)Р2(ОЛ/(СоДГс)
о
где AFC — полоса частот сигнала s(t).
Помехоустойчивость аналоговых систем
связи оценивают выигрышем
в = (С/П)ВЫХ/(С/П)ВХ, (27)
который можно получить после подстановки
(25), (26) в (27). Отсюда:
для систем с AM, оптимальных по Котель-
никову, при воздействии слабого белого шума
ВАМ =2m2/(m2+/:2); (28)
для систем с ЧМ
Вчм = 3(Д/„ /Г„)2 ДГС /(*2ДГМ), (29)
а для систем с ФМ
ВФМ=А<р2ДВс/(^ДВм), (30)
где AFC — полоса частот сигнала s(t), AFM, Fm —
полоса частот и верхняя частота сообщения u(f).
Выражения (28)—(30) позволяют оценить
потенциальные возможности систем с различ-
ными видами модуляции. Так, ВАМ < 1, по-
скольку т < 1, а кп > 1. В случае достаточно ши-
рокополосных сигналов, т.е. при больших ин-
дексах модуляции А^и и Афт, выигрыш систем
с ФМ и ЧМ намного превышает единицу. Та-
ким образом, системы с ЧМ и ФМ имеют зна-
чительно большую потенциальную помехоус-
тойчивость, чем системы с AM. Тем не менее
широкополосные сигналы могут быть исполь-
зованы только в ВЧ диапазонах, начиная с МВ.
Оптимальный прием аналоговых сигналов
без допущения о малом уровне помехи рассмо-
трен в ст. 17.14; там же описаны способы реа-
лизации оптимальных приемников таких сиг-
налов.
Оптимальная обработка дискретных
сигналов включает задачи обнаружения, раз-
личения, разрешения сигналов и оценку их
параметров. Исходя из наиболее общих поло-
жений рассмотрим задачу различения сигна-
лов. Как статистическая задача она в общем
случае сводится к двум этапам. Сначала с ис-
пользованием априорных данных проводят
обработку полученной реализации x(f) — сме-
си сигнала и помехи, в результате которой оп-
ределяют апостериорное распределение веро-
ятностей передачи каждого из возможных
сигналов. Потом на основе найденного рас-
пределения вероятностей с учетом принятого
критерия оптимальности принимают решение
о приеме того или иного сигнала. Как было
указано ранее, для оценки последствий при-
нятого решения в задачах различения вводят
понятие среднего риска (см. ст. 21.1). На
608
РАДИОТЕХНИКА
21.5. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМ. СИСТЕМ ПРИ АПРИОРНОЙ ОПРЕДЕЛЕННОСТИ
практике из дискретных систем различения
чаще используют бинарные каналы. При этом
средний риск
Учитывая, что энергия принятого колебания
гГ
Ех = x2(t)dt, энергия сигналов
Jo
R = Ci2Pa(S2)P(si\S2)+C2iPa(si)P(<S2\sX), (1)
где Ра($2), Pa(s}) — априорные вероятности по-
явления второго и первого сигналов соответст-
венно; Р(5!|52) — вероятность приема сигнала
при передаче сигнала s2; P(s2\si) — вероят-
ность приема сигнала s2 при передаче сигнала
•Уь ^21 — цены соответственно проиндек-
сированных ошибок.
Дальнейшее рассмотрение сделано для ти-
пичной помехи — аддитивного гауссовского
стационарного белого шума с постоянной спе-
ктральной плотностью мощности Go = const.
Оптимальное различение по критерию
Байеса основано на том, что по результатам об-
работки реализации х(г), наблюдавшейся на
интервале времени Т, с помощью выбранного
правила принятия решения ие U минимизиру-
ется средний риск
R = Rmin = ПНПЯ. (2)
Это правило решения может быть пред-
ставлено в виде:
т т
£,=1^(0^; E2=js2(t)dt, (7)
о о
где 5'i(r), — априорно известные сигналы,
которые должны быть переданы.
Структурная схема реализации алгоритма
(5) изображена на Рис. 21.25, где РУ — решаю-
щее устройство; схема просто сводится.к
структуре, показанной на Рис. 17.25, а. Получе-
нный байесовский алгоритм (5)—(7) является
наиболее общим решением, минимизирующим
средний риск. Однако, как следует из (6), прак-
тическое применение алгоритма встречает зна-
чительные трудности, связанные с большим
объемом необходимой априорной информации.
Z(s1)/Z(52) =
= ^(x|s1)W|s2)iq2Pa(s2)/[c21Pa(51)], (3)
*2
где функция правдоподобия
L(st) = =
= ехр{(£х / Go) - j [х(0 - s,. (Z)]2 dt} (4)
о
определяет вероятность того, что в смеси x(t)
есть сигнал sh Ех — энергия принятого колеба-
ния. Исходя из этого можно найти алгоритм
байесовского решения
(2/G0)J[51(O-52(O]x(O^I₽, (5)
0 S2
р = 1п[с12Ра(52)/с21Ра(51)] + (Е! - E2)/Go, (6)
где Р — порог; Е\, Е2 — энергия сигналов si(t)
и s 2(0 соответственно.
Оптимальное различение по критерию
Котельникова — частный случай оптимального
различения по критерию Байеса, когда за все
возможные ошибки назначают одинаковую цену
Cik = cn = c2\ = 1 (8)
Такой подход в ряде задач вынужден, по-
скольку априорно определить цену ошибки
очень сложно. Принятое предположение (8) поз-
воляет на основе (1), (5), (6) записать выражение
среднего риска и алгоритм принятия решения:
R = £а («21 *2 ) + Л 01 №1 | 5. ) i (9)
Т
о
J1
(Ю)
^2
+ (E1-E2)/G0.
Как следует из (9), при использовании кри-
терия Котельникова средний риск является
Глава 21 СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
609
21.5. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМ. СИСТЕМ ПРИ АПРИОРНОЙ ОПРЕДЕЛЕННОСТИ
суммой вероятностей всех возможных ошибок,
которая и минимизируется при обработке. Кри-
терий Котельникова называют также критери-
ем максимальной апостериорной вероятности.
Действительно, из выражения (3) следует
(11)
S
2
т.е. принимается решение о наличии сигнала,
апостериорная вероятность которого макси-
мальна.
Оптимальное различение по критерию
максимума правдоподобия — частный случай
оптимального различения по критерию
Котельникова, когда все априорные вероятнос-
ти появления различных сигналов одинаковы:
Pa(s/) = Pa(sJ = Pa(s1) = Pa(s2) = l/m, (12)
где т — число возможных сигналов в смеси.
Такой подход может быть физически оп-
равдан и использован тогда, когда априорное
распределение вероятностей Pa(s() неизвестно
и его логично принять равномерным. Допуще-
ние (12) позволяет значительно упростить вы-
ражение среднего риска (9) и алгоритма приня-
тия решения (10):
R =[/’О,| s2) + /’(s2| i,)]/2; (13)
jh (г) - 52 4 (£]
О S2
Е2)/2. (14)
Как следует из (13), при применении крите-
рия максимального правдоподобия средний
риск является суммой условных вероятностей
всех возможных ошибок, которая минимизиру-
ется при обработке. При этом правило приня-
тия решения (11) может быть представлено в
виде
Л(50^Ц52),
^2
что и определяет название критерия.
Как следует из сравнения правил принятия
решения, критерии Байеса (5), Котельникова
(10) и максимального правдоподобия (14) от-
личаются только значениями порогов р.
Оптимальное различение по критерию по-
следовательного наблюдателя (критерию
Вальда) — оптимальное различение, при ко-
тором решение принимается не после наблю-
дения за реализацией на протяжении всего
времени ее существования Т, как это было в
рассмотренных случаях, а на существенно
меньшем интервале времени. Для этого при-
нимаемое колебание обрабатывают непрерыв-
но и сравнивают результаты с двумя порога-
ми. При превышении верхнего порога прини-
мают решение о приеме одного сигнала; если
результат обработки будет меньше нижнего
порога, то выбирают решение о приеме друго-
го сигнала; если же результат обработки нахо-
дится между порогами, то наблюдения про-
должают.
Оптимальное обнаружение по критерию
Байеса — частный случай оптимального раз-
личения, когда сигнал $1 = s, a s2 = 0, т.е. ког-
да ставится задача проверки гипотезы Нх о
наличии в наблюдаемой на интервале време-
ни Т реализации x(t) смеси сигнала s(t) и по-
мехи n(t) против простой альтернативы HQ о
наличии в принятой реализации только поме-
хи n(t) (см. ст. 21.1). При этом алгоритм при-
нятия решения (5), (6) может быть записан
как:
г Н
(2/G0)\s(t)x(t)dt й 1п[сл.тРа(0)/спрРа(5)] +
о (15)
+ Ec/Gq,
где Ра(0) и Pa(s) — априорные вероятности отсут-
ствия и наличия сигнала s(t) соответственно; сл т
— цена ложной тревоги; спр — цена пропуска;
т
Ес = s2(t)dt — энергия сигнала.
о
Аналогично могут быть записаны алгорит-
мы обнаружения:
по критерию Котельникова
Т Н
QJG^\ s(t)x(t)dt (16)
"о
по критерию максимального правдоподобия
т Я
[ s(t)x(t)dt Ес / 2.
О Ч>
(17)
Методика оптимального обнаружения по
критерию последовательного наблюдателя не
610
РАДИОТЕХНИКА
21.5. СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМ. СИСТЕМ ПРИ АПРИОРНОЙ ОПРЕДЕЛЕННОСТИ
отличается от рассмотренной для оптимально-
го различения; при этом в случае превышения
верхнего порога фиксируется наличие сигна-
ла, а в случае непревышения нижнего — его
отсутствие.
Оптимальное обнаружение по критерию
Неймана—Пирсона основано на минимизации
вероятности ошибки первого рода (вероятнос-
ти пропуска цели Рпр) при фиксированном зна-
чении вероятности ошибки второго рода (веро-
ятности ложных тревог Рл т):
Рпр = minPnp при Рл т = const, (18)
где Рпр = Р(Н.)(1 -£>), Рл т = P(H0)F (см. ст. 21.1,
17.28).
При этом в инженерной практике часто фик-
сируют не Рл т, а условную вероятность ложных
тревог F = const (например, 1О 3...1О 4). Оче-
видно, что минимизация пропусков (18)
адекватна максимизации вероятности правиль-
ного обнаружения при фиксированной вероят-
ности ложных тревог.
Оптимизация по критерию Неймана —
Пирсона наиболее часто используется при ве-
роятностных расчетах локационных систем,
когда нужно зафиксировать поток ложных тре-
вог, превышение которого может привести к
непредсказуемым последствиям (см. ст. 17.28).
Правило принятия решения по критерию Ней-
мана—Пирсона имеет вид
г
(2/Go)j5(/)x(O^ Р, (19)
о Яо
где s(f) — априорно известный (ожидаемый)
сигнал.
Порог при гауссовском распределении ве-
роятностей напряжения помехи на входе поро-
гового устройства
Р = ^пор=^п4(ПагсФ(1-^) + ^(П, (20)
где ап4(Т), ип4(Т) — с.к.о. и математическое
ожидание помехи на входе решающего устрой-
ства; Ф(г) — функция Лапласа.
Оптимальная оценка информативных па-
раметров сигнала. Структура и помехоустой-
чивость оптимального устройства существен-
но зависят от свойств информативных параме-
тров сигнала, вида помех, а также принятого
критерия оптимальности. Ограничимся одним
примером — оптимальной оценкой амплитуды
радиоимпульса s(t) = As0(t) при 0 < t < Т, где
5О(0 — импульсный сигнал единичной ампли-
туды. Форма сигнала и время его существова-
ния на приемном конце канала априорно изве-
стны. Сигнал принимается на фоне белого шу-
ма с известной спектральной плотностью
мощности Gq. Запишем принимаемую смесь
как x(t) = s(t) + n(t). Оценим амплитуду сигна-
ла А по критерию максимального правдоподо-
бия при условии, что все возможные значения
амплитуды априорно равновероятны. В этом
случае отношение правдоподобия (4)
т
L(A) = exp {(£X/GO) - J[x(r) - A*.s0(')]1 2 3^} • (21)
0
Максимум L{A) отвечает минимуму показателя
степени (21). Следовательно, оптимальное зна-
чение амплитуды А определяется выражением
т
= (2 / Go) j[x(/) - Л % (<)>0 (О* = 0,
о
откуда
т т
А* = x(t)sQ(t)dt / J^o(r)Jr.
о о
Реализацию оптимальных алгоритмов при-
ема дискретных сигналов на фоне флуктуаци-
онных помех — см. в ст. 17.14.
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. — М.: Сов. радио, 1977. — 608 с.
2. Горяйнов В.Т., Журавлев А.Г., Тихонов В.И. Статистическая радиотехника: Примеры и за-
дачи / Под ред. В.И. Тихонова. — М.: Сов. радио, 1980. — 544 с.
3. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции / Под ред. В.И. Тихонова. — М.: Сов.
радио, 1972. — Т.1. — 744 с.
Глава 21 СТАТИСТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
611
ГЛАВА 21
4. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств
и систем. — М.: Радио и связь, 1991. — 608 с.
5. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. — М.: Радио и связь, 1983. — 320 с.
6. Лезин Ю.С. Введение в теорию и технику радиотехнических систем. — М.: Радио и связь,
1986.— 280 с.
7. Радиоприемные устройства / Под ред. А.П. Жуковского. — М.: Высш, шк., 1989. — 342 с.
8. Стратонович Р.Л. Принципы адаптивного приема. — М.: Сов. радио, 1973. — 144 с.
9. Репин В.Г., Тартаковский Т.П. Статистический синтез при априорной неопределенности и
адаптация информационных систем. — М.: Сов. радио, 1977. — 432 с.
10. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники: в 3 кн. — М.: Сов. ра-
дио, 1976. — Кн. 3. — 288 с.
11. Лапий В.Ю., Калюжный А.Я., Красный Л.Г. Устройства ранговой обработки информации.
— К.: Техшка, 1986. —120 с.
12. Обнаружение радиосигналов / П.С. Акимов, Ф.Ф. Евстратов, С.И. Захаров и др.; Под ред.
А.А. Колосова. — М.: Радио и связь, 1989. — 288 с.
13. Теория передачи сигналов / А.Г. Зюко, Д.Д. Кловский, М.В. Назаров, Л.М. Финк — М.:
Радио и связь, 1986. — 304 с.
612
РАДИОТЕХНИКА
==^====^^=== ГЛАВА 22
ТЕЛЕВИДЕНИЕ
• Ни одно другое достижение техники XX в.
не изменило так повседневную жизнь
миллиардов людей, как изобретение
телевидения.
• Реальную власть имеет тот,
кто владеет телевидением.
• Голубой экран несет в каждое жилье
свет и радость, оказывает содействие
укреплению семьи, дарит утеху старикам,
больным и одиноким людям.
Из папской буллы,
посвященной телевидению.
• На 100 семей в странах Восточной Европы
в 1995 г. приходилось 125 телевизоров,
в том числе 25 цветных.
• Оптико-механическое устройство
(диск с отверстиями по спирали)
для разложения ТВ изображений
на элементы
(/7. Нипков, Германия, 1884 г.).
• Первые телевизионные изображения
простых геометрических фигур, добытые
с помощью электронно-лучевой трубки
(Б.Л. Розинг, Россия, 1911 г.).
• Начало черно-белого ТВ вещания:
США, 1936 г. (с четкостью
разложения 343 строки),
Англия, 1936 г. (405 строк),
Франция, 1936 г. (455 строк),
СССР, 1938 г. (343 строки),
Германия, 1938 г. (441 строка).
Начало цветного телевизионного
вещания — США, 1953 г.
Телевидение — область техники, науки,
культуры, связанная с передачей на расстояние
изображений движущихся и неподвижных
объектов с помощью радиоэлектронных
средств. Типичная техническая телевизионная
система содержит датчик телевизионных сиг-
налов (см. ст. 22.2), кодирующее устройство —
кодер (см. ст. 22.7), передатчик (см. ст. 16.15),
канал связи (см. ст. 6.7), приемник с декодером
(см. ст. 22.10) и воспроизводящим устройст-
вом — кинескопом или телепроектором (см.
ст. 22.1).
Изучение материала главы целесообразно
начать со ст. 22.12, далее — произвольно, с
учетом ссылок.
22.1. ВОСПРОИЗВОДЯЩЕЕ УСТРОЙ-
СТВО — преобразователь электрического сиг-
нала в световое изображение. Известны три
вида В.у. непосредственного наблюдения: ки-
нескопы (от греч. kinesis — движение и skopeo
— смотрю) с площадью изображения до 0,5м2;
матричные экраны (люминесцентный, на жид-
ких кристаллах, газоразрядный) меньшей пло-
щади; проекционные экраны (светоклапанный
и лазерный) с площадью в десятки квадратных
метров.
Кинескоп монохромный — вакуумная
колба с формой основания, близкой к прямо-
угольной, которая содержит люминесцентный
экран с диагональю от 3 до 100 см, люмино-
фор, нанесенный на экран изнутри, а также
электронный прожектор. Эти части кинескопа
размещены внутри вакуумной колбы. Люми-
нофор (от лат. lumen — свет) — вещество, спо-
собное к люминесценции (нетепловому, холод-
ному свечению) при возбуждении его ионизи-
рующим лучом. Для сокращения длины кине-
скопов применяют колбы с увеличенным уг-
лом отклонения по диагонали (в телевизорах
— 110°) и с округлением места перехода гор-
ловины на конус. Округлением (сопряжением
Глава 22. ТЕЛЕВИДЕНИЕ
613
22.1. ВОСПРОИЗВОДЯЩЕЕ УСТРОЙСТВО
двух геометрических фигур) достигают эконо-
мии требуемой энергии отклонения луча. Эк-
ран металлизируют поверх люминофора, что-
бы защитить последний от попадания на него
ионов и обеспечить требуемую яркость. Не-
отъемлемой принадлежностью современного
кинескопа для стандартных телевизоров явля-
ется отклоняющая система, жестко закреплен-
ная на его горловине.
Основные параметры кинескопа таковы.
Светоотдача — отношение силы света, излу-
чаемого экраном, к мощности электронного
луча (до 15 кд/Вт). Для повышения светоотда-
чи выгодно работать при больших ускоряю-
щих напряжениях и малых токах луча. Конт-
раст изображения в крупных деталях — отно-
шение яркости светлой и темной половин экра-
на, измеряемое в темноте (от 60 до 100 раз).
Инерционность люминофора при переходе от
состояния покоя к возбуждению лучом и на-
оборот оценивают двумя параметрами: време-
нем разгорания (от начала единичного скачка
возбуждения до достижения люминофором
99% установившегося уровня свечения — око-
ло 5 мс) и послесвечением — временем, в тече-
ние которого свечение снижается до 1% от ус-
тановившегося уровня, — менее 20 мс).
Этими параметрами оценивают также ка-
чество цветных кинескопов.
Кинескоп цветной — разновидность теле-
визионного воспроизводящего устройства. Из-
вестны цветные кинескопы масочного типа (с
самосведением лучей и без него), а также од-
но- и трехлучевой хроматроны с диагональю
от 16 до 70 см. Масочный — самый распрост-
раненный тип цветного кинескопа. Он имеет
точечный экран, состоящий из совокупности
триад — трехточечных люминофоров красно-
го, зеленого и синего цветов; маску с числом
отверстий, равным числу триад, и три элек-
тронно-лучевых прожектора. Все части заклю-
чены в вакуумную колбу с прямоугольным ос-
нованием. Каждый лучевой прожектор воз-
буждает «свой» люминофор экрана в триаде
RGB цветов (см. ст. 22.12) через установлен-
ную перед экраном маску с отверстиями по
числу триад. Недостатки масочного К. ц.: пе-
рехват маской до 85% энергии электронных
лучей, потребность в высоких (до 25 кВ) на-
пряжениях, сложность эксплуатации из-за не-
обходимости сведения лучей.
Устройства сведения — это серия регули-
ровочных магнитов и катушек на горловине
колбы К. ц.. С их помощью каждый из трех лу-
чей после прохождения сквозь отверстие мас-
ки поступает к «своему» люминофору.
Трехлучевой хроматрон — разновидность
К. ц. с линейчатым экраном (люминофор нане-
сен в виде горизонтальных линий) и решеткой
из вертикальных проволок вместо маски. Про-
жекторы устанавливают в одну линию (ком-
планарно). На решетку и экран подают разные
потенциалы, которые образуют электростати-
ческое поле, формирующее серию отклоняю-
щих электронных линз. При этом 90% электро-
нов достигает экрана, и его светоотдача резко
возрастает. Такие кинескопы выпускают с диа-
гональю не более 32 см (из-за провисания
проводов и нарушения сведения лучей при
увеличении размера экрана).
Масочный кинескоп с самосведением лучей
— компромиссное решение: это кинескоп со
щелевой маской, более прочной, чем проволоч-
ная решетка, но менее прозрачной. Отклоняю-
щая система образует неоднородное магнитное
поле — корректирующую линзу для сведения
лучей.
Однолучевой хроматрон — простая конст-
рукция цветного кинескопа с последователь-
ным чередующимся возбуждением люминофо-
ров. Экран имеет вид цветных чередующихся
полос, луч по полосам сканирует зигзагообраз-
но. Перед экраном, как у трехлучевого хрома-
трона, расположены проволочные решетки, к
которым подводят переменное напряжение —
для вобуляции (качания) луча. Выходы каналов
декодера (см. ст. 22.10) коммутируются син-
хронно с вобуляцией, в соответствии с положе-
нием луча на экране. Основные недостатки од-
нолучевого хроматрона — провисание решет-
ки и большая требуемая мощность сигнала во-
буляции.
Широкоформатный кинескоп Quintrix при-
меняется в телевизорах Panasonic высокой чет-
кости. В электронной пушке DAF (динамичес-
кая корректировка астигматизма и фокуса) ис-
пользуется квадраполюсный объектив, коррек-
тирующий искажения вблизи кромки экрана. В
результате изображение становится одинако-
вым в центре экрана и на его краях. Кинескоп
Quintrix обладает точечными элементами на-
много меньших размеров, чем экраны обыч-
ных телевизоров, и выполнен с применением
технологии суперпигментных люминофоров
для повышения сочности изображения. В раз-
новидности кинескопа Quintrix с электронной
пушкой MPF (мультипредварительная фокуси-
ровка) суперпигментные люминофоры имеют
614
РАДИОТЕХНИКА
22.2. ДАТЧИК ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА
специальное покрытие. За счет абсорбции (по-
глощения) наружного света, цвет которого от-
личается от излучаемого кинескопом, воспро-
изводятся натуральные цветовые оттенки и по-
вышается светоотдача экрана.
Значения основных параметров К. ц. раз-
личных размеров: яркость свечения экрана в
белом цвете 170...320 кд/м2, яркостный кон-
траст в больших деталях (иначе — динамичес-
кий диапазон яркостей) 60... 100%, разрешаю-
щая способность 220...600 линий, ток второго
анода 400... 1000 мкА, напряжение на нем
16...25 кВ (см. описание кинескопа — ст.
29.20). Прочие параметры цветного кинескопа
— см. ранее «Кинескоп монохромный».
Отклоняющая система кинескопа — две
пары катушек строчной и кадровой разверток,
выполненные в форме цилиндра или конуса и
расположенные на горловине кинескопа для
перемещения электронного луча по экрану и
формирования изображений (см. ст. 22.5). Блок
отклоняющей системы кинескопа прикрепля-
ется (приклеивается) к горловине его колбы.
Проектор лазерный (квантоскоп) содер-
жит пластину с полупроводником, каждая точ-
ка которой является лазером, возбуждаемым
модулированным электронным лучом. Излуча-
ющая лазерная пластина, несущая сформиро-
ванное изображение, проектируется на экран с
помощью оптической системы. Известна так-
же разновидность лазерного проектора с от-
клонением лазерного луча. Главную трудность
внедрения этого вида лазерного проектора при
больших размерах экрана представляют высо-
кая энергия отклонения и техническая реали-
зация сканирования луча. Для реализации
цветного телевидения требуются три лазерных
проектора основных цветов — R, G, В. Основ-
ные преимущества лазерного проектора —
большой яркостный контраст и высокая насы-
щенность цветов (см. ст. 22.12).
Проектор светоклапанный содержит ва-
куумный модулятор света, внешние оптичес-
кие устройства фокусирования, преломления,
поляризации лучей и белый экран площадью
менее 100 м2. Принцип действия — модуляция
интенсивности светового потока мощного
внешнего источника благодаря изменению оп-
тических свойств материала модулятора (крис-
талла калия или масла) на поверхности вогну-
того зеркала под действием электронного луча.
Общими для обоих модуляторов являются кла-
панные свойства: у первого — благодаря воз-
можности поляризации светового потока и све-
торазделительной призме; у второго — вслед-
ствие изменения коэффициента преломления
масла и использования решетчатых зеркал.
Клапаны фильтруют лучи в нерабочих циклах,
пропуская их к экрану — в рабочих.
22.2. ДАТЧИК ТЕЛЕВИЗИОННОГО
СИГНАЛА — преобразователь оптических
изображений в электрический сигнал. Извест-
ны три группы датчиков: передающие телеви-
зионные трубки с накоплением электрических
зарядов мишенью под действием света и с раз-
верткой изображения электронным лучом; бе-
зынерционные вакуумные устройства с пере-
носом изображения от фотокатода к диафрагме
с помощью развертывающей системы диссек-
тора; твердотельные фотоэлектронные датчи-
ки с жестким дискретным растром на основе
структуры «металл — диэлектрик — полупро-
водник»; это приборы с зарядовой связью
(ПЗС) малых габаритных размеров. Последние
— самые перспективные благодаря высокой
линейности растра, простому регулированию
параметров разложения изображений (см. ст.
22.5), совместимости с цифровыми системами
обработки и возможности многоканального
считывания.
Основные параметры датчиков таковы.
Апертурная характеристика — зависимость
относительного уровня видеосигнала от разме-
ров деталей изображения, определяемых чис-
лом различимых линий на участке экрана оп-
ределенного размера. Инерционность — запаз-
дывание изменений телевизионного сигнала на
выходе датчика при изменении освещенности
его фоточувствительной поверхности. Свето-
вая характеристика — зависимость выходно-
го тока от освещенности, ампер на люкс
[А/лк]. Спектральная характеристика — за-
висимость чувствительности от длины волны
воздействующего на датчик равноинтенсивно-
го облучения (по всему видимому спектру).
Чувствительность — отношение выходного
напряжения или тока к световому потоку, вольт
на люмен [В/лм] или ампер на люмен [А/лм];
реальная чувствительность — величина, об-
ратная той освещенности (см. «Лучистая энер-
гия» в ст. 22.12) фоточувствительной поверх-
ности датчика, которая необходима для полу-
чения телевизионного сигнала с заданным от-
ношением сигнал/шум.
Передающая телевизионная трубка —
датчик телевизионного сигнала. По принципу
действия различают пять типов передающих
трубок: с вторично-эмиссионным накопителем
Глава 22 ТЕЛЕВИДЕНИЕ
615
22.2. ДАТЧИК ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА
— супериконоскоп, суперортикон; с фотопро-
водящим накопителем (мишенью) — видикон
и его модификации по чувствительности,
инерционности — бивикон, гетерокон, кадми-
кон, ньювикон, сатикон, халникон, которые
различаются структурой мишени; с фотодиод-
ным слоем — кремникон, плюмбикон, супер-
кремникон; с электронным переносом изобра-
жений — секон, суперкремникон; мгновенного
действия, без накопления — диссектор.
Видикон из-за его малой чувствительности
применяют лишь в специальных телевизион-
ных системах; при диаметре колбы 76 мм он
разрешает до 6000 линий.
Бивикон — удвоенный видикон с двумя
электронными прожекторами и мишенями.
Сатикон (химические элементы Se, As, Те
в составе мишени) — модификация видикона,
но в отличие от него имеет высокую чувстви-
тельность; распространен в качественной про-
фессиональной аппаратуре и в телевидении
высокой четкости (см. ст. 22.9).
Плюмбикон (глетикон) отличается от види-
кона фотодиодной мишенью с ^-/-«-структу-
рой, малой инерционностью, высокой линей-
ностью световой характеристики — зависимо-
сти выходного тока от освещенности. Имеет
высокую чувствительность (нормально рабо-
тает при освещенности 1.. .2 лк на фотокатоде)
и высокую разрешающую способность, малый
остаточный сигнал после считывания (5% про-
тив 30% у видикона), высокую равномерность
сигнала по всему полю мишени, малый темно-
вой ток.
Кремникон — датчик с фотодиодной мат-
рицей. Обладает очень высокой чувствитель-
ностью, сопоставимой даже с чувствительнос-
тью плюмбикона, имеет большой световой ди-
намический диапазон и повышенную темпера-
турную устойчивость мишени.
Суперкремникон — кремникон, имеющий
секцию для переноса электронного изображе-
ния с фотокатода на мишень. Обладает повы-
шенной чувствительностью — в 100 раз боль-
шей, чем у кремникона.
Секон — датчик сверхвысокой чувстви-
тельности. Электронное изображение с фото-
катода на мишень переносится с помощью не-
скольких электродов, образующих поле уско-
рения. Мишень имеет основу из оксида алю-
миния, сигнальную пластину (обе — прозрач-
ные для электронов) и пористый пласт диэле-
ктрика, в котором фотоэлектроны полностью
теряют свою энергию после считывания. Се-
кон характеризуется малой инерционностью,
большой разрешающей способностью (1200
линий) и широким динамическим диапазоном
(минимальная освещенность на фотокатоде
составляет 10-9 лк). Может хранить световое
изображение на мишени в течение суток. Не-
достаток — неоднородность мишени, из-за че-
го на изображении возможны черно-белые по-
лосы.
Диссектор (рассекатель) — передающая те-
левизионная трубка мгновенного действия. Со-
держит прозрачный фотокатод, анод с цент-
ральным отверстием, имеющим размер одного
элемента разложения (см. ст. 22.5), и фотоумно-
житель. Перенос изображения на анод обеспе-
чивают однородные поля — магнитное и элек-
тростатическое. Отклоняющие катушки разво-
рачивают изображение, проецируя его элемен-
ты последовательно на фотоумножитель. В от-
личие от других передающих трубок здесь от-
сутствует электронный прожектор. Развертка
происходит путем отклонения электронного
изображения перед «вырезывающим» отвер-
стием, которое и является развертывающей
апертурой [1]. Диссектор имеет линейную све-
товую характеристику при освещенности фото-
катода в пределах от десятых долей люкса до
нескольких тысяч люкс. Форма световой харак-
теристики не зависит от содержания изображе-
ний благодаря четкому ограничению размеров
элемента развертки. Однако диссектор имеет
очень низкую чувствительность (требует осве-
щенности фотокатода 104 лк) в широкополос-
ном режиме работы, соответствующем стан-
дартам вещательного телевидения.
22.3. ИНФОРМАЦИОННАЯ ОЦЕНКА
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ —
начальная совокупность данных, необходи-
мая для проектирования телевизионных сис-
тем и рационального выбора их основных
параметров.
Избыточность телевизионных сообще-
ний — отношение производительности датчи-
ка телевизионного сигнала к пропускной спо-
собности зрительного аппарата человека, мера
превышения всего объема информации над той
ее частью, которую телезритель в состоянии
воспринять.
Производительность датчика
Яд = NIK/TK = nN log2 т,
где IK = log2 т — информационная емкость ка-
дра; Тк — его продолжительность; N — число
616
РАДИОТЕХНИКА
22.4. КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА
элементов разложения; п — число кадров в се-
кунду; т — число градаций яркости.
Для телевизионного вещания при
N = 0.5 млн, п = 25 и т = 64 производитель-
ность 7?д = 70 Мбит/с. Зрительная информаци-
онная способность человека составляет всего
лишь 50 Кбит/с — на три порядка меньше,
чем R;v Поиск возможностей использования
избыточности телевизионного сигнала явля-
ется одним из направлений совершенствова-
ния телевизионных систем.
Пропускная способность телевизионного
канала связи — величина, которая оценивает-
ся формулой Шеннона для объема информации
С = П1оё2(1+Рс/ЛД.н
где П — полоса пропускания; Рс и Рш — мощ-
ности сигнала и шума соответственно.
При проектировании телевизионных сис-
тем необходимо согласование спектральных
характеристик сигнала с полосой пропускания
аппаратурного тракта, согласование их вре-
менных характеристик и динамического диапа-
зона. Так, для быстрых процессов нужна ши-
рокая полоса (малое время передачи кадра), а
для медленных — достаточно узкая полоса,
позволяющая увеличить отношение сиг-
нал/шум и в конечном счете — уменьшить
мощность передатчика (см. ст. 6.9 и 16.15).
Спектр частот — параметр телевизионно-
го сигнала, определяющий полосу пропуска-
ния канала связи. Например, для телевизион-
ного вещания полоса пропускания
AFC« nN/2 = 25 0.5-106/2 = 6.25 МГц.
Структура спектра S(f) — дискретная (Рис. 22.1),
имеет постоянную составляющую (0 Гц) и спек-
тральные линии, образованные гармониками
строчной частоты/, и боковыми полосами от гар-
моник кадровой частоты fK, расположенных ря-
дом с ними, откуда
Амплитуды спектра £(/) быстро спадают при
возрастании номеров гармоник I и г, но имеют
и всплески на частотах lfc. В окрестности час-
тот, которые равны (или кратны) нечетному
числу полупериодов строчной частоты, в спек-
тре телевизионного сигнала существуют глу-
бокие провалы на частотах
(//2)(2/ + 1), где/ = 0, 1,2,... .
Это свидетельствует о частотной «недогрузке»
телевизионного канала связи и о том, что канал
можно уплотнить (см. ст. 22.5, 22.7).
22.4. КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ТЕ-
ЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА — совокуп-
ность способов оценки технического качества
телевидения. Оценку выполняют с помощью
специальных сигналов, которые замешивают в
сигнал телевизионной программы, а также (в
паузах передач) — с помощью таблиц. Сигна-
лы непрерывного контроля вводят на периоде
импульсов гашения кадров (см. ст. 22.6).
Формируют три вида испытательных сиг-
налов: два импульса — широкий с уровнем бе-
лого и узкий, синусквадратный (по изменению
уровня второго относительно первого судят об
АЧХ тракта на высоких частотах); пятиступен-
чатый сигнал с наложением синусоидального
напряжения — для оценки нелинейности амп-
литудной характеристики тракта; радиоим-
пульсный сигнал — для оценки АЧХ тракта на
частотах от 0.5 до 6 МГц. При настройке ра-
диопередатчика цветного телевидения исполь-
зуют восьмиполосную таблицу, а для контроля
самых важных параметров цветного и черно-
белого телевидения — универсальную элект-
рическую испытательную таблицу.
Контролю подвергаются следующие пара-
метры. Восстановление постоянной составля-
ющей — сведение ее к обусловленному посто-
янному потенциалу уровня гашения — в сиг-
налах основных цветов, яркости или полного
цветового телевизионного сигнала (ПЦТС) —
см. ст. 22.6. Градация яркости — перепад
яркостей смежных участков нецветного изоб-
ражения. Градационная характеристика —
логарифмическая зависимость яркости телеви-
зионных изображений воспроизводящего уст-
ройства (см. ст. 22.1) от яркости объекта перед
датчиком в пределах от черного до белого.
Глава 22. ТЕЛЕВИДЕНИЕ
617
22.4. КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА
Когерентность в телевидении — равенство
частот и соответствие начальных фаз в процес-
сах разложения телевизионных изображений
при их анализе в датчике и синтезе в воспроиз-
водящем устройстве (см. ст. 22.5). Положи-
тельная полярность сигнала яркости — по-
лярность, при которой потенциал уровня бело-
го превышает потенциал уровня черного.
22.5. РАЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ
— выделение распределенных в пространстве
мгновенных значений яркости (мощности) и
спектральных составляющих — цветов эле-
ментарных потоков лучистой энергии (см. ст.
22.12), временная последовательность которых
и является телевизионным изображением. Раз-
вертка — результат процесса разложения изо-
бражений, состоит из строк и кадров-полей.
Параметры разложения. Элемент разло-
жения — участок двухмерного изображения,
свечение которого воспринимается как единая
точка.
Визуально достаточное число элементов
разложения У (см. ст. 22.3) ограничивается ка-
жущейся четкостью
G = lnMlnWmax = [ln(fe2)]/[(ln(fc2max)],
^max — 2a/v,
где Mnax — максимально необходимое число
элементов разложения; z — число строк разло-
жения; а — угол наблюдения; v — угол разре-
шения глаза; к — отношение ширины изобра-
жения к высоте (формат кадра).
Благодаря логарифмической зависимости
четкости от числа элементов (закон Вебера—
Фехнера) уменьшение числа строк 0Tzmax = 1200
до z = 600 понижает визуальную четкость лишь
на 10%, а спектр сигнала при этом сокращается
существенно — в четыре раза. Исходя из этого и
определяют визуально достаточное число эле-
ментов разложения N.
Строка — совокупность последовательно-
сти горизонтальных элементов изображения.
Развертывание (сканирование) — способ
получения растра (структуры поверхности
изображения) — см. далее «Телевизионный
растр».
Траектория разложения изображения —
порядок последовательной на плоскости пере-
дачи элементов разложения.
Кадр — изображение, полученное при од-
нократном восприятии всех строк, содержа-
щих множество элементов разложения.
Поле — существенная часть всех строк ка-
дра. В стандартной вещательной телевизион-
ной системе кадр состоит из двух полей (че-
ресстрочная развертка), причем первое поле
передает нечетные, а второе — четные строки.
Число п кадров в секунду — скорость пере-
дачи изображений. Число п определяется ус-
ловием незаметности мерцания изображений
(см. ст. 22.12). Для типовой яркости экрана
100 кд/м2 частота полей (50 Гц) выбрана рав-
ной не воспринимаемой человеком частоте
мерцаний экрана при переключении четных и
нечетных полей.
Формат к прямоугольного кадра — отно-
шение ширины кадра к его высоте. Форматы
кадра вещательного телевидения и стандартно-
го кинокадра согласованы и совпадают: к = 4/3.
Для телевидения высокой четкости и телевиде-
ния повышенного качества, а также для широ-
коэкранного кинофильма формат к = 5/3 либо
к = 16/9. У видеотелефона к < 1.
Развертывающий элемент — электрон-
ный луч, апертура (поперечное сечение) которо-
го имеет форму круга, а распределение плотно-
сти тока вдоль диаметра близко к гауссовскому.
Уровень телевизионного сигнала пропорциона-
лен площади сечения развертывающего элемен-
та. Тем не менее, слишком большая площадь да-
ет слабую продольную и поперечную четкости
изображений, поэтому существует оптималь-
ная апертура развертывающего элемента.
Разложение — процесс последовательного
считывания изображений для последующего
воссоздания каждого элемента при анализе,
передаче и синтезе изображений в телевизион-
ной системе.
Развертка — результат процесса разложе-
ния изображения развертывающим элементом
(лучом). Может быть детерминированной (тра-
ектория сканирования электронного луча зада-
на) и недетерминированной (направление дви-
жения луча согласовано с содержанием изоб-
ражений). К детерминированным разверткам
относятся: строчная, строчно-реверсивная, че-
ресстрочная (через одну, две строки), а также
чересточечная, спиральная, зигзагообразная,
синусоидальная. Для вещательного телевиде-
ния оптимальной принята чересстрочная раз-
вертка: у нее самые малые значения частоты
кадров и полосы частот телевизионного сигна-
ла (см. ст. 22.3). Известны такие недетермини-
рованные развертки: по случайным выборкам
фрагментов изображений — для графических
сообщений; следящие по площади; следящие
по контуру; контурно-рамочные.
618
РАДИОТЕХНИКА
22.7. СИСТЕМА ВЕЩАТЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Телевизионный растр — это структура
поверхности изображения, результат анализа и
синтеза кадра. Растр получается путем разло-
жения изображений развертывающим элемен-
том — электронным лучом. Для разложения
используются пилообразные колебания в от-
клоняющей системе кинескопа (см. ст. 22.1)
токов строчной и кадровой частот, чтобы осу-
ществить горизонтальное и вертикальное от-
клонения электронного луча в датчике и вос-
производящем устройстве. Частота строчной
развертки /с = nz, а частота генератора кадро-
вой развертки численно равна частоте полей
(см. ранее)/п = bn = bfjz, где b = 2 — коэффи-
циент чересстрочной развертки в системе ве-
щательного телевидения. Для согласованной
работы генераторов разверток применяют син-
хронизирующие импульсы (см. Рис. 22.2). Для
устранения искажений сигнала изображения
во время обратных ходов лучей управляющий
электрод кинескопа блокируют специальными
импульсами гашения.
Синхроимпульсы
Уровни
синхроимпульсов
ограничения
гашения
черного
белого
строчные кадровые
Рис. 22.2
22.6. СИГНАЛЫ ВЕЩАТЕЛЬНОГО ТЕ-
ЛЕВИДЕНИЯ (основные виды).
Полный цветовой телевизионный сигнал
(ПЦТС) — сумма цветового телевизионного
сигнала и сигнала синхронизации. Сигнал
синхронизации в свою очередь является со-
вокупностью строчных и кадровых синхро-
импульсов — для синхронной работы гене-
раторов разверток при анализе, передаче и
при синтезе — воспроизведении принятого
изображения.
Цветовой телевизионный сигнал состоит
из сигнала яркости У и из суммы двух цвето-
разностных сигналов.
Сигнал яркости Y содержит полную инфор-
мацию о яркости передаваемого объекта, а так-
же строчные и кадровые гасящие импульсы.
Сигнал основного цвета несет информа-
цию о яркости изображений в одном из трех
основных цветов — R, G, В (см. ст. 22.12).
Цветоразностным сигналом называют
разность одного из сигналов основного цвета и
сигнала яркости Y (например, R—Y или В—У).
Применение цветоразностных сигналов позво-
ляет избежать избыточности, поскольку ин-
формацию о яркости уже несет сигнал Y.
Сигнал цветности — радиосигнал на цве-
товой поднесущей частоте, модулированный
цветоразностными сигналами.
Сигнал распознавания (угадывания) цвета
— радиосигнал на цветовой поднесущей часто-
те, модулированный специальными импульса-
ми для управления декодером в приемнике (см.
ст. 22.10, 22.11).
На Рис. 22.2 показана диаграмма распреде-
ления уровней сигналов вещательного телеви-
дения и синхронизирующих импульсов.
Телевизионные сообщения передают ра-
диосигналами изображения (сигналами на не-
сущей частоте изображения, модулированны-
ми по амплитуде ПЦТС), а также радиосигна-
лами звукового сопровождения (сигналами на
несущей частоте звука, модулированными по
частоте сообщениями на звуковых частотах).
22.7. СИСТЕМА ВЕЩАТЕЛЬНОГО ТЕ-
ЛЕВИДЕНИЯ — разновидность систем ра-
диосвязи с параметрами вещательного телеви-
дения. Различают системы монохромного,
цветного, объемного и стереоскопического
цветного телевидения.
Цветное телевидение — совокупность уст-
ройств, основанных на применении опреде-
ленного способа кодирования цветового теле-
визионного сигнала (см. ст. 22.6). Совмести-
мость систем телевидения дает возможность
воссоздавать сигналы цветного телевидения на
монохромных экранах и передавать сигналы
монохромного и цветного телевидения общи-
ми каналами связи. Телевизионный сигналь-
ный тракт содержит такие звенья: каналы изо-
бражения и звукового сопровождения, радио-
передающее и радиоприемное устройства, ан-
тенны, ретрансляторы. Современные системы
вещательного телевидения различаются чис-
лом строк/полей, которые передаются за се-
кунду (см. ст. 22.5): 625/50 или 525/60. Три сов-
местимые системы вещательного цветного те-
левидения (NTSC, SECAM, PAL) характеризу-
ются разными способами получения полного
цветового телевизионного сигнала — ПЦТС
(см. ст. 22.6), способами передачи и приема
Глава 22 ТЕЛЕВИДЕНИЕ
619
22.7. СИСТЕМА ВЕЩАТЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
сигнала цветности и выделения сигналов ос-
новных цветов — R, G, В.
Искажения в звеньях телевизионного
тракта — нежелательные процессы, обуслов-
ленные отклонениями реальных характерис-
тик звеньев от идеализированных.
Апертурные искажения — размытость гра-
ниц от белых к черным элементам изображе-
ния из-за конечных размеров сечения луча
(развертывающего элемента) и неравномерно-
сти плотности тока в его сечении (см. ст. 22.5).
Дифференциальная фаза — нежелатель-
ный скачок фазы сигнала цветности при мгно-
венном изменении сигнала яркости.
Дифференциальное усиление — нежела-
тельное изменение размаха сигнала цветности
при мгновенном изменении сигнала яркости.
Нелинейные у-искажения яркостного и цве-
торазностных сигналов — результат искаже-
ния кинескопом и датчиком передаточной ха-
рактеристики — степенной зависимости вы-
ходного параметра от входного. Их оценивают
показателем степени у.
Перекрестные искажения цветность—яр-
кость — искажения сигнала цветности сигна-
лом яркости и наоборот. Искажения цвета оце-
нивают характеристикой верности — зависи-
мостью амплитуды напряжения на модулято-
рах цветного кинескопа (см. ст. 29.20) от часто-
ты модуляции сигнала на несущей частоте изо-
бражения.
Объемное телевидение — малораспрост-
раненный вид телевизионных систем, базиру-
ющийся на особенностях зрения человека (см.
ст. 22.12) и на трех предпосылках: 1) стереоэф-
фект не исчезает при снижении четкости одно-
го из кадров стереопары, поскольку из двух
изображений человек воспринимает более чет-
кое; 2) восприятие объема и цвета не прекра-
щается при передаче одного кадра стереоско-
пической пары в черно-белом виде, а другого
— в цветном; 3) полоса частот одного из полей
стереоскопической пары может быть значи-
тельно сокращена, если сигнал яркости следу-
ющего поля передается во всей полосе частот.
Передающая камера объемного телевидения
имеет два объектива, один из них проецирует
объект на черно-белый датчик, а другой (с раз-
делением цвета светофильтрами) — на трех-
цветный. Кодирование и передача изображе-
ний осуществляются согласно принципам сис-
тем цветного телевидения (см. далее). В теле-
визоре черно-белый кинескоп комбинируют с
цветным.
Спутниковая система MAC (Multiplexed
Analogue Components — временное уплотне-
ние аналоговых компонентов) — цифроанало-
говая несовместимая (см. ранее) телевизион-
ная система повышенного качества (ТПК).
Система С-МАС при стандартном числе строк
z = 525 или 625, разработанная компаниями
IB А (Англия, 1982 г.), предназначена для непо-
средственного приема телевизионного сигнала
от геостационарного спутника Земли. Вариант
С-МАС применен компанией НТВ (Москва,
1992 г.). Его основные параметры: диапазон
частот в эфире 12 ГГц; передача на двух несу-
щих частотах при разносе несущих в радиока-
нале 19.18 МГц; применение ЧМ сигнала от
спутника с полосой 27 МГц в канале передачи;
ширина спектра исходного сигнала яркости си-
стемы PAL 5.6 МГц, исходных цветоразност-
ных сигналов 2.75 МГц; формат кадра k = 5/3;
частота кадров 25 Гц, развертка чересстрочная
при числе строк z = 625. Информация о цветно-
сти передается в виде двух цветоразностных
сигналов R—Y и В—У, сжатых во времени и
размещенных на интервале строчных гасящих
импульсов в двух соседних строках. Чтобы
этот интервал был достаточным, в кодере при-
меняют временное сжатие сигнала яркости.
Строчный импульс длительностью 400 нс пе-
редается в цифровой форме. Сигнал звука и
других данных занимает интервал 9 мкс. Циф-
ровые данные передаются с ФМ первой несу-
щей, видеосигнал — с ЧМ второй несущей.
Передатчик излучает в любой момент колеба-
ния только одной из них, поэтому интерферен-
ция между несущими частотами видеосигнала
отсутствует.
Для приема на стандартные телевизоры
применяют конвертер, который декодирует
сигнал системы С-МАС в стандартный сигнал
цветного телевидения с несущей радиочастот-
ного колебания в обычном диапазоне волн.
Структура декодера в телевизоре содержит
АЦП на входе для сигнала, полученного с ви-
деодетектора, электронный коммутатор для
разделения во времени сигнала яркости и по-
очередно передаваемых цветоразностных сиг-
налов; экспандеры для их растяжки во времени
(после сжатия в кодере, до передачи в эфир);
три ЦАП с заданными временами дискретиза-
ции яркостного и двух цветоразностных сигна-
лов, линию задержки сигнала яркости; блок
синхронизации; три ФНЧ с разными частотами
среза — на выходах яркостного и двух цвето-
разностных каналов обработки [2].
620
РАДИОТЕХНИКА
22.7. СИСТЕМА ВЕЩАТЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Двухканальный вариант системы телеви-
дения высокой четкости (ТВЧ) HD-МАС, раз-
работанный компанией CBS (США), рассчитан
на число строк z =1050 с тем же форматом ка-
дра к = 5/3 и чересстрочной разверткой при 60
полях в секунду. Датчик телевизионного сиг-
нала на телецентре представляет изображение
в виде 1050 строк в одном кадре. Каждый ка-
нал пропускает одно из двух полей кадра, по
525 строк: первый канал передает первое поле
— (525 нечетных строк), второй канал — вто-
рое поле (525 четных строк). Ширина спектра
видеосигналов в каждом канале 8 МГц. Систе-
ма HD-МАС совместима с английской систе-
мой С-МАС.
Упомянутые варианты систем ТПК и ТВЧ,
их модификации — А-, В-, D-, D2-MAC, а так-
же HD-B-MAC обладают такими улучшенны-
ми характеристиками по сравнению с традици-
онными системами: повышенной разрешаю-
щей способностью изображения — за счет
большей полосы частот сигналов яркости и
цветности; значительным снижением шумов
канала цветности благодаря смещению его
спектра вниз по частоте; передачей и приемом
сигналов звукового сопровождения, синхрони-
зации, телетекста и другой служебной инфор-
мации в цифровой форме; отсутствием пере-
крестных искажений сигналов яркости и цвет-
ности [3].
Цветное вещательное телевидение —
система с определенным кодированием сигна-
лов изображения для обеспечения совмести-
мости трансляции программ монохромного и
цветного телевидения. Независимо от способа
кодирования (см. ст. 6.8) датчик формирует
сигналы трех основных цветов, а в конце трак-
та эти сигналы управляют воспроизводящим
устройством (см. ст. 22.1). Кодирование дает
возможность уплотнить спектр и передавать
цветовую информацию вместе с сигналом яр-
кости Y, поскольку в дискретном спектре ярко-
стного К-сигнала есть нулевые значения (см.
Рис. 22.1 и ст. 22.3). Суть кодирования — фор-
мирование перемежающихся спектров сигна-
лов яркости Y на несущей частоте и цветораз-
ностных сигналов R—Y и В—Y — на поднесу-
щей частоте. Способ передачи цветоразност-
ных сигналов в канале яркости и отличает од-
ну систему цветного телевидения от другой.
Уплотнение спектров возможно благодаря
особенности зрения человека — восприни-
мать мелкие детали изображений как неокра-
шенные. Сигналы основных цветов преобра-
зуют в широкополосный сигнал яркости У и в
три узкополосных цветоразностных сигнала
(см. ст. 22.6). Из трех цветоразностных в эфир
передают только два, а третий восстанавлива-
ют в приемнике, как дополнение к сигналу яр-
кости (см. ст. 22.12). Согласно ГОСТ 7845-92
радиосигнал изображения формируется с по-
мощью AM несущей изображения /И из пол-
ным цветовым ТВ сигналом с частичным по-
давлением нижней боковой полосы, а радио-
сигнал звука — с помощью ЧМ несущей звука
/н.зв сигналом звукового сообщения. Полоса
частот радиоканала изображения составляет
7.625 МГц, а звукового сопровождения 0.25
МГц. Разнос несущих 6.5 МГц, причем/н из <
/н.зв, номинальная ширина полосы частот од-
ного радиоканала ТВ вещания 8 МГц.
В качестве примера приведем диаграмму
распределения частот и полос системы
SECAM цветного вещательного телевидения
(Рис. 22.3), где 1 — верхняя боковая полоса
сигнала яркости (правее 2 — частично
подавленная нижняя боковая полоса (левее
Ун.из)? 3 — сигнал звукового сопровождения, 4
— сигналы цветности, = 4.250 МГц и /R =
4.40625 МГц — частоты смодулированных
поднесующих при передаче синих и красных
строк соответственно.
В системе NTSC — National Television
System Commitee (США, 1953 г.) — каждая
строка разложения несет информацию о яркос-
ти и цветности. Сигналы цветности передают
на поднесущей частоте, находящейся в преде-
лах полосы пропускания сигнала яркости. Цве-
торазностные сигналы осуществляют ампли-
тудно-балансную квадратурную модуляцию
сигнала на поднесущей частоте в каждой стро-
ке. Балансный метод полезен для уменьшения
взаимных помех (нарушение цветопередачи),
для подавления сигнала на несущей частоте
изображения и для устранения сетки на черно-
белых участках цветного изображения. Однако
Глава 22. ТЕЛЕВИДЕНИЕ
621
22.7. СИСТЕМА ВЕЩАТЕЛЬНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
квадратурная модуляция сопровождается дву-
мя специфическими видами искажений: диф-
ференциальной фазой и дифференциальным
усилением (см. ранее), что является основным
недостатком NTSC.
В системе SECAM — Sequence de couleurs
avec memoire — последовательная передача
цветов с памятью (Франция — СССР, 1954 г.)
— применяется поочередная, через строку, пе-
редача двух цветоразностных сигналов с вос-
становлением в приемнике третьего сигнала
при задержке его на длительность одной стро-
ки с помощью линии задержки. Сигнал цветно-
сти передают на поднесущей частоте с частот-
ной модуляцией двумя цветоразностными сиг-
налами, как в NTSC, но с различными весовы-
ми коэффициентами. Частоты покоя поднесу-
щей сигнала цветности для строк В и R разные:
= 272/= 4.25 МГц,
fR = 282/ = 4.406 МГц,
где/. - частота строк (Рис. 22.3)
Для различения в телевизоре строк В и R
вводят специальные сигналы распознавания
цвета во время гашения обратного хода луча,
между полями или (в будущих системах) меж-
ду строками. Для повышения помехоустойчи-
вости предварительно корригируют низкочас-
тотные цветоразностные сигналы и одновре-
менно — сигналы на поднесущей с ЧМ, т.е.
увеличивают амплитуду сигнала на поднесу-
щей частоте по мере ее отклонения от частоты
покоя. Тем не менее размах сигнала на подне-
сущей частоте цветности выбирается в пять
раз меньшим, чем размах сигнала яркости от
черного до белого, — для устранения перекре-
стных искажений в этих каналах. Недостаток
системы SECAM — слабая помехоустойчи-
вость сигналов на поднесущей частоте цветно-
сти из-за низкого индекса частотной модуля-
ции и небольшого размаха сигнала цветности.
Система PAL — Phase alternation lines —
строки с изменением фазы (Германия, 1963 г.)
— разработана с целью устранения основного
недостатка NTSC — ее чувствительности к
дифференциально-фазовым искажениям. Сис-
тема PAL обладает такими свойствами: неболь-
шой чувствительностью к асимметрии АЧХ ка-
нала цветности (что важно для телевизионных
стандартов, в которых интервал разнесения не-
сущих изображения и звукового сопровожде-
ния составляет 5.5 МГц, а не 6.5 МГц, как пока-
зано на Рис. 22.3); выигрышем в 3 дБ в отноше-
нии сигнал/шум по сравнению с SECAM; не-
большими перекрестными искажениями между
каналами яркости Y и цветности, напр. R—Y.
Как и в NTSC, в системе PAL используется ква-
дратурная модуляция сигнала на поднесущей
частоте цветности цветоразностными сигнала-
ми (например, R—У), но с другими весовыми
коэффициентами. Амплитуда суммарного век-
тора пропорциональна насыщенности — чис-
тоте цвета, а его фаза, как и в NTSC, — цвето-
вому тону, или качеству цвета (см. ст. 22.12).
Однако здесь фаза от строки к строке изменяет-
ся на л, а в одном из цветовых каналов телеви-
зора сигнал предыдущей строки задерживается
линией задержки, как в SECAM, после чего
сигналы соседних строк суммируются. Во вре-
мя приема в телевизоре второй строки фаза
сигнала цветности возвращается на л, сигнал
второй строки складывается с задержанным
сигналом первой строки. При этом суммарный
вектор совпадает с начальным, и фазовые иска-
жения компенсируются. Разработчикам систе-
мы PAL не удалось устранить только искаже-
ния типа дифференциального усиления.
22.8. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ТЕ-
ЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ — приклад-
ные системы видеосвязи производственно-тех-
нического и научного назначения.
Видеография — передача буквенно-цифро-
вых и графических изображений. Например,
системы «Телетекст» (речевой вариант), «Ви-
деотекс» (визуальный вариант) — обе с отсут-
ствием промежуточных градаций яркости, кро-
ме черного и белого, а иногда и с выдачей дан-
ных лишь по запросу абонента — интерак-
тивная видеография.
Визуализация объектов и процессов в не-
световом диапазоне частот (инфракрасном,
ультрафиолетовом, рентгеновском) — форми-
рование плоских изображений невидимых
объектов. Например, выявление объектов под
растровым электронным микроскопом с детек-
тором на кристалле йодистого натрия, который
светится при электронной бомбардировке.
Звукография — передача сигнала графичес-
кого содержания малой информационной емко-
сти, сопровождаемая звуковыми сообщениями
(например, учебная программа телевидения).
Малокадровая телевизионная система —
система, которая имеет частоту смены кадров
значительно меньшую, чем критическая часто-
та мерцаний глаза (см. ст. 22.5, 22.12), и, следо-
вательно, обладает меньшей шириной спектра
телевизионного сигнала (см. ст. 22.3). Дает
622
РАДИОТЕХНИКА
22.10. ТЕЛЕВИЗОР
возможность передавать отдельные фазы дви-
жения или неподвижное изображение по узко-
полосным (например, телефонным) линиям
связи, позволяет повысить чувствительность
способом накопления потенциала в датчиках
(см. ст. 22.2), увеличить отношение сиг-
нал/шум в каналах связи.
Система передачи дополнительной инфор-
мации — использование канала связи веща-
тельного телевидения для передачи других
служебных сообщений во время гашения луча
на строчных или кадровых импульсах. Напри-
мер, на 15 строчных интервалах в каждом поле
осуществляется передача информации со ско-
ростью 225 бит/с.
Система передачи неподвижных телеви-
зионных изображений — -система воссоздания
изображений с градациями яркости (фотогра-
фий, диапозитивов, стоп-кадров).
Телевизионный автомат — устройство по-
иска, угадывания, узнавания, распознавания
объектов, их координат, геометрических пара-
метров, подсчета, сортирования, запоминания.
22.9. ТЕЛЕВИДЕНИЕ ВЫСОКОЙ
ЧЕТКОСТИ (ТВЧ) — широкоэкранная
(с форматом кадра к = 5/3 либо к = 16/9,
см. ст. 22.5) телевизионная система, разрабо-
танная с целью согласования пространствен-
но-временных характеристик зрения человека
и качества изображений, попытка создать эф-
фект присутствия. Этого можно достичь не-
сколькими способами: увеличением числа
строк и полей, что требует неприемлемой по-
лосы частот до 50 МГц в эфире (см. ст. 22.3);
принятием мер, которые сопровождаются со-
гласованием параметров ТВЧ с существующи-
ми стандартами вещательного телевидения,
например, удвоением числа строк с образова-
нием «выдуманных» промежуточных строк
интерполяцией или заменой чересстрочной
развертки строчной (см. ст. 22.5); введением
нового стандарта 950/25 с организацией в те-
левизоре устройства памяти на один кадр, в
которое вводят сигнал изображения с частотой
25 кадр/с, а считывают все строки с частотой
50 кадр/с. Последний способ повышения чет-
кости, детальности путем преобразования кад-
ров требует полосу частот до 20 МГц в эфире.
В другом варианте ТВЧ, заключающемся в ко-
дировании сообщения с многократной субдис-
кретизацией, эта полоса частот сокращена до
8 МГц, поэтому передача программ ТВЧ воз-
можна через вещательный спутник с предус-
мотренной в нем полосой частот 12 МГц. См.
также ст. 22.7.
22.10. ТЕЛЕВИЗОР (телевизионный
приемник) — устройство воспроизведения
видео- и аудиосообщений, содержащее ра-
диоканал, декодер полного цветового телеви-
зионного сигнала (ПЦТС, см. ст. 22.6), кине-
скоп, УЗЧ, громкоговорители.
В одноканальном телевизоре (с общим
УПЧ для сигналов звука и изображения) амп-
литудный детектор сигналов изображения
выполняет также функцию второго преобра-
зователя частоты, который выделяет сигнал
разностной частоты
УпЧ2зв ~ fa зв ~fn из —УпЧиз —УпЧ1 зв —
= 38 - 31.5 = 6.5 МГц.
Одноканальная структура (Рис. 22.4) об-
легчает массовое производство телевизоров
благодаря допустимой невысокой стабильнос-
ти гетеродина. Такой телевизор содержит: ан-
Глава22 ТЕЛЕВИДЕНИЕ
623
22.10. ТЕЛЕВИЗОР
тенный блок 1; селекторы каналов 2, 8, содер-
жащие усилитель сигнальной частоты й Пер-
вый преобразователь частоты; блок выбора
программ 15; цепи АРУ 16; АПЧ 3; широкопо-
лосный УПЧ изображения и звукового сопро-
вождения (/пчиз,/пчзв) 9; видеодетектор 10 с
режекторным фильтром И для подавления
сигналов звука на выходе видеодетектора; ви-
деоусилитель 12; декодер 18; усилитель вто-
рой ПЧ звука 4; ограничитель амплитуды 5;
частотный детектор звука 6 с УЗЧ 7; амплитуд-
ный селектор импульсов 13; генераторы кад-
ровой 14 и строчной 19 разверток; генератор
высокого напряжения 20; источник питания
17. На выходе канала изображения установлен
кинескоп 21, а на выходе канала звукового со-
провождения — акустическая система АС.
Структура декодера системы SECAM
показана на Рис. 22.5. Амплитудно- модули-
рованные сигналы яркости через видеоусили-
тель 1 подают на цветной кинескоп. Частот-
но-модулированные сигналы цветности вы-
деляют полосовым фильтром 4. Линия за-
держки 5, осуществляющая задержку на дли-
тельность строки (64 мкс), и электронный
коммутатор 6 обеспечивают одновременное
появление на выходах частотных детекторов
2, 9 цветоразностных сигналов R—Y и В—У,
которые в системе SECAM передаются по-
следовательно (см. ст. 22.7). Два цветоразно-
стных сигнала поступают в матрицу 7, где
формируется третий сигнал G—Y. С выхода
видеоусилителей 3, 8, 10 напряжения пода-
ются на управляющие электроды цветного
кинескопа. Сумматор 13 и распознаватель
цвета 11 управляют работой электронного
коммутатора 6 при участии генератора ком-
мутационных импульсов 12.
Особенности цифровых телевизоров. Су*
перцифровое сканирование изображений с ча-
стотой 100 Гц применяют в новых телевизо-
рах. На экраны обычных телевизоров выводит-
ся 50 полу кадров (полей) в секунду, и при этой
скорости человеческий глаз способен уловить
мерцание на экране. Система Panasonic-100
вдвое увеличила скорость, обеспечив ровную и
стабильную видимость. При частоте развертки
50 Гц полукадры посылаются на экран каждые
40 мс, а при частоте 100 Гц каждый полукадр
посылается на экран дважды за то же время.
Наиболее существенным недостатком теле-
видения с чересстрочной разверткой (PAL,
SECAM, NTSC) является дрожание горизон-
тальных линий изображения (например, ярко
освещенного стола диктора). Система Digital
Scan устраняет дрожание следующим образом.
При удвоенной частоте полукадры А и В после-
довательно чередуют, т.е. в одном кадре дваж-
ды передают на экран последовательность АВ.
В более совершенных моделях телевизоров
применяется модифицированный алгоритм
смены полей и дополнительная межкадровая
цифровая обработка сигналов изображения,
окончательно устраняющая дефект такого рода.
Динамическая контрастность применяет-
ся в последних моделях цифровых телевизоров
(Philips, Thomson, Grundig, Loewe) с частотой
развертки 100 Гц. Обычный телевизор неваж-
но воспроизводит градации серого тона вблизи
уровня черного, все темные участки изображе-
ния сливаются в один. Суть применения
Dynamic Contrast состоит в том, что контраст
малоосвещенных участков изображения искус-
ственно увеличивается. Обычно применяется
трехступенчатая коррекция, что позволяет
ощутимо «оживить» темные сюжеты и «про-
Рис. 22.5
624
РАДИОТЕХНИКА
22.12. ФИЗИКО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНОВА ТЕЛЕВИДЕНИЯ
явить» невидимые ранее темные детали изоб-
ражения. Заметим, что применение этих нов-
шеств не требует изменения параметров сигна-
ла при его передаче телецентром.
22.11. ТЕЛЕРАДИОАППАРАТУРА ТИ-
ПОВАЯ. Приведем некоторые примеры.
Адаптер видеотекста (см. ст. 22.8) — ап-
парат для приема в полосе частот телефонно-
го канала связи, записи и воспроизведения на
экране телевизора сигналов справочной бук-
венно-цифровой информации, которую пере-
дают во время обратного хода луча кинескопа.
Декодер сообщений цветного телевидения
— формирователь цветоразностных сигналов
основных цветов R—Y, G—Y и В—Y из полного
цветового телевизионного сигнала (ПЦТС) —
см. ст. 22.6.
Демодулятор звука — формирователь сиг-
налов звуковой частоты из радиосигнала на не-
сущей частоте звукового сопровождения.
Демодулятор телевизионных изображений
— формирователь ПЦТС из радиосигнала на
несущей частоте сигналов изображения.
Кодер — прибор для формирования ПЦТС
из сигналов основных цветов R, G, В и из сиг-
нала яркости У.
Передающая камера — устройство, состоя-
щее из датчика, блока разверток, предвари-
тельного усилителя, оптической системы линз,
электронного видоискателя.
Преобразователь телевизионных стандар-
тов — устройство для преобразования ПЦТС
стандарта 625/50 в ПЦТС стандарта 525/60
(см. ст. 22.7).
Синхрогенератор — формирователь им-
пульсов строчной и кадровой синхронизации,
а также импульсов гашения для датчика и ки-
нескопа — на время обратного хода лучей
строчной и кадровой разверток.
Телемонитор — оконечное устройство для
воспроизведения видео- и аудио сообщений по-
сле их обработки в трансивере (телетюнере).
Содержит видеоусилитель, кинескоп с откло-
няющей системой, генераторы и усилители
разверток, а также усилитель звуковых частот
и громкоговорители.
Трансивер (телетюнер) — высокочастот-
ное устройство для приема, настройки и выбо-
ра телевизионного вещательного канала, а так-
же для детектирования и декодирования цвет-
ных телевизионных сообщений.
Приведенный перечень не является исчер-
пывающим. Более полные сведения о телера-
диоаппаратуре см., например, в [3, 4].
22.12. ФИЗИКО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ
ОСНОВА ТЕЛЕВИДЕНИЯ — зрительный
аппарат человека.
Визуальные возможности человека, на
которые опирается техника телевидения, —
это восприятие им интенсивностей света и
цвета, пространства и деталей изображений,
инерционность зрительного ощущения.
Восприятие цвета — способность дневно-
го зрения человека различать цвета изображе-
ний благодаря трем группам колбочек в сетчат-
ке глаза, чувствительных к цветам R, G, В
(красному, зеленому и синему). Восприятие
субъективно оценивают ясностью (светлос-
тью), цветовым тоном, насыщенностью. Для
объективной характеристики цвета изображе-
ний ясность оценивают яркостью, цветовой тон
— доминирующей длиной волны света, насы-
щенность — чистотой цвета р, т.е. той частью
спектрального цвета (р = 1), который в смеси с
белым (р = 0) дает зрительную (субъективную)
тождественность с исследуемым излучением.
Инерционность — время нарастания
(~ 0.1 с) и спада (~ 0.2 с) интенсивности зри-
тельного ощущения при включении и выклю-
чении источника света соответственно.
Колориметрия (от лат. color — цвет) —
методы количественной оценки цвета, раздел
физики.
Исходный сигнал основного цвета несет ин-
формацию о яркости изображений в одном из
основных цветов цветовой координатной систе-
мы воспроизводящего устройства или датчика.
Количество (яркость) цвета — длина, мо-
дуль вектора цвета.
Координатами цветового пространства яв-
ляются направления векторов линейно незави-
симых цветов: красного R (X = 700 нм), зелено-
го G (X = 546.1 нм) и синего В (X = 435.8 нм),
которые приняты за основные цвета. При сме-
шивании любой пары этих цветов нельзя полу-
чить третий, в этом и состоит их линейная не-
зависимость. Векторы исходят из точки нуле-
вой яркости (черного цвета): при нулевом ко-
личестве (яркости) каждого цвета его воспри-
нимают как черный. Для получения белого из-
лучения яркостные коэффициенты количества
основных цветов должны отвечать такому со-
отношению: LrILglLb = 1/4.6/0.06.
Цветность — направление вектора цвета
D в трехмерном пространстве, определяющее
качество цвета:
D = rR + gG + ЬВ,
Глава 22. ТЕЛЕВИДЕНИЕ
625
22.12. ФИЗИКО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНОВА ТЕЛЕВИДЕНИЯ
где г, g, b — трехцветные коэффициенты, сум-
ма которых г + g + b = 1. Следовательно, лю-
бую цветность однозначно определяют два из
них. Согласно этому принципу в телевидении
по каналу связи передают лишь два цветораз-
ностных сигнала, а третий восстанавливают в
телевизоре (см. ст. 22.10).
Контраст — динамический диапазон ярко-
стей:
к = Lm^Lmin = 1012.
Контрастная чувствительность — отно-
шение А/ДАпор — текущего и порогового (по
различению) значений яркости. Согласно за-
кону Вебера—Фехнера прирост зрительного
ощущения пропорционален относительному
изменению яркостей, т.е., как и слуховое (см.
ст. 27.6), зрительное ощущение пропорцио-
нально логарифму яркостей, значит, воспри-
нимается с меньшим числом градаций, чем их
дает реальный источник светового сообще-
ния.
Число различимых человеком градаций яр-
костей
т = (£/Д£пор)1пАГ.
Например, на фоне яркости = 34.4 кд/м2,
при которой контрастная чувствительность
А/ДАпор = 25, глаз различает 80 градаций.
Критическая частота мерцаний (см. ст. 22.5)
/кр = a lg£ + b,
где L — яркость [кд/м2]; а, b — параметры, оп-
ределяемые опытным путем, зависят от
скважности q импульсов мерцаний; например,
для q = 0.5 значения а = 9.6 и b = 26.8.
Ощутимая яркость слитного (непрерывно-
го) света — средняя за период наблюдения Т
яркость прерывистого света Lt (формула Таль-
бота):
1 Т
=~\L,dt.
о
Лучистая энергия. Световой поток — по-
ток Л. э., определяемый спектральной плотнос-
тью мощности излучения (объективный ком-
понент), а также относительной спектральной
чувствительностью v(X) усредненного глаза, так
называемой кривой видности, и коэффициен-
том максимальной видности v0 = 683 лм/Вт
(субъективные компоненты):
,vmax
Ф = г0 j v(k)Pxdk
Световой поток измеряют в люменах [лм].
Освещенность — поверхностная плот-
ность светового потока. За единицу освещен-
ности — люкс [лк], принята освещенность на
расстоянии 1м от источника с силой света
1 кандела [кд].
Светимость — световой поток на единицу
площади, люмен на метр квадратный [лм/м2].
Световая экспозиция — световой поток на
единицу освещаемой поверхности объекта за
единицу времени, люкс-секунда [лк с].
Световая энергия — произведение свето-
вого потока на время, люмен-секунда (лмс).
Сила света — пространственная плотность
светового потока. За единицу силы света при-
нята кандела [кд].
Яркость — отношение силы света к площа-
ди поверхности, с которой излучается световая
энергия, кандела на метр квадратный [кд/м2].
Острота зрения, его разрешающая спо-
собность различать мелкие детали — величи-
на, обратная углу разрешения, 1/у. Она являет-
ся функцией периферийности зрения — угла 0,
отсчитываемого от оптической оси. Острота
зрения изменяется от 1/20 (при 0.5° < 0 < 50°)
до 1 (при 0° < 0 < 0.5°); она максимальна
(100%) при черно-белом телевизионном изоб-
ражении объектов, минимальна (19%) при зе-
лено-синем поле.
Параллакс (от греч. отклонение) — физи-
ческая основа пространственного (глубинного)
ощущения, угловая разность лучей от конеч-
ных точек объекта.
Порог глубинного зрения — минималь-
ный угловой параллакс (= 20").
Спектральная чувствительность зрения
к цветам максимальна на волне 555 нм (желто-
зеленый), спадает при 380 нм (темно-красный)
и достигает нуля при 770 нм (фиолетовый);
форма кривой чувствительности (ее называют
также кривой видности) близка к гауссовской.
Угол конвергенции (сведения) — угол скре-
щивания зрительных осей глаз при наблюдении.
Угол разрешения (мера разрешающей
способности) — минимальный угол у, при ко-
тором две светящиеся точки воспринимаются
в отдельности (=1.5').
626
РАДИОТЕХНИКА
22.14. MPEG-2 — ЦИФРОВОЙ ЕДИНЫЙ СТАНДАРТ НАЧАЛА XXI ВЕКА
22.13. ЦИФРОВОЙ СПОСОБ ПЕРЕДА-
ЧИ И ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ пред-
полагает использование сигналов дискретных
во времени, квантованных по уровню и кодиро-
ванных по способу представления отобранных
уровней. Позволяет существенно повысить ка-
чество телевизионных изображений и звука.
Дает возможность цифровой фильтрацией вос-
становить искаженный сигнал на любом участ-
ке телевизионного тракта, упрощает обмен те-
левизионными программами различных теле-
визионных стандартов (см. ст. 22.7), обеспечи-
вает продолжительный режим работы телеви-
зионного оборудования без его наладки, повы-
шает эффективность и помехоустойчивость те-
левизионной системы. Эти достоинства обеспе-
чиваются рациональным уменьшением статис-
тической и психовизуальной избыточностей те-
левизионных сообщений (см. ст. 22.3) и опти-
мальным цифровым кодированием (см. ст. 6.8).
Введение Ц. с. п. о. и. началось с преобразова-
ния телевизионного стандарта строк/полей
625/50 на 525/60 (и наоборот); подавления шу-
ма; коррекции временных искажений; организа-
ции памяти на несколько кадров и решения дру-
гих задач, с которыми не в состоянии справить-
ся аналоговые способы обработки сигналов.
Структурная схема тракта цифрового теле-
видения представлена на Рис. 22.6, где 1,6, 12
— блоки аналоговой обработки; 3,10 — блоки
цифровой обработки; 2,7 — АЦП; 11 — ЦАП,
5 — модулятор, 8 — демодулятор, 4 — кодер, 9
— декодер.
Параметры цифрового кодирования в
соответствии с рекомендациями МККР: струк-
тура телевизионного растра — ортогональная
в обоих стандартах; частоты дискретизации/
одинаковые:
— для стандарта 625/50 частота/ = 864/. =
= 864-15625 = 13.5 МГц;
— для стандарта 525/60 частота/ = 858/ =
= 858-15750= 13.5 МГц.
Активная часть строки обоих стандартов
унифицирована: для сигнала яркости - 720,
для обоих сигналов цветности — по 360 от-
счетов на каждую строку, что соответствует
частоте дискретизации цветоразностных сиг-
налов/ = 6.75 МГц. Отсчеты сигналов цвет-
ности в каждой строке пространственно сов-
мещены с нечетными отсчетами сигнала ярко-
сти; оба сигнала кодируют в отдельности до
их объединения в полный цветовой телевизи-
онный сигнал (ПЦТС) — см. ст. 22.6. Число
уровней квантования — 256, с коэффициента-
ми компрессии для красного — 0.71, а для си-
него — 0.56. Частота дискретизации звуково-
го сигнала равна 48 кГц, полоса частот —
15 кГц, квантование равномерное при 20 раз-
рядах на отсчет. Для высококачественных
(фондовых) записей сигналы яркости и цвето-
разностные сигналы формируются в полной
полосе частот: 13.5/13.5/13.5, стандарт рас-
тровых параметров — 4/4/4. Для обычных ве-
щательных телевизионных программ полоса
цветоразностных сигналов на поднесущей ча-
стоте вдвое меньше: 13.5/6.75/6.75 МГц (стан-
дарт — 4/2/2); для репортерских целей —
вчетверо уже: 13.5/3.75/3.75 МГц (стандарт —
4/1/1). Для бытовых видеомагнитофонов на-
ряду с цветовой вдвое уменьшают также и яр-
костную полосу частот: 6.75/3.75/3.75 МГц
(стандарт — 2/1/1). Скорость цифрового пото-
ка сигналов изображения составляет
216 Мбит/с, а звукового сопровождения —
4 Мбит/с.
22.14. MPEG-2 — ЦИФРОВОЙ ЕДИ-
НЫЙ СТАНДАРТ НАЧАЛА XXI ВЕКА для
спутникового и кабельного телевидения —
разработан и выполнен в 1995 г. по заданию
Совместного Технического Комитета по Ин-
формационной Технологии (JTCI) при участии
МЭК (IEC) и Международной Организации
Стандартизации (ISO). Авторский коллектив
разработки — Motion Pictures Expert Group —
MPEG, откуда и название стандарта. Он позво-
ляет получить высокую четкость телевизион-
ного изображения: 576 активных строк в кадре
и 720 отсчетов в активной части строки. Пред-
назначен для каналов связи, обеспечивающих
скорость передачи данных от 3 до 10 Мбит/с
для обычного телевидения и от 15 до 30
Мбит/с — для телевидения высокой четкости
(ТВЧ). Стандарт состоит из трех частей: сис-
темной, видео и звуковой.
Глава 22. ТЕЛЕВИДЕНИЕ
627
22.14. MPEG-2 — ЦИФРОВОЙ ЕДИНЫЙ СТАНДАРТ НАЧАЛА XXI ВЕКА
Системная часть содержит форматы коди-
рования для мультиплексирования видео-, ау-
дио- и другой информации; преобразует ком-
бинации нескольких потоков данных в один (и
более) сжатый поток, пригодный для хранения
и передачи информации, обеспечивает синхро-
низацию нескольких сжатых потоков при вос-
произведении. Видеочасть стандарта опреде-
ляет кодированный битовый поток для высоко-
качественного цифрового видеосигнала. Поз-
воляет телезрителю использовать один телеви-
зор нового поколения для декодирования сиг-
налов стандартного телевидения и ТВЧ из того
же вещательного канала. Звуковая часть стан-
дарта описывает и задает кодирование много-
канального звука: пять полных широкополос-
ных каналов плюс семь многоязычных узкопо-
лосных комментаторских каналов.
В связи с большой сложностью данного
стандарта стоимость цифровых приемников
пока что намного выше стоимости аналоговых,
поэтому сегодня аналоговое вещание сущест-
вует наряду с цифровым [3].
Все усовершенствования систем, направ-
ленные на повышение качества ТВ изображе-
ний, ведутся в трех взаимосвязанных направ-
лениях.
1. Использование «резервов» современных
ТВ систем путем дополнительной аналоговой
и цифровой обработки, без изменения стандар-
тов разложения и излучения сигналов на пере-
дающей стороне.
2. Изменение способов передачи сигналов
по радиоканалу. При этом возможен прием
рбычным приемником изображения стандарт-
ного качества и специальным приемником изо-
бражения с повышенной четкостью.
3. Применение многострочных ТВ систем
со значительно большим, чем у существующих
стандартов, количеством строк разложения и
широким форматом кадра. Эти системы полу-
чили название систем телевидения высокой
четкости, высокого разрешения или повышен-
ного качества.
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Телевидение: Учебник для вузов /В.Е. Джакония, А.А. Гоголь, Я.В. Друзин и др.; Под ред.
В.Е. Джаконии. — М.: Радио и связь. 1997. — 640 с.
2. Новаковский С.В., Котельников А.В. Новые системы телевидения. Цифровые методы обра-
ботки видеосигналов. — М.: Радио и связь, 1992. — 88 с.
3. Левченко В.Н. Спутниковое телевидение - СПб.: BHV-Санкт-Петербург, 1998. — 288 с.
4. Телевизионная техника: Справ. /Под ред. Ю.Б. Зубарева и Г.Л. Глориозова. — М.: Радио и
связь, 1994. — 312 с.
5. Домбругов Р. М. Телевидение. — 2-е изд. - К.: Вища шк., 1988. - 215 с.
6. Седов С.А. Индивидуальные видеосредства: Справ, пособие. — К.: Наук, думка, 1990. —
752 с.
628
РАДИОТЕХНИКА
ГЛАВА 23
ТЕОРИЯ ЦЕПЕЙ
• Они твердят — закон такой.
Т.Г Шевченко
• Главная цель теоретического исследования
состоит в том, чтобы найти такую точку зрения,
из которой объект представляется простейшим.
Д.У Гиббс
• Все науки по мере своего усовершенствования
становятся математическими.
А.Н. Уайтхед
• Любая цепь не крепче
своего самого слабого звена.
• Чтоб лучше переваривать знания,
надо поглощать их с аппетитом.
А. Франс
• Открытие электрического тока
{Л. Гальвани, Италия, 1780 г.).
• Закон взаимодействия электрических зарядов
{Ш.О. Кулон, Франция, 1785 г.).
• Закон взаимодействия электрических токов
{А.М. Ампер, Франция, 1820 г.).
• Закон магнитного воздействия
электрического тока
(X. Эрстэд, Дания, 1820 г.).
• Закон Ома
{ГС. Ом, Германия, 1827 г.).
• Закон электромагнитной индукции
{М. Фарадей, Англия, 1831 г.).
• Закон Ленца
(ЕХ. Ленц, Россия, 1833 г.).
• Теорема Гаусса
{К.Ф. Гаусс, Германия, 1840 г.).
• Законы Кирхгофа
(Г.Р. Кирхгоф, Германия, 1847 г.).
• «Трактат об электричестве и магнетизме»
{Д.К. Максвелл, Англия, 1873 г.).
• Методика расчета цепей переменного тока
{Ч.П. Штейнметц, США, 1890 г.).
• Теория четырехполюсников
(Е.В. Зелях, СССР, 40—50-е годы).
Теория цепей — раздел теоретической элек-
тро- и радиотехники, посвященный изучению
процессов в электромагнитных устройствах
упрощенными (по сравнению с теорией поля)
методами, основанными на моделировании ус-
тройств системами (цепями) идеализирован-
ных элементов и оперировании не векторными
переменными (напряженностями полей), а ска-
лярными (напряжениями и токами). Электри-
ческая цепь — совокупность устройств и объ-
ектов, образующих путь для электрического то-
ка, электромагнитные процессы в которой мо-
гут быть описаны с помощью понятий напря-
жения, ЭДС и тока. Электрические цепи клас-
сифицируют по ряду признаков: по энергетиче-
ским свойствам (активные, содержащие источ-
ники энергии, и пассивные, не содержащие их);
по числу внешних выводов (двухполюсники,
четырехполюсники и т.д.); по топологическим
особенностям (планарные, т.е. плоские, и не-
планарные — объемные; разветвленные и не-
разветвленные; простейшие — одноконтурные,
двухузловые и сложные — многоконтурные,
многоузловые и т.д.). С принципиальной точки
зрения наиболее строга и важна классификация
электрических цепей и элементов по видам ма-
тематических моделей, т.е. дифференциальных
уравнений (включая и алгебраические уравне-
ния как дифференциальные уравнения нулево-
го порядка), связывающих воздействия x(f) и
отклики y(t) цепей на них:
dny dn~ly dy
+ а {----f- +... + + aQy = х (1)
dt" dt"-' 1 dt
Такое уравнение всегда может быть полу-
чено из системы уравнений электрического
равновесия цепи дифференцированием и по-
следовательным исключением неизвестных.
Различают: линейные цепи (ЛЦ), когда все
коэффициенты at постоянны и не зависимы от
Глава 23. ТЕОРИЯ ЦЕПЕЙ
629
ГЛАВА 23
х и у\ параметрические цепи или ЛЦ с пере-
менными параметрами, когда коэффициенты tzz
не зависят от х и у, но хотя бы один из них яв-
ляется функцией времени; нелинейные цепи
(НЦ), когда хотя бы один из коэффициентов az
зависит от х или у; нелинейно-параметричес-
кие цепи (в смешанном случае). С прикладной
точки зрения электрические цепи делят на спо-
собные трансформировать спектр сигнала (не-
линейные, параметрические) — см. вступи-
тельную ст. к главе 19 и ст. 19.7 — или не спо-
собные делать это (линейные), а также цепи,
для которых справедлив (линейные, парамет-
рические) или несправедлив (нелинейные)
принцип суперпозиции — см. ст. 23.5.
Учитывая, что все реальные элементы це-
пей нелинейны, можно считать, что ЛЦ — это
модели НЦ при достаточно слабых воздейст-
виях (в малосигнальном режиме). Цепи, доста-
точно точно моделируемые обыкновенными
дифференциальными уравнениями (на часто-
тах, где размеры устройств намного меньше
длин волн в них), называют цепями с сосредо-
точенными параметрами, а цепи, моделируе-
мые дифференциальными уравнениями в част-
ных производных (на частотах, где длины волн
соизмеримы с размерами устройства), — цепя-
ми с распределенными параметрами. Порядок
сложности цепи (порядок цепи) — порядок
дифференциального уравнения (1) — число п,
равное числу реактивных элементов (емкос-
тей, индуктивностей), энергетическое состоя-
ние которых может быть задано независимо.
Основными задачами теории цепей являются:
задача анализа электрической цепи — опреде-
ление ее реакции y(t) на заданное внешнее воз-
действие x(Z); задача синтеза электрической
цепи — нахождение цепи по заданной реакции
y(t) на известное воздействие x(t).
Рекомендуется такой порядок изучения ст.
главы: 23.4, 23.12, 23.5, 23.1, 23.2, 23.8, 23.6,
23.3, 23.7, 23.10, 23.11,23.9.
23.1. ДВУХПОЛЮСНИК — участок элек-
трической цепи, соединяющийся с остальной
ее частью при помощи двух зажимов (полю-
сов). Д. может быть сколь угодно сложной вну-
тренней конфигурации. В соответствии с об-
щей классификацией цепей Д. могут быть ли-
нейными, нелинейными и параметрическими,
автономными и неавтономными, активными и
пассивными, одно-, двух- и многоэлементными,
реактивными (состоящими только из индуктив-
ностей и емкостей) и с потерями (имеющими
резистивные элементы) и др. Схемными функ-
циями Д. (см. ст. 23.8) являются его комплекс-
ные и операторные эквивалентные сопротивле-
ния (проводимости) Z(/co), Z(p), У(/со), У(р), а во
временной области — импульсные и переход-
ные характеристики, связанные с ними преоб-
разованиями Фурье и Лапласа (см. ст. 23.8). Под
АЧХ и ФЧХ Д. понимают частотные зависимо-
сти модуля и аргумента комплексного сопро-
тивления Z(/co) [проводимости У^'со)^ l/Z(/co)].
Условие эквивалентности двух пассивных
Д. состоит в равенстве их комплексных (опера-
торных) сопротивлений (проводимостей)
Z^’co) = Z2(/co), У1(/со) = У2(/со). Произвольному
линейному пассивному Д. (Рис. 23.1, а) соот-
ветствуют последовательная и параллельная
схемы замещения (Рис. 23.1, б, в). Связь меж-
ду параметрами г, х и g, b легко найти из усло-
вия эквивалентности r+jx= l/(g + jb). Параме-
тры Д. как нагрузки источника электрической
энергии (Рис. 23.1, г) выбирают исходя из ус-
ловий, называющихся критериями согласова-
ния. Так, для согласования источника энергии
с нагрузкой по критерию максимальной актив-
ной мощности, передаваемой в нее, необходи-
мо [1—3], чтобы сопротивление нагрузки ZH
было комплексно сопряжено с внутренним со-
противлением источника Z, = rz + jxb т.е. ZH =
= Гн + jxu = ri ~jxb ИЛИ ХИ = -Xj, rH = rz. В этом
случае КПД Т| = РН/(РН + />,) = гн/2/(гн + г,)/2 =
= + ri) составляет лишь 0.5, что для мощ-
ных устройств недостаточно. Поэтому в мощ-
ных электроэнергетических системах нагрузку
с источником согласовывают по критерию мак-
симального КПД, выбирая хн = -xf, но гн » гг.
23.2. КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ — элект-
рическая цепь с колебательным характером из-
менения токов (зарядов, напряжений) в процес-
се релаксации (перехода из неравновесного со-
стояния, вызванного внешними причинами, в
равновесное). Такие колебания называются
z,
в) г)
Рис. 23.1
630
РАДИОТЕХНИКА
23.2. КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ
собственными (свободными) колебаниями
(СК), а их частоты — частотами собственных
колебаний.
Колебательный контур (КК) — простей-
шая К. ц. в виде замкнутого С-контура (Рис.
23.2, а), описываемого дифференциальным
уравнением (ДУ) i" + 2а i' + со 20z = 0 с коле-
бательным (при условии г < 2р = 2 Jl/C ) ре-
шением, имеющим (для начальных условий
£
uc(0) = £, z(0) = 0) такой вид: i=-е а/ sinau
со £
(Рис. 23.2, б).
Основные параметры КК и свободных ко-
лебаний в нем: характеристическое сопротив-
ление р = Jl/C = сОоА = 1/(сооС); резонансная
частота соо = 1/ -JEc j добротность Q = р/г;
затухание d = постоянная времени КК
тк = 1/а = 2£)/сОо — время, за которое ампли-
туда СК уменьшается в е ~ 2.72 раза; коэффи-
циент затухания СК a = r/(2Z); частота СК
сос= 7юо_(х2 = соо71“(1/22)2 ; декремент ко-
лебания \ = е~аГс — отношение двух соседних
амплитуд СК, отстоящих друг от друга на вре-
мя Тс = 2л/сос; логарифмический декремент ко-
лебания г) = -InA = аТс.
В режиме вынужденных колебаний КК
проявляют резонансные свойства, широко ис-
пользуемые в радиотехнике.
Резонанс — явление более или менее рез-
кого возрастания амплитуды вынужденных ко-
лебаний в колебательной системе (цепи) при
приближении частоты внешнего (вынуждаю-
щего) воздействия к частоте какого-либо из СК
системы.
Резонансная характеристика — типичная
для одиночных КК зависимость комплексной
амплитуды Л (со) вынужденных колебаний то-
ка или напряжения от частоты:
А (со) = A (co)eyv(co) = Aq/[ 1 + j%(co)] или
?(со)=Л (co)/Jo=l/[l+JX(co)] =
= [l/i/l+%2(®) ]ejarctgx<0J) = у (1)
В области резонанса ее часто представляют
функциями Л(Асо), Л(Асо/соо), А(х) расстройки
Асо = со - соо, относительной расстройки Асо/соо
или обобщенной расстройки
X = Х(ю) = 4^"" ?] = " “о)- (2)
L и -1Д(0«(00 и
Основными параметрами резонансной ха-
рактеристики и графиков (Рис. 23.3) ее модуля
(резонансной кривой) Дсо), у (со) и аргументов
\|/ (со), ф(со) являются: резонансная частота соо;
резонансные значения Ао, ф0; ширина резонанс-
ной кривой 2Асоо.7 = и>о/£? на уровне Ло/Т2 ~
~ 0.7Ао (-3 дБ), называемая, применительно к
функциям передачи, полосой пропускания КК
(обозначается П), и крутизна фазовой характе-
ристики |ф'(соо)| = тк на резонансной частоте.
Так как на границах ПП (где у = 1/^2 ;
ф = ±тс/4) % = ±1, то согласно (2) добротность
КК равна отношению резонансной частоты
к ширине ПП: Q = сОо/(2Асоо.7) = /о/П. Для ра-
диотехнических КК типичны следующие
порядки величин: г — единицы-десятки Ом;
р — сотни-тысячи Ом; Q — десятки-сотни.
Колебательный контур последователь-
ный — резонансная цепь, состоящая из ка-
тушки индуктивности и конденсатора, вклю-
Глава 23 ТЕОРИЯ ЦЕПЕЙ
631
23.2. КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ
ченных последовательно относительно вход-
ных зажимов, к которым могут быть подклю-
чены генератор или другие цепи. Активное
сопротивление г на эквивалентной схеме
К. к. п. (Рис. 23.4, а) учитывает потери энер-
гии во всех элементах КК. Резонансные свой-
ства К. к. п., проявляющиеся в подобных (1)
частотных зависимостях (Рис. 23.4, г) тока
/(со) = £/Z(co) и напряжений на элементах
Ur(wi) =t(<o)r, UL=i((O)jaL |Ди<<т() = /(а))у<о0£,
иС =/(<о)/у<оС |До)<<Шо = /(to)/yto0c, обусловле-
ны частотными характеристиками (Рис. 23.4, б)
его эквивалентного сопротивления:
2(со) = ZCcoJe'^"’ = г +jx = r[ 1 +/х(со)] =
= г^/1 + х2(<о) exp[/arctgx(<o)],
где % = х/г — обобщенная расстройка (2).
Резонанс в К. к. п. наступает при условии
X = О, или х = со£ - 1/(соС) = 0, т.е. на частоте
соо = 1/д/^С, и называется резонансом напря-
жений, так как при нем напряжения на реак-
тивностях полностью компенсируют друг дру-
га [ Ц^(сОо) + = 0]» достигая (каждое в
отдельности) максимума, в Q раз превышаю-
щего ЭДС, питающую КК: | f/£(coo)| = I ^с<(Оо)1 =
= Q\ Ё |. Различают собственную Q = р/r и эк-
вивалентную Q3 = р/гэ = p/(r + Ri +p2/R^ до-
бротности КК. Эквивалентная добротность,
учитывающая влияние внутреннего сопротив-
ления Ri источника и сопротивления нагрузки
RH (Рис. 23.4, в), всегда меньше собственной и
лишь стремится к ней при условии —> 0 и
Контур колебательный параллельный —
резонансная цепь, состоящая из катушек индук-
тивности и конденсаторов, включенных в две
ветви, параллельные относительно входных за-
жимов, с помощью которых КК может быть под-
ключен к источнику или другим цепям [2]. Ак-
тивные сопротивления гь г2 на эквивалентных
схемах параллельных КК (Рис. 23.5, а—в) учи-
тывают потери энергии в элементах соответству-
ющих ветвей. Различают параллельные КК пер-
вого, второго и третьего видов (см. Рис. 23.5, а, б,
в соответственно), представляя их схемами заме-
щения, изображенными на Рис.23.5, г или (для Q
^15) — Рис. 23.5, д. Резонансные свойства па-
раллельных КК проявляются в подобных (1) час-
тотных зависимостях (Рис. 23.5, ж) напряжения
на КК t7(co) = ZZ(co) и токов в его ветвях:
/,(со) = 1>(®)/(п +УХ1)|Г| «Х| =
= #(®)/А|(ю)1да>«<ц>= t7(®)/jxi(a>o);
/2(Ю)= t/(®)/(r2+Jx2)|r2<<x2«
= t/(®)/jx2(<o)L<o«<o0= 17(<о)/ух2(®о),
что обусловлено резонансным характером
(Рис. 23.5, е) эквивалентного сопротивления
контура:
Z (o', = Z(co)e7<p(<0)=(r, +jx 1 )(r2 +jx2)/[(r| + г2) +
+У(Х1 + Х2)\о»! = 7?оэ/[1 +_/%((>))],
максимального и чисто активного при резонан-
се, но комплексного и уменьшающегося по мо-
дулю по мере расстройки. Здесь X = х/г — обоб-
щенная расстройка (2); 7?Оэ =р2Ь/(гС) =р2р2/г =
=р2р0 — эквивалентное резонансное сопротив-
ление КК (единицы-десятки килоом); г = гх + г2;
х = X! + х2; L = Lx + L2; С = СХС2/(С\ + С2) —
полные (определяемые при обходе замкнутого
контура) параметры КК; Q = p/r; р = Jl/C',
р = xLJxL = хС(/хс — коэффициент включения
контура (КВК) — отношение реактивного со-
противления ветви с однородой (только емкост-
ной или только индуктивной) реактивностью к
полному (при обходе контура) реактивному со-
противлению того же характера. КВК равен 1
для КК первого вида и LJL и С/С\ для КК вто-
рого и третьего видов соответственно.
Присущий всем параллельным КК резо-
нанс наступает при X = 0 или х^со) + х2(со) = 0,
т.е. на частоте соо ~ \i4lc, и называется резо-
нансом токов, так как при нем токи в ветвях
приблизительно одинаковы, противофазны и в
632
РАДИОТЕХНИКА
23.2. КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ
Рис. 23.5
Q раз превышают ток в общей ветви:
IЦ (юо) I® IЛ (wo) I® Q111 • Кроме того, в КК вто-
рого и третьего видов в ветвях, образующих по-
следовательные КК, имеют место резонансы на-
пряжений на частотах (Оо2= \/У/Ь2С = oVVl -р
и (Ооз = 1/VZC2 = cooVl -р соответственно.
Различают собственные Q и 7?Оэ параллель-
ного КК и эквивалентные (с учетом влияния
сопротивления нагрузки 7?н и внутреннего со-
противления источника 7?z): Q3 = р/гэ = Qr/ гэ\
R<,33 = R03r/r3,r№r3 = r+(p2p2/Ri) + (p2p2/R„)—
эквивалентное сопротивление потерь КК;
р и рп — коэффициенты включения КК со сто-
роны источника и нагрузки соответственно.
Частичное включение КК — включение с р < 1
(т.е. по схемам второго и третьего видов) ис-
пользуется для: уменьшения 7?Оэ До значения Rt
(с целью согласования); ослабления шунтиру-
ющего действия Rt и Rw расширяющего ПП
(ухудшающего избирательность); улучшения
фильтрации (дополнительной режекции гармо-
ник с частотами, близкими к частотам после-
довательных резонансов соО2, сооз).
Система связанных контуров — система
двух (или более) КК, способных обмениваться
энергией, в силу чего возбуждение колебаний в
любом из них вызывает колебания во всех ос-
тальных контурах. Наиболее распространены
следующие виды связи двух КК: трансформа-
торная (Рис. 23.6, #), внутренняя индуктивная
(автотрансформаторная, Рис. 23.6, в), внешняя
индуктивная (Рис. 23.6, г), внутренняя емкост-
ная (Рис. 23.6, д), внешняя емкостная (Рис.
23.6, е), хотя возможны и другие (комбиниро-
ванные) виды связи.
Коэффициент связи — количественная ха-
рактеристика степени связи между контурами —
среднее геометрическое коэффициентов К21,
Ki2 передачи напряжения четырехполюсни-
ками связи (обведенными штриховой линией
на Рис. 23.6, б—е) в ненагруженном режиме,
т.е. kCB = ^K2iKl2. Так, для схемы на Рис. 23.6, б
К2\ = M/L\, КХ2 = M/L2, kCB = M/^L\L2 ; для схе-
мы на Рис. 23.6, д K2i = С\!(С\ + Ссв), К12 =
= с2/(с2+cCB), ксв= Vqcy^+c^xcj+c.,)]
и т.п. Входное сопротивление системы двух
связанных КК (см. схему замещения на Рис.
23.6, a) Zвх = Z1 + Z2ZCB/(Z2 + ZCB) = Zu —
-Zcb/^22- Слагаемое ZBH = -zlBlZ22, описы-
вающее влияние второго контура на первый,
называется вносимым сопротивлением. Если
ZCB У^св, то Zвн Ксв/Z22 RBH + JXBii, где
«вн = X2Br22/\Z22\2 = Х2СВ/ [г22(1 + х222)]; Хв„ =
= 22\2 = ~Х2вХ22/[г22(1 + %22)]i %22 =
= r22 + jX22 — собственное сопротивление
второго контура; Х22 — его обобщенная расст-
ройка (2).
Глава 23. ТЕОРИЯ ЦЕПЕЙ
633
23.2. КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ
Условие резонанса в системе двух связан-
ных КК записывается так: Хвх = Хц + ^вн = 0.
Число и значения резонансных частот, опреде-
ляемых этим условием, зависят не только от
собственных резонансных частот контуров
соО1 = 1/^ZqCj , соО2 = U^L2C2 и их добротнос-
тей Qi = Q2 = Md2, но и от коэффициента
связи ксв. Например, при coOi = w02 = «Ь и ксв <
£св.кр = yl(di +d2)/2 (£св.Кр — критический ко-
эффициент связи) система имеет лишь одну ре-
зонансную частоту сОро = соо, а при ксв > ксв кр —
еще две: copi,2 = ~^свкР -> называе-
мые частотами связи. Вблизи этих частот
АЧХ системы достигает экстремальных значе-
ний: максимума на частоте соо ПРИ £св А:св.кр
или двух максимумов на частотах сор1 и сор2, а
также минимума на частоте соо при ксв > ксвхр.
Так, в идентичных индуктивно связанных КК
(cOoi = ®02 = Ю(ь Pi = Р2 = р; d\ = d2 = d\ kCBKp = d)
при Асо « соо коэффициент передачи напряже-
ния определяется выражением [4]:
|Х(/ю)|= Е72(со)/£ =___________________
= W Vy4 + 2Y2 2 - *c. ) + 2 + *c. )2 .
где у = Kd ~ 2Асо/соо-
Нормированные графики этой АЧХ пока-
заны на Рис. 23.7. ПП системы связанных
КК Псвк может значительно отличаться от
ПП одиночного КК По к, что зависит от пара-
метра связи рсв = ксв/ксвкр. Например, при
идентичных КК (рсв = £А:СВ) и Рсв <<: 1 имеем
Псв.к < По к, если Рсв 1, то Псв к ~ y/l, По к, а
если рсв = 2.41 (двугорбая АЧХ с провалом до
уровня 1/V2), то Псв к ~ 3.1 По к. Кроме боль-
шей, чем в одиночных КК, и управляемой
(изменением £св) ПП системы связанных КК
имеют лучшую, нежели одиночные КК, из-
бирательность (более крутые скаты АЧХ —
см. Рис. 23.7), благодаря чему связанные КК
широко используются в ПФ, например, в
ФПЧ.
Настройка системы связанных контуров —
подбор значений реактивных параметров
х2, *св> обеспечивающих максимум тока /2 (ре-
зонанс) при заданной частоте со и неизменной
ЭДС Е источника. В зависимости от того,
сколько и какие из этих параметров варьиру-
ются (var), а какие остаются произвольными и
неизменными (const) при настройке, различа-
ют: первый частный резонанс, когда хх = var
(например, Q = var), х2 = const, хсв = const; -
второй частный резонанс, когда jq = const,
х2 = var, хсв = const; основной (индивидуальный)
резонанс, когда х}= var, х2 = var (каждый КК
настраивают, разомкнув другой), хсв = const;
сложный резонанс — частный резонанс с
дальнейшим подбором оптимальной связи,
когда xj = var, х2 = const, хсв = var или х} = const,
х2 = var, хсв = var; полный резонанс — основной
резонанс с дальнейшим подбором оптимальной
связи, когда jq = var, х2 = var, хсв = var. Макси-
мальные значения тока /2 при полном и слож-
ном резонансах одинаковы: I2mm =
Оптимальным при полном резонансе является
Коэффициент СВЯЗИ А?свопт = [1,2].
23.3. МНОГОПОЛЮСНИК — участок
электрической цепи, соединяющийся с ос-
тальной ее частью с помощью нескольких
внешних выводов (полюсов, зажимов). Разли-
чают М.: активные (имеющие в своем составе
источники энергии); пассивные (не имеющие
источников); взаимные (обладающие свойст-
вом взаимности); невзаимные; автономные
(содержащие неуправляемые источники); не-
автономные (состоящие из пассивных элемен-
тов и управляемых источников). Таким обра-
зом, к неавтономным относятся все пассивные
М., а также активные М., не имеющие не-
управляемых источников тока или напряже-
ния (например, схемы замещения транзисто-
ров и электронных ламп). М., зажимы которо-
го разбиты на пары, образующие п сторон
(портов), называют и-сторонним или 2и-по-
люсником (Рис. 23.8, а), а М., один из полюсов
которого является общим для всех п сторон, —
(п + 1)-полюсником (Рис. 23.8, б). Обобщен-
ными (неопределенными) схемами включения
634
РАДИОТЕХНИКА
23.3. МНОГОПОЛЮСНИК
М. (схемами задания токов и напряжений на
полюсах) называют схемы включения, при ко-
торых все его полюса равноправны при обра-
зовании внешних соединений. Первая из них
(Рис. 23.8, в), где напряжения всех полюсов
отсчитываются относительно некоторого ба-
зисного узла, находящегося вне М., удобна для
составления уравнений электрического равно-
весия методом узловых напряжений (см. ст.
23.5). Другая схема (Рис. 23.8, г) удобна при
использовании метода контурных токов — см.
ст. 23.5, а также [1,5, 6].
Матричные параметры многополюсника
— матрицы [¥],[?] коэффициентов (комплекс-
ных или операторных проводимостей и сопро-
тивлений) систем уравнений электрического
равновесия М., составленных методами узло-
вых напряжений: [/] = или контурных
токов: [£/] = [/][/] для схем на Рис. 23.8, виг
соответственно:
Для метода узловых напряжений [7] —
матрица-столбец независимых (задаваемых)
токов, втекающих в полюсы М. (см. Рис. 23.8,
в), а [ U ] — матрица-столбец обусловленных
ими напряжений полюсов относительно ба-
зисного узла, размещенного вне схемы. Для
метода контурных токов [ U ] — матрица-
столбец независимых (задаваемых) напряже-
ний на сторонах (портах) М. (см. Рис. 23.8, г),
а [ / ] — матрица-столбец обусловленных ими
токов [1,5, 6].
Коэффициенты Yy имеют физический
смысл входных и передаточных проводимос-
тей, определенных в режиме короткого замы-
кания (КЗ), поэтому их называют параметрами
КЗ, или /-параметрами М. Коэффициенты Zy
имеют физический смысл входных или переда-
точных сопротивлений, определенных в режи-
ме холостого хода (XX). Их называют параме-
трами холостого хода, или Z-параметрами М.
Матрицы (1) для невзаимных М. несимметрич-
ны. Матрицы (1) называют особенными (нео-
пределенными), поскольку определители их
всегда равны нулю. Алгебраические суммы
значений элементов каждой строки такой мат-
рицы, как и любого ее столбца, равны нулю.
При объединении К-го полюса с базисным уз-
лом (в схеме на Рис. 23.8, в) или устранении
К-й стороны М. (т.е. при обращении в нуль К-го
внешнего тока 1К = 0 (в схеме на Рис. 23.8, г) в
неопределенных Y- и Z-матрицах вычеркивают
К-ю строку и К-й столбец. Полученные таким
образом укороченные матрицы уже не являют-
ся особенными, что дает возможность решить
систему уравнений М. Эти и другие свойства
неопределенных матриц [1, 5] очень удобны.
Пользуясь ими, легко, например, перейти от
справочных /-параметров транзистора в схеме
с ОЭ к его параметрам в любом другом вклю-
чении. Для этого необходимо дополнить мат-
рицу [У]оэ ДО неопределенной (соблюдая ра-
венство нулю сумм элементов в строках и
столбцах) и вычеркнуть строку и столбец, со-
ответствующие новому общему электроду
транзистора.
Метод контурных токов обобщенный —
метод контурных токов (см. ст. 23.5), развитый
для цепей с многополюсными элементами
(транзисторами, электронными лампами, ин-
дуктивно связанными группами двухполюсни-
ков), свойства которых описываются Z-матри-
цами их первичных параметров (а не схемами
замещения, как в обычном методе) [1, 5, 6]. М.
к. т. о. менее универсален, чем рассматривае-
мый далее метод узловых напряжений обоб-
щенный, и может применяться лишь для анали-
за цепей с планарными схемами замещения.
Глава 23 ТЕОРИЯ ЦЕПЕЙ
635
23.3. МНОГОПОЛЮСНИК
Метод узловых напряжений обобщен-
ный ;— метод узловых напряжений (см. ст.
23.5), развитый для цепей с многополюсными
элементами (транзисторами, электронными
лампами, индуктивно связанными группами
двухполюсников), свойства которых описыва-
ются У-матрицами их первичных параметров
(а не схемами замещения, как в обычном мето-
де), т.е. метод, отличающийся способом со-
ставления У-матрицы всей цепи в целом. В со-
ответствии с М. у. н. о. У-матрицу цепи состав-
ляют так: выбирают базисный узел и нумеру-
ют независимые узлы цепи; записывают мат-
рицу схемы без учета многополюсных элемен-
тов по правилу, изложенному в ст. 23.5; рас-
сматривают поочередно многополюсные эле-
менты и соответствующие элементы их матриц
вписывают в матрицу проводимости схемы с
учетом места, занимаемого элементом в ней
(т.е. суммируют содержимое совпадающих
клеток общей и элементной матриц). Дальше
по составленной У-матрице определяют необ-
ходимые функции цепи — см. ст. 23.8, а также
[1,5,6].
23.4. МОДЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕ-
ПЕЙ И ЭЛЕМЕНТОВ — упрощенные (при-
ближенные), но достаточно точные в рамках
решаемой задачи способы описания свойств и
особенностей реальных электрических цепей
и процессов, в них происходящих. Различают:
схемные модели (схемы), отображающие вза-
имное соединение реальных или идеализиро-
ванных элементов цепи; математические моде-
ли — уравнения электрического равновесия
цепи, составленные относительно мгновенных
значений токов и напряжений моделирующей
схемы или их изображений (символических,
операторных, спектральных); топологические
модели — структурные модели цепей, исполь-
зующие понятия узла, ветви, контура, но абст-
рагированные от их конкретного содержания.
Принципиальная электрическая схема —
условное графическое изображение реальной
цепи, на котором с помощью условных графи-
ческих обозначений показаны все элементы
цепи и все соединения между ними.
Эквивалентная (расчетная) электрическая
схема цепи — условное графическое изображе-
ние моделирующей цепи, т.е. цепи, составлен-
ной из идеализированных элементов и заменя-
ющей реальную цепь в рамках решаемой зада-
чи.
Схема замещения реального элемента —
условное графическое изображение идеализи-
рованной электрической цепи, моделирующей
данный элемент в рамках поставленной зада-
чи. Схема замещения одного и того же элемен-
та может иметь различный вид в зависимости
от рассматриваемого диапазона частот.
Идеализированные активные элементы —
элементы, используемые для моделирования
источников электрической энергии. Различа-
ют: идеальный источник напряжения (источ-
ник напряжения, источник ЭДС) — И. а. э., на-
пряжение на зажимах которого не зависит от
тока, протекающего через него, т.е. источник с
внутренним сопротивлением, равным нулю
(Рис. 23.9, а); идеальный источник тока —
И. а. э., ток которого не зависит от напряжения
на его зажимах, т.е. источник с бесконечным
внутренним сопротивлением (Рис. 23.9, #).
И. а. э. физически нереализуемы, так как явля-
ются источниками бесконечной мощности, но
в сочетании с идеализированными пассивны-
ми элементами (внутренним сопротивлением
Zz или проводимостью У, источника и сопро-
тивлением нагрузки ZH) удобны для моделиро-
вания реальных источников электрической
энергии последовательной (Рис. 23.9, в) или
параллельной (Рис. 23.9, г) схемой замещения.
В зависимости от характера и способа
представления ЭДС е и тока i идеальных ис-
точников (постоянные, гармонические в ком-
плексной форме или произвольные временные
функции) внутренние сопротивления Zz и про-
водимости yz = 1/Zz источников в схемах заме-
щения имеют смысл резистивных, комплекс-
ных или мгновенных сопротивлений (проводи-
мостей) соответственно.
Управляемый (зависимый) источник тока
или напряжения — И. а. э., параметр которого
является определенной функцией тока или на-
пряжения некоторого участка моделируемой
цепи. Различают четыре типа управляемых
636
РАДИОТЕХНИКА
23.4. МОДЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ И ЭЛЕМЕНТОВ
источников (Рис. 23.10): источник напряже-
ния, управляемый напряжением (ИНУН); ис-
точник напряжения, управляемый током
(ИНУТ); источник тока, управляемый напря-
жением (ИТУН); источник тока, управляемый
током (ИТУТ). Если функциональная связь
между током или ЭДС у управляемого источ-
ника и управляющим воздействием х линейна:
у = куХ, то источник называется линейно уп-
равляемым, а коэффициент ку — коэффициен-
том управления. Этот коэффициент имеет раз-
мерность сопротивления для ИНУТ, проводи-
мости — для ИТУН и безразмерен для ИНУН
и ИТУТ. Управляемые источники широко ис-
пользуются в схемах замещения электроваку-
умных, полупроводниковых приборов, ИС и
др.
Идеализированные пассивные элементы —
двухполюсные, не содержащие источников
элементы эквивалентных схем с четко разгра-
ниченными функциями (свойствами): необра-
тимого поглощения электромагнитной энергии
(сопротивление 7?), запасания энергии только в
электрическом поле (емкость С) или только в
магнитном поле (индуктивность L) —
см.ст.1.20. Термины сопротивление, емкость,
индуктивность употребляются, таким обра-
зом, в трех смыслах: как названия И. п. э. це-
пей, как их количественные характеристики и
как основные параметры реальных элементов
(резисторов, конденсаторов, катушек индук-
тивности). Как и реальные элементы, И. п. э.
могут быть линейными (с постоянными пара-
метрами R, С, L), параметрическими [с пере-
менными параметрами R(t), C(t), Z(OL нели-
нейными [с параметрами R(i), С(и), L(i), зави-
сящими от токов или напряжений на них] и не-
линейно-параметрическими [в общем случае
R(i; t), C(u’, t), L(i; Z)]. Соответственно их основ-
ные характеристки (см. ст. 23.9) — вольт-ам-
перная i(u) для R, вольт-кулонная q(u) для С и
ампер-веберная \|/(z) для L могут быть линей-
ными, переменными во времени или нелиней-
ными [7] (q — заряд емкости, \|/ — потокосцеп-
ление катушки индуктивности) — Табл. 23.1.
Компонентные уравнения — математи-
ческие модели ветвей цепи — уравнения, свя-
зывающие токи и напряжения этих ветвей [1].
В зависимости от вида воздействия и способа
представления токов и напряжений [функции
Таблица 23.1
Наименование Идеализированные пассивные элементы
Линейные Нелинейные Параметрические Нелинейно- параметрические
R R(i) R(t) Ft(Lt)
Сопротивления u = Ri i=Gu u = R(i)i i = G(i)u u = R(t)i i = G(t)u и = R(i,t)i i = G(i,t)u
С C(u) C(t) C(u,t)
Емкости т q = Cu q = C(u)u q = C(t)u q = C(u,t)u
i = dq/dt = = Cdu/dt i = C(u)du/dt + + udC(u)/dt i = C(t)du/dt + + udC(t)/dt i = C(u,t)du/dt + + udC(u,t)/dt
L L(i) L(t)
Индуктивности y = Li y = L(i)i y = L(t)i y = L(i,t)i
и = dy/dt = = Ldi/dt u = L (i)di/dt + + idL(i)/dt и = L(t)di/dt + + idL(t)/dt и = L(i,t)di/dt + + idL(i,t)/dt
Глава 23. ТЕОРИЯ ЦЕПЕЙ
637
23.4. МОДЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ И ЭЛЕМЕНТОВ
времени i(t), u(t); их изображения по Фурье
или Лапласу I(p), U(p) — см. ст.
1.7; комплексные амплитуды I т, 0т гармони-
ческих функций] К. у. могут быть интегродиф-
ференциальными или алгебраическими. Так,
для ветви в виде последовательного колеба-
тельного контура (см. Рис. 23.4, а) К. у. имеют
вид:
п(0 + L^^- + -i-ji(t)dt = u(t);
rl (J(0) + jtoLI (j(£>) + ———/(jCO) = U
J(£)C
rl(p) + pLI(p) + -^-I(p) = U(p);
pC
rIm+j^LIm+-^Im=Um.
К. у. ветвей, состоящих лишь из одного
идеализированного пассивного элемента, ино-
гда называют элементными уравнениями [7]
(см. Табл. 23.1).
Уравнения электрического равновесия
цепи — математическая модель цепи — урав-
нения, решение которых дает возможность оп-
ределить токи и напряжения ветвей цепи. Их
составляют, сочетая компонентные уравнения
с уравнениями, составленными на основе зако-
нов Кирхгофа (например, методами узловых
напряжений или контурных токов — см. ст.
23.5) [1,2, 5, 6].
23.5. ОБЩИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ЛИ-
НЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ В УСТАНОВИВШИХ-
СЯ РЕЖИМАХ — методы определения уста-
новившихся токов и напряжений в ветвях и уз-
лах линейных цепей (ЛЦ) любой конфигура-
ции и сложности, находящихся под воздейст-
вием источников гармонических или постоян-
ных токов (напряжений).
Комплекс мгновенный (комплекс теку-
щий) — комплексная модель гармонического
колебания — функция вида A (t) = Ате 7(<0/ + ф) =
= Ате действительная часть которой равна
самому гармоническому колебанию a(t) =
= Amcos(a)t + ф) = Re{ft(z)}. Здесь e7COZ — мно-
житель вращения; Ат = Ате 7Ф — комплексная
амплитуда (КА) — символическое изображе-
ние гармонического колебания, содержащее
информацию лишь о тех его параметрах (амп-
литуде Ат и начальной фазе ф), которые могут
изменяться в ЛЦ. Линейные математические
операции над К. м. rt(z) — такие, как Kci(t) =
= KAmQJMt (К — константа), dCi(t)ldt =j($AmeJOit,
jci(t)dt = {Am/jcd)QJ<at и алгебраическое сложе-
ние, изменяют только КА, не изменяя e7<oz, т.е.
частоту со. Это дает возможность свести ана-
лиз ЛЦ при гармонических воздействиях к
операциям над КА токов 1т и напряжений йт.
Переход от найденных КА к мгновенным зна-
чениям колебаний осуществляется по формуле
a(t) = Re^^e7^}. Комплексное действующее
значение (КДЗ) — величина, которая в VI раз
меньше КА: А = Ле7ф = Ат/ур2 = (Am/yf2) eJ\
Величины / = tm/42 , U = IJ т/^2 называют-
ся комплексным током и напряжением цепи.
Графически КА и КДЗ изображают на ком-
плексной плоскости векторами Ат и А, исхо-
дящими из начала координат и повернутыми
на угол ф относительно действительной поло-
жительной полуоси. Семейство подобных век-
торов, отображающее амплитудные и фазовые
соотношения между гармоническими токами и
напряжениями, действующими в цепи, называ-
ют векторной диаграммой.
Комплексное сопротивление — величи-
на, равная отношению комплексной амплиту-
ды (КА) напряжения U т = UmQJ^“ на пассив-
ном (т.е. без источников) участке цепи (двухпо-
люсном элементе) к КА тока / т = в нем:
2= Ze 7Ф = U т/1 т = г + ух, где г = Re{ 2} =
= /созф — активная (резистивная) составляю-
щая К. с.; х = Im{2} = /зтф — его реактивная
составляющая; Z = у/r2 +х2 — полное сопро-
тивление участка цепи, модуль К. с.; ф = фм -
- ф, = arctg(x/r) — аргумент К. с., разность фаз
между напряжением и током в цепи.
Комплексная проводимость (КП) — вели-
чина, обратная К.с.: Y = 1/2 = l/(r +jx) = g + jb,
где g — активная, а b — реактивная составля-
ющие КП.
К.с. и КП, так же , как и КА, могут изобра-
жаться векторами на комплексной плоскости в
виде векторных диаграмм. К. с. идеализиро-
ванных пассивных элементов R, L, С равны со-
ответственно: 2r = R; 2l =jxL =j(&L\ 2c=jxc=
= =j(rl/(nC), т.е. идеальные индуктив-
ность и емкость обладают лишь реактивными
сопротивлениями: xL = (&L; хс = -l/(coQ. Из
выражения для 2 вытекает закон Ома в ком-
плексной форме'. Uт= Z i т; / т= Y Uт, спра-
ведливый уже не только для резистивных эле-
ментов цепей (см.ст. 1.9), но и для элементов с
К.с. (при гармоническом воздействии). Комп-
лексная схема замещения цепи — схема, спра-
638
РАДИОТЕХНИКА
23.5. ОБЩИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ В УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ
ведливая для ЛЦ при гармонических воздейст-
виях и получаемая из эквивалентной схемы
для мгновенных значений заменой всех идеа-
лизированных пассивных двухполюсников их
К. с. (или КП), а всех токов и напряжений —
их комплексными изображениями (КА или
КДЗ).
Первый закон Кирхгофа в комплексной
форме'.
^Ik =0 — сумма КА (КДЗ)
к к
токов всех ветвей, подключенных к каждому из
узлов электрической цепи, равна нулю.
Второй закон Кирхгофа в комплексной
форме’.
S U тк ~ & тп ’ к - -- суММЗ
к п к п
КА (КДЗ) напряжений на всех элементах лю-
бого контура моделирующей цепи равна сум-
ме КА (КДЗ) ЭДС всех источников напряже-
ния, входящих в контур [правила знаков — те
же самые, что и при суммировании мгновен-
ных значений токов и напряжений (см. ст.
1-9)].
Метод комплексных амплитуд (символи-
ческий метод) — основной метод анализа ЛЦ
при гармонических воздействиях. Основан на
комплексной модели (символическом изобра-
жении) &(/) = e7(t0/+<p) = Aте/м! гармонических
колебаний a(t) = ^wcos(coZ + (р) = Re{a(/)} и
замене, благодаря этому, интегродифференци-
альных уравнений электрического равновесия
цепи алгебраическими уравнениями относи-
тельно КА гармонических токов, ЭДС и на-
пряжений. Метод включает: замену гармони-
ческих токов и напряжений всех ветвей (уз-
лов) их КА, а эквивалентной схемы цепи для
мгновенных значений — комплексной схемой
замещения; составление уравнений электри-
ческого равновесия цепи относительно КА то-
ков (напряжений) на основе законов Ома и
Кирхгофа в комплексной форме; решение этой
системы относительно КА токов и напряже-
ний; переход от найденных КА к временным
оригиналам (мгновенным значениям) токов и
напряжений по формуле a(t) = Ке{Л\„е7а)/}.
Излагаемые далее принципы, теоремы, ме-
тоды анализа ЛЦ справедливы как для КА гар-
монических колебаний, так и для постоянных
токов i и напряжений и (с учетом того, что при
со = 0 и ф= 0 / т = i, U т = и, XL = (йЬ = 0,Хс =
= -1 /(со С) = - °°).
Метод контурных токов — метод анализа
ЛЦ, основанный на формировании и решении
системы уравнений электрического равнове-
сия, составленной относительно контурных то-
ков, замыкающихся в независимых контурах
цепи (т.е. контурах, отличающихся хотя бы од-
ной ветвью, число которых в схеме с р ветвями
и q узлами равно п = р - q + 1). Для ЛЦ с п не-
зависимыми контурами, содержащей, кроме
пассивных элементов, лишь источники напря-
жения (ЭДС), эта система имеет вид:
/ц/1 4-Z12/2 • •• + 2 \rjn =
^2\Ц+^22^2”- + ^ 2п^ п~ ^2^ > q
^nj\+^n2^2‘" + ^ пп^п=^п ,
или в матричной форме:
[Z][ /] = [Ё],
В приведенных формулах [Z] — матрица
сопротивлений, а [/], [Ё] — матрицы-столб-
цы контурных токов и ЭДС соответственно;
, /2, ..., 1п — контурные токи в независи-
мых контурах, направления которых выбира-
ются произвольно в начале анализа; Ёк —
контурная ЭДС, алгебраическая сумма ЭДС
всех идеализированных источников напряже-
ния, входящих в к-й контур (взятых со знаком
«-», если их направление противоположно на-
правлению контурного тока / к); Z кк — собст-
венное сопротивление £-го контура, сумма со-
противлений всех ветвей, образующих этот
контур; Zkm — взаимное сопротивление £-го и
/w-го контуров, сумма сопротивлений ветвей,
общих для этих контуров (взятых со знаком
«-» при встречном направлении контурных то-
ков 1ки 1тв Zkm).
Решение системы уравнений (1) любым
методом [5, 6] дает искомые контурные токи.
Глава 23 ТЕОРИЯ ЦЕПЕЙ
639
23.5. ОБЩИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ В УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ
Например, по формулам Крамера ток к-го кон-
п
ТУР3 I к = [ где А — определитель
»=1
системы уравнений (1); Д/А. — алгебраическое
дополнение элемента Zik этого определителя.
Найденные контурные токи дают возможность
определить токи во всех ветвях схемы и напря-
жения на всех ее элементах. Зависимые источ-
ники напряжения, управляемые током, учиты-
вают в (1) наравне с независимыми, а затем,
выразив их через соответствующие токи, пере-
носят в левую часть уравнений. На М. к. т. ос-
новывается определение функций цепей по их
Z-матрицам (см. ст. 23.8).
Метод узловых напряжений (потенциа-
лов) — метод анализа ЛЦ, основанный на фор-
мировании и решении системы уравнений элек-
трического равновесия, составленной относи-
тельно узловых напряжений, отсчитываемых
относительно одного из узлов, принятого за
опорный (базисный). Для ЛЦ с т = q -1 незави-
симыми узлами (д — общее их число), содержа-
щей кроме пассивных элементов лишь источни-
ки тока, эта система уравнений имеет вид:
Flli7,+y12i72+...+ylmt7m=/1;
г21Ц+ВД+---+4А=Л;
VW2+---+V.=/«;
или в матричной форме:
[Г][^] = [/1,
Здесь [У] — матрица узловых проводимостей;
[Г7],[ /] матрицы-столбцы узловых напряже-
ний и токов соответственно; Y кк — собствен-
ная проводимость £-го узла, сумма проводимо-
стей всех ветвей, сходящихся к данному узлу;
Y кп — взаимная проводимость £-го и и-го уз-
лов, сумма проводимостей всех ветвей, соеди-
няющих именно эти узлы, взятая с противопо-
ложным знаком; Y к — узловой ток, алгебраи-
ческая сумма токов (со знаком «+» для токов,
втекающих в узел, и «-» для токов вытекаю-
щих) всех источников тока, присоединенных к
к-му узлу; lJk — узловое напряжение А-го узла,
разность потенциалов (р^ - (р0 между данным и
опорным узлами (обычно полагают ф0 = 0).
Решение системы уравнений (2) любым
способом [5, 6] дает искомые узловые напря-
жения. Например, по формулам Крамера на-
т
пряжение £-го узла U к = [ &пк ^«]/А,
Л=1
где А — определитель системы уравнений; &пк—
алгебраическое дополнение элемента Y пк это-
го определителя. Найденные таким образом
узловые напряжения дают возможность рас-
считать токи в любых ветвях схемы. М. у. н. ле-
жит в основе определения функции цепей по
их У-матрице (см. ст. 23.8). Источники тока,
управляемые напряжением, записывают в пра-
вую часть системы (2) наравне с независимы-
ми, а затем, выразив их через соответствую-
щие узловые напряжения, переносят в левые
части уравнений. Учет других зависимых (уп-
равляемых) источников в М. у. н. — см. [1,5, 6].
Принцип дуальности: если какие-либо по-
ложения, теоремы, зависимости, решения вер-
ны для некоторой электрической цепи, то они
верны и для дуальных величин в дуальной эле-
ктрической цепи. Два соотношения, обладаю-
щие свойством взаимного перехода друг в дру-
га при взаимном обмене переменными и коэф-
фициентами, называются дуальными. В соот-
ветствии с этим дуальными называют как вза-
имно заменяемые величины, так и элементы с
дуальными характеристиками. Так, дуальны,
например, сопротивление R и проводимость G,
индуктивность L и емкость С, напряжения и
токи в них, так как дуальны соотношения: uR =
= RiR и iR=GuR, uL = Ldijdt и ic = Cduc/dt, uc =
= jicdt/C и II = $uLdt/L. Дуальны идеальные ис-
точники напряжения и тока, системы уравне-
ний узловых напряжений и контурных токов,
Y-и Z-матрицы цепей, первый и второй законы
Кирхгофа и т.п. Дуальными могут быть не толь-
ко элементы, но и способы их соединения. Так,
последовательное соединение дуально парал-
лельному. Использование П. д. часто сокращает
математические выкладки и формулировки.
Принцип суперпозиции (наложения): от-
клик (реакция в виде токов или напряжений в
любой ветви или узле) ЛЦ на сумму воздейст-
640
РАДИОТЕХНИКА
23.6. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ
вий равен сумме откликов на каждое из этих
воздействий в отдельности.
Метод наложения — основанный на П. с.
метод анализа ЛЦ, содержащих несколько не-
зависимых источников. Состоит в вычислении
и последующем алгебраическом суммирова-
нии частичных токов (напряжений) в интере-
сующей ветви (узле), порождаемых каждым
источником в отдельности. При расчете час-
тичных токов (напряжений) по очереди остав-
ляют действующим лишь один из источников
(остальные идеальные источники ЭДС закора-
чивают, а источники тока разрывают). На П. с.
базируются все методы анализа передачи сиг-
налов в ЛЦ (см. ст. 19.6).
Теорема взаимности (обратимости): если
некоторая ЭДС, находящаяся в каком-либо кон-
туре электрической цепи, вызывает ток в дру-
гом ее контуре, то та же ЭДС, перенесенная в
этот контур, вызовет в первом контуре ток та-
кого же значения; если источник тока, задан-
ный в некотором узле электрической цепи, вы-
зывает некоторое напряжение между двумя
другими ее узлами, то этот же источник, вклю-
ченный между этими узлами, вызовет в первом
узле такое же узловое напряжение. При пере-
носе ЭДС из одного участка цепи в другой за-
жимы, к которым она была подсоединена,
должны быть закорочены, а при переносе ис-
точника тока — оставаться разомкнутыми. Це-
пи, удовлетворяющие Т. в., называют взаимны-
ми (обратимыми), а неудовлетворяющие — не-
взаимными. Невзаимны, напрймер, ЛЦ с зави-
симыми источниками или нелинейные цепи.
Применение Т. в. в сочетании с принципом на-
ложения часто упрощает анализ ЛЦ с несколь-
кими независимыми источниками.
Теорема компенсации: токи и напряже-
ния произвольной электрической цепи не из-
менятся, если любую ее ветвь заменить либо
идеальным источником напряжения, ЭДС ко-
торого равна напряжению данной ветви и на-
правлена противоположно этому напряжению,
или идеальным источником тока, ток которого
равен току рассматриваемой ветви и совпадает
с ним по направлению. Т. к. расширяет воз-
можности эквивалентных преобразований эле-
ктрических цепей.
Теорема об эквивалентном источнике
(генераторе) напряжения: ЛЦ, содержащая
пассивные элементы и некоторую комбинацию
источников напряжения и тока, рассматривае-
мая относительно двух своих полюсов, может
быть заменена одним эквивалентным источни-
ком напряжения с ЭДС £э, равной напряжению
холостого хода на этих полюсах, и внутренним
сопротивлением 2Э, равным сопротивлению
между полюсами при отключенной от них на-
грузке, закороченных внутри ЛЦ источниках
ЭДС и разомкнутых идеальных источниках то-
ка. Экспериментально эквивалентное внутрен-
нее сопротивление Z3 определяют как отноше-
ние напряжения холостого хода (XX) Z7XX на
полюсах к току короткого замыкания (КЗ) / кз
полюсов. Замена сложной цепи таким источ-
ником эквивалентна (в значениях тока, напря-
жения, мощности) лишь по отношению ко
внешней нагрузке ZH, подключенной к зажи-
мам цепи, но не по отношению к ее внутрен-
ним элементам. Та же самая ЛЦ может быть за-
менена эквивалентным идеальным источником
тока, равного току КЗ, с эквивалентной прово-
димостью Уэ = / кз/IJXX = 1/Z3, что подтверж-
дается теоремой об эквивалентном генераторе
тока [1,2, 3].
23.6. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В
ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ — процессы, имею-
щие место в линейных цепях (ЛЦ) при перехо-
де от одного установившегося режима к друго-
му. В установившемся режиме токи и напря-
жения всех ветвей электрической цепи изменя-
ются по определенным периодическим зако-
нам или, в частном случае, сохраняют неизмен-
ные значения. Всякое изменение топологии це-
пи или параметров ее элементов нарушает ра-
нее установившийся режим, вызывая П. п. к
новому установившемуся режиму. Любое скач-
кообразное изменение в цепи, приводящее к на-
рушению установившегося режима, называет-
ся коммутацией. Начало отсчета времени П. п.
обычно совмещают с моментом коммутации,
обозначая момент, непосредственно предшест-
вующий коммутации, как t = 0_, а непосредст-
венно следующий за ней — как t = 0+ или t = 0.
Так как реальные источники энергии обладают
конечной мощностью, то суммарная запасае-
мая цепью энергия может изменяться только
плавно (без скачков). А так как энергия опреде-
ляется суммарным зарядом всех конденсаторов
цепи и потокосцеплением всех ее катушек ин-
дуктивности, то справедлив принцип непрерыв-
ности во времени суммарного заряда и суммар-
ного потокосцепления цепи'.
Е^(0+) = ^,(0_); ^(О-ь) = EyXOJ.
Из него вытекают законы коммутации, со-
гласно которым напряжения на емкостях и то-
Глава 23. ТЕОРИЯ ЦЕПЕЙ
641
23.6. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ
ки в индуктивностях сохраняют в момент ком-
мутации свои значения Wc(0+) = ^с(0_), /Д0+) =
= iL(0_), плавно изменяясь в дальнейшем, начи-
ная с этих значений. В реальных цепях воз-
можны коммутационные потери из-за возник-
новения искры или электрической дуги между
контактами переключателей, вследствие чего
энергия цепи после коммутации может быть
меньше, чем до нее. Значения токов в индук-
тивностях и напряжений на емкостях в момент
коммутации представляют собой начальные
условия (НУ). Различают независимые НУ (для
реактивных элементов, энергетическое состоя-
ние которых может быть задано независимо) и
зависимые НУ. Если запасенная в цепи энергия
в момент t = 0 равна нулю, то говорят о нуле-
вых НУ.
Задача анализа П.п. заключается в нахож-
дении мгновенных значений токов и напряже-
ний всех или некоторых ветвей электрической
цепи в произвольный момент времени после
коммутации. Чаще всего она сводится к реше-
нию дифференциального уравнения (ДУ), по-
лученного из системы уравнений электричес-
кого равновесия цепи исключением всех неиз-
вестных переменных (токов, напряжений),
кроме одной, например у = y(t):
d"y d"~'y dy
a„-----+ a„_,---7- + ... + Я,— + aoy = x (1)
dt" dt"-1 dt 0Л V ’
Здесь x = x(t) — внешнее воздействие, опреде-
ляемое всеми внешними независимыми источ-
никами токов и напряжений и обращающееся в
нуль при их совместном выключении.
Классический метод — метод анализа
П. п. в ЛЦ, основанный на классическом мето-
де решения обыкновенных ДУ, согласно кото-
рому решение линейного неоднородного ДУ
(1) равно сумме его частного решения ув и об-
щего решения ус однородного (т.е. при х = 0)
ДУ: у = ус + ув. При этом ус = yc(t) описывает
свободный процесс в цепи, не зависящий от
внешнего воздействия, а определяемый лишь
параметрами пассивных элементов, линейно
управляемых источников и топологией
цепи после коммутации; ув = limy определяет
вынужденный режим работы цепи (поскольку
limус= 0), т.е. новый установившийся режим
после коммутации. Для определения ув ис-
пользуют методы анализа ЛЦ в установившем-
ся режиме (см. ст. 23.5). Чтобы найти ус, реша-
ют характеристическое уравнение (ХУ) апрп +
+ an_ipn~{ + ... + а\р + а0 = 0. Если все корнир{
п
ХУ простые (разные), то ус = ^Atep,t. Если
/=1
же какой-либо корень рк ХУ имеет кратность
тп, то ему соответствует слагаемое свободной
m
составляющей у^к) = еРк‘ ^AjtJ 1 Все корни
7=1
ХУ линейной цепи, составленной из идеализи-
рованных пассивных элементов и независи-
мых источников энергии, лежат в левой полу-
плоскости комплексной переменной р (т.е.
Re{p/} < 0), так как только в этом случае сво-
бодные процессы в цепи носят ненарастаю-
щий характер. Постоянные интегрирования Аь
Aj находятся из НУ [1,2].
Метод интеграла наложения (интеграла
Дюамеля) — метод анализа П. п. при включе-
нии ЛЦ в момент t = 0 при произвольно изме-
няющемся воздействии x(t). В методе, анало-
гичном одноименному методу анализа переда-
чи сигналов через ЛЦ (см. ст. 19.6), использу-
ются импульсная g(Z) и переходная h(t) харак-
теристики цепи (см. ст. 23.8), а результат имеет
вид сверток (см. ст. 1.16):
у(0 = х' (0 * h(t) = x(0)h(t) + J x'(y)h(t - т)б/т;
о
Я0 = x(t) * g(() = x(t)h(O) + j x(t)g(t - т)Л,
0
которые могут быть записаны также в других
формах [1, 3, 5] (х'(0 — временная производ-
ная входного воздействия)
Операторный метод — метод анализа П. п.
в ЛЦ, основанный на использовании операци-
онного исчисления для решения ДУ (1) элект-
рических цепей. Благодаря свойству линейнос-
ти преобразования Лапласа (ПЛ), а также тео-
ремам дифференцирования и интегрирования
оригинала (см. ст. 1.7) уравнение (1) сводится
к алгебрическому уравнению:
а„рпу(р) + a„-ip"~'y(p) + ... + а,ру(р) +
+ ааУ(р) = х(р), (2)
разрешимому относительно у(р):
у(р) = х(р)/[а„р" + ап_\р" ’ + ... + a+ а0],
где х(р), у(р) — операторные изображения воз-
действия и отклика соответственно.
642
РАДИОТЕХНИКА
23.7. ФИЛЬТР ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
Переход от найденного у(р) к искомому ре-
шениию y(t) осуществляется с помощью об-
ратного преобразования Лапласа (см. ст. 19.6),
теоремы разложения или таблиц операторных
изображений [1, 3]. О. м., в отличие от класси-
ческого, позволяет найти интеграл ДУ (1) для
заданных начальных условий без отдельного
определения постоянных интегрирования [1—
3,5].
Спектральный (частотный) метод — ме-
тод анализа П. п. в ЛЦ, основанный на приме-
нении гармонического анализа нестационар-
ных процессов для решения ДУ (1). Этот ме-
тод во многом анологичен операторному, так
как преобразование Фурье есть частный слу-
чай преобразования Лапласа (когда о = 0 и р =
= о + усо = усо). Обладая большей наглядностью
спектральных представлений, он все же усту-
пает операторному методу в удобстве учета на-
чальных условий и простоте совершения об-
ратных преобразований [1—3].
23.7. ФИЛЬТР ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ —
электрическая цепь, предназначенная для вы-
деления одних и подавления других составля-
ющих спектра входного воздействия, сосредо-
точенных в заданных полосах частот, называе-
мых соответственно полосами пропускания
(прозрачности) и полосами задерживания (ПЗ)
фильтра. Полосы частот, разделяющие сосед-
ние ПП и ПЗ, называются полосами перехода
(ППх). По особенностям АЧХ функции переда-
чи К(со) = |К(/со)| или затухания Я (со) = 1/К(со)
фильтры подразделяют на ФНЧ (Рис. 23.11, а),
ФВЧ (Рис. 23.11, б), ПФ (Рис. 23.11, в) и режек-
торные фильтры (РФ) (Рис. 23.11, г). Фильтры
с чередующимися ПП и ПЗ называется гребен-
чатыми. Отдельную группу образуют фильтры
с определенными требованиями к ФЧХ ср(со)
или к групповому времени задержки (ГВЗ)
тгр(со) = |с/ф(со)/б/со|. В широком смысле Ф. э. —
это цепь, заданным образом преобразующая
спектры сигнала и помехи в процессе их сов-
местной обработки (см., например, «Согласо-
ванный фильтр» в ст. 21.2).
К основным параметрам фильтров отно-
сятся: коэффициенты передачи или затухания
(максимальный, средний, минимальный) в ПП
и ПЗ, крутизна АЧХ в ППх (в децибелах на ок-
таву или декаду) и т.д.
Полоса пропускания — непрерывная поло-
са частот, в пределах которой коэффициент пе-
редачи фильтра K(f) остается выше (а затуха-
ние A(f) — ниже) некоторого определенного
значения КП (Яп).
Полоса задерживания — непрерывная по-
лоса частот, в пределах которой K(f) остается
ниже (A(f) — выше) некоторого определенного
значения К3 (А3).
Граничная частота — крайняя в ПП (или
ПЗ) частота/п (или^), на которой K(f) wA(f) до-
стигают обусловленных значений K(f() = КП
(или K(f3) = К3), т.е. частота, разделяющая ПП
и ППх или ППх и ПЗ. Часто /п называют час-
тотой среза.
Неравномерность коэффициента передачи
(затухания) в ПП — максимальное относитель-
ное отклонение коэффициента передачи (зату-
хания) от его среднего значения в ПП:
<*п = ±(^тах - ^п)/(^тах + ^п),
или (в децибелах) оп = ± 101g(Kmax/Kn).
Коэффициент прямоугольности АЧХ поло-
сового фильтра — см. ст. 24.24 и 17.29.
Ф. э. подразделяют на пассивные, актив-
ные, коммутируемые (на переключаемых емко-
стях, [8]) и цифровые (см. ст. 25.30).
Пассивный фильтр — это фильтр, состоя-
щий из L-, С- и Я-элементов, соединение и зна-
чения которых обеспечивают необходимые ха-
рактеристики.
Активный фильтр — это фильтр, содержа-
щий активные компоненты, непосредственно
участвующие в формировании его частотных
характеристик с помощью частотно-зависи-
мых прямых и обратных связей (см. ст. 24.2).
Операторная функция передачи напряжения
(см. ст. 23.8) линейного фильтра может быть
представлена как:
К(р) = ивых(р)/ивх(р) = Нт (р)! D„(p) =
= Ко[ п (р -ро,)И п Ср -Рп,)] = к0 п
Глава 23 ТЕОРИЯ ЦЕПЕЙ
643
23.7. ФИЛЬТР ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
а сам фильтр — одним четырехполюсником
или каскадным соединением N четырехполюс-
ников с функциями передачи Ki(p). Здесь
Нт(р), Dn(p) — полиномы т-го и и-го поряд-
ков комплексной частоты р = о + jco; KQ =
= = const; pQh pui — нули и полю-
сы функции К(р).
АЧХ и ФЧХ фильтра определяются коорди-
натами нулей и полюсов на плоскости р [5, 8]:
т п
К(а>) = Ко [ П |/(<о - а>о,) -О0,-| ] / [ П ]/(<» -
/=| /=|
- о™) -ап/| ]; ф(о) =
т п
Ефо,(со)- Хфш»,
/=1 1=1
где |/(со - со,) - О/| — длина прямой (Рис. 23.12),
соединяющей на плоскости р точку оси усо с
z-м нулем или полюсом с координатами р/ =
= О/ + усо,; ф/ — угол между положительной по-
луосью о и направлением из точки у со на z-й
нуль или полюс. Полюсам, близким к оси усо,
соответствуют подъемы, а нулям — провалы
АЧХ, так что правильным выбором числа и ко-
ординат полюсов (а, при необходимости, и ну-
лей) функции К(р) можно получить необходи-
мые частотные характеристики фильтра, т.е.
решить задачу аппроксимации (см. далее).
При расчетах фильтров переменные со, t и
параметры элементов R, L, С нормируют, заме-
няя их безразмерными относительными вели-
чинами: со' = Q = со/сом; t' = t/TM = tfM; R'= R/RM\
L' = ZcoM/7?M; C= C(dMRM, а по окончании вы-
числений денормиру ют по формулам: со =
= QcoM; t = t'TM; R = R'RM; L = L'RM/(&M; C =
= C'/aMRM, где coM = 2nfM = 2n/TM и RM — какие-
либо величины, удобные для использования в
качестве мер (норм) частот и сопротивлений.
Методика расчетов ФВЧ, ПФ и РФ часто состо-
ит в предварительном расчете НЧ прототипа с
последующим преобразованием его схемы и
пересчетом параметров элементов по опреде-
ленным правилам и формулам [4, 8, 9].
Филыпром-прототипом (ФП) называют
ФНЧ с единичными нормированными часто-
той среза (ПП) Qn = 1 и сопротивлениями на-
грузки фильтра и источника входного сигнала
Я'н = Я'ист = 1, найденными при условии сом =
= соп, RM = Rn = 7?ист Частотные характеристики
ФП выражают как функции Q = со/соп = f rfn9 а
операторные — как функции 5 = /?/соп.
Аппроксимация характеристик фильт-
ров — приближенное представление функций
передачи (затухания) идеальных (с прямо-
угольной АЧХ и линейной ФЧХ) фильтров фи-
зически реализуемыми рациональными функ-
циями комплексной частоты К(р), K(s) с АЧХ и
ФЧХ, допустимо (заданным образом) отклоня-
ющимися от идеальных. Характеристики ФНЧ
и ФП часто (хоть и не всегда) описывают мно-
гополюсными (без нулей) функциями передачи
вида: К(р) = ao/(bQ+ b\p + ... + Ъ„рп\ или в нор-
мированной форме:
K(s) = Ко/ D„(s) = Ко/(1 + B1S + B2s2 +...+
+ B„sn), (1)
где п — порядок фильтра.
При этом А. х. ф. сводится к нахождению
коэффициентов 5/ или, в конечном счете, по-
люсов pi (корней уравнения Dn(s) = 0) по вы-
бранному (заданному) приближению нормиро-
ванной АЧХ к идеально прямоугольной:
H(Q) = K(Q)/K(0) = l/^l+e.2F(Q) (2)
= [1(D)-1(D-1)]
или приближению ФЧХ к идеально линейной в
ПП. Здесь е2 — параметр, характеризующий
степень постоянства в ПП; F(Q) — функ-
ция фильтрации, которая должна стремиться к
нулю при 0 < Q < 1 и быть как можно большей
при Q > 1.
Переход от аппроксимации (2) к аппрок-
симации (1) состоит в решении относительно
Bi системы уравнений, полученной прирав-
ниванием коэффициентов при одинаковых
степенях Q в левой и правой частях выраже-
ния 1 + e2F(Q) = |£>л(у)|2 при s =jQ., т.е. Q2 = -s2.
Полюсы (1) находят решением уравнения
1 + e2F(Q) = 0. В практике проектирования
фильтров наиболее распространены несколько
способов аппроксимации характеристик (см.
далее), дающих названия и самим фильтрам.
Аппроксимация по Баттерворту (АБт) —
аппроксимация АЧХ функцией H(Q) =
= 1 / Vl + Q2”, полученной из (2) при F(Q) = Q2"
644
РАДИОТЕХНИКА
23.7. ФИЛЬТР ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
и е2 = 1 (т.е. при отсчете ПП на уровне
Я(0)/л/2, или -3 дБ), где п — порядок фильтра’
При этом знаменатель выражения (1) описывает-
ся полиномами Баттерворта, первые из которых
имеют вид: Dx(s) =1+5; D2(s) = 1 + 41s + s2;
D3(s) = 1 + 2s + 2s2 + ? = (1 + 5)(1 + 5 + 52).
Полюсы K(s), найденные из уравнения 1 +
+ (-1)"52” = 0, равны: sk = e±j/cK/n9 к = 0, 1, ...,
п для нечетных п; sk = е±-'(2А+1)я/2л, к = 0, 1, ...,
(и - 1) для четных и, т.е. полюсы равномерно
распределены по окружности единичного ра-
диуса на плоскости 5. Для устойчивых (напри-
мер, пассивных) фильтров смысл имеют лишь
полюсы, лежащие в’Уёвой полуплоскости. Ап-
проксимации Бт свойственны максимально (и
тем больше, чем больше п) плоская АЧХ в
пределах ПП (т.е. при Q < 1) и наклон АЧХ
вне ПП (при Q2" » 1), равный 6п дБ/окт.
(Рис. 23.13, а). Так как при А. Бт с п > 2 боль-
шинство полюсов попарно комплексно сопря-
жены и не могут быть реализованы при помо-
щи RC- или ЛА-цепей, то для реализации
фильтров Баттерворта необходимы пассивные
RLC-цепи или активные 7?С-цепи. Фильтр
Баттерворта — см. ст. 24.2, 24.8, 17.29.
Аппроксимация по Чебышеву (А.Чб) — ап-
проксимация АЧХ функцией //(Q) =
= W/д/1+Е2Тл2(и), где п — порядок фильтра;
Тп(О.) — полиномы Чебышева (см. ст. 1.7):
Ti(Q) = Q; T2(Q) = 2Q2 - 1; T3(Q) = 4Q3 - 3Q
и т.д., квадраты которых при Q < 1 колеблются
от 0 до 1, а при Q > 1 монотонно возрастают;
6 = 7(^max/^min)2-l = V10°JA*-l - КОэф-
фициент, определяющий меру волнистости
АЧХ в ПП; ДА: = 201g(Xmax/Xmin) дБ — допус-
тимая неравномерность АЧХ в ПП; W = 1 для
нечетных п и W = vl + е2 для четных п. По-
люсы функции K(s), найденные из уравнения
1 + = 0 при T„(Q) = cos(« arccosQ) и
Q = -js [4], распределены на 5-плоскости по эл-
липсу й также в большинстве попарно ком-
плексно сопряжены. А.Чб называют ровновол-
новой, так как в ПП АЧХ п + 1 раз принимает
одни и те же максимальные и минимальные
значения, образуя волну, «период» которой
уменьшается с ростом Q. Вне полосы пропус-
кания АЧХ таких фильтров монотонно спадает,
причем быстрее, чем у любых других полино-
миальных [т.е. с характеристикой (1)] фильт-
ров того же порядка и с той же допустимой не-
равномерностью в ПП (см. Рис. 23.13, а).
Фильтры Чебышева — см. ст. 24.2, 24.5, 17.29.
Аппроксимация по Бесселю (А.Бс) — апп-
роксимация функций передачи (1), получен-
ная, исходя из требования линейности ФЧХ
(постоянства ГВЗ) в ПП фильтра и отличаю-
щаяся знаменателем Dn(s) в виде нормирован-
ных (деленных на коэффициент при 5°) поли-
номов Бесселя [4, 8], первые из которых тако-
вы: Z>i(5) =1+5; D2(s) = 1 + 5 + (1/3)52; D3(s) =
= 1 + 5 + (2/5)52 + (1 /15)53. Здесь 5 = /7Тгр(0)/(2к),
т.е. нормировано частотой, обратной ГВЗ при
со = 0. При этом АЧХ максимально плоская в
ПП, но вне ее спадает медленней (см. Рис.
23.13, а), чем у фильтров Чб и Бт тех же самых
порядков п и той же допустимой неравномер-
ности ДАТ. Линейная ФЧХ и почти постоянная
АЧХ в ПП обеспечивают наилучшую (без ос-
цилляций на вершине) форму переходной ха-
рактеристики h(t*) фильтра Бс по сравнению с
фильтрами других типов (Рис. 23.13, б). Полу-
чение более узких ППх при больших ослабле-
ниях в ПЗ требует неоправданного увеличения
порядка (числа элементов) полиномиальных
фильтров. От этого недостатка свободны филь-
тры с функцией K(s) в виде отношения полино-
мов, т.е. с нулями на конечных частотах в ПЗ.
Такую А. называют аппроксимацией Золота-
рева, а фильтры с такими характеристиками —
эллиптическими фильтрами или фильтрами
Кауэра.
Фильтр верхних частот — фильтр, един-
ственная ПП которого охватывает все частоты,
превышающие граничную/п (см. Рис. 23.11, б).
Аппроксимации характеристик ФВЧ получают
заменой Q на I/O или 5 на 1/5 (где 5 = /?/соп) в
характеристиках НЧ-прототипа [8, 9].
Фильтр нижних частот — фильтр, един-
ственная ПП которого охватывает частоты от
нуля до граничной (частоты среза) /п (см. Рис.
23.11, а). Примеры схем и АЧХ звеньев ФНЧ
порядков п = 1 и п = 2 даны на Рис. 23.14, а и б
соответственно. Их нормированные функции
Глава 23 ТЕОРИЯ ЦЕПЕЙ
645
23.7. ФИЛЬТР ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ
передачи равны соответственно Kx(s) = 1/(1 + 5)
и K2(s) = 1/(1 + as + bs2), где 5 = j'Q = /со/соп;
а = &nRC = ып1(йъ<2,Ь = (й2пЬС = (соп/(ОоП соо =
= 1/ у/Тс — резонансная частота; Q = (HqL/R —
добротность контура. При А. Бт (когда а =
= V2 ; b=\\Q= 1/^2 ) крутизна спада АЧХ при
Q » 1 фильтра второго порядка составляет
40 дБ/дек. (12 дБ/окт.), т.е. в два раза больше,
чем у фильтра первого порядка. При Q > 1/^2
АЧХ фильтра второго порядка приобретает
вблизи частоты среза всплеск (тем больший,
чем больше добротность Q), обусловленный
резонансом [4, 8, 9].
Фильтр полосовой — фильтр, единствен-
ная ПП которого ограничена двумя конечными
не нулевыми частотамиХ1 и^г (см. Рис. 23.11, в)
[4, 8, 9].
Фильтр режекторный — фильтр, единст-
венная полоса задерживания которого ограни-
чена двумя конечными не нулевыми частотами
/31 и/з2 (см. Рис. 23.11, г) [4, 8, 9]. ФНЧ, ФВЧ,
ПФ, РФ рассмотрены в ст. 24.2, 24.8, 17.29,
17.30.
23.8. ФУНКЦИИ ЛИНЕЙНОЙ ЦЕПИ
(функции схемы, системные функции) — ха-
рактеристики устойчивых линейных цепей
(ЛЦ), полностью и в наиболее удобной форме
описывающие их электрической свойства.
ЛЦ полностью характеризуется ее откликом
(реакцией) y(t) на некоторый пробный сигнал
(ПС) x(Z), выбранный по соображениям просто-
ты отыскания у(0 и возможности представления
произвольного входного сигнала Х0 линейной
комбинацией множества подобных x(t) элемен-
тарных сигналов (с целью использования при
отыскании отклика цепи наХО принципа супер-
позиции — см. ст. 23.5). Этим требованиям на-
илучшим образом отвечают ПС в виде: гармо-
нической функции x(t) = Acos((W + ф%) [при этом
y(t) находят методом комплексных амплитуд —
см. ст. 23.5, аХО представляют рядом или инте-
гралом Фурье — см. ст. 1.7, 19.12, 19.13)]; дель-
та-функции х(Г) = 5(0 (при этом//) представля-
ют сверткой с 5(0 — см. ст. 1.7); единичного
скачка х(0 = 1(0 (ПРИ этом Х0 представляют
сверткой /'(0 с 1(0 — см. ст. 1-7). Каждому из
этих ПС соответствует своя разновидность
функции цепи, описывающая ее в частотной
(операторной) или временной областях.
Функция цепи комплексная — комплекс-
ная функция частоты, равная отношению ком-
плексной амплитуды Y = = У(со)е/фу(а)) от-
клика y(t) = ycos[coz + ф/co)] к комплексной
амплитуде X = Д/со) =Дсо)е7фг(а)) гармониче-
ского ПС х(Г) = Acosfcor + фх(ш)], те- К =
= = Y/X= Дсо)^^. Ее модуль Дсо) =
= У(со)/Дсо) и аргумент ф^(со) = ф/со) - ф%(со),
описывающие частотные зависимости отноше-
ния амплитуд и разности фаз гармонических
отклика и воздействия (ПС), называют соот-
ветственно амплитудно-частотной и фазоча-
стотной характеристиками Ф. ц. к. и пред-
ставляют соответствующими графиками (см.,
например, Рис. 23.3 или Рис. 19.18).
В зависимости от размерностей ПС и от-
клика на него, а также от того, на одном или на
разных портах цепи они действуют, Ф. ц. к.
приобретает различный физический смысл,
размерность и обозначение. Так, для четырех-
полюсника с входными U j, / 1 и выходными
О 2, / 2 переменными различают: функцию (ко-
эффициент) передачи по напряжению Кн =
= U 2/U ь функцию (коэффициент) передачи
по току К т = /2/ ь передаточное сопротив-
ление Znep = U 2/ / 1; передаточную проводи-
мость Упер = Д/U ь а Для двухполюсника —
входное сопротивление ZBX = U х/1 j и входную
проводимость Y вх= / \/й 1 = 1/Увх. Когда воз-
действие и отклик имеют одинаковую размер-
ность, функцию цепи (комплексную или опе-
раторную) называют передаточной функцией
(по напряжению или по току). Ф.ц.к. описыва-
ют свойства ЛЦ в частотной области, достаточ-
но просто исследуются не только теоретичес-
ки, но и экспериментально (измерением АЧХ и
ФЧХ) и лежат в основе спектрального метода
анализа передачи сигналов (см. ст. 19.6).
Функция цепи операторная — функция
комплексной частоты (оператора Лапласа) р =
= о + усо, равная отношению лапласовых изо-
бражений отклика ЛЦ Y(p) - L{y(t)} и воздей-
ствия Х(р) = L{x(t)}, т.е. К(р) = Y(p)/X(p) —
обобщение Ф. ц. к. на случай комплексной ча-
646
РАДИОТЕХНИКА
23.8. ФУНКЦИИ ЛИНЕЙНОЙ ЦЕПИ
стоты, которое достигается заменой усо на р.
Ф. ц. о., как и Ф. ц. к., может иметь различный
смысл: операторных коэффициентов передачи
по напряжению Кп(р) = или току
Кт(р) = 12(р)/Ц(р)\ операторных передаточного
сопротивления Znep(p) = и2(р)/Ц(р) или пере-
даточной проводимости Упер = I2(p)/Ui(p);
операторных входного сопротивления ZBX(p) =
- Ui(p)/l\(р) или входной проводимости
YBX(p) = = l/ZBX(p). Ф. ц. о. линей-
ной цепи, не содержащей независимых источ-
ников энергии, является рациональной функ-
цией р с действительными коэффициентами:
К(р\= = апРП +ап-\Р"~'+- + а\Р + ай =
bmpm+bn_lpm-'+...+blp+b0
a„(.P-Poi) -(.P-Po„)
Ьт(Р-Рш)-(Р-РПт)’
где/20ь — решения уравнения Fx(p) = О,
называемые нулями Ф. ц. о.; /?п1, ..., рит — ре-
шения уравнения F2(p) = 0, называемые полю-
сами Ф. ц. о.
Графически Ф. ц. о. представляют картой
(диаграммой) нулей и полюсов — чертежом, где
в координатах о, /со изображены все нули и по-
люсы функции, обозначаемые соответственно
кружками и крестиками.
Ф. ц. о. и Ф. ц. к. могут быть найдены по со-
ответствующим матрицам операторных или
комплексных проводимостей и сопротивлений
(см. ст. 23.5) [1, 5, 6]. Так, коэффициент переда-
чи по напряжению из узла а в узел b (при отсче-
те от общего базисного узла) Kba(p) = &ah/&aa\
входное сопротивление (между узлом а и об-
щим узлом) ZBX(p) = Ааа/А; передаточное сопро-
тивление Znep^ = А и т.д. Здесь А — опреде-
литель У-матрицы цепи; Ааа, &аЬ — алгебраиче-
ские дополнения элементов Yaa, Yab этой матри-
цы [5].
Характеристика импульсная — вре-
менная характеристика g(t) цепи, являющаяся
ее откликом y(t) = g(t) на ПС в виде дельта-им-
пульса напряжения или тока x(t) = 6(0.
Характеристика переходная — времен-
ная характеристика h(f) цепи, являющаяся ее
откликом y(t) = h(t) на ПС в виде единичного
скачка напряжения или тока x(t) = 1(0-
Импульсная и переходная характеристики
описывают свойства ЛЦ во временной области
и используются во временных методах анализа
передачи сигналов (см. ст. 19.6). Полностью
описывая свойства ЛЦ, комплексные K(j(sYy
операторные К(р) и временные функции (ха-
рактеристики) g(0, h(t) цепи однозначно связа-
ны между собой зависимостями:
ВД = = F{g(t)} =j<oF{h(f)};
К(р) = К(^)\/Ш=р = L{g(t)} = pL{h(t)};
g(t) = dh(t)/dt = F-1 {ВД} = L~'
h(t) = ]g(t)dt = Г' Wco)//(o} =L~'{K(p)lp},
0
где F{...}, L{...} — символы прямых, a F1 {...},
L”1}...} — обратных преобразований Фурье и
Лапласа соответственно (см. ст. 1.7).
Так, свойства простейшего ФНЧ (см. схему
на Рис. 23.14, а) как преобразователя входного
напряжения u}(t) в выходное u2(t) полностью
описываются любой из таких схемных функ-
ций:
комплексной функцией передачи по напря-
жению = (\lj(£>C)l\R + (1 //coQ] = 1/(1 +j'cor) =
= Х(со)ехр[ф(со)], где т = RC — постоянная вре-
мени цепи; Х(со) = [ 1 / д/1 + (сот)2 ] — ее АЧХ;
ф(со) = -arctg(cor) — ее ФЧХ;
операторной функцией передачи по напря-
жению К(р) = (1/т)/[( 1/т) + р];
импульсной характеристикойg(t)=L~x{K(p)} =
= (1/т)£-1 {1/[(1/т) + /?]} = 1(0(1/т)ехр(-7/т);
t
переходной характеристикой h(t) = g(t)dt =
= 1(Z)[1 - ехр(-//т)]. о
Любая из этих функций может быть ис-
пользована для нахождения соответствующи-
ми методами (см. ст. 19.6) отклика w2(0 этой
цепи на произвольный входной сигнал ux(t).
В случае, когда в качестве отклика на
входной сигнал u\(t) нас интересует входной
ток ix(t) цепи, соответствующие функции то-
го же фильтра приобретают другой смысл и
вид, а именно: комплексная входная проводи-
мость Х(/со) = У(/со) = Д/Ц = 1/(7? + 1//соС) =
= (/юС)/(1 + уют) = У(ю)е /<₽<ю), где У(ю) =
= юС/ /1+(ют)2 ; <р(ю) = л/2 - arctg(cor); опера-
торная входная проводимость К(р) = Y(p) =
= (1/7?) {/?/[(1/т) + /?]}; импульсная входная
проводимость g(t) = (1/R)L~l {/?/[(1/т) + /?]} =
= (\/R)L~l {1 - 1/[(1/т) + р]т} = (1/Я){8(0 -
- 1 (Z)( 1/т)ехр(—/7т)}; переходная входная
проводимость h(t) = Jg(t)dt = (1/7?) {1(0 -
о
Глава 23 ТЕОРИЯ ЦЕПЕЙ
647
23.8. ФУНКЦИИ ЛИНЕЙНОЙ ЦЕПИ
t
- (1/т) J (1/Л){1(0 - 1(0(1 - ехр(-г/г)1} =
о
= 1(/)(1/7?)ехр(-//т).
Аналогично представляют и находят функ-
ции цепи для других вариантов «отклик — воз-
действие».
23.9. ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕЛИНЕЙ-
НЫХ ЭЛЕМЕНТОВ — характеристики, опи-
сывающие основные свойства нелинейных
элементов (НЭ) и зависимости их параметров
от режима работы. К первичным характерис-
тикам двухполюсных НЭ цепей относятся:
вольт-амперная характеристика (ВАХ) —
зависимость i(u) тока i резистивного (т.е. безы-
нерционного, не запасающего, а лишь рассеи-
вающего энергию) элемента от приложенного
к нему напряжения и;
вольт-кулонная характеристика (ВКХ) —
зависимость q(u) заряда q емкости от прило-
женного к ней напряжения и;
ампер-веберная характеристика (АВХ) —
зависимость Ф(У) магнитного потока (потокос-
цепления) Ф катушки индуктивности от тока i
в ней.
Признаком нелинейности элементов явля-
ется нелинейность их первичных характерис-
тик. Многообразие последних определяется
многообразием электронных, полупроводнико-
вых и других элементов, используемых на
практике (см. гл. 29 и 31). Как примеры на Рис.
23.15 изображены: а — ВАХ полупроводнико-
вого диода; б — ВКХ варактора; в — АВХ ка-
тушки с ферромагнитным сердечником (с пре-
небрежимо малыми потерями на гистерезис).
Вторичными характеристиками НЭ явля-
ются зависимости их основных параметров
(активной проводимости (сопротивления),
емкости, индуктивности) от приложенного
напряжения или тока, причем здесь различа-
ют статические (по постоянному току), диф-
ференциальные (по переменному току) и
средние (по первой гармонике отклика на гар-
моническое воздействие) значения основных
параметров. Так, для резистивного нелиней-
ного двухполюсника с ВАХ, показанной на
Рис. 23.15, г, различают: статическую прово-
димость Gq = Ни = (mj/m^lga = Vi(w) (ть ти —
масштабы по осям графика ВАХ); статичес-
кое сопротивление Rq = MGq = (wM/w,)ctga =
= \|/2(w); дифференциальную проводимость
g = di/du = (wz/wM)tgp = \|/3(u); дифференци-
альное сопротивление R = 1/g = du/di =
= (wM/wf)ctgp = \|/4(u); среднюю проводимость
gcp = ^отношение ампли-
туды первой гармоники тока НЭ к амплитуде
гармонического напряжения, вызвавшего этот
переменный ток, lim gcp = g; среднее сопро-
тивление Rcp = l/gcp = UmUmX = y6(E(>; Um),
lim 7?cp = R. Здесь Eo—напряжение смещения,
Um-*0
задающее рабочую точку на ВАХ; Um и Q — па-
раметры гармонической составляющей напря-
жения и = Eq + t/mcosQz, приложенного к НЭ.
Аналитические выражения соответствую-
щих статических, дифференциальных или
средних параметров НЭ могут быть найдены
по известным функциям z(u), q(u), Ф(0 или по
их аппроксимациям. Так, для резистивного не-
линейного двухполюсника с ВАХ, аппроксими-
рованной степенным полиномом i = i(u) = а0 +
+ а}и + а2и2 + а3и3, статическая и дифферен-
циальная проводимости имеют вид:
Gq(u) = i(u)/u = (aQ + а{и + а2и2 + а3и3)/и;
g(u) = di(u)/du = а} + 2а2и + За3и2.
Амплитуда первой гармоники тока НЭ /(«),
найденная для и = £0 + L^cosQr методом фор-
мул кратного аргумента (см ст. 19.1),
Im\ (Eq, Um) = a}Um + 2a2E0Um + За3Е^ит +
+ 3a3U3„/4,
а средняя проводимость
gcp (Ео; Um) = Im\/Um = а, + 2а2£0 + Зд3£о +
+ 3a3U2m /4.
Понятно, что в случае аппроксимации ВАХ
другими функциями все эти выражения изме-
нят свой вид. Следует помнить также, что при-
веденные выражения верны лишь для таких
648
РАДИОТЕХНИКА
23.9. ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
значений напряжения, в пределах которых
справедлива аппроксимация.
В отличие от статических, дифференциаль-
ные проводимость и сопротивление могут
быть отрицательными (на спадающих участках
ВАХ).
Аналогичным образом по ВКХ, АВХ оп-
ределяют статические и дифференциальные
значения нелинейной емкости Со = q/u = \|/7(u),
С = dq/du = \|/8(u) и нелинейной индуктивности
Lo = Ф/i = \|/9(z), L = d&/di = Vio(0, а также их
средние значения. В отличие от линейных эле-
ментов, для которых статические, дифферен-
циальные и средние значения параметров по-
стоянны и равны друг другу (вследствие ли-
нейности ВАХ, ВКХ, АВХ), для НЭ они не
только не равны, но и являются функциями
^(и), ..., УюО) приложенных к ним напряже-
ний (токов).
Подобным образом по входным (выход-
ным) характеристикам многополюсных эле-
ментов (транзисторов, ламп) определяют их
входные и выходные параметры и их зависи-
мости от режима работы. Для проходных ВАХ
многополюсных элементов iBMX(uBX) (/вых —
ток анода, стока или коллектора; ивх — напря-
жение сетка — катод, затвор — исток или база
— эмиттер соответственно) основным параме-
тром является крутизна характеристики. Раз-
личают дифференциальную крутизну характе-
ристики S = diBbiX/duBX = Vii(wBx) и среднюю
крутизну характеристики 5ср = Im\Bbix/UmBX =
= \|/12(£о> ^/ивх) — отношение амплитуды пер-
вой гармоники выходного тока к амплитуде
входного гармонического напряжения, вызвав-
шего этот переменный ток. В общем случае
эти крутизны не равны одна другой и по-разно-
му зависят от ивх (от положения рабочей точки
на ВАХ), но в пределе они связаны соотноше-
нием lim 5СО = S.
U.BX-*OP
Понятие средней крутизны широко исполь-
зуется в квазилинейном методе анализа нели-
нейных устройств (см. ст. 19.2, 19.7).
Аппроксимация нелинейных характе-
ристик — отыскание приближенной функции
$к), описывающей заданную функцию у(х) в
необходимых пределах и с требуемой степе-
нью точности. Аппроксимацией также, для
кратости, называют результат решения этой
задачи, т.е. саму аппроксимирующую функ-
цию Я*)- К А.н.х. прибегают при необходи-
мости аналитического описания эксперимен-
тальных зависимостей или для упрощения
математических выкладок. Решение задачи
аппроксимации включает в себя: определение
интервала аппроксимации, в пределах которо-
го равенство )Цх) в У(х) должно выполняться
с требуемой точностью; выбор вида аппрок-
симирующей функции )Цх), ведущей себя в
требуемом интервале подобно у(х), но доста-
точно простой и удобной для дальнейшего ис-
пользования; определение коэффициентов ап-
проксимации, т.е. таких числовых значений
констант, входящих в выражение у(х), кото-
рые обеспечивают требуемую точность ап-
проксимации; проверку решения на предмет
точности аппроксимации и пригодности ее
для дальнейшего использования. Необходи-
мый интервал аппроксимации определяется
возможными (в рамках решаемой задачи) пре-
делами колебаний входного воздействия. В
качестве аппроксимирующих в нелинейной
радиотехнике чаще всего используют степен-
ные полиномы у(х) = а0 + ахх + а2х2 +... + а„^т
порядка m 4...5, экспоненциальные поли-
номы у(х) = С + Аеах + Ве^х + ..кусочно-ли-
нейные функции (см. Рис. 19.3, 19.5) и др. Ме-
тодика выполнения основного этапа аппрок-
симации — отыскания ее коэффициентов
aQ...ат\ С\ А; В; а; р...и др. определяется при-
нятым критерием точности аппроксимации и
здесь различают метод выбранных точек и
метод наименьших квадратов.
Метод выбранных точек требует абсо-
лютного совпадения у (х) и у(х) в нескольких
(по числу искомых коэффициентов) точках
аппроксимируемой функции, заданной гра-
фиком или таблицей. Он состоит в составле-
нии (путем подстановки в у (х) координат xz;
у, выбранных точек) и решении системы ли-
нейных алгебраических (для степенных по-
линомов) или трансцендентных (например,
для экспоненциальных полиномов) уравне-
ний [7, 11, 12].
Метод наименьших квадратов развит на
основе требования минимума среднеквадрати-
ческой ошибки аппроксимации (а, точнее —
минимума суммы квадратов ошибок аппрокси-
мации во всех точках, заданных на интервале
£[Ж)~Ж)]2= min).
i=l
Для аппроксимации степенным полиномом
он состоит в составлении и решении относи-
тельно а0; flii ^2;...ат системы линейных ал-
гебраических уравнений (m + 1 )-го порядка:
Глава 23. ТЕОРИЯ ЦЕПЕЙ
649
23.9. ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
<^0 ^*1^1 ^2^2 •••+ Стат ^0
С1«о + С*2^1 + C3CI2 + • • •+ Cm+\dm — d\
^*2^0 C3ai "Ь C46Z2 + • • •+ Crn-y2^m ^2
Ст(2о + Ст+\Я\ + Cw+2^2 + ♦♦•+ С2т^т
7V 7V
где Ск = У х/; dk = У yiXjk ; (к = 0,1,2,.. .m); х,; yt
/=1 /=1
— координаты точек функции у(х), заданных
на интервале аппроксимации и учитываемых в
расчете.
Главным достоинством метода наимень-
ших квадратов является то, что, подобно опыт-
ному экспериментатору, строящему график
функции по результатам однократных (в каж-
дой точке) измерений, отягченных случайны-
ми погрешностями, он приводит аппроксими-
рующую кривую, минимизируя влияние этих
погрешностей, усредняя их и сглаживая воз-
можные промахи. Более простой метод вы-
бранных точек, учитывающий лишь число то-
чек, равное числу искомых коэффициентов, не
способный сглаживать промахи и случайные
ошибки, более пригоден для аппроксимации
уже усредненных экспериментальных данных,
например, характеристик, приводимых в спра-
вочниках по электронным и полупроводнико-
вым приборам.
23.10. ЦЕПЬ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ
ПАРАМЕТРАМИ — реальная или идеализи-
рованная цепь, геометрические размеры кото-
рой соизмеримы с длинами волн протекающих
в ней электромагнитных процессов, в связи с
чем токи и напряжения в ней являются функ-
циями не только времени, но и пространствен-
ных координат. Длинная линия (ДЛ) — наибо-
лее распространенный вид Ц. р. п., ее параме-
тры считаются распределенными лишь вдоль
одной пространственной координаты — длины
(т.е. все другие размеры линии пренебрежимо
малы по сравнению с длиной волны в ней). ДЛ
классифицируют по: конструктивным особен-
ностям (двухпроводные, коаксиальные, поло-
сковые и др.); способности рассеивать энер-
гию (ДЛ с потерями и без них); характеру рас-
пределения параметров вдоль линии (однород-
ные и неоднородные ДЛ).
Погонные параметры ДЛ — приходящи-
еся на единицу длины линии сопротивление
R\ = dR/dx\ индуктивность ее проводников
Lx = dL/dx\ их емкость С} = dC/dx и проводи-
мость утечки между ними Gj = dG/dx. Для од-
нородных ДЛ они постоянны вдоль всей ли-
нии и равны соответственно: = R/l; L} =LH\
C\ — СД G\ = G/l (здесь R, L, C, G — парамет-
ры, измеренные (рассчитанные) для всей ли-
нии в целом; / — ее длина).
ДЛ (Рис. 23.16, а) моделируют несчетным
множеством бесконечно коротких, каскадно
соединенных четырехполюсников (Рис. 23.16,
б) с элементами dR, dL, dC, dG, определяемы-
ми погонными параметрами линии. ДЛ, рабо-
тающие на достаточно высоких частотах (где
dR « tt)dL, dG « иЛСД на которых можно пре-
небречь элементами dR и dG в схеме на Рис.
23.16, б, называют ДЛ без потерь. Ц. р. п. (и
ДЛ в том числе) широко используются в каче-
стве фидеров, колебательных систем, элемен-
тов ВЧ- и СВЧ-фильтров, а также в устройст-
вах формирования импульсов.
Волновые процессы в длинной линии —
процессы распространения в ДЛ электрических
возмущений (колебаний токов и напряжений),
выражающиеся в переносе «состояния» (фазы)
колебаний вдоль линии с конечной скоростью.
Телеграфные уравнения (ТУр) — математи-
ческая модель ДЛ — уравнения, составленные
для схемной модели Рис. 23.16, а и связываю-
щие напряжение и = и(х; t) и ток i = i(x; t) в про-
извольном (с координатой х) сечении линии.
Для однородной ДЛ с потерями при отсчете х
от ее начала ТУр имеют вид [1,2]:
—ди/дх = R\i + L\di/dt',
(1)
-di/dx = G\U + С] du/dt,
или в комплексной форме (в режиме гармони-
ческих колебаний)
d2 U/dx2 = Z । У, О ; d2! Idx2 =Z j j , (2)
где R\,L\, Gb C] — погонные параметры; Z ! =
650
РАДИОТЕХНИКА
23.10. ЦЕПЬ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
= Д + j(dL\, Yx = Gx + ycoCi — комплексные по-
гонные параметры; U, / — комплексные амп-
литуды напряжения и тока в сечении х линии.
Решение уравнений (2) имеет вид [1,2]:
lj = Ae + V;
. . ух (3)
I = (^/Z0)e’Yx - (#/Z0)eYx; 7
где Л, В —постоянные интегрирования; Zo =
= = м +;®С|) = Z0e7<₽0 —
волновое сопротивление линии; у = ^Z^ =
= ^/(7?] + j(oZ] )(G] + jcoCj) = a + УЗ — постоян-
ная (коэффициент) распространения; a, 3 —
постоянные (коэффициенты) затухания ампли-
туды и фазы соответственно, количественно
определяющие уменьшение амплитуды и изме-
нение фазы колебаний на единицу длины линии.
В (3) первые слагаемые определяют ком-
плексные амплитуды напряжения и тока пря-
мой (падающей) волны, а вторые — обратной
(отраженной) волны, распространяющихся
навстречу друг другу. Обе волны по мере и в
направлении распространения затухают по
амплитуде и запаздывают по фазе тем быстрее,
чем большие значения имеют а и 3 • Так, ком-
плексная амплитуда и мгновенные значения
напряжения прямой волны определяются вы-
ражениями [1, 2]:
^'пР(х)= С7(0)е-°“е-^-;
wnp(x; 0 = t7(0)e-axcos((OZ - Зх).
Для ДЛ без потерь Zo = С\ 9 a = о, у =
= 73 = , т.е. обе волны распространя-
ются не затухая.
Длина волны в линии — расстояние вдоль
нее, на котором фаза напряжения (тока) любой
из волн изменяется на 2л, т.е. X = 2л/3.
Фазовая скорость — это скорость переме-
щения вдоль линии любой фиксированной
фазы колебания: v = А./Т = Xf= 2л//3 = со/3 =
= 1/ у]Ь\ / С, (f9 со — частота колебаний; Т — их
период).
Решения уравнений (1), (2) зависят от на-
чальных (т.е. в момент t = 0) и граничных ус-
ловий (напряжений и токов в начале и в конце
ДЛ). Как граничные условия удобно исполь-
зовать комплексные амплитуды тока и напря-
жения на известном сопротивлении нагрузки
ZH линии (см. Рис. 23.16, а), расположенном
на расстоянии х = /, т.е. U = UH, / == /н ==
=
Коэффициентами отражения по напряже-
нию р и или по току pi называются отношения
комплексных амплитуд обратных и прямых
волн напряжения или тока в месте подключе-
ния нагрузки:
Р и = Ц>бр/ ^пр = - р t = - (w 4р) =
= (Zн - Z 0)/(Z н+Z 0). (4)
Коэффициенты отражения зависят только от
соотношения между волновым сопротивлени-
ем Zo и сопротивлением нагрузки ZH. В об-
щем случае они комплексны: pu i = pu,i^J^u‘‘
Входное сопротивление ДЛ — отношение ком-
плексных амплитуд напряжения Ц,х и тока / вх
на генераторном конце линии:
zBx= BX = (zH + zothy/)/[i +
+ (ZH/Z0)thy/]. (5)
Для ДЛ без потерь, когда a = 0, а у = /Р, thy/ =
Режим бегущих волн — режим работы
ДЛ, при котором существует только падающая
волна. Р. б. в. имеет место при нагрузке ДЛ со-
противлением, равным ее волновому сопро-
тивлению: ZH = Z о (условие согласования), так
как в этом случае коэффициент отражения (4)
равен нулю. Входное сопротивление ДЛ в Р. б. в.
равно волновому: ZBX = й (0)//(0) = Zo и не
зависит от длины линии, а КПД Г| = PJPV =
= e-2aZ (Рн — мощность, потребляемая нагруз-
кой; Рг — мощность, отдаваемая генератором;
/ — длина линии). Р. б. в. — наиболее благо-
приятный режим для работы ДЛ в качестве
фидера.
Режим смешанных волн — режим работы
ДЛ, при котором в ней существуют как падаю-
щая, так и отраженная волны с неравными амп-
литудами. Р. с. в. имеет место при нагрузке ДЛ
сопротивлением ZH, не равным волновому Zo.
Вследствие интерференции падающей и отра-
женной волн распределения амплитуд U(x) и
1(х) напряжения и тока вдоль линии становятся
немонотонными, а для ДЛ без потерь — пе-
риодическими с периодом М2 (Рис. 23.17, а).
Для их характеристики используют: коэффици-
ент бегущей волны КБВ == t/min/^max = Anin^max =
= (1 - /?н)/( 1 + Ai) - 1 и коэффициент стоячей
волны KCB = t/max/t/mjn — Дпах/^min ~ 1/КБВ > 1.
Глава 23 ТЕОРИЯ ЦЕПЕЙ
651
23.10. ЦЕПЬ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
Здесь t/min, /min — минимальные, а С/тах, /тах —
максимальные значения амплитуд напряжения
и тока, периодически повторяющиеся вдоль ДЛ
без потерь; рн — модуль коэффициента отраже-
ния (4). Для ДЛ с потерями КБВ и КСВ изме-
няются вдоль линии. Входное сопротивление
ДЛ в Р.с.в. определяется выражением (5).
Режим стоячих волн — режим работы ДЛ
без потерь, при котором в ней существуют па-
дающая и отраженная волны с равными амп-
литудами. Р. с. в. имеет место в разомкнутой
(ZH = о©), короткозамкнутой (ZH = 0) или нагру-
женной на реактивное сопротивление (ZH = jXH)
линии. Этот режим характеризуется периоди-
ческим чередованием вдоль линии узлов (то-
чек, где амплитуды колебаний равны нулю) и
пучностей (где они максимальны) напряжений
и токов (Рис.23.17, б). Р. с. в. соответствуют
рн = 1, КБВ == 0, КСВ == ©о. Входное сопротивле-
ние ДЛ в этом режиме определяется выраже-
нием (5) (при соответствующих значениях Z н).
23.11. ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИК (проход-
ной Ч.) — двухсторонний (двухпортовый) мно-
гополюсник — удобная макромодель боль-
шинства устройств (цепей) передачи (преобра-
зования) сигналов, дающая возможность, абст-
рагируясь от внутреннего содержания, описы-
вать свойства цепей несколькими результиру-
ющими (внешними) параметрами. Моделиро-
вание сложных цепей соединением нескольких
Ч. часто упрощает их анализ, сводя его к свер-
тыванию схемы (преобразованию системы Ч. к
одному эквивалентному с соответствующим
пересчетом параметров).
Различают Ч.: симметричные (у которых
внешними измерениями невозможно устано-
вить разницу между входными 1-1' и выходны-
ми 2-2' зажимами, Рис. 23.18, б, в, при условии
Zj = Z3; К] = У3) и несимметричные (напри-
мер, невзаимные); уравновешенные (у которых
взаимная замена зажимов 1 на 1' и 2 на 2' не из-
меняет токов и напряжений подключенных к
ним цепей, Рис. 23.18, г, д) и неуравновешен-
ные (см. Рис. 23.18, б, в); автономные (содер-
жащие независимые источники) и неавтоном-
ные; активные и пассивные; линейные и нели-
нейные. Далее приведены сведения о линей-
ных неавтономных Ч.
Параметры первичные четырехполюс-
ника — коэффициенты Wy систем основных
уравнений Ч, связывающих независимые (воз-
действия X ь X?) и зависимые (отклики 2р
22) переменные на его входах (портах):
to =^11*1+^12*2;
122 =^21*1+^22*2
211 Г^н
22J К
*i
х
В зависимости от того, токами или напряже-
ниями являются X! и X2, к каким портам они
приложены и как направлены токи (Рис.
23.18, а), под №у понимают У -, Z -, Й-, D-,
А- или В- параметры (Табл. 23.2), физический
смысл и размерность которых определяются
из опытов холостого хода (XX) и короткого за-
мыкания (КЗ) на каждом из портов, т.е. пооче-
редным приравниванием к нулю X ь X 2 в со-
ответствующих системах уравнений (1). Так,
Уп= /1 /U11^=0 и\1еет смысл входной проводи-
мости; Ь 2\ = Й2/Й i|/2=o — коэффициента пе-
редачи напряжения и т.п. Полностью опреде-
652
РАДИОТЕХНИКА
23.11. ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИК
Таблица 23.2
Воздействия Отклики Первичные параметры
*1 *2 01 ^12 ^21 ^22
02 7 2 Л1 ?12 ?21 *22
h i 2 #1 02 Z и z 12 Z21 z 22
^2 t 2 011 /712 021 ft 22
>2 /, 02 12 Й21 D 22
-/2 /1. Al Л 12 Al A 22
-/1 U2 1 2 Al A2 Al 5 22
ляя свойства Ч., Y Z-, 5-параметры од-
нозначно связаны между собой формулами пе-
рехода [1,2, 5,10].
Параметры характеристические (вто-
ричные) четырехполюсника — параметры Ч.
при определенным образом выбранных нагру-
зочных сопротивлениях портов и так же, как и
первичные параметры, полностью определяю-
щие его свойства.
Характеристические сопротивления (ХС)
— пара в общем случае комплексных сопро-
тивлений ZOi и Z02» выбранных так, что при
нагрузке второго порта (2-2' на Рис. 23.18)
Z н2 = Z02 входное сопротивление первого
порта ZBX1 = Zoi, а при нагрузке первого
порта (1-1'на Рис. 23.18) Zh! = Z01 входное
сопротивление второго порта ZBx2 = Z02- ХС
определяются выражениями [1, 7]:
Z01 ~а/А 1^12^21^22) = 7Aixx(7ю) А 1кз(7ю) ;
Zo2 VА2А2 /( А14 1 ) — V А2Хх(7Ю)А2Кз(7Ю) ,
гдеАи — ^-параметры Ч.; Zllxx, Z22XX, Z цКз,
Z 22кз — входные сопротивления портов 1-1 'и
2-2'в режимах XX и КЗ соответственно.
Ч. называется согласованным на выходе
или входе, если сопротивление нагрузки или
внутреннее сопротивление источника, питаю-
щего вход Ч., равны соответствующим ХС (на-
пример, Z н2 = Z 02 ИЛИ Zfi = Zqi).
Характеристические постоянные пере-
дачи четырехполюсника в прямом и обрат-
ном включениях — две комплексные величи-
ны (функции) Г1 и Г 2, определяемые соот-
ношениями: Г 1 = -In^21 (7ю) ^21(7ю) ’ Г2 =
= -In а/аГ12(7со)6:12(7ю) , где К 21 и С 21 — коэф-
фициенты передачи напряжения и тока Ч., со-
гласованного на выходе; К12 и G12 — коэффи-
центы передачи напряжения и тока Ч., согласо-
ванного на входе (т.е. в обратном направле-
нии). Таким образом, Ч. имеет в общем случае
четыре независимых характеристических па-
раметра: ZOi, Z02, Ti и Г2; взаимный Ч., для
которого Г1 = Г 2 = Г, — три, а симметричный
Ч., для которого Z01 = Z02 = Zo, — только два
независимых параметра: Z 0 и Г.
Комплексные частотные характеристики
(функции цепи, см. ст. 23.8) Ч. с произвольной
нагрузкой Zh2 = 1/Кн2 могут быть выражены
через его первичные параметры путем учета в
(1) очевидного соотношения /2 = t)2/ZH2 [1,
2] или через его вторичные параметры. Так,
для Ч. общего вида с согласованной нагрузкой
на выходе функции передачи напряжения и то-
ка имеют вид [1]: АГ21(/Ю) = е~Г1-^Z02/Z01 ;
G21(/co) = e-f'7201 /Z02 , а его входное сопро-
тивление ZBX(/co) = Zi i(/co) = Zoi-
Составной четырехполюсник — это Ч.,
который может быть представлен соединени-
ем нескольких более простых (элементар-
ных) Ч. Соединение Ч., не приводящее к из-
менению соотношений между напряжениями
и токами на их зажимах, называют регуляр-
ным. Варианты регулярных соединений двух
Ч. называют параллельным (Рис. 23.19, а),
последовательным (Рис. 23.19, б), последова-
Глава 23. ТЕОРИЯ ЦЕПЕЙ
653
23.11. ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИК
тельно-параллельным (Рис. 23.19, в), парал-
лельно-последовательным (Рис. 23.19, г) и
каскадным (Рис. 23.19, 3) соединениями. На-
ходить первичные параметры составных Ч.
по первичным параметрам элементарных Ч.
наиболее удобно в системах параметров [W],
указанных на Рис. 23.19. При этом в случаях
а—г соответствующие матрицы суммируют-
ся [2, 3, 5]:
^11 ^121 »Т1 »12
Г2'1
+ ^12 + ^12
И<21 + W2\ Wi2 + W?2
а в случае д — перемножаются [1,2]:
W=k1k1=
= +w;2w^ w;xw;2+w;2w;2 ~
KK+w22w2} w2[w”2+w^w;2_.
Согласованное каскадное соединение четы-
рехполюсников — такое каскадное соединение,
при котором все Ч. согласованы (входное со-
противление каждого последующего равно вы-
ходному сопротивлению предыдущего, а по-
следний нагружен на согласованное сопротив-
ление). У такого составного Ч. входное сопро-
тивление равно характеристическому входному
сопротивлению первого Ч., характеристическая
постоянная передачи — сумме характеристиче-
ских постоянных передачи элементарных Ч., а
коэффициент передачи напряжения — произве-
дению их коэффициентов передачи.
Четыреполюсник минимально-фазовый
— устойчивый Ч., операторная передаточная
функция К(р) которого (см. ст. 23.8) не имеет
нулей в правой полуплоскости карты нулей и
полюсов. Эта особенность обусловливает наи-
меньшую вариацию ФЧХ Ч. м.-ф. в диапазоне
частот (о е [- оо; «>] по сравнению с цепями,
имеющими (при том же числе нулей и полю-
сов) нули в правой полуплоскости [1, 11, 12].
Минимально-фазовым является любой Ч., в
котором для прекращения передачи сигнала со
входа на выход достаточно разорвать лишь од-
ну ветвь (см., например, Рис. 23.18), и, в част-
ности, Ч. лестничной структуры [1, 11].
В частотной области принципиальной и от-
личительной особенностью Ч. м.-ф. является
определенная связь между АЧХ А^(со) и ФЧХ
(р((о) их комплексной передаточной функции
(см. ст. 23.8) =Д(о)ехр[/(р((о)], а именно:
действительная и мнимая части логарифма пе-
редаточной функции 1пЛ?(/(о) = 1пД(о) + уф(со)
связаны между собой преобразованиями Гиль-
берта (ПГ) (см. ст. 1.7):
1пВД=Я|ф(»11 = Я^;
Ф(ш).Н-'|1пК(»)| = 1
Поскольку ПГ от констант равно нулю, (1)
однозначно связывает не сами функции 1пЛ?(со)
и ф((о), а лишь их отклонения Дф(со) = ф(со) -
- Ф(со), Д1пЛ?((о) = 1пЛ?((0) - 1пХ(со) от средних
в диапазоне частот значений ф(со) и 1пХ(со).
Так, умножение АЧХ Ч. м.-ф. на константу
(присоединение к нему резистивного делите-
ля напряжения или усилителя с равномерным
в диапазоне усилением) не изменяет его ФЧХ,
а изменение ФЧХ Ч. м.-ф. на постоянный угол
(введение в него частотно-независимого фазо-
вращателя) — не изменяет его АЧХ. К харак-
терным особенностям связи АЧХ и ФЧХ Ч.
м.-ф., вытекающим из свойств ПГ, относятся
следующие: участкам диапазона частот с рав-
номерной АЧХ соответствует линейная ФЧХ;
в окрестности частот, где АЧХ достигает мак-
симумов, ФЧХ имеет отрицательный наклон
(б7ф(со)/б7со < 0), а в окрестностях частот, соот-
ветствующих минимумам АЧХ, — положи-
тельный (<Уф(со)/<Усо > 0) и тем больший по мо-
дулю, чем острее эти максимумы или мини-
мумы. Примерами подобных связей могут
служить АЧХ и ФЧХ колебательных цепей
(см. ст. 23.2). При синтезе Ч. м.-ф. нельзя реа-
лизовать заданную АЧХ при произвольной
ФЧХ и наоборот, что иногда считают недо-
статком Ч. м.-ф.
Четырехполюсник неминимально-фазо-
вый — устойчивый Ч., операторная переда-
точная функция К(р) которого (см. ст. 23.8)
имеет хотя бы один нуль в правой полуплоско-
сти карты нулей и полюсов. Наличие полюсов
в правой полуплоскости обеспечивает большее
по модулю изменение ФЧХ в диапазоне частот
по сравнению с Ч. минимально-фазовым с тем
же числом нулей и полюсов [1, 11]. Ч. н.-ф.
имеют, как правило, структуру мостовых
(скрещенных) схем, в которых сигнал прохо-
дит на выход двумя или более путями. Про-
стейшим примером Ч. н.-ф. может служить так
654
РАДИОТЕХНИКА
23.12. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ
называемый фазовый контур (Рис. 23.20) с пе-
редаточной функцией по напряжению при со-
гласованной нагрузке
к(р) = (р- \/4lc )/(р + \/4lc ),
с единственным нулем pQ = 1/7£С > 0, лежа-
щим в правой полуплоскости, и равномерной в
диапазоне частот АЧХ К(со) = 1 и ФЧХ <р(со) =
= - 2arctg(oTZc . Фазовые контуры широко ис-
пользуют для коррекции ФЧХ цепей без изме-
нения их АЧХ.
Принципиальным отличием свойств Ч. н.-ф.
от Ч. минимально-фазового является отсутст-
вие однозначной связи между АЧХ и ФЧХ,
что считают достоинством Ч. н.-ф. Цепь, тре-
бования к АЧХ и ФЧХ которой заданы незави-
симо, может быть синтезирована только в ви-
де Ч. н.-ф. [1, 11, 12].
23.12. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ ПРЕОБРА-
ЗОВАНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ — преоб-
разования, в результате которых некоторые
участки линейной цепи (ЛЦ) заменяются экви-
валентными им участками. Два участка идеа-
лизированной электрической цепи называют
эквивалентными, если при замене одного из
них другим токи и напряжения остальной час-
ти цепи не изменяются. Э. п. л. ц. основаны на
эквивалентных (равносильных) преобразова-
ниях соответствующих систем уравнений эле-
ктрического равновесия (приведении подоб-
ных членов, исключении неизвестных, замене
переменных и т.д.). На практике Э. п. л. ц. ча-
ще выполняют без составления уравнений эле-
ктрического равновесия, т.е. непосредствен-
ным преобразованием схем по определенным
правилам. Систему уравнений электрического
равновесия составляют для уже преобразован-
ной цепи, схема которой проще, чем исходная.
Такой подход к анализу ЛЦ называют методом
эквивалентных преобразований (методом свер-
тывания схемы). Так, сравнение уравнений
второго закона Кирхгофа (ЗК) для исходных
(Рис. 23.21, а, в) и эквивалыентных (Рис.
23.21, б, г) схем участка цепи с последователь-
ным соединением элементов при произволь-
ном (а, б) и гармоническом (в, г) воздействиях
дает следующие соотношения между исходны-
ми и эквивалентными параметрами цепи:
Яэ= 1/Сэ = £1/С,.;
/=1 J=1
— А 9 еэ ~ ei 9
i=\ /=1
М N
Аналогично (на основе первого ЗК) для
участка цепи с параллельным соединением
элементов (Рис. 23.22) можно получить соот-
ношения:
1/Лэ= £1/Я,;Сэ = £<?,;
i=l Z = 1
1/£э= £1/Z;;Z3 =
Z=1 Z=1
М N
Отсюда вытекают известные формулы для оп-
ределения эквивалентного сопротивления двух
параллельно включенных резисторов R3 =
= R\R2I(R\ + Rz), емкости двух.последователь-
но включенных конденсаторов Сэ = С\С2/(С\ +
+ С2) и т.п.
Источники эквивалентные — источник
напряжения Ё с внутренним сопротивлением
Z i и источник тока / с внутренней проводимо-
стью У, (см. Рис. 23.9, в, г), обеспечивающие
одинаковые токи (напряжения) в одинаковых
нагрузках ZH при условии / = Ё /Z z; yz = 1/Zz.
Идеальные источники Ё , / (с Zz = 0, Kz = 0 со-
ответственно) называются вырожденными.
Глава 23 ТЕОРИЯ ЦЕПЕЙ
655
23.12. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ
Они не могут быть эквивалентно преобразова-
ны друг в друга по приведенным формулам, но
могут быть устранены эквивалентным перено-
сом (см. далее).
Перенос источников — эквивалентные
преобразования, исключающие из схемы вет-
ви, являющиеся вырожденными источниками.
Правила таких П. и. понятны из Рис. 23.23.
При этом один вырожденный источник заме-
няется несколькими невырожденными (так как
пассивные элементы схемы, последовательные
или параллельные новым источникам, трактуе-
мы как их внутренние сопротивления или про-
водимости). Новые источники уже могут быть
эквивалентно преобразованы друг в друга
обычным способом [1].
Преобразование треугольника в звезду и
наоборот — эквивалентные преобразования
схемы (Рис. 23.24, а) в схему (Рис. 23.24, б) и на-
оборот с пересчетом комплексных сопротивле-
ний и проводимостей элементов по формулам:
Zi = 2 \2 2^\12 \ 2г - ^12 ^23/ 23 =
= %23 ^3\/ % , гДе = Z 12 + Z 23 + Z31;
У12= Г1К2/К; К2з= У2У3/Л Узх = У3У1/У,
где Y = И + у2 + у3, а У, = 1/ Z г.
656
РАДИОТЕХНИКА
23.12. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ
В общем случае при преобразовании N-луче-
вой звезды в эквивалентный N-угольник про-
водимость его стороны между узлами к и I оп-
ределяется выражением Yki = Yk Yi/( + Y2 +
+ ... + yn), где Y2 ..., Yn— проводимости
лучей звезды. Обратное преобразование пол-
ного N-угольника в эквивалентную N-лучевую
звезду в общем случае невозможно [1].
Эквивалентные преобразования связан-
ных индуктивностей — преобразования уча-
стков цепей со связанными индуктивностями в
эквивалентные им участки с несвязанными ин-
дуктивностями. Индуктивность и взаимная ин-
дуктивность — см. ст. 1.20.
Одноименными зажимами двух связанных
индуктивных катушек называют пару зажи-
мов, выбранных так, что при одинаковых отно-
сительно них направлениях токов магнитные
потоки само- и взаимоиндукции в каждой из
катушек складываются. На схемах такие зажи-
мы обозначают звездочками или точками. Если
токи связанных индуктивностей ориентирова-
ны одинаково относительно их одноименных
зажимов, то такое включение называют соглас-
ным, в противном случае — встречным вклю-
чением индуктивностей.
Коэффициент связи — количественная ха-
рактеристика степени связи двух катушек —
среднее геометрическое отношений потока
взаимоиндукции к потоку самоиндукции каж-
дой из катушек:
- д/ф12ф21 /(ф11ф22) -
= ^мпм21/(Ц12) = м /Jl&,
0<kM <1; 0<М<у)Ь}Ь2,
где М = Мх 2 = М21 — взаимная, a L i и L2 — соб-
ственные индуктивности катушек.
Компонентные уравнения пары связанных
индуктивностей (Рис. 23.25, а, б) при произ-
вольных или гармонических (в комплексной
форме) воздействиях имеют вид:
их = Lx(dixldt) ± M(di2ldty
u2 = L2(di2/dt) ± M(di\/dty,
i Л
U2 = j^L2 /2 ±jcoM/j,
где знак «+» перед M соответствует согласному, а
«-» — встречному включению индуктивностей.
Из приведенных выражений следует, что
идеализированные двухполюсники, состоящие
из двух связанных индуктивностей (Рис.
23.26), при любом воздействии могут быть за-
менены одной эквивалентной индуктивностью
и L3 = L\ + Z2 ± 2Л/ при последовательном со-
единении (Рис. 23.26, a), L3 = (ЦЬ2 - Л/2)/( Lx +
+ L2 ± 2Af) при параллельном соединении (Рис.
23.26, б) и L3 = (L\L2 - M2)/L2 при коротком за-
мыкании одной из индуктивностей (Рис. 23.26,
в). Четырехполюснику из двух связанных ин-
дуктивностей с общей точкой (см. Рис. 23.25,
а, б) соответствует эквивалентная схема на
Рис. 23.25, в, где верхние из двойных знаков
относятся к согласному, а нижние — встречно-
му включению индуктивностей. То, что при
некоторых соотношениях параметров одна из
индуктивностей может быть отрицательной,
не умаляет верности и полезности этой эквива-
лентной схемы, делая ее чисто расчетной [1].
Глава 23. ТЕОРИЯ ЦЕПЕЙ
657
ГЛАВА 23
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Попов В.П. Основы теории цепей. — М.: Высш, шк., 1985. — 496 с.
2. Зернов Н. В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. — Л.: Энергия, 1972. — 816 с.
3. Атабеков Г.И. Теория линейных электрических цепей. — М.: Сов. радио, 1960. — 712 с.
4. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники / Под ред. Б.Х. Кривицкого. — М.:
Энергия, 1977. — Т. 2. — 471 с.
5. Сигорский В.П., Петренко А.И. Основы теории электронных схем. — К.: Вища шк., 1971. —
568 с.
6. Трохименко Я.К., Медведев Б.А., Рыбин А.И. Решение задач теории цепей на ЭВМ. — К.:
УМКВО, 1990. — 162 с.
7. Кушнир В.Ф., Ферсман Б.А. Теория нелинейных электрических цепей. — М.: Связь, 1974. —
383 с.
8. Достал Т, Рибш O.I., Трохименко Я.К. Проектування фшьтр!в з емностями, що перемика-
ються. — К.: М-во осени Украши, 1993. — 279 с.
9. Ханзел Г. Справочник по расчету фильтров. — М.: Сов. радио, 1974. — 288 с.
10. Трохименко Я.К. Радиоприемные устройства на транзисторах. — К.: Техшка, 1972 .— 349 с.
11. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. — М.: Высш, шк., 1983. — 535 с.
12. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. — М.: Сов. радио, 1977. — 607 с.
658
РАДИОТЕХНИКА
ГПЯР|1 24
УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ
ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
• Аналоговые сигналы —
это сигналы, которые изменяются
по тем же закономерностям,
что и реальные физические процессы,
т.е. аналогичны им.
• Аналогия не является доказательством.
А. О. Кони
• Аналоговая обработка сигналов
отличается от цифровой, как живописный
холст от газетной фотографии.
Но и живописцы бывают разные.
• Несмотря на известные достижения
цифровой техники,
устройства аналоговой обработки сигналов
остаются неотъемлемой частью
радиотехнических систем благодаря
естественной природе аналогового сигнала и
высокоразвитой традиции.
• Первый усилитель на триодах (аудион)
(Ли де Форрест, США, 1913г.).
• Первый усилитель с отрицательной
обратной связью
(Г. С. Блик, США, 1927 г.).
• Первый операционный усилитель
(Филбрик, США, 1938 г.).
• Аналоговые устройства
на электронных лампах — 20—50-е годы.
• Аналоговые устройства на транзисторах —
начиная с 50-х годов.
• Аналоговые устройства на операционных
усилителях — начиная с 60-х годов.
• Аналоговые устройства на
интегрированных микросхемах —
начиная с 70-х годов.
Аналоговые электронные устройства
предназначены для обработки непрерывных
сигналов, которые по определению имеют на
бесконечно малом интервале времени беско-
нечно малое приращение (см. ст. 1.2), с целью
получить заданное им качество в исполнитель-
ном устройстве. Для этого первичные электри-
ческие параметры полученных от датчика ис-
ходных сигналов приводят к требуемому виду
(мощность/напряжение/ток) в заданной полосе
частот для ожидаемого спектра сигнала. Эти
операции называют аналоговой обработкой
сигналов. Объем обработки должен быть необ-
ходимым и достаточным для нормальной рабо-
ты исполнительного устройства — громкого-
ворителя, кинескопа, принтера, линии связи,
медицинского оборудования, электромехани-
ческого привода, системы сигнализации и т. п.
Различают линейные (с постоянными или пе-
ременными параметрами) и нелинейные уст-
ройства в зависимости от назначения, вида и
формы вольт-амперной характеристики актив-
ных элементов и уровня сигнала.
Линейные устройства усиливают и фильт-
руют сигналы, к ним можно применять прин-
цип суперпозиции (см. ст. 23.5), а нелинейные
(ограничители, детекторы, преобразователи
частоты) преобразуют спектр сигнала с носи-
телем сообщений.
Изучение материала главы рекомендуем
начать со ст. 24.24. В формулах главы индекс
«т» символизирует максимальное (амплитуд-
ное) значение переменной физической величи-
ны, например тока или напряжения: Um, 1т.
Мгновенные значения величин обозначены
строчными символами: w, i.
24.1. АКТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ОБ-
РАБОТКИ СИГНАЛОВ НА ОПЕРАЦИОН-
НОМ УСИЛИТЕЛЕ — решающий усилитель
(в явном или неявном виде), выполняющий
функции усиления и преобразования сигнала с
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
659
24.1. АКТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ
высокой точностью при минимальной сложнос-
ти схемы. Содержит операционный усилитель
(ОУ) с цепями внешних обратных связей. Здесь
рассматриваются наиболее типичные примене-
ния ОУ [1,2, 3]. Анализ практически всех цепей
с ОУ базируется на трех предпосылках, близких
к реальным параметрам ОУ:
— входное сопротивление ОУ Явх —> ©©, значит
входной ток устройства внутрь ОУ не ответв-
ляется, а протекает по внешней цепи R\Rqc
(см., например, Рис. 24.57);
— потенциал UBX = (ивых/Кд) —> 0, так как
Кл —> ©© по условию (см. ст. 24.17);
— все входное напряжение приложено к рези-
стору а все выходное — к Roc.
Третье допущение следует из двух первых. В об-
щем случае сопротивление цепи ОС — ком-
плексное; в качестве Zoc могут быть и частотно-
зависимая, и нелинейная цепи, и их сочетание.
Активный алгебраический сумматор мо-
жет быть с инвертированием сигналов и без него.
Выходное напряжение инвертирующего (далее
— инверсного) сумматора (Рис. 24.1, а) пропор-
ционально алгебраической сумме сигналов от
нескольких (п) входов, соединенных с инверс-
ным входом ОУ через разделительные весовые
резисторы ... Rn. При КЛ —> ©© потенциал UBX
—> 0, значит потенциалы всех входов ОУ одина-
ковы, а источники сигналов взаимно развязаны.
Ток цепи обратной связи /Ос есть сумма всех
входных токов zBxZ = UBX i/Rh поскольку RBX —> ©©
и входной ток ОУ практически отсутствует. На-
пряжение на выходе алгебраического сумматора
п
^вых =-«ОС £(^ВХ.,//?, )•
Z=1
Весовые коэффициенты суммирования Roc/Ri
одинаковы, если сопротивления развязываю-
щих резисторов равны: R} = R2..= Rj = Rn.
Неинвертирующий (далее — неинверсный)
алгебраический сумматор соединяет п вход-
ных ветвей вместе с пассивным сумматором —
резистором R, который следует мысленно под-
ключить между корпусом и неинверсным вхо-
дом ОУ, показанным на Рис. 24.1, б. Тогда, при
равенстве сопротивлений развязывающих ре-
зисторов, R} = R2... = R{ = Rn, напряжение на
выходе ОУ
^вых=[(Л +Лое)/(««)] Х^вхг
Z=1
Возможно также одновременное суммирова-
ние/вычитание на дифференциальных входах
операционного усилителя, показанного на
Рис. 24.1, в. Например, сигналы £7вх1 и UBx2 сум-
мируют на резисторе 7?Ос У инверсного входа
(со знаком минус), а сигналы (7вх3, С/вх4 — на ре-
зисторе R, симметричном резистору 7?Ос, У не-
инверсного входа (плюс). При идентичности
входных плеч
Rqq/R\ + Rqq/R2 = R/R3 “Ь R/R4
и алгебраическая сумма сигналов на выходе
(результат вычислений)
t/вых = ^вхз(^з) + ^вхДО4) -
- UBXi(Roc/R}) -Ubx2(Roc/R2).
Так решают линейные уравнения вида у = ах+ Ь,
а на двух ОУ — систему уравнений вида
ах + by = С;
сх + dy = D.
Рассмотренные примеры устройств с ОУ
содержат лишь частотно-независимые элект-
рические цепи ОС.
660
РАДИОТЕХНИКА
24.1. АКТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ
Активный преобразователь полных со-
противлений имеет входное сопротивление, за-
висящее от характера нагрузки ОУ. Для осуще-
ствления этой зависимости необходим ОУ с не-
ординарным параметром (см. ст. 24.17) — высо-
ким выходным сопротивлением RBbiK, чтобы не
шунтировать нагрузку (например, емкость Сн).
Некоторые ОУ имеют специальные выводы-
клеммы для этой цели. Различают два вида пре-
образователей — инверторы, т.е. устройства
преобразования характера реактивного сопро-
тивления в свою противоположность (емкость в
индуктивность), и конверторы, т.е. устройства
согласования, изменяющие значение сопротив-
ления, но не влияющие на его знак и характер.
Входное сопротивление инвертора сопро-
тивления пропорционально проводимости
нагрузки Сн при условии Хс « Roc « ^вых,
где Хс = 1/QCH, Q — угловая частота, Roc —
сопротивление резистора ОС. Инвертор про-
водимости нагрузочной емкости в индуктив-
ное входное сопротивление называют гирато-
ром (от греч. hyros — цепь).
Гиратор — это синтезированная индуктив-
ность, реализованная без катушки и размещен-
ная в небольшом, легком и недорогом корпусе.
Назначение гиратора — использовать напряже-
ние на конденсаторе нагрузки ОУ, заставив на-
пряжение и ток на входе схемы вести себя по-
добно напряжению и току в катушке индуктив-
ности. Принцип действия Г. несложный. Как
известно, индуктивное сопротивление XL = QL
и напряжение на катушке UXl при увеличении
частоты возрастают. Повторитель на ОУ (Рис.
24.2, б) воспроизводит на своем выходе вход-
ное напряжение UR\. При увеличении частоты
напряжение на конденсаторе С уменьшается
вместе с Хс, следовательно, UR\ и t/вых повто-
рителя увеличиваются. Выходное напряжение
через резистор Roc поступает обратно на вход.
Таким образом, напряжение на входном зажиме
ОУ увеличивается с ростом частоты, что свой-
ственно именно индуктивности.
Синтезированная индуктивность £КЭкв =
= CR\Roc включена в контур Ск£КЭкв с доб-
ротностью 0ЭКВ = 0.5Vki/^oc. Токовый бустер
ТБс (стимулятор-усилитель тока) в петле ООС
повышает рабочую частоту инвертора до десят-
ков килогерц.
Исследования показали, что для увеличения
2экв надо увеличивать крутизну прямой пере-
дачи активного элемента. С этой целью приме-
няют схему на двух ОУ, включенных встречно-
параллельно и имеющих высокие входное и вы-
ходное сопротивления. Такие ОУ называют ис-
точниками тока, управляемыми напряжением
(ИТУН, см. ст. 24.24). Вариант структуры гира-
тора с повышенной добротностью (2экв эквива-
лентной индуктивности £Экв показан на Рис.
24.2, а: один из ОУ (любой) инверсный, а дру-
гой неинверсный. Параметры гиратора
2экв = 5/(QQ, £экв ~ C/(SG\^9
где S — крутизна прямой передачи верхнего по
схеме ОУ, a Gi2 — крутизна обратной передачи
нижнего ОУ. Из приведенных соотношений
видно, что высокая крутизна увеличивает доб-
ротность, но снижает значение эквивалентной
индуктивности.
Основное достоинство гиратора — совмес-
тимость с технологией ИМС. В отличие от ка-
тушки гиратор не запасает магнитной энергии и
не создает внешнего магнитного поля наводок,
что является вторым его достоинством. Практи-
ческие схемы гираторов сложнее приведенных,
их выпускают в виде специальных ИМС.
Входное сопротивление конвертора со-
противления пропорционально сопротивле-
нию нагрузки, а не проводимости (в противо-
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
661
24.1. АКТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ
положность инвертору). Известны конверто-
ры с положительным и отрицательным коэф-
фициентами сопротивления (КПС и КОС со-
ответственно). Обычно КПС — это инверс-
ный ОУ с параллельной ОС — цепью Zoc, яв-
ляющейся также и нагрузкой (Рис. 24.3), так
как иъх —> 0 и ток в ОУ не ответвляется. При
/?вх ~> 00 имеем ZBX = Zoc/(1 + К), т.е. такой
КПС является безобмоточным трансформато-
ром сопротивлений.*
Если в качестве Zoc включить конденсатор
С, что дает Свх экв = С(1 + К), то КПС сущест-
венно увеличивает и (или) регулирует значе-
ние постоянной емкости С. При коэффициенте
передачи ОУ Кд~ 105 относительный диапазон
изменения емкости составляет десятки тысяч
раз (регулирование Кл — дополнительными
цепями). Недостаток — малый динамический
диапазон: максимальный входной сигнал на
емкости Свх экв мал — в К раз меньше, чем вы-
ходной, поэтому КПС иногда содержит два ОУ.
Конвертор отрицательных сопротивлений по
напряжению (КОС-£7) обладает отрицатель-
ным коэффициентом передачи по напряжению
(—К), но положительным — по току: = 1, а
конвертор отрицательных сопротивлений по
току (КОС-7) наоборот — отрицательным ко-
эффициентом по току (-Kj), но положитель-
ным по напряжению: К = 1. Например, про-
стейший (КОС-СТ) на инверсном ОУ (Рис. 24.4)
имеет входное сопротивление
Полужирным шрифтом здесь и далее выделены
параметры, учитывающие влияние внешней ОС (см.
ст. 24.17.— ОУ).
Z^ = -ZI(K-\) = -ZRxIRoc,
где К = 1 + Rqc/Rx. Резистор R2 служит для
компенсации сдвига нуля.
Устойчивая работа КОС-U возможна при ис-
точнике сигнала с малым Zr, поскольку здесь
сопротивление Z— цепь положительной ОС. В
КОС-/, показанном на Рис. 24.5, инвертируется
ток. Направления /вх и /вых через цепь Z — про-
тивоположные, а напряжения входа С/вх и выхо-
да Uz = Z/BbIX находятся в фазе (С/вх =UZ = Z1вых,
поскольку С/вх д -> 0); /вых7? = /ВХЯОС, а входное
сопротивление КОС-/
ZBX —ZRqC/R.
Конверторы отрицательных сопротивле-
ний, как источники сигнала с отрицательным
внутренним сопротивлением, применяют для
компенсации потерь в фильтрах, контурах,
линиях связи.
Интегратор/дифференциатор — инверс-
ный ОУ с цепью частотно-зависимой ООС. У
интегратора это — дифференцирующая цепь, а
у дифференциатора — интегрирующая, так как
инверсный ОУ обращает и частотную функ-
цию. Выходное напряжение интегратора про-
порционально интегралу по времени от вход-
ного напряжения. Вместо резистора Roc (см.
далее Рис. 24.57, где он показан), включают
конденсатор С. При Кд —> °° и 7?вх —> °° (см. ра-
нее) входной ток ОУ /вх = Ic= UBX/Rx и резуль-
тат интегрирования входного сигнала
1 t .г
^вых =~^С =-— -----IKW'.
ВЫХ С- J С- J ВХ V /
о о
При напряжении U^t = 0) Ф 0 его значение
прибавляют к правой части уравнения. Экви-
валентная постоянная времени тэкв = K^RXC,
определяющая частоту главного полюса АЧХ,
в Кд раз больше постоянной времени RXC
пассивного интегратора, т.е. включение ОУ
позволяет применить конденсатор С меньшей
662
РАДИОТЕХНИКА
24.1. АКТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ
емкости на основании эффекта Миллера (см.
ст. 24.12). С целью компенсации погрешнос-
ти, вызванной начальным смещением, на не-
инверсном входе ОУ относительно корпуса
включают резистор Якмп = R} (Рис. 24.6). Для
уменьшения емкости нагрузки и фазового
сдвига сигнала на ВЧ емкость конденсатора С
берут небольшой и последовательно или па-
раллельно ему включают резистор R или по-
вторитель DA2t выходное сопротивление ко-
торого мало, и поэтому фазового сдвига
практически нет. Если на входе интегратора
включают разделительные весовые резисто-
ры 7?i, ..., Rn, как на Рис. 24.1, то получают
интегрирующий сумматор.
Устройство, напряжение на выходе которо-
го пропорционально производной по времени
от входного напряжения, называется диффе-
ренциатором. Его выполняют также на инверс-
ном ОУ (см. Рис. 24.57), но вместо резистора R\
включают конденсатор При КД и 7?вх —> °©
напряжение (7ВХ д —> 0, ток /вх = Zc = CxdUcx/dt.
Следовательно, (7ВХ = UC\, а выходной сигнал
(7ВЫХ —Кос^ъх —ЯосСAdU^Jdt.
Из-за включения ОУ постоянная времени пассив-
ной цепи C\Roc уменьшается примерно в А?драз:
^экв= G^oc/(1 +^д)>
и поэтому при одинаковых емкостях конденса-
тора Сх активный дифференциатор может иметь
в КД раз большее сопротивление 7?Ос, чем пас-
сивный, и, значит, больший коэффициент пере-
дачи К = -RocQ.Cx. Недостатки: опасность са-
мовозбуждения, малое значение ZBX из-за влия-
ния Сь большие ВЧ шумы вследствие увеличе-
ния К с частотой. Поэтому последовательно с
конденсатором С] включают резистор Rx (Рис.
24.7), а параллельно резистору Roc — конден-
сатор С2 ддя ограничения значения К= -ZOCIRX.
Дифференцирующий сумматор строят из
и-цепей RC на входе ОУ подобно схеме
Рис. 24.1.
Компаратор (от лат. сотрагаге — сравни-
ваю) — устройство сопоставления, сравнения
сигналов для определения факта и момента их
равенства по заданному параметру. Выходное
напряжение К. при каждом равенстве нулю
разности двух сигналов изменяется от нижнего
до верхнего (и наоборот) предельного значе-
ния. На неинверсный вход ОУ (Рис. 24.8) пода-
ют сигнал Uc, а на инверсный — опорное на-
пряжение £оп (или наоборот) и на выходе по-
лучают прямоугольные импульсы, которые из-
меняют полярность при Uc = Еоп. В частном
случае, когда £оп = 0, такой К. называют нуль-
индикатором. Диоды VDX, VD2 предназначены
для защиты К. от больших уровней или слу-
чайных бросков входного напряжения.
Для сравнения разнополярных сигналов
применяют одновходовый компаратор; в от-
личие от Рис. 24.1 он не содержит цепи
ООС. Исследуемый сигнал Uc вместе с + £оп
подают на инверсный вход ОУ, который вы-
дает выходной сигнал при условии равенства
ЕОп = ~UC, если R} = R2. К неинверсному вхо-
ду ОУ при этом подключают резистор R3 = R i
|| R2, для компенсации сдвига нуля.
Логарифматор/антилогарифматор —
ОУ, который содержит нелинейную цепь ООС,
устройство с нелинейной взаимной зависимос-
тью выходных и входных сигналов. У логариф-
матора выходное напряжение пропорциональ-
но логарифму входного, а у антилогарифмато-
ра (устройства потенцирования) — наоборот:
входное напряжение пропорционально лога-
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
663
24.1. АКТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ
рифму выходного напряжения. Примером не-
линейного элемента может быть /7-и-переход
диода (см. ст. 29.9), его ток
/д =/0(e<wt/,) - 1),
где ид — напряжение, приложенное к диоду,
Ut = kT/q = 25 мВ — температурный потенци-
ал (к = 1,38-10-23 Дж/К — постоянная Больц-
мана, q = 1,6-10-24 Кл — заряд электрона),
Т = 290 К — абсолютная температура, /0 —
ток обратносмещенного р-и-перехода.
При достаточно больших ид > 0.1 В и /д >
50/о ток диода /д = /0 ехр(£7д/(7,), а напряжение
на нем Ua = (/Дп(/д//0). Л. и А. выполняют на
инверсном ОУ (см. Рис. 24.57).
Логарифматор имеет диод в цепи ООС вме-
сто Rqc- При Кд —> ©о и RBX —> о© ток через диод /д
= UBX/R\, а результат логарифмирования — вы-
ходное напряжение t/BbIX = - Utki(UBX/IoR\), при-
чем IqR i — постоянный коэффициент. Для сжа-
тия динамического диапазона знакопеременных
сигналов разработан двусторонний Л. (Рис.
24.9) с симметричной передаточной характери-
стикой, наклон которой определяется отноше-
нием RQc/R\- Резистор Rqc участвует в работе
при малых уровнях сигнала, когда сопротивле-
ния диодов большие; он уменьшает начальный
сдвиг нуля ОУ. Если вместо диодов включить
эмиттерные переходы транзисторов, то благода-
ря усилению в цепи ООС значительно повысит-
ся точность процесса логарифмирования.
Антилогарифматор (Рис. 24.10) имеет ди-
од (или транзистор), включенный вместо резис-
тора инверсного ОУ, показанного, например,
на Рис. 24.9. Результат математической опера-
ции потенцирования — выходное напряжение
^вых = “ ^ос/д = “ ^ОС^Оехр(^д/^Л)5
причем Roclo — постоянный коэффициент.
Для создания ООС полярность сигнала UBX
должна быть положительной, в соответствии с
полярностью включения диода. Недостаток А.
— его малое 7?вх; оно равно сопротивлению от-
крытого диода (единицы ом).
Логарифмические умножители работают
по принципу суммирования логарифмов
(1п(а/>) = 1па + 1п/>) с помощью двух логарифма-
торов, линейного сумматора с коэффициентом
передачи К и антилогарифматора полученной
суммы. На выходе сумматора имеем:
= К (lnt/BX1 + lnt/Bx2) = К ln(t/Bxl t/Bx2),
а на выходе антилогарифматора — результат
вычислений:
17а = ехр[/С ln(t/BX1t/Bx2)] = (t/BX1t/Bx2)*.
Если показатель степени К (коэффициент
передачи сумматора) равен единице, то выпол-
няются операции умножения или деления; ес-
ли больше единицы — возведения в степень,
если меньше единицы — извлечения корня.
Логарифмические устройства, выполняю-
щие операцию деления двух сигналов (неудачно
называемые делителями напряжений), работа-
ют по принципу вычитания логарифмов:
ln(a/Z>) = Ina - lnZ>, далее — аналогично преды-
дущему случаю, а именно: на выходе алгебра-
ического сумматора или дифференциального
ОУ (см. Рис. 24.56) напряжение
t/z = illn(t7BxI/t7Bx2),
а после антилогарифматора-усилителя
1/А= ехр[ЛГ1п({/вх1/17вх2)] = (1/вх1/{/вх2Л
Эти устройства имеют динамический диа-
пазон свыше бОдБ, погрешность меньше 0.25%,
но вследствие обязательной коррекции устойчи-
вости (см. ст. 24.17) они узкополосны. Кроме
того, они не могут инвертировать ни одного из
сигналов. Поэтому существуют специальные
ИМС с универсальными свойствами [2].
664
РАДИОТЕХНИКА
24.1. АКТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ
Перемножитель (П.)/устройство деления
сигналов — электронная цепь на базе ОУ, напря-
жение на выходе которой пропорционально про-
изведению/частному двух входных сигналов:
£/вых = WbxI ^вх2) ИЛИ (7ВЬ1Х = (t/BXi/A:t7BX2),
где к = 0.1 В-1 —коэффициент нормирования,
учитывающий, что типовой ОУ развивает на
выходе максимальное напряжение (7ВЫХ = 10 В.
Четырехквадрантный перемножитель приго-
ден для положительных и отрицательных со-
множителей; двухквадрантный — для измене-
ния знака одного из сигналов. Знака ни одного
из сигналов не изменяет одноквадрантный пе-
ремножитель. Известны П., основанные на
принципе изменения крутизны дифференци-
ального каскада (см. ст. 24.23) или сопротив-
лений электронных цепей, а также логариф-
мические П. (см. ранее). Параметрами пере-
множителей являются: точность — отношение
максимальной разности фактического и теоре-
тического значений t/BbIX к его максимальному
уровню 10 В; нелинейность — максимальное
отклонение формы (7ВЫХ от {7вхЬ (/вх2. На ос-
нове перемножителей создают преобразовате-
ли частоты сигналов (см. ст. 24.19) и ряд дру-
гих устройств.
Квадратор — перемножитель с двумя
входами, соединенными параллельно. Его
применяют, например, для измерения средне-
квадратического значения сигналов сложной
формы.
Устройство извлечения квадратного
корня содержит квадратор XY в цепи отрица-
тельной ОС операционного усилителя DA
(Рис. 24.11). Инверсное включение ОУ инвер-
тирует и функцию устройства. Ток через /?7,
R2 — общий, поскольку ОУ имеет 7?вх —> оо;
выходное напряжение
UBUX = Vu^/R2/kRi,
причем второй корень — величина постоянная.
При недопустимо больших уровнях UBX диод
VD автоматически разрывает цепь ООС XYR2,
предотвращая перегрузку и насыщение ОУ.
Устройство деления сигналов U\IU2 (Рис.
24.12) содержит перемножитель XY в цепи
ООС ОУ DA\ сигнал U2 должен быть положи-
тельным для создания отрицательной ОС. Че-
рез резисторы 7?i, R2 протекает общий ток. Ча-
стное (результат деления) t/BbIX = (U\IUi)R2lkRx.
К инверсному входу ОУ подключают резистор
R3 = R\ || R2, для компенсации сдвига нуля.
Компрессор уровней — устройство искусст-
венного сжатия динамического диапазона вы-
ходных сигналов по сравнению с динамическим
диапазоном входных, регулятор автоматическо-
го поддержания амплитуды выходного сигнала,
которая должна быть равна постоянному опор-
ному напряжению Еои (Рис. 24.13) независимо
от Umex. Входной сигнал UBX после перемножите-
ля XYи пикового амплитудного детектора ПД (см.
ст. 24.4) подается на инверсный вход ОУ DA в ви-
де постоянного напряжения, а на неинверсный
вход поступает опорное напряжение той же по-
лярности. Управляющее входное напряжение ОУ
^вх.д — ^оп ~ ^Ллвых, ГДе UmBbIX — ~
= (китвхКЛЕои) / (1 + kUmBXK^ « EOXi. Итак, ^Ливых
Компрессор применяют для АРУ и в ФД. В
последнем случае (см. Рис. 24.13) ивх =
= ^Ливх sinco/, а вместо £оп подают второй пе-
ременный сигнал won = t/wonsin(coz + ср). Про-
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
665
24.1. АКТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ
изведение этих сигналов на выходе компрес-
сора (до ФНЧ) (7ВЬ1Х — 0.5[t/WBXt7woncos(p —
- ^WBx^wonCos(2co/ + <р)], а после ФНЧ (он на
рисунке не показан) /7ВЫхнч = 0.5t/WBXt/woncos<p.
Этот детектор реагирует и на разность фаз ф,
и на уровень обоих сигналов. Поэтому для
приемников он не пригоден (см. ст. 24.5) и
применяют его в измерительной технике.
Рассмотренные примеры не исчерпывают
многообразия применения перемножителей.
Прецизионный выпрямитель — это вы-
прямитель (см. ст. 30.2) с малыми погрешнос-
тями (Рис. 24.14). Благодаря большому усиле-
нию К = -RqcIR\ (или К ~ R2IR\) даже малый
сигнал t/BX открывает диод. С каждого выхода
получают однополупериодное выпрямление
сигнала: ЕвыхХ и £ВЬ1х2. Если дифференциаль-
ным ОУ (см. Рис. 24.56) выполнить операцию
£вых1 _ ^вых2, то можно составить двухполупе-
риодный П. в., у которого Евых = А](7вх(/)|- Для
уменьшения погрешностей операционный
усилитель должен быть быстродействующим.
В случае незаземленной нагрузки ее включают
в виде резистора Roc с выхода на инверсный
вход ОУ. В двухполупериодном П. в., показан-
ном на Рис. 24.15, цепь ОС содержит диодный
мост VDX — VD4, Rh. Оба варианта П. в. созда-
ют на выходе результат выпрямления двух по-
луволн входного напряжения без искажения
формы огибающей и называются П. в. средних
значений сигнала. В пиковом П. в. параллельно
выходным диодам включается конденсатор и
требуется большое входное сопротивление на-
грузочной цепи.
24.2. АКТИВНЫЙ ЯС-ФИЛЬТР НА
ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ (АФ) —
электронная цепь, фильтр (см. ст. 23.7) бе-
зындукционного типа, содержащий ОУ с ис-
точником питания, резисторы и конденсато-
ры. Имеет преимущества перед пассивным
фильтром: может усиливать сигнал в полосе
пропускания; не содержит катушек индук-
тивности; входные цепи не зависят от выход-
ных и возможно каскадное соединение звень-
ев; имеет небольшие емкости конденсаторов,
габаритные размеры, массу, поэтому прием-
лем для технологии ИМС. Недостатки АФ (в
сравнении с пассивными фильтрами): огра-
ниченность диапазона частот сверху несколь-
кими мегагерцами и необходимость наличия
источника питания. Математически АФ опи-
сывают передаточной функцией и-го порядка
(см. ст. «Параметры фильтра»), базовой моде-
лью является фильтр НЧ. Фильтры с другими
частотными функциями — ФВЧ, ПФ и режек-
торные — рассматривают как модификации
базовой модели.
Амплитудно-частотная характеристика
фильтра и ее свойства. Типам АЧХ присвое-
ны названия полиномов передаточных функ-
ций. Каждый тип АЧХ реализуют определен-
ным числом полюсов (ЯС-цепей) согласно за-
данной крутизне спада АЧХ. Самыми извест-
ными являются аппроксимации Баттерворта,
Бесселя, Чебышева [1,2].
Фильтр Баттерворта отличается плоской
АЧХ в полосе пропускания с наклоном пере-
ходного участка 6 дБ /окт. на каждый полюс;
имеет нелинейную ФЧХ, поэтому входное им-
пульсное напряжение вызывает осцилляцию
сигнала на выходе, из-за чего фильтр применя-
ют только для непрерывных сигналов.
Фильтр Бесселя — электронная цепь с ли-
нейной ФЧХ, малой крутизной переходного уча-
стка АЧХ (менее 6 дБ/окт.), поэтому он пригоден
для фильтрации прямоугольных импульсов.
Фильтр Чебышева имеет большую крутиз-
ну переходного участка, но и волнистость АЧХ
в полосе пропускания (зато монотонно изменя-
ющуюся и далее плоскую форму — за ее пре-
делами). Обратный фильтр Чебышева, наобо-
рот, имеет волнистость АЧХ за пределами по-
лосы пропускания. Количество волн и их амп-
литуда v (от 0,5 до 3 дБ) пропорциональны по-
рядку фильтра 1,2,3...и (далее см. «Параметры
фильтра»). Ценой увеличения допустимой
амплитуды волн достигают наклона АЧХ свы-
ше 6 дБ/окт. на один полюс:
666
РАДИОТЕХНИКА
24.2. АКТИВНЫЙ ЯС-ФИЛЬТР НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ
У = 20 Ige + 6(л-1) + 20nlg(/7/"cp),
где f — текущая частота; 0 < Е < 1 — постоян-
ная, зависящая от амплитуды волн, а выделен-
ное — выигрыш в крутизне переходного участ-
ка АЧХ — интервала от частоты полюса (среза)
fcp передаточной функции до частоты нуля, т.е.
частоты начала задерживания сигнала.
Для заданной крутизны спада АЧХ у фильтра
Чебышева самое малое число полюсов (требу-
ется меньшее число 7?С-цепей), однако ФЧХ
его нелинейна, поэтому он целесообразен для
фильтрации только непрерывных сигналов.
Известны также фильтры: параболические
(с улучшенной переходной характеристикой) и
эллиптические (с очень крутым переходным
участком, но с большими амплитудами волн
АЧХ в полосах пропускания и задерживания).
Каскадное соединение звеньев фильтра
осуществляют, если нужен фильтр выше вто-
рого порядка (п > 2). Фильтры нечетных поряд-
ков компонуют из входного звена первого по-
рядка плюс недостающее число звеньев второ-
го порядка, а фильтры четных порядков — из
п/2 звеньев второго порядка.
Широкополосный полосовой фильтр с от-
ношением полосы пропускания к централь-
ной частоте П//о >0.5 — это п звеньев ФНЧ
(включенных последовательно каскадно, т.е.
один за другим), которые задают высокочас-
тотную границу АЧХ, и п звеньев ФВЧ, опре-
деляющих низкочастотную границу. Причем
ФВЧ и ФНЧ — того же порядка, что и полосо-
вой фильтр. Для получения режекторного
фильтра последовательное соединение ФВЧ и
ФНЧ неприемлемо, поскольку у каждого из
них нулевой коэффициент передачи в полосе
пропускания другого; поэтому ФВЧ и ФНЧ
включают параллельно, через резисторы раз-
вязки. Звенья требуемого АФ строят по оди-
наковой схеме, но номиналы элементов R, С
разные, они зависят от выбранной аппрокси-
мации, заданной неравномерности в полосах
пропускания и задерживания, а также от час-
тот среза фильтра (/срф) и его звена (/срзв).
Чтобы каскадное соединение не сужало за-
данную полосу пропускания, для основных
параметров kcp и а каждого звена выбранной
аппроксимации АЧХ рассчитаны их индиви-
дуальные значения; они представлены табли-
цами (см., например, [2]).
Параметры фильтра — см. ст. «Парамет-
ры» в ст. 24.24. Здесь отметим специфические
параметры АФ.
Порядок фильтра — число его полюсов.
«Полюс» — термин, заимствованный из тео-
рии функций комплексной переменной, указы-
вающий на слагаемое наклона АЧХ на пере-
ходном участке (см. далее), обусловленное од-
ной (любой) из /?С-цепей, используемых для
формирования АЧХ активного фильтра. На-
пример, ФНЧ второго порядка — это двухпо-
люсный фильтр, и его АЧХ имеет на переход-
ном участке наклон 12 дБ / окт., фильтр шесто-
го порядка имеет шесть полюсов с наклоном
АЧХ на переходном участке 36 дБ/окт.
Переходный участок АЧХ — интервал от
частоты полюса (среза) fcp модуля передаточ-
ной функции до частоты нуля, т.е. частоты на-
чала задерживания сигнала, либо наоборот —
интервал от частоты нуля до частоты полюса.
Коэффициент затухания а определяет
крутизну переходного участка АЧХ и выброс
в пределах полосы пропускания. Доброт-
ность Q = 1/а.
Коэффициент среза АЧХ в окрестности
полюса £ср — отношение частот среза фильтра
и его звена (или наоборот), постоянная величи-
на для выбранных данных — порядка и, номе-
ра звена N, аппроксимации АЧХ и неравномер-
ности в полосе пропускания. Конкретно, со-
гласно таблицам Л. Фолкенберри [2]:
— для однозвенных ФНЧ второго порядка
^срФНЧ(2) =Уср.ф//ср.зв>
— для однозвенных ФВЧ второго порядка
^срФВЧ (2) =Уср.зв//ср ф,
— для многозвенных ФНЧ порядка выше вто-
рого ^срФНЧ(2и— 1) =Уср.зв//ср.ф>
— для многозвенных ФВЧ порядка выше вто-
рого £срФВЧ(2и-1) =fcp ф//ср.зв’
Анализ многочисленных данных таблиц
параметров показывает следующее. Для филь-
тров второго порядка:
Чебышева —
fcp ФВЧ(2) < fcp зв(2) < fcp ФНЧ(2>;
Бесселя —
fcp ФВЧ(2) > fcp зв(2) > fcp ФНЧ(2>;
Баттерворта (ФНЧ и ФВЧ) —
Уср.зв(2) ~ fcp ф(2),
следовательно, для фильтра Баттерворта kcp = 1;
У многозвенных фильтров высоких поряд-
ков п > 2 знаки неравенств следует изменить на
противоположные.
Чувствительностью Sa<^b одного парамет-
ра а (следствие) к изменению другого b (при-
чина) называют отношение изменения а к из-
менению Ь, если изменение b вызывает изме-
нение а (см. также ст. 24.15).
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
667
24.2. АКТИВНЫЙ ЯС-ФИЛЬТР НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ
Схемотехника активных фильтров. Филь-
тры, пропускающие сигналы НЧ или ВЧ, а так-
же полосовой и режекторный фильтры можно
реализовать с помощью таких типичных схем.
Биквадратный узкополосный (П//о<0,5) по-
лосовой АФ (Рис. 24.16, а) имеет неординарное
для полосовых фильтров постоянство полосы
пропускания, вследствие увеличения его доб-
ротности (Q < 100) при возрастании частоты, и
повышенную стабильность. Он содержит три
ОУ: сумматор-интегратор СИ (ФНЧ0, инверс-
ный усилитель ИУ и интегратор И (ФНЧ2).
Принцип действия: СИ вычитает из сигнала (7ВХ
сигнал (7ВЫХ (они противофазны) с определен-
ным весом (Яь R2), причем/рфнч! >7cpOH42- На
частотах f <ЛрФнч2 оба входных сигнала СИ
скомпенсированы на его выходе. На частотах f >
ЛрФнч2 малый, подавленный сигнал ^/выхФнчгУже
не может скомпенсировать входной сигнал t/BX и
фильтр формирует ненулевое напряжение
^выхпф- При/>УсрФнч1 выходные сигналы ослаб-
ляются и подавляются обоими ФНЧ-интеграто-
рами. При R\=R2 коэффициент передачи в поло-
се пропускания К = -7?oc/7?i, где 7?ос — не пока-
занный на структурной схеме резистор ООС вну-
три ФНЧЬ определяющий добротность Q > 15.
АФ узкополосный (П//о<0,5) с параллельной
ООС через элементы R3C\ (Рис. 24.16, б) — про-
стой ПФ с добротностью Q < 10. Низкочастот-
ную часть полной суммарной АЧХ полосового
фильтра формируют элементы R\C\, а высокоча-
стотную — ^з^2- Такая ОС определяет положе-
ние максимума АЧХ вблизи резонансной часто-
ты Уо- Резистор R2 служит для выбора коэффици-
ента передачи в полосе пропускания, резистор
R4 — для компенсации сдвига нуля. Настройку
на резонансную частоту f0 выполняют конденса-
торами Ci и С2 одновременно, установку Q —
изменением отношения 7?3/7?i. На основе этой
схемы путем исключения лишних элементов
можно получить отдельно ФНЧ и ФВЧ.
Активный фильтр Саллена—Кея (на Рис.
24.16, в показан ФВЧ) построен на базе неин-
версного ОУ, содержит цепь положительной ОС
7?iCi и пассивную цепь R2C2. Для ФВЧ обе цепи
— дифференцирующие, как на схеме, а для
ФНЧ (он на схеме не показан) — интегрирую-
щие, резисторы и конденсаторы меняют места-
ми. Цепью ООС R^Rb задают затухание а и ко-
эффициент усиления в полосе пропускания; ча-
стоту среза Уср устанавливают настройкой кон-
денсаторами Ci и С2 или резисторами и R2.
Универсальные АФ (УАФ) бывают с единич-
ным или с заданным усилением. Первый имеет
три, второй — четыре ОУ. Каждый УАФ есть од-
новременно ФВЧ, ФНЧ и узкополосный ПФ (все
— второго порядка). АЧХ широкополосного ПФ
формируют из АЧХ двух универсальных фильт-
ров — ФВЧ и ФНЧ с одинаковыми аппроксима-
циями, а для чебышевского фильтра — еще и с
одинаковыми амплитудами волн. Преимущества
УАФ: стабильность; устойчивость; малая чувст-
вительность а к изменению постоянной време-
ни RC\ большая добротность (Q —> 100); малое
взаимное влияние регулировок fcp и Q. Недо-
статки: сложность схем, повышенная стоимость.
668
РАДИОТЕХНИКА
24.3. ВКЛЮЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРА В КАСКАДЕ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА
Структура варианта УАФ с единичным уси-
лением (Рис. 24.16, г) содержит: линейный сум-
матор ЛС, интеграторы Иь И2 и регулятор коэф-
фициента а.
Рассмотрим вначале работу ФНЧ. Сигнал
^выхиь возвращенный в фазе с t/BX на неин-
версный вход сумматора Л С, позволяет цепью
а регулировать частоту/ср ФНЧ и одновремен-
но компенсирует противофазный входному
сигнал НЧ £/Вых.и2 (подведенный к инверсному
входу ЛС с другой целью). Поэтому НЧ компо-
ненты t/BX, пройдя два интегратора Иь И2 пер-
вого порядка (т.е. ФНЧ второго порядка), по-
ступают на выход.
Характеристика ФВЧ формируется путем
суммирования на инверсном входе ЛС сигна-
лов t/BX и £/вых.и2 • На низких частотах f < f ср
имеются оба эти сигнала, они противофазны и
взаимно уничтожаются. При/>/ср сигнала на
ФНЧ-выходе нет, £/вых.и2 —> 0, и входной сиг-
нал высоких частот беспрепятственно прохо-
дит на выход ФВЧ.
На выходе полосового фильтра действует
интеграл суммы выходных сигналов ФВЧ и
ФНЧ (И)), включенных один за другим (см. ра-
нее «Каскадное соединение звеньев»), с взаим-
но перекрывающимися АХЧ.
УАФ с независимыми изменениями коэф-
фициентов К и а имеет не показанный на схе-
ме четвертый ОУ. Его инверсный вход соеди-
няют с выходом Иь а выход — с инверсным
входом ЛС.
Для создания режекторного УАФ сигналы с
двух выходов одного УАФ — t/фвч и С7фнч —
суммируют на входе пятого ОУ (на Рис. 24.16, г
он не показан); при этом в полосе перекрытия
противофазных сигналов от ФВЧ и ФНЧ напря-
жение £/вых = 0, что и обеспечивает вырезание
части спектра сигнала. В технике фильтр с такой
АЧХ часто называют фильтром-пробкой.
24.3. ВКЛЮЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРА В
КАСКАДЕ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА — вы-
бор общей точки соединения одного из трех эле-
ктродов транзистора с нагрузкой и с источником
сигнала переменного или постоянного тока на
частотах F > 0 Гц, с применением местных ОС и
без них, исходя из требований к устройству.
Свойства выбранного включения не зависят от
способа питания транзистора (см. ст. 24.18).
Эмигрирующими электродами являются
эмиттер или исток, управляющими — база или
затвор и управляемыми — коллектор или сток.
Название включения транзистора определяет-
ся тем электродом, который является общим
для входных и выходных цепей каскада: ОЭ
(ОИ) и аналогично ОБ (ОЗ), ОК (ОСт). Каждое
включение транзистора, независимо от вида
нагрузки или назначения, определяет основ-
ные электрические характеристики, свойства
каскада: входное и выходное сопротивления,
коэффициенты прямой и обратной передачи,
стабильность параметров, устойчивость и др.
В тексте настоящей главы приняты следу-
ющие обозначения Л-, У-параметров: относя-
щиеся к схемам с ОЭ (или ОИ) имеют только
цифровые индексы, например, У21, индексами
«б» или «з» обозначены параметры, относящи-
еся к схемам включения с ОБ (или ОЗ), напри-
мер, Л21Б, а индексами «к», «с» — к схемам с
ОК (или ОСт), например, Л21к-
Включение транзистора с общим эмитти-
рующим электродом является самым распрост-
раненным в электронной технике, так как оно
обеспечивает основные требования к показате-
лям устройств. Поэтому схемы с ОЭ (ОИ) — ба-
зовые, с ними сравнивают разновидности вклю-
чений одиночных и составных транзисторов.
Каскад на биполярном транзисторе с об-
щим эмиттером (Рис. 24.17, а, б) обеспечи-
вает наибольшее по сравнению с другими
включениями транзистора усиление мощнос-
ти при умеренных значениях входных и вы-
ходных сопротивлений и инвертирует на вы-
ходе фазу (полярность) входного сигнала. Не-
достатки: самые плохие частотные свойства
(граничная частота /гр на один-два порядка
ниже, чем у транзистора с ОБ и ОК), большие
нелинейные искажения сигнала без местной
ООС. Схема с ОЭ (ОИ) является неминималь-
но-фазовой цепью (см. ст. 23.11), с положи-
тельным нулем передаточной функции, из-за
чего возникают проблемы обеспечения устой-
чивости каскадов [4].
Каскад с ОЭ на НЧ (f < 1 кГц) имеет сле-
дующие показатели. Проходной коэффици-
ент передачи напряжения К = UK3/Ub3 изме-
няется от 0 (при 7?н —> 0) до ц = dU^3/dUb3 =
= Y2\/Y22 (при 7?н —> оо, что возможно в селек-
тивном каскаде, см. ст. 24.8). Реальное значе-
ние К = K21ZH = h2xZH/hп изменяется от не-
скольких единиц до десятков. Коэффициент
передачи тока Kt = /К//Б = h2x при /?н_> 0 до-
стигает нескольких сотен. Коэффициент уси-
ления мощности КР - KKt — наибольший
(десятки тысяч) среди всех включений БТ
при согласовании сопротивления нагрузки
Ян с выходным сопротивлением R22 = \/G22
транзистора.
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
669
24.3. ВКЛЮЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРА В КАСКАДЕ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА
Входное сопротивление 7?вх = иБЭ/1Б = hn =
= 1/Уи слабо зависит от нагрузочного 7?н. Оно
примерно равно произведению rh2\ (где г =
= UJI3 = 25 Ом — дифференциальное сопро-
тивление эмиттера, Ut — температурный по-
тенциал, см. ст. 29.9). Значение входного со-
противления у маломощных БТ колеблется в
пределах 300...3000 Ом.
Выходное сопротивление 7?вых = за-
висит от внутреннего сопротивления источни-
ка сигнала Rr, изменяется от 1 /У22 (при Zr —> 0)
до l//i22 < 1/^22 (при Zr —> оо). Если нет обрат-
ной передачи сигнала (Л12 = 0, У12 = 0), то вы-
ходные проводимости транзистора, выражен-
ные разными системами параметров, совпада-
ют и Явых = 1/Л22 = 1 /У22.
При повышении частоты, когда
(см. Рис. 24.18, а, б), усилительные свойства
транзистора ухудшаются (fhi^fs— частоты по-
люсов зависимостей Л21(^, K2i(/)). На частоте
единичного усиления/ =fTp при Л21Э= 1 усиле-
ния нет. Частоты, соответствующие допустимо-
му уменьшению (например, до -3 дБ) значений
параметров, находятся в соотношениях:
frp>fs>fh2T>frp = ^21(/)?Л2Ь
fs = ^fh2\fvp = fh2 \^2Ль
где fh2A — предельная частота коэффициента
передачи тока; fs — предельная частота кру-
тизны проходной характеристики БТ.
Последние формулы приемлемы для малых
сопротивлений нагрузки Rw в противном слу-
чае нужно учесть влияние паразитной емкости
Со = СБ э + CKBSRH ,
670
РАДИОТЕХНИКА
24.3. ВКЛЮЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРА В КАСКАДЕ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА
где S = |У21| — крутизна; Съэ, СКБ — входная
и проходная емкости биполярного транзистора с
ОЭ согласно эквивалентной модели Джиаколет-
то, показанной на Рис 24.17, в (здесь Б' — рабо-
чая область базы, гБ---сопротивление ввода).
Емкость Со понижает частоты полюсов fh2X, fs
передаточной функции каскада с ОЭ. Частотная
зависимость входного сопротивления БТ ZBX(/)
имеет полюс и нуль:
fpbx ~ 1/(^^^*0^Б'э)>Хвх — 7рвх(1“*"П>'э/П>')>
где гБ Э и гБ' — соответственно параллельная
и последовательная составляющие входного
сопротивления БТ (Рис. 24.17, в) [4].
На участке fpBX — fZBX входное сопротивление
имеет емкостный характер, но на частотах
f<fpM ^f>fzBx — активный: |ZBX| -> hxx при
f —> 0 и |ZBX| —> гЬ' при/ —>00 (см. Рис.24.18, б).
Частотная зависимость выходного сопро-
тивления ZBbIX(/) сложная, ее учитывают в из-
бирательных усилителях из-за высокоомной
нагрузки по переменному току (см. ст. 24.8,
17.30), а в апериодических — ею пренебрега-
ют, поскольку обычно 7?н « |ZBbIX|. Сквозной
коэффициент передачи на произвольной час-
тоте
^=С/кэ/ег = Л21Лн/(/г + Лц)
имеет полюс на частоте/в= 1/(2лСо/?экв). Вели-
чина 7?экв сложно зависит от 7?н, Скб, СБэ, Rr,
гБ'э (см. Рис.24.17, в). При Zr —> 0 проходной и
сквозной коэффициенты передачи совпадают:
К = Ке = h2XRH/hxx.
Нелинейные искажения возникают из-за не-
линейности характеристик: сквозной UK=J[er)
и проходной СК=ХСБЭ), которые зависят от со-
противлений Zr, Rn. При Zr » |ZBX| биполярный
транзистор управляется током: /к = Х^б), а при
Zr« |ZBX| БТ управляется ЭДС: /к =f(er). Ха-
рактер нелинейности этих зависимостей при
включении с ОЭ неодинаковый, поэтому суще-
ствует оптимальное сопротивление источника
сигнала, генератора ZronT, при котором нелиней-
ные искажения минимальны (Рис. 24.18, в). До-
казано, что ZronT = ZBX БТ.
Каскад на полевом транзисторе с общим
истоком имеет аналогичные показатели, но
формулы для оценки параметров проще. Бла-
годаря большому сопротивлению Явхпт = Гзи
(сотни мегаом) на показатели влияют не за-
шунтированные сопротивлением RBX входная
Сн и проходная СХ2 емкости. Проходная ем-
кость наименьшая в двухзатворных ПТ. Выход-
ная емкость С22 значительно меньше входной
Си. Крутизна характеристики прямой переда-
чи S = dIc/dU3VX на ВЧ и ОВЧ — комплексная
величина. Проходной коэффициент передачи
£ = ^си/^зи = SRn всегда совпадает со сквоз-
ным
= Uc/ev = гзи57?н / (Zr + гзи) = 57?н,
поскольку Zr « гзи. Полюс зависимости Ке от
частоты при Zr « гзи имеется на частоте
fB= l/(2KCBXZr),
где Свх = Сн + 57?НС12 + См, а См.— емкость
монтажа.
Выходное сопротивление 7?вых = гси, так как
R„ <<z гси- Зависимость от частоты выходного
сопротивления ZBbIX(/) имеет полюс
/р=1/[2л(С22+Сн)Ян].
В отличие от БТ нелинейность ВАХ и не-
линейные искажения у ПТ не зависят от со-
противления источника сигнала, поскольку
Zr « гзи, источник сигнала низкоомный в
сравнении с RBX Пт = гзи и шунтирует вход
транзистора.
Включение транзистора с общим управ-
ляющим электродом не инвертирует на выхо-
де фазу (полярность) входного сигнала, кас-
кад с ОБ или ОЗ (Рис. 24.19, а) дает значи-
тельное усиление напряжения, имеет боль-
шое выходное и очень малое входное сопро-
тивления, самые лучшие частотные свойства
(frp на два порядка выше, чем у транзистора с
ОБ или ОИ) и устойчивость (см. ст. 17.29),
малые нелинейные искажения, но самые ма-
лые коэффициенты передачи мощности КР и
тока у БТ(КХ < 1). Все показатели отражают
свойства глубокой внутренней параллельно-
последовательной ООС этого включения
транзистора (см. Рис. 24.19, б, а также ст.
24.15). Они ярче проявляются при большом
сопротивлении источника сигнала Zr —> и
при низкоомной нагрузке Rn —> 0, так как при
этом цепь ООС не закорачивается слева (по
схеме) и не разрывается справа.
Каскад на биполярном транзисторе с об-
щей базой имеет следующие показатели. Коэф-
фициент передачи напряжения К = и^Б/иЭБ из-
меняется в пределах 0 < К < 1 + |ц|, как в схеме
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
671
24.3. ВКЛЮЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРА В КАСКАДЕ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА
с ОЭ (см. формулу выше) и имеет те же значе-
ния. Коэффициент передачи тока при RH —> О
^Ч.тах- |^21б| “ ^21 / (1 + ^21) “ ОС < 1.
Коэффициент усиления мощности КР = КК,
меньше, чем в схеме с ОЭ, поскольку KZ<1.
Входное сопротивление
Явх=иЗБ/1э=иЭБ/(1Б + 1к).
При 7?н —> 0 имеем
^вх= ^ц/(1 + ^21) = ^пь <<z h\\,
так как h2X » 1. На НЧ при Ян —> 0 сопротив-
ление 7?вх мало, а на ВЧ из-за уменьшения h2 i
(Рис. 24.18, а) и глубины параллельной по
входу ООС входное сопротивление возраста-
ет при увеличении частоты от/ до /21 + /гр
(см. Рис. 24.18, б), следовательно, зависи-
мость 7?вх (/) носит индуктивный характер.
Выходное сопротивление
/вых = (1 + *2pM*u) / h22 = (1 + Y2XRr)/Y22.
Сквозной коэффициент передачи
Ке= UKE/er = Y2XRJ[1+(Уи + Z21)Zr] =
= ^i^H/[^ii + (l+A21)Zr]
меньше, чем в схеме с ОЭ, а при Zr=RH коэффи-
циент Ке < 1 вследствие очень малого входного
сопротивления. Отрицательная ОС при благо-
приятном для нее значении Zr>> ZBX(/) способ-
ствует постоянству характеристики Ke(f) на
ВЧ: частота/, =/р = h2X(f)fh2A значительно вы-
ше, чем в схеме с ОЭ, что является важным пре-
имуществом каскада с ОБ. Повышенная устой-
чивость против самовозбуждения обусловлена
шунтированием проходной емкости С12 = Скь
малым входным сопротивлением Явх < гБ'Э + гБ',
поэтому схема с ОБ эквивалентна минимально-
фазовой цепи с отрицательным нулем (см. ст.
23.11 ) передаточной функции (см. ст. 23.8).
Нелинейность характеристик каскада с ОБ
при высокоомном источнике (Zr» 7?вх) мень-
ше, чем в схеме с ОЭ, благодаря эффективному
действию глубокой ООС, а при Zr —> О нели-
нейность такая же, как у схемы с ОЭ, посколь-
ку ООС не действует (см. Рис. 24.18, в).
Каскад на полевом транзисторе с общим
затвором имеет следующие показатели. Как
и БТ с ОБ, этот каскад усиливает напряжение:
К = ^сз/^из = ^н, но не способен усиливать
ток: Ki = 1с/1ц < 1. Входное сопротивление
явх= иИЗ/1с~ 1/S,
так как у ПТ 1С = /и. Частота полюса характе-
ристики ZBX(/)
_/рВХ = S / [2л(Сц — С12 + См)],
где См — паразитная емкость монтажа. Вы-
ходное сопротивление
^вых = (1 + ^гУси-
Полюс характеристики ZBbIX(/) находят по
формулам для схем с ОН; влияние емкостей
С22, Q2, Сн такое же, как и у схемы с ОИ.
Сквозной коэффициент передачи
Ke=UC3/er=SRH(l+SRr).
Частота полюса зависимости Ke(f)
/в = (1 + $ЯГ) / [2тс(Сн - С12 + CM)Zr].
При Zr» 1 уменьшаются нелинейные искаже-
ния, поскольку при этом, как и в схеме с ОБ,
эффективно действует ООС а-типа.
Включение транзистора с общим управля-
емым электродом (коллектором, стоком) не
672
РАДИОТЕХНИКА
24.3. ВКЛЮЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРА В КАСКАДЕ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА
инвертирует на выходе фазу (полярность)
входного сигнала, уровень выходного сигнала
близок к уровню входного, откуда и происхо-
дит его название — повторитель. Он имеет
высокое входное, очень низкое выходное со-
противления, откуда другое его название —
трансформатор сопротивлений. Транзистор с
ОК (Рис. 24.20, а) характеризуется значитель-
ным усилением тока и мощности, обеспечива-
ет протяженную плоскую АЧХ благодаря ста-
билизации выходного напряжения, так как
Явых —> 0 (верхняя граничная частота /в на по-
рядок выше, чем в схеме с ОЭ), обладает вы-
сокой устойчивостью (если емкость обратной
передачи С12 = СКБ' зашунтирована малым
внутренним сопротивлением генератора Zr),
имеет хорошую линейность характеристик,
поэтому вносит малые нелинейные искажения
сигнала. Однако у БТ с ОК самый малый ко-
эффициент передачи напряжения, К < 1. Все
показатели отражают свойства глубокой внут-
ренней последовательно-параллельной ООС
этого способа включения транзистора (см.
Рис. 24.20, б, а также ст. 24.15). Они ярче про-
являются при малом сопротивлении источни-
ка сигнала Zr —> 0 и высокоомной нагрузке Rn
—> так как при этом цепь ООС не разорвана
слева (по схеме) и не закорочена справа.
Каскад на биполярном транзисторе с об-
щим коллектором имеет такие показатели.
Коэффициент передачи напряжения менее
0 дБ:
К = U3K/UbK = U3K / (С/БЭ + Г/эк) = (Г11 +
+ К21)/?н/[1 + (Гц + Г21)ЯН] < 1.
Сквозной коэффициент передачи в систе-
ме Л-параметров
Ке = U3K/er= (1 + Л21)ЯН/ [Zr+ +
+ (1+А21)Ян].
Если Zr —> 0, то Ке = К.
Коэффициент передачи тока большой:
х-/э//б = (/к + /б)//б»1;
максимальным он оказывается при низкоом-
ной нагрузке, Rn —> 0:
Kj —> ^zmax = 1^21 к| = 1 + ^21-
Коэффициент усиления мощности Кр=ККь
Сравнение с другими схемами включения пока-
зывает, что, поскольку К —> 1, a Kt » 1, каскад
с ОК по усилению мощности занимает проме-
жуточное положение:
^роэ > ^рок > ^РОБ-
При благоприятных для ООС условиях
(Zr —> 0 и 1 /Ян —> 0) каскад с ОК усиливает сиг-
налы в полосе частот до /в —> Д,. Верхняя гра-
ничная частота зависит от трудно учитывае-
мых факторов [4, 5].
Входное сопротивление на НЧ при высо-
коомной нагрузке каскада Ян » 1/5
Двх = ^бк//б = (С/бэ + t/кэ) / /б =
= + (1 + h2\)RH
значительно больше, чем у БТ с ОЭ. Комплекс-
ное сопротивление ZBX(/) с возрастанием час-
тоты уменьшается от Явх на НЧ до гБ' на ВЧ
(см. Рис. 24.17, в). Тем не менее на самых низ-
ких и на очень высоких частотах входное со-
противление БТ с ОК - активное. Выходное
сопротивление мало, но нежелательно возрас-
тает вместе с Rr источника сигнала:
Явых = (£/бэ + *Л) //э = (Яг + Лп)/(1 + Л21),
поскольку при Rr —> оо уменьшается глубина
ООС. График частотной зависимости ZBbIX(/)
имеет противоположный ZBX(/) характер: вы-
Глава24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
673
22-2959
24.3. ВКЛЮЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРА В КАСКАДЕ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА
ходное сопротивление возрастает с повышением
частоты. Причина емкостного входного и индук-
тивного выходного характеров сопротивлений
— уменьшение глубины h-OOC вследствие спа-
да коэффициента прямой передачи БТ h2\ с воз-
растанием частоты (см. Рис. 24.18, а). Нелиней-
ность характеристик (в частности, коэффици-
ент гармоник кг) уменьшается при эффектив-
ном действии ООС, когда 7?г —> 0 и 1/7?н —> О
(см. Рис. 24.18, в).
Каскад на полевом транзисторе с общим
стоком (ОСт) называют истоковым повторите-
лем. Он имеет входное сопротивление до 1012 Ом
на НЧ и малую входную емкость (относительно
ПТ с ОИ). Коэффициент передачи напряжения
= ^ис/^зс = ^ис /(^зи + ^ис) < 1.
При Zr« (7?вх —> ©о) сквозной коэффициент
передачи
Ке = К = иИС/ег = SRH /(1 + Жн)
с частотой полюса зависимости Ke{f)
fB= 1/(2лСвхЯг).
Входное сопротивление — емкостное, обус-
ловлено не зашунтированной активным сопро-
тивлением (ЯВхпт —> °°) емкостью
СВХ=СП(1-К) + КС12+СМ,
где См — паразитная емкость монтажа.
Выходное сопротивление ПТ на НЧ
Лвых=1/5=1/У21
характеристика ZBbIX(/) имеет полюс на частоте
/рвых = S / [2л(С22 - С12 + Сн)],
где Сн — емкостная составляющая полной на-
грузки каскада.
Составной транзистор — активный трех-
полюсник, представляющий собой непосред-
ственное гальваническое соединение двух-
трех транзисторов и резисторов с целью полу-
чения новых значений параметров для частич-
ной компенсации недостатков составляющих
элементов. Применяют в дифференциальных
каскадах (см. ст. 24.21) для повышения входно-
го сопротивления, в повторителях (см. ст.
24.11), в каскадах снижения уровня (см. ст.
24.23), в промежуточных и выходных каскадах
Рис. 24.21
ОУ, в бестрансформаторных усилителях мощ-
ности на ИМС. Существует два вида состав-
ных транзисторов: соединение одного транзис-
тора с резисторами (И77?-С. т.) и соединение
двух транзисторов с резисторами (РТ-ИТ-С. т.).
Эквивалентные параметры VTR-C. т. следу-
ющие. Входное сопротивление, коэффициент
передачи тока и проводимость прямой переда-
чи для схемы Рис. 24.21, л, аналогичной схеме
каскада с ОК, у которого 7?н = 7?э, соответствен-
но равны:
^нэкв = + (1 + h2\)R3\ А21экв = А21;
^21экв — ^21экв/^11экв*
Изменения параметров объясняются действием
последовательно-параллельной /z-ООС (см. ст.
24.15).
Рассмотрим те же параметры для схемы
Рис. 24.21, б с параллельным резистором Т?Б.
Входное сопротивление и вместе с ним коэффи-
циент передачи тока, естественно, уменьшены:
^нэкв= h\\Rb/ (^н + ЯБ);
^21экв — 11 экв ^21 экв>
а проводимость прямой передачи не изменяет-
ся: Г21Экв= ^21- Частоты полюсов зависимостей
fhi\bfs Для схем Рис. 24.21, а, б повышаются в
полтора раза либо не изменяются относитель-
но каскада на БТ с ОЭ.
Для комбинированных схем VTR-C. т. (Рис.
24.21, в, г) значения эквивалентных парамет-
ров прямой передачи А21ЭКВ и У21экв уменьшены
относительно схемы БТ с ОЭ; входное сопро-
тивление для схемы Рис. 24.21, в неизменно, а
для схемы Рис. 24.21, г увеличено; частоты по-
люсов fh2\^fs смещены вверх. Следовательно,
основной смысл применения двух комбиниро-
674
РАДИОТЕХНИКА
24.3. ВКЛЮЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРА В КАСКАДЕ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА
ванных С. т. — расширение вверх диапазона
частот.
Среди VT-VT-C. т. пара Дарлингтона (Рис.
24.22, а) — двойной эмиттерный повторитель
с увеличенными входным сопротивлением и
усилением тока — широко применяется в со-
временных ОУ. Входное сопротивление БТ VT2
играет ту же роль, что и R3 на Рис. 24.21, л, по-
этому и их эквивалентные параметры соответ-
ственно подобны. Входное сопротивление, ко-
эффициенты обратной и прямой передач, вы-
ходная проводимость вычисляются по упро-
щенным формулам [5]:
^Пэкв- 1 + ^21 1^11 2 ; ^12экв — ^22 1^11 2^
^21экв “ ^21 1(1 + ^21 2)i ^22экв ~ ^22 1 + ^22 2,
где индексы 1, 2 относятся к VT\ и VT2. Меж-
ду эмиттерами транзисторов VI\, VT2 включа-
ют резистор R3 для исключения «голодного»
режима питания транзистора VT\ малым то-
ком /Б2, т.е. для обеспечения паспортного то-
ка транзистора V7\ с целью повышения уси-
ления сигнала и быстродействия каскада. Не-
смотря на это, граничная частота/Л21ЭКВ коэф-
фициента передачи тока С. т. всегда меньше
меньшей частоты транзисторов пары. В ба-
зу транзистора VT2 поступает лишь часть
эмиттерного тока транзистора VT\9 с коэф-
фициентом деления v = R3/(R3 + hn 2); по-
этому вместо h2i 2 будет h2X 2v= vh2X 2. Тог-
да
^21экву“ ^21 1(1 + ^21 2v) = ^21 1(1 + v^21 2)-
Схему, показанную на Рис. 24.22, б, назы-
вают «парадоксной» парой; она состоит из
двух транзисторов разной проводимости. Про-
водимость С. т. определяет первый (п-р-п)
транзистор, а коллектором С. т. служит эмит-
тер транзистора VT2 (р-п-р). В этом и «пара-
докс». В отличие от схемы Дарлингтона, кото-
рая требует удвоенного входного напряжения,
«парадоксная» пара управляется как одиноч-
ный транзистор и не потребляет от источника
сигнала дополнительной мощности. Резистор
7?к здесь вместо резистора 7?э на Рис. 24.22, а.
Эквивалентные параметры:
^Нэкв — 1 ь Л12экв “ ^12 1(1 12 2)»
^21экв = h2\ 1(1 + h2\ 2); ^22экв = ^22 2-
С учетом коэффициента деления v = RK/(RK +
+ h i! 2) имеем аналогично схеме Дарлингтона
^21экву- ^21 1(1 + v^21 2)-
Сопротивление шунтов R3 и RK — единицы ки-
лоом для маломощных транзисторов и сотни ом
— для мощных; коэффициент деления v ~ 0.5 и
усиление тока снижается шунтом менее, чем
вдвое. Недостаток обеих схем (Дарлингтона и
«парадоксной») — увеличенная внутренняя
ОС с коэффициентом h 12эКв> которая может вы-
звать неустойчивость усиления.
Пару транзисторов ОЭ—ОБ или ОИ—ОЗ
(Рис. 24.23, л, б) оригинально называют кас-
кодной парой. От пар Дарлингтона и «пара-
доксной» она выгодно отличается существен-
ным (на порядок) уменьшением внутренней
ОС (см. ст. 24.15) при сохранении значений ос-
новных показателей каскада — К, ZBX, ZBbIX
одиночного транзистора с ОЭ. Слабое влияние
емкости СКБ коллекторного перехода VT2 на
верхнюю частоту /в и устойчивость объясняет-
ся нагрузкой первого транзистора с ОЭ низко-
омным входом второго транзистора с ОБ и «за-
землением» базы VT2.
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
675
24.3. ВКЛЮЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРА В КАСКАДЕ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА
Эквивалентные параметры каскодной пары
следующие:
1экв — АпъГ, 2экв ^12.1^22.1/^21.Ь
^21экв=^21 1^212/(1 +^21.2)> ^21экв =^21.Ь
^22экв = ^12.Ь ^22экв = ^22.2
Входное сопротивление пары определяется
первым транзистором, выходное — вторым;
проводимость обратной передачи уменьшена в
^22.1/^21.1 раз; коэффициент усиления тока оп-
ределяется первым транзистором. Частота fB
полюса зависимости Ке (J) определяется Zr и
параметрами транзистора ее находят по
формуле для БТ с ОЭ при RH = Rbx^t2 —> 0 (вто-
рой транзистор с ОБ).
Показатели каскодного усилителя на бипо-
лярных транзисторах с ОЭ—ОБ (Рис. 24.23, а)
такие. Входное и выходное сопротивления
^вх = ^вхОЭ = h\j II Т?Б,
^вых = -^выхОБ = Rh II (l/^22b)>
где символ II означает параллельное соедине-
ние элементов.
Коэффициенты усиления напряжения и тока
Х = ХОБ= ^21Б^н/ (^ПбИ *б),
~ ^ЧОЭ^ЧОБ ~ ^21 •
Для каскодной пары в селективном каскаде,
показанном на Рис. 24.37, сопротивление
^Б = ^Б1 II ^Б2-
Показатели «каскодного» усилителя на поле-
вых транзисторах с ОИ—ОЗ (Рис. 24.23, 6) сле-
дующие. Входное и выходное сопротивления
^вх = ^вхОИ = *з,
^вых — -^выхОЗ — ^СИ II
Коэффициент передачи напряжения
К = Коз = (1 + ц)7?н / |?си + Ян + Яг(1 + Не-
очевидно, что Каскодное включение тран-
зисторов дает лишь одно, но значительное пре-
имущество в сравнении с одиночным транзис-
тором — малую обратную передачу (У12) бла-
годаря нулевому потенциалу базы (затвора)
транзистора VT2 и, как следствие, — повышен-
ную устойчивость. Поэтому его широко при-
меняют в селективных каскадах с большим
усилением (см. ст. 17.29, 17.30).
Составные транзисторы часто применяют
в ИМС: схемы 24 вариантов С. т. — см. [5].
24.4. ДЕТЕКТОР AM СИГНАЛОВ —
устройство, предназначенное для получе-
ния выходного напряжения, повторяющего
закон амплитудной модуляции входного
сигнала, т.е. выделения содержащегося в
сигнале сообщения. Эта операция может
быть реализована при использовании либо
цепей с периодически изменяющимися па-
раметрами (синхронный детектор — см. ст.
17.7), либо нелинейного элемента. Послед-
нее значительно проще, и поэтому детекто-
ры с НЭ получили повсеместное распрост-
ранение — см. обобщенную структурную
схему на Рис. 24.24, а.
На Рис. 24.24, б изображен тонально моду-
лированный входной сигнал wBX(0 = /7ВХ mSincoz =
= С7то(1 + wsinQOsinatf- Вследствие нелинейно-
сти АД входной и выходной токи в общем слу-
чае являются суммами постоянной и гармони-
ческих составляющих:
*вх(0 = /вх- ~*"^bxw1 sin(ttt+0i) +
+^bxw2 sin(2ar+02)+...;
/вых (0 = ^вых- + 4ых т\ sin(Otf + Y1) +
(2)
~*"^вых т2 sin(2ttt +У2) "*"••• •
Постоянная составляющая выходного тока (2)
повторяет закон модуляции входного сигнала
/вых - = /-о + 42mSin(Qz + \|/), выделяемый на на-
грузке, которая является ФНЧ, т.е.
^ВЫХ- ~ ^ВЫХ-^Н -О“*"^вых(^) “ (У)
= U_v+U&n sin(Qr + (p).
Аналогично может быть выделен и более
сложный закон модуляции.
Основное требование к АД — правиль-
ность воспроизведения закона модуляции, что
определяется формой детекторной характери-
стики (ДХ) — зависимости выходного напря-
жения от параметра, несущего информацию,
— амплитуды входного сигнала t/BbIX(t7BXm) —
см. Рис. 24.25, а. Нелинейные искажения оце-
нивают с помощью коэффициента гармоник
^Г “ ^2О.т ^3Q.m + ••• ГДС
U3Slm — амплитуды гармоник частоты модуля-
ции. Эффективность детектирования опреде-
ляется коэффициентом передачи детектора,
равным крутизне ДХ:
676
РАДИОТЕХНИКА
24.4. ДЕТЕКТОРАМ СИГНАЛОВ
_ _ ^^ВЫХ
Д ДХ JTТ АТт
ddJВХ m вх m
При детектировании немодулированного сигнала
Хд = (LLo/Umo), при гармонической модуляции Кд =
^W(^^4o)- АЧХ Ka(F) и ФЧХ q(F) амплитудного
детектора определяются комплексностью нагруз-
ки Z^. Неравномерность АЧХ достигает наиболь-
шего значения (0.5.. .2)дБ на верхней частоте мо-
дуляции Fmax. Поскольку ухо не реагирует на фазо-
вые соотношения, для приемников звуковых про-
грамм они не нормируются. Влияние АД на по-
следний каскад УПЧ учитывают входной проводи-
мостью ^ВХЛ 1/^ВХ.Д — 1/^ВХ.Д
На выходе АД существует остаточное напряже-
ние, обусловленное ВЧ компонентами выходно-
го тока (2), которое может перегружать УЗЧ и
понижать устойчивость из-за образования ОС
по промежуточной частоте. Поэтому задают ко-
эффициент фильтрации £ф.д = =
50... 100, где t7BbIxwl = /вых/и1| /н|. При детектиро-
вании радиоимпульсов выходное напряжение
искажается, как показано на Рис. 24.25, б. Чтобы
сохранить информацию о времени прихода или
длительности импульса, необходимо обеспечить
неравенства туст < тусттз, тсп < ^сптз-
Амплитудный детектор диодный — АД,
где в качестве НЭ используется диод, чаще все-
го полупроводниковый. Такие детекторы полу-
чили наибольшее распространение как про-
стые, экономичные и вносящие минимум нели-
нейных искажений при максимальном динами-
ческом диапазоне. Схема простого амплитуд-
ного диодного детектора последовательного
типа изображена на Рис. 24.26, а, где RnCn —
нагрузка детектора, ЯвхУЗЧ—входное сопротив-
ление УЗЧ. Для устранения неинформативной
постоянной составляющей выходного напряже-
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
677
24.4. ДЕТЕКТОР AM СИГНАЛОВ
ния (3) используют разделительный конденса-
тор Ср. Тип диода VD выбирают по наибольше-
му произведению 57?обр, где 5 — крутизна ВАХ
диода в заданном диапазоне рабочих частот.
Для увеличения коэффициента передачи детек-
тора необходимо выбрать как можно большее
значение Rw которое ограничивается нормой
частотных и нелинейных искажений. Как пра-
вило, в транзисторных приемниках принимают
7?н = (2...5)7?вхУЗЧ. Выбор Сн определяется тре-
бованиями к эффективности детектирования
(Сн > 10Сд, где Сд— емкость диода) и фильтра-
ции ВЧ напряжения (1/соПчСн « RWY При этом
учитывают условие отсутствия частотных и не-
линейных искажений, обусловленных инерци-
онностью нагрузки (см. ст. 17.7). Влияние раз-
делительной цепи приводит к различию нагру-
зок детектора по постоянному и переменному
токам 7?н — 7?н, — ^н^вхузч/(^н + ^вхузч) и
возникновению нелинейных искажений. Поэто-
му необходимо уменьшать это различие. По-
скольку сопротивление 7?вхУЗЧ достаточно мало,
выполнение условия RH~ —> 7?н_ задает малое со-
противление 7?н, что, в свою очередь, уменьша-
ет сопротивление 7?вх д » 7?н/2, а это приводит к
шунтированию последнего контура УПЧ, не да-
вая возможности развить достаточно большое
напряжение ид. Как следствие, возникают не-
линейные искажения, обусловленные работой
на нелинейном участке детекторной характери-
стики (см. ст. 17.7). Из-за приведенных причин
схема Рис. 24.26, а не обеспечивает высокого
качества детектирования и применяется в про-
стейших приемниках.
Схема амплитудного детектора диодно-
го последовательного типа с разделенной на-
грузкой (Рис. 24.26, б) дает возможность из-
бежать указанных недостатков благодаря
лучшему согласованию АД с низкоомным
входом УЗЧ. Поскольку последний шунтиру-
ет только часть нагрузки, могут быть увели-
чены 7?н, 7?вх д и уменьшены нелинейные ис-
кажения. Цепь Т?н]Сн2 улучшает фильтрацию
колебаний ПЧ.
Схему амплитудного детектора диодного
параллельного типа (Рис. 24.26, в) применяют
тогда, когда источник сигнала находится под
постоянным напряжением или постоянная со-
ставляющая выпрямленного тока не должна
проходить через контур УПЧ. Схема отличает-
ся от предыдущей тем, что источник сигнала,
диод и нагрузка включены параллельно. К на-
грузке приложено все ВЧ напряжение, для ее
фильтрации необходимо дополнительное зве-
но ЯфСф. Входное сопротивление детектора па-
раллельного типа 7?вх д ниже, чем детектора по-
следовательного типа. Такой детектор исполь-
зуют в схемах АРУ.
В случае работы АД на относительно низ-
кой НсЧ при широкой полосе модулирующих
частот возникают трудности разделения спект-
ров сигнала и модуляции. Для их устранения
используют амплитудный детектор диодный
двухтактный (Рис. 24.26, г), в котором диоды
работают поочередно. При этом фильтрация
ВЧ составляющих улучшается благодаря тому,
что частота пульсации удваивается, а нечетные
гармоники токов /Д1 и /д2 компенсируются.
Вследствие последовательного соединения ди-
одов значение RBX д в четыре раза больше, чем
в однотактном АД. Двухтактный АД имеет уд-
военный коэффициент усиления и точнее ото-
бражает огибающую сигнала.
Чаще всего А. д. д. используют как совме-
щенный детектор сигнала и АРУ, типовая схе-
ма которого приведена на Рис. 17.6, а. Посто-
янную составляющую выпрямленного напря-
жения U_q (3), пропорциональную уровню
входного сигнала, используют как управляю-
щее напряжение для АРУ и оптической инди-
678
РАДИОТЕХНИКА
24.5. ДЕТЕКТОР ФМ СИГНАЛОВ
кации настройки. Для устранения НЧ компо-
нентов выходного напряжения в цепь управле-
ния вводят ФНЧ ЯдруСдру с большой постоян-
ной времени.
Амплитудный детектор в интегральном
исполнении — см. ст. 17.7.
Амплитудный детектор квадратичный —
см. ст. 17.7.
Амплитудный детектор приемников им-
пульсных сигналов — см. ст. 17.7.
Амплитудный детектор синхронный —
см. ст. 17.7.
Амплитудный детектор транзисторный
— амплитудный детектор, НЭ которого являет-
ся транзистор. В сравнении с диодными такие
детекторы позволяют выиграть в коэффициен-
те передачи (АГД >1), работают при меньших
уровнях входного сигнала и при использова-
нии в схеме совмещенного детектора дают уси-
ленное АРУ. По основным качественным пока-
зателям А. д. т. хуже, чем диодные, из-за низ-
ких входного и выходного сопротивлений и
значительных нелинейных искажений. Они
широко используются в ИС, переносных и ма-
логабаритных приемниках. На Рис. 24.27 изоб-
ражена схема распространенного транзистор-
ного коллекторного детектора, совмещенного
с детектором АРУ. Схема аналогична схеме
усилительного каскада, различие состоит в ре-
жиме транзистора по постоянному току, кото-
рый обеспечивает нелинейность коллекторно-
базовой характеристики zK = ф(ЕБэ)> и характе-
ре нагрузки, работающей как ФНЧ. Емкость
блокирующих конденсаторов выбирают, исхо-
дя из условия Шт1ПСБ « ЯБ2, l/^minC3 « ЯЭ-
Коэффициент гармоник коллекторного детек-
тора достигает 5... 10%; для его уменьшения
дополнительно используют нелинейность ба-
зовой характеристики /Б = 'Р(Ебэ) — транзис-
торный коллекторно-базовый детектор. Для
этого резистор ЕБ2 деблокируют по частотам
модуляции 1/сОпчСб « ЯБ2 < <1/^тахСБ, вслед-
ствие чего на нем выделяются НЧ компоненты
базового тока. Поскольку детекторные эффек-
ты в коллекторной и базовой цепях транзисто-
ра по своему действию на коллекторный ток
противоположны, обратное базовое детектиро-
вание уменьшает нелинейные искажения.
Транзисторный эмиттерный детектор при-
меняют, если необходимо уменьшить шунтирую-
щее действие детектора на последний контур
УПЧ и обеспечить согласование с низкоомным
входом УЗЧ. Схема аналогична схеме Рис. 24.27
с той разницей, что коллектор заземлен по НЧ и
ВЧ, а выходное напряжение снимают с эмиттер-
ного звена параметры которого выбирают
ИЗ условия 1/СОпчСэ « Лэ << 1/^тахСэ- ЭМИТ-
терный детектор обеспечивает минимальные
для А. д. т. нелинейные искажения и отсутствие
перегрузок по входному сигналу. При переходе
от коллекторного к коллекторно-базовому и
эмиттерному транзисторным детекторам коэф-
фициент передачи уменьшается.
Амплитудный детектор шумовых сигна-
лов — см. ст. 17.7.
Детектирование в режиме сильных сиг-
налов — см. ст. 17.7.
Детектирование в режиме слабых сигна-
лов — см. ст. 17.7.
Нелинейные искажения при детектиро-
вании AM сигналов — см. ст. 17.7.
24.5. ДЕТЕКТОР ФМ СИГНАЛОВ —
устройство, предназначенное для получения
выходного напряжения, пропорционального
разности фаз сигнала мвх1 = C/w]cos(cO]/ + Ф1) и
опорного колебания мвх2 = C/w2cos(co2r + Фг)-
ФД применяют в фазометрических устройст-
вах, системах фазовой АПЧ, при детектирова-
нии сигналов с ФМ и ФМн, в коррелометрах.
ФД — это шестиполюсник (Рис. 24.28, а), ко-
торый имеет два входа и один выход, причем
^вых — Kq Um 1 Еш2СО8ф, (1)
где ф = (со! - со2)Г + (ф1 - ф2).
В зависимости от соотношения частот СО] и со2
различают два режима: СО] = со2, ф = ф] - ф2 (фа-
зометрия) и СО] Ф со2, ф1 = ф2, ф = («ц - со2)Г (си-
стемы автоподстройки).
Из выражения (1) следует, что ФД так же,
как и ПрЧ, является перемножителем. Разли-
чие между ними состоит в том, что в ПрЧ вы-
деление выходного сигнала осуществляет
ПФ, а в ФД — ФНЧ. Поэтому для ФД можно
использовать все виды ПрЧ, которые рассмо-
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
679
24.5. ДЕТЕКТОР ФМ СИГНАЛОВ
трены в ст. 24.19, при условии замены в вы-
ходной цепи ПФ на ФНЧ. По типу перемно-
жителей различают векторомерные ФД, клю-
чевые ФД и ФД на аналоговых перемножите-
лях. Из выражения (1) следует, что выходное
напряжение ФД зависит как от фазового сдви-
га ср, так и от амплитуд входных сигналов Um\
и Um2i т.е. детектор является амплитудно-фазо-
вым. Для перехода к ФД необходимо, как и в
ЧД, применить ограничитель амплитуды ОА,
внешний или внутренний. Структурная схема
векторомерного ФД с внешним ОА приведена
на Рис. 24.28, б, где ПВМ — преобразователь
вида модуляции.
Основной характеристикой ФД является за-
висимость (7ВЬ1Х от разности фаз сигнала и опор-
ного напряжения (Рис. 24.28, в). Особенностью
детекторной характеристики (ДХ) ФД является
ее периодичность. К основному параметру ФД
относят крутизну ДХ 5дх =
д^вых
Эф
И КОЭф-
тах
фициент передачи Кфд = С/ВЬ1Х m/UmX.
Фазовый детектор с аналоговым пере-
множителем — ФД, реализующий формулу (1)
с помощью перемножителя. Его структурная
схема (Рис. 24.29, а) аналогична рассматривае-
мой далее схеме частотно-фазового детектора с
аналоговым перемножителем (см. ст. 24.6).
Фазовый детектор векторомерный —
ФД, у которого фазовый сдвиг входных сигна-
лов wBX1 и wBx2 преобразуется в амплитудную
модуляцию ВЧ напряжений (векторов) Ui и С7П,
поступающих на АД (Рис. 24.29, б, в). По типу
преобразователя вида модуляции различают
однотактный, балансный и кольцевой ФД, по-
строенные аналогично соответствующим схе-
мам ПрЧ. Схема самого распространенного ба-
лансного ФД и его векторная диаграмма пока-
заны на Рис. 24.29, б, в, где ФСТ — фазосдви-
гающий трансформатор. Кольцевой ФД может
рассматриваться как соединение двух баланс-
ных, работающих на одну нагрузку.
Фазовый детектор ключевой — ФД, вход-
ные сигналы которого коммутируют два УПТ,
работающих в ключевом режиме. При этом час-
тота и фаза коммутации УПТ! и УПТ2 совпада-
680
РАДИОТЕХНИКА
24.6. ДЕТЕКТОР ЧМ СИГНАЛОВ
ют с частотами и фазами wBX1 и wBx2 соответст-
венно. Формирование импульсов постоянного
тока происходит так, что после их интегрирова-
ния выходное напряжение детектора оказывает-
ся пропорциональным фазовому сдвигу (р.
24.6. ДЕТЕКТОР ЧМ СИГНАЛОВ —
устройство, предназначенное для получения
выходного напряжения, повторяющего закон
ЧМ входного сигнала (см. ст. 17.8). К основ-
ным требованиям, предъявляемым к ЧД, от-
носят верность воспроизведения закона мо-
дуляции, которую оценивают коэффициен-
том гармоник кг = 0.2...2%. В первом при-
ближении малый коэффициент кг может быть
получен, если зависимость выходного напря-
жения от несущей частоты немодулирован-
ного входного сигнала {7Вых(Л), называемая
статической детекторной характеристи-
кой (СДХ/ является линейной в центральной
области /о ± Д/mmax (Рис. 24.30, кривая 1, 4),
где f0 — частота, соответствующая нулю
СДХ, A/wmax — максимальная девиация часто-
ты входного сигнала. Полоса частот, отвечаю-
щая линейному участку СДХ, Плин ~ 0.5Пр,
где Пр — раствор (полоса частот между экс-
тремальными точками) СДХ. В нижней части
Рис. 24.30 представлен закон изменения час-
тоты сигнала при гармонической модуляции с
частотой F и точной настройке, когда /н = f0.
Нелинейность СДХ в пределах максимальной
девиации частоты сигнала вносит существен-
ные нелинейные искажения с kr = U3^m/Uam
(см. кривую 2 на Рис. 24.30). Эффективность
детектирования определяют крутизной СДХ в
линейной области
^сдх -
^^вых
~ А^выхО
/о~ Д/
Крутизна 5Сдх пропорциональна уровню
входного сигнала (см. кривую 3 на Рис. 24.30,
построенную для £7вх3 = 2£7вх1), поэтому при
снятии СДХ следует обязательно указывать
уровень входного сигнала. Для нормирован-
ной оценки используют коэффициент переда-
чи частотного детектора Хчд = U3blx СТ/Ц^Х =
=^Utb^Um=U^m/V2Um=SCWi^mjV2Um,
где стандартная девиация частоты входного
сигнала A/w ст = О.ЗД/, тах (для радиовещания
максимальная девиация частоты равна 50
кГц), U3X — эффективное значение входного
сигнала.
Подавление AM входного сигнала оцени-
вают уровнем остаточного выходного напря-
жения, обусловленного AM. Зависимость
этого напряжения от НсЧ входного AM сиг-
нала изыхдм(/н) называют характеристикой
подавления AM (ХПАМ) — см. Рис. 24.31,
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
681
24.6. ДЕТЕКТОР ЧМ СИГНАЛОВ
где ДрД — дробный детектор, ЧДС — час-
тотный дискриминатор. При этом в качестве
коэффициента подавления AM принимают
отношение подавления в наихудшей точке
полосы 2A/W
^вых ст^выхАМ
max
или среднее подавление в полосе 2A/W:
п
Я МЛ ^вых ст /( А'вых AM I ) /
/=1
где С^выхам/ — отсчеты ХПАМ, взятые через
одинаковые частотные интервалы А/J; п — чис-
ло отсчетов; иъых ст — стандартное выходное
напряжение ЧМ сигнала.
Для ЧД высококачественных радиовеща-
тельных приемников и приемников РРЛ связи
малые нелинейные искажения являются основ-
ным требованием. Для ЧД, применяемых в си-
стемах АПЧ, главное требование — высокая
крутизна СДХ.
Детектирование ЧМ сигналов выполняют в
два этапа: первичное преобразование вида мо-
дуляции (ПВМ) к виду, удобному для детекти-
рования, далее — собственно детектирование.
Классификационная схема и сравнительный
анализ четырех основных групп ЧД (частотно-
амплитудные, частотно-фазовые, частотно-им-
пульсные, на базе ФАПЧ) даны в ст. 17.8; свой-
ства ЧМ сигналов, особенности их приема и
обработки рассматриваются в ст. 17.19.
Частотный детектор на базе ФАПЧ —
частотный детектор, построенный по структу-
ре фазовой АПЧ: на сигнальный вход ФД по-
ступает ЧМ сигнал, на опорный — напряже-
ние управляемого гетеродина/г; в зависимости
от разности их фаз ФД вырабатывает сигнал
ошибки, который фильтруется ФНЧ, усилива-
ется УПТ и управляет частотой гетеродина так,
чтобы обеспечить равенство/г =fc. Это управ-
ляющее напряжение и используют как выход-
ное напряжение ЧД ФАПЧ. Для качественной
работы ЧД необходимо выполнить два усло-
вия: ФД должен работать как неискажающий
перемножитель напряжения, а частота управ-
ляемого генератора должна изменяться строго
пропорционально значению управляющего на-
пряжения. Преимущества такого ЧД: большой
коэффициент передачи и дополнительная из-
бирательность, недостатки — значительные
нелинейные искажения. ЧД ФАПЧ, как прави-
ло, реализуют на ИС.
Частотный детектор частотно-ампли-
тудный — частотный детектор, в преобразова-
теле вида модуляции (ПВМ) которого ЧМ пре-
образуется в AM с дальнейшим амплитудным
детектированием.
ЧД с асимметричной статической детек-
торной характеристикой (СДХ— см. класси-
фикационную схему в ст. 17.8) может быть ре-
ализован как ЧД с активным ЯС-фильтром,
ЧД с дифференцированием и ЧД с одиночным
расстроенным контуром. Последний по схе-
ме не отличается от АД (см. Рис. 24.26, а).
При этом НсЧ ЧМ сигнала настраивают на
спад резонансной характеристики контура
LKCK Ф/о), которая и является асимметрич-
ной СДХ: при изменении частоты сигнала из-
меняется амплитуда ВЧ напряжения UK(fc),
которое поступает на АД. ЧД с одиночным
расстроенным контуром — наиболее простая
и наименее качественная схема ЧД (кг дости-
гает 10... 20%).
Частотный дискриминатор (ЧДс) — ча-
стотно-амплитудный дифференциальный (ба-
лансный) частотный детектор с симметрич-
ной 5-образной СДХ, в ступени амплитудно-
го детектирования которого использовано
встречное включение вентилей. По типу
ПВМ различают ЧДс: с одиночными расстро-
енными контурами, ЧДс на основе монолит-
ных пьезоэлектрических фильтров; со свя-
занными настроенными контурами. Принци-
пиальная схема последнего как наиболее рас-
пространенного показана на Рис. 24.32, а.
Преобразование вида модуляции осуществ-
ляется в фазосдвигающем трансформаторе
ФСТ, который содержит два настроенных
контура (/о! = /о2 = /о) и звено выделения
опорного напряжения (со£др » 1/соСсв).
682
РАДИОТЕХНИКА
24.6. ДЕТЕКТОР ЧМ СИГНАЛОВ
Выходные напряжения ПВМ формируют
как суммы опорного напряжения U3
и напряжения на половинах вторичного конту-
ра, фазовый сдвиг между которыми пропорци-
онален частоте входного сигнала:
С?! =С73 + С/' /2; ии=и3 + и2 /2. (1)
Вследствие этого модули выходных напряже-
ний ПВМ и С/п изменяются в зависимости
от частоты fc так, как изображено на Рис.
24.32, б. Амплитудное детектирование выпол-
няют диоды VDX и VD2, каждый из которых
имеет свою цепь как по ВЧ, так и по постоян-
ному току, т.е. детекторную систему можно
рассматривать как два отдельных АД с одина-
ковыми и постоянными углами отсечки:
U_x = ^cosO; U_2 = {7ncos9;
91 = 62 = ^Зя/S4T?H1 2
Вследствие встречного включения диодов СДХ
формируется как разность С/вых = - U_2 и
образует S-кривую. ЧДс применяют в профес-
сиональных приемниках в совокупности с ог-
раничителем амплитуды.
Дробный детектор (ДрД) — частотно-амп-
литудный дифференциальный частотный детек-
тор с симметричной S-образной СДХ, в ступени
амплитудного детектирования которого исполь-
зовано последовательное включение вентилей
при большой (относительно периода AM) по-
стоянной времени нагрузочной цепи. Различа-
ют схемы несимметричного и симметричного
ДрД, последняя показана на Рис. 24.33. ПВМ
ДрД отличается от ПВМ ЧДс только тем, что
вместо цепи формирования опорного напряже-
ния ЛдрСсв использована согласующая катушка
£3. Это обусловлено относительно малым со-
противлением нагрузки 7?н] + Т?н2, что необхо-
димо для эффективного подавления AM. При
этом опорное напряжение С/3, синфазное на-
пряжению формируется на катушке Z3,
связь которой с катушкой L} близка к стопро-
центной, вследствие чего выполняется уравне-
ние (1). Зависимости UU\(fc - /о) изображены
на Рис. 24.32, б, откуда следует, что, как и в
ЧДс, изменение частоты входного сигнала вы-
зывает изменение амплитуд ВЧ напряжений,
поступающих на детекторную систему. По-
следняя принципиально отличается от детек-
торной системы ЧДс тем, что в ДрД каждый
диод имеет свою отдельную цепь по ВЧ (VDX
— АВ FA, VD2 — СНВС) и одновременно свя-
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
683
24.6. ДЕТЕКТОР ЧМ СИГНАЛОВ
зан общей цепью протекания постоянного тока
(ACHNMFA). Поэтому при расстройке частоты
входного сигнала^ Ф когда Ц * Un, выпрям-
ленные напряжения, приложенные к вентилям,
должны быть неравными, причем неравными
таким образом, чтобы обеспечить в обоих дио-
дах протекание одинаковой постоянной состав-
ляющей тока Ft = I_2 = L. Очевидно, что при
этом большему ВЧ напряжению > Un должно
соответствовать большее смещение U_} > U_2,
т.е. зависимости выпрямленных напряжений от
частоты входного сигнала CLiи U_2tfc-fo)
в основном повторяют зависимости , показанные
на Рис. 24.32, б. Вследствие изменения точки съе-
ма выходного напряжения U3MX = 0.5(£7_j - СС2).
Из изложенного следует, что СДХ ДрД, как и
СДХ ЧДс, имеет характерную S-образную
форму.
В отличие от ЧДс ДрД подавляет AM вход-
ного сигнала в полосе частот (см. Рис. 24.31).
Упрощенное объяснение этого эффекта заклю-
чается в том, что при изменении уровня вход-
ного сигнала вследствие большой постоянной
времени нагрузочной цепи тн = CH(RH} + Т?н2)
напряжение нагрузки LL остается постоянным.
В то же время ВЧ напряжения на выходе ФСТ
изменяются в соответствии с AM входного
сигнала. Рассмотрим случай возрастания U3X
(AM «вверх»). При этом напряжения Ui и С7ц,
приложенные к диодам, возрастают, что обуслав-
ливает увеличение тока, протекающего через на-
грузку. Это адекватно уменьшению эквивалент-
ного сопротивления Ru экв = UJL = const//,. По-
следнее вызывает соответствующее уменьше-
ние входных сопротивлений АД и добротнос-
тей контуров, что снижает усилительные свой-
ства схемы и препятствует увеличению выход-
ного напряжения. При уменьшении U3X имеет
место обратная картина. В действительности
процесс подавления AM в ДрД значительно
сложнее (см. [6]), что требует применения под-
строечных резисторов 7?д1 и Т?д2, не зашунтиро-
ванных конденсатором нагрузки Сн.
Частотный детектор частотно-импульс-
ный — частотный детектор счетного типа, вы-
ходное напряжение которого является функци-
ей числа импульсов, поступающих на выход в
единицу времени. Содержит ограничитель
амплитуды, преобразующий ЧМ сигнал в пря-
моугольные импульсы, которые потом диффе-
ренцируются и преобразуются в счетные им-
пульсы одинаковой формы и длительности,
число которых пропорционально частоте вход-
ного сигнала. Их подсчет (интегрирование)
выполняется при помощи ФНЧ. ЧД ч.-и. обес-
печивает малые нелинейные искажения и шу-
мы, хорошо согласуется с интегральной техно-
логией. Его реализация встречает трудности
при работе на высоких ПЧ.
Частотный детектор частотно-фазовый —
частотный детектор, в преобразователе вида мо-
дуляции которого ЧМ сначала преобразуется в
ФМ с последующим фазовым детектированием.
На Рис. 2434, а показана структура ЧД ч.-ф., вы-
полненного на ИС DA ]. В качестве фазосдвигаю-
щей цепи использован контур ФСК, а в качестве
ФД — схема совпадения СС. Структура содер-
жит усилитель-ограничитель амплитуды УОА,
после которого сигнал поступает на СС и
ФСК (£к, Ск, шунтирующий резистор 7?ш); фазо-
частотная характеристика ФСК показана на
Рис. 2434, б. Ток в нагрузке СС протекает толь-
ко в случае совпадения полярностей напряжений
Ux и U2, при этом на нагрузке образуются прямо-
угольные импульсы Uu длительностью b со сред-
ним значением определяющимся фазо-
вым сдвигом (р(/с), который в пределах линей-
ного отрезка ФЧХ повторяет закон ЧМ вход-
ного сигнала (Рис. 2434, в). Выходное напря-
жение С/Н(Г) формируется ФНЧ. ЧД ч.-ф. получи-
684
РАДИОТЕХНИКА
24.8. КАСКАД ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ (СЕЛЕКТИВНЫЙ)
ли большое распространение, поскольку они хо-
рошо согласуются с интегральной технологией и
просты в регулировке; их классификационная
схема рассмотрена в ст. 17.8.
24.7. КАСКАД АНАЛОГОВОЙ ОБРА-
БОТКИ СИГНАЛА — минимальная часть
аналогового электронного устройства (см. ст.
24.24), которая обладает его основными функ-
циями и обеспечивает часть количественных
показателей; содержит активные и пассивные
элементы. Различают одно- и двухтактные кас-
кады. Первые содержат одно плечо и усилива-
ют сигнал на протяжении всего периода; вто-
рые имеют два плеча, каждое из которых выда-
ет ненулевой выходной ток в течение той части
периода сигнала, которую задает выбранный
режим работы транзистора или другого АЭ.
Однотактные каскады — несимметрич-
ные: один из входных и один из выходных за-
жимов соединены с общим проводом. Двух-
тактные каскады симметричны относительно
общего провода, содержат два АЭ, которые ра-
ботают поочередно на общую нагрузку; выход-
ные токи обоих плеч одинаковы, но противопо-
ложного направления (см., например, ст. 24.9).
В симметричных каскадах осуществляют пере-
дачу двух одинаковых по уровню, но противо-
фазных (относительно нулевого потенциала
общего провода) сигналов, следовательно,
симметричные цепи — трехпроводные. По-
скольку многокаскадный усилитель может со-
четать одно- и двухтактные каскады, возможны
четыре разновидности цепей межкаскадной
связи — ЦМС (Рис. 24.35). В качестве ЦМС
применяют непосредственные (гальваничес-
кие) соединения, резисторно-емкостные, дрос-
сельные, трансформаторные и автотрансформа-
торные пассивные цепи, а также парафазный
усилительный каскад (см. ст. 24.13) — переход-
ный от несимметричной к симметричной цепи
(см. также ст. 24.24).
24.8. КАСКАД ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ (СЕ-
ЛЕКТИВНЫЙ) — каскад (см. ст. 24.7), кото-
рый содержит активные элементы — невзаим-
ные (транзистор, ИМС) или взаимные двухпо-
люсные (ТД, варикап), а также селективный
частотный фильтр (одноконтурный или много-
звенный) в качестве полезной нагрузки и одно-
временно в качестве цепи межкаскадной связи
со следующим АЭ (см. Рис. 24.98). Связь
фильтра с АЭ может быть индуктивной, емко-
стной, комбинированной — непосредственной
или через согласующие звенья. По форме АЧХ
различают каскады узкополосные и широкопо-
лосные, с пологим либо с крутым переходным
участком АЧХ в окрестности резонанса, т.е. с
незначительной или с высокой прямоугольнос-
тью. В последних применяют LC- и акустоэле-
ктронные фильтры сосредоточенной селекции:
пьезоэлектрические, пьезокерамические, элек-
тромеханические и фильтры на ПАВ. Микро-
полосковые резонансные линии, объемные и
коаксиальные резонаторы с распределенными
параметрами применяют на СВЧ (см. гл. 11).
Классификацию и параметры селективных
усилителей для умеренно высоких частот —
см. ст. 24.24, для радиоприемников — см.
ст. 17.29, 17.30, параметры активных RС-филь-
тров с ОУ для f< 10 МГц — см. ст. 24.2.
Каскад с настроенным £С-контуром —
простое базовое звено селективного усилителя,
состоящее из активного элемента и одиночного
резонансного контура (ОРК) с изменяющейся
или фиксированной настройкой. Последователь-
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
685
24.8. КАСКАД ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ (СЕЛЕКТИВНЫЙ)
ный с сигналом способ питания каскада путем
подачи смещения на базу БТ VT (Рис. 24.36) че-
рез катушку связи Гсв лучше параллельного
(VI\9 Рис. 24.37), в котором проводимость де-
лителя (7д = (Т?Б1 + Т?Б2) /(КБ]Т?Б2) вместе с вход-
ной проводимостью (7и БТ шунтирует источ-
ник сигнала (7ВХ. Контуры LC к транзисторам
обеих схем подключены частично, чтобы со-
гласовать выходное сопротивление транзисто-
ра с сопротивлением 7?Оэкв контура, обеспечить
нужную добротность £экв, уменьшить влияние
входной, выходной и проходной проводимос-
тей БТ на АЧХ, обеспечить устойчивость уси-
ления, снизить шумы. Оба коэффициента
включения контуров — пх = UfK/UK и п2 =
^вых/^к — после расчетов выбирают компро-
миссно, исходя из требований устойчивости,
реальной чувствительности, селективности,
ослабления на краях полосы пропускания и
т.п. (см. ст. 17.29, 17.30). Каскад с ОЭ имеет
умеренные входное и выходное сопротивления
и большое усиление мощности при устойчиво-
сти, ограниченной внутренней ОС через ем-
кость обратной передачи СКб (см. ст. 24.3 и
24.12). Каскад с ОБ (ОЗ) применяют на повы-
шенных частотах, где его преимущества обус-
ловлены малой внутренней ОС (см. ст. 24.3 и
24.10). При электронной настройке варикапа-
ми (см. ст. 17.30) емкость контура и частота ре-
зонанса зависят от управляющего напряжения
^упр ИЛИ С/уПр.
Каскодная пара (см. Рис. 24.37) применяется
для получения большого и устойчивого усиления
(см. ст. 24.3). При идентичных транзисторах па-
ры ее обратная проводимость У12экв= У12У22/У21
на один-два порядка меньше, чем у каскада с ОЭ
(ОИ); поэтому нейтрализацию внутренней емко-
сти обратной передачи СКБ мостовыми баланс-
ными цепями [6] не применяют. Входную прово-
димость задает транзистор Vl\ (ОЭ), а выходная
проводимость Уггэкв^ У12 очень мала, из-за чего
можно напрямую соединять коллектор БТ с кон-
туром (коэффициент включения «1 = 1). Усиление
напряжения осуществляет транзистор VT2 (ОБ):
К()экв = К02. Усиление мощности = КР} =
= (7вх2/(7вх1 и коэффициент шума Шэкв = +
+ (Ш2- 1)/КР1» LUj определяются транзистором
VTX (ОЭ). Блокировочные конденсаторы — ба-
зовый Сбл совместно с эмиттерным Сэ—созда-
ют прямой путь управляющему переменному
току через р-и-переход транзистора VT2, без по-
терь сигнала на резисторах. Назначение режим-
ных, разделительных и блокировочных элемен-
тов — то же, что у апериодических каскадов
(см. Рис. 24.71, б). Дифференциальный каскад
(см. ст. 24.23) с резонансным контуром в качестве
полезной нагрузки обеспечивает высокое, устой-
чивое усиление на частотах до 300 МГц благода-
ря малой обратной проводимости У12 = coCi2 об-
ладает стабильностью и помехоустойчивостью;
последняя обеспечивается подавлением синфаз-
ных помех.
Показатели каскада с ОРК рассмотрим на
примере Рис. 24.36. Коэффициент передачи
сигнала на произвольной частоте:
К 4 — (7ВЫХ /Uвх = «1«2*^^0экв / V1 + Х^" •>
) ВЫА ВХ 1 Z. VJKB ’ 7
где Яоэкв = <*><Л(?экв — эквивалентное сопротив-
ление контура на резонансной частоте соо = 2т^;
бэкв = Q — добротность ненагруженного
контура; у = 1 + n2Rn-wJR22 + «г^оэкв^вхсл—
коэффициент шунтирования; 7?вхсл — сопро-
тивление следующего каскада; X = Q3KH(flfo -
- folf) — обобщенная расстройка на текущей
частоте /; R22 = \/G22 — выходное сопротивле-
ние активного элемента; S = | У211 — крутизна
его проходной характеристики.
Резонансный коэффициент усиления
Ко — Г^овых/^вх “' «1«2*^0^0 экв-
Селективность на частоте f
af = Ко/ Kf = .V'"l + X2/S,
686
РАДИОТЕХНИКА
24.8. КАСКАД ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ (СЕЛЕКТИВНЫЙ)
где 5() — крутизна проходной характеристики
транзистора на резонансной частоте. При ма-
лых расстройках (0.9 < flfo <1.1) селективность
о/ =71+(2е,квд///о)2-
где Af=/-/о — абсолютная расстройка.
Ослабление на краях полосы Па
аП -^0 /^/о±П/2 =71+(бэквПо//о)2
Селективность (подавление помехи) и ослаб-
ление на краях полосы — величины, обратные
ординате нормированной АЧХ yf = Kf I К{) =
= 5/(50Vl + Х2), т.е. cf= l/yf.
Фазочастотная характеристика каскада оп-
ределяется выражением (р(/) = arctgX.
АЧХ каскада с одиночным контуром обла-
дает низкой прямоугольностью (&прм.о 1 —> Ю,
см. ст. 24.24).
Увеличение числа каскадов при заданной по-
лосе По селективного усилителя требует умень-
шения добротности £экв контуров, например, пу-
тем увеличения коэффициентов включения п}, п2
(в каскадах на БТ и ПТ) или за счет шунтирова-
ния контуров (в каскадах на ПТ). Это не всегда
целесообразно: коэффициенты усиления отдель-
ных каскадов при этом падают, а общий коэффи-
циент усиления многокаскадного усилителя (в
децибелах) растет непропорционально числу кас-
кадов. Для расширения полосы пропускания уси-
лителя из нескольких каскадов без увеличения за-
тухания контуров можно применить их взаимную
расстройку. А для обеспечения высокого усиле-
ния и большой полосы пропускания при одновре-
менном улучшении прямоугольности доброт-
ность контуров несколько повышают (чем увели-
чивают крутизну спада АЧХ), а контуры незначи-
тельно расстраивают относительно центральной
частоты спектра сигнала и включают их в выход-
ные цепи разных транзисторов (см. ст. 17.29).
Каскад/каскады с расстроенными LC-
контурами — усилитель с распределенной се-
лективностью (см. ст. 24.24) и числом АЭ, рав-
ным числу N > 2 одиночных резонансных кон-
туров (ОРК) — Рис. 24.38, а. Усилитель дает
возможность получить более прямоугольную
АЧХ, чем от N каскадов с тем же числом АЭ и
настроенных контуров (см. ст. 17.29). Контуры
этих каскадов взаимно развязаны транзистора-
ми, независимы, их резонансные частоты зада-
ются во время проектирования усилителя, на-
пример: /о1 =/о - 44/02 =/о + 44(Рис. 24.38, б),
где Af — абсолютная фиксированная расстрой-
ка относительно центральной частоты/) спект-
ра сигнала. Полосы пропускания контуров оди-
наковые: П) = П2. В зависимости от обобщен-
ной фиксированной расстройки %ф =
= 2\fQ3K3lfQ кривая АЧХ (см. левые ветви на
Рис. 24.38, в) имеет один горб (при %ф < 1 или Хф
= 1) или два горба (при %ф > 1) с заданным про-
валом Y = К^/Кта^ (здесь Ко — коэффициент пе-
редачи на провале двугорбой АЧХ с частотой
а Ктах — на горбах с частотами /01 =
=Уо-А4Уо2=Уо+4А)- Значение%ф = 1 условно
называют критическим, АЧХ максимально плос-
кая вблизи/), провала нет. Часто применяют зна-
чение Хф = 1.41, так как при этом АЧХ достаточ-
но прямоугольная (коэффициент £прм —> 1), а ее
провал Y= 0.7. Фиксированная расстройка %ф =
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
687
24.8. КАСКАД ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ (СЕЛЕКТИВНЫЙ)
1.73 — предельно допустимая: прямоуголь-
ность АЧХ наилучшая, но есть значительный
провал (Y= 0.5), поэтому каскад с двумя расст-
роенными ОРК при Хф = 1.73 применять не ре-
комендуется. Провал АЧХ отсутствует при N =
3, причем Уоз =Уос? т.е. контур в цепи третьего
транзистора не расстраивают относительно
центральной частоты спектра сигнала.
Показатели каскада следующие. При двух
одинаковых контурах, т.е. при N = 2, 7?Оэкв1 =
= ЯОэкв2 = Яоэкв и идентичных транзисторах,
усиление звеньев на резонансе одинаковое, XOi
= KQ2, и полный коэффициент усиления
К = К}К2 = Хд/^(1 + Хф-X2)2+4Х2,
где Ктах = n{n2SRQ3K3 — резонансный коэффи-
циент усиления каждого звена; X и Хф — теку-
щая (см. предыдущую статью) и фиксирован-
ная обобщенные расстройки.
При малых расстройках (т.е. при f ->fQ и Хф
< 1) коэффициент
*тах = ^/(1 +лф;
при критической расстройке Хф = 1 коэф-
фициент
^тах = ^0/2;
при сильных расстройках Хф > 1 коэффици-
ент
^тах = ^0/2^ф
Провал АЧХ
У = Х/Хтах = 2Хф/(1 + Х%), а ее горбы на-
блюдаются при обобщенных расстройках
Лпах = =*= *Хф - 1. Предельно допустимая фик-
сированная расстройка определяется задан-
ным ослаблением оп на краях полосы пропус-
кания: Хфпред = оп + 1-
При трех (N = 3) одинаковых контурах
(Яоэкв! = Яоэкв2 = ЯоэквЗ = ^Оэкв) И ИДСНТИЧНЫХ
транзисторах коэффициенты усиления звеньев
на резонансе равны (XOi = К02 = Коз) и полный
коэффициент усиления
к=к}к2к2=К()/^[п+хф-х2)2+4х2](\+Хд2),
если третий контур настроен на частоту /Оз =
= Уос> а его текущая обобщенная расстройка
равна А^з- При Хф< 1.73 АЧХ имеет один горб,
при Хф > 1.73 — три горба, ординаты которых
одинаковы, если добротности контуров, расст-
роенных на ± Af относительно/)С, находятся в
соотношении £)экв1 = 0.5g3KB2. Рекомендован-
ное значение Лф=1.73 дает плоскую вершину
АЧХ. Все контуры звеньев трехконтурного ка-
скада взаимно развязаны и независимы.
Каскад с фильтром LC двухконтурный
— разновидность каскадов усилителя с рас-
пределенной селективностью (см. ст. 24.24).
Двухконтурный полосовой фильтр (ДПФ)
обеспечивает на одном АЭ такую же АЧХ, как
каскады на двух АЭ с двумя взаимно расстро-
енными контурами (см. предыдущую статью).
Полезной нагрузкой и цепью межкаскадной
связи (см. ст. 24.7) является ДПФ, состоящий
из двух настроенных на одну частоту электри-
чески связанных (а не развязанных, как ранее)
контуров (Рис. 24.39). Произведение доброт-
ности на коэффициент связи Т|св = kC3Q назы-
вают обобщенным параметром связи. Он оп-
ределяет форму АЧХ двухконтурного ПФ по-
добно параметру Хф для пары взаимно расст-
роенных контуров. При Т|св < 1 АЧХ одногор-
бая, при Т|св = 1 — плоская на вершине, при Т|св
> 1 — двугорбая (см. правые ветви АЧХ на
Рис. 24.38, в). Для трансформаторной связи
через взаимную индуктивность ML (условно
отключив конденсатор Ссв на Рис. 24.39, а) по-
лучим
Лев/, — С?экв^св£ — Qjkb^L
поскольку обычно L} = L2. Для внешней емко-
стной связи Ссв (условно исключив индуктив-
ную связь ML на Рис. 24.39, а) получим
ЛсвС _ ^ЭКВ^евС _ ^ЭКВ^СВ /(Сев + С) ~ 0эквСсв/С,
так как обычно Ссв « С.
В показанной на Рис. 24.39, а схеме меж-
ду контурами CLi и CL2 действует комбини-
рованная индуктивно-емкостная электричес-
кая связь с обобщенным параметром связи
Псв.комб = Vt]cb£t]cbC. Для внутренней емкост-
ной связи (Рис. 24.39, d)
ЛсвС- ^экв^свС- 0эквС/Ссв ВНуТр .
В этом случае непременно Ссввнутр » С.
В рассмотренных вариантах ДПФ его пер-
вый (левый по схеме) контур подключают к вы-
688
РАДИОТЕХНИКА
24.8. КАСКАД ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ (СЕЛЕКТИВНЫЙ)
ходной цепи первого транзистора, как в селек-
тивном каскаде с одним резонансным контуром,
а второй контур — ко входной цепи следующего
транзистора. Все формулы для расчета каскада с
ДПФ подобны приведенным ранее формулам
для каскадов со взаимно расстроенными конту-
рами при замене в последних фиксированной
обобщенной расстройки на обобщенный па-
раметр связи Т|св- Однако в этом случае показа-
тель степени (2 или 3) у резонансного коэффици-
ента Ко в формуле для вычисления К на любой
частоте отсутствует, поскольку в каскаде с ДПФ
не два и не три, а только один транзистор. Коэф-
фициент усиления на произвольной частоте f
к = Пс,Л0/7(1 + Пс2в-^2)2+4%2,
при этом текущая произвольная сигнальная
расстройка
а малая текущая расстройка
Х= бэкв2А/ск //о или Х= бэквПст //0.
При слабой связи (T|CB < 1) коэффициент
^Чгпах — Лсв^М)/(1 + Лев)-
При критической связи (т|Св = 1) коэффи-
циент хтах = Kq/2.
При сильной связи Т|св >1 АЧХ имеет два
горба с максимумами коэффициента усиления
Атах = Х0/(2т|св) ПРИ обобщенных расстрой-
ках текущей частоты относительно резонанс-
ной Xmax = ± Vt|cb- 1- Провал АЧХ между гор-
бами Y = KqIK^ = 2т|св/( 1 + Лев)- Приемле-
мый для заданного ослабления оп на краях по-
лосы пропускания и при этом предельно допус-
тимый параметр связи Лсв.пред = °п + Vo^- L
Каскад с двухконтурным ПФ удобен для
регулирования полосы пропускания путем из-
менения межконтурной связи.
Каскад с фильтром LC многоконтурным
сосредоточенной селекции дает выигрыш в
прямоугольности АЧХ относительно несколь-
ких каскадов с распределенной селективнос-
тью; целесообразен при наличии высокодоб-
ротных ZC-контуров. Пассивный ФСС извес-
тен в двух вариантах: цепь из нескольких эле-
ктрически связанных контуров (конденсато-
ров и катушек индуктивности), одинаково на-
строенных на центральную частоту f0 спектра
сигнала; монолитный узел акустоэлектронно-
го типа с эквивалентными ZC-параметрами.
Самый простой в изготовлении вид ФСС —
это цепь полосовых звеньев, согласованных по
характеристическому сопротивлению р конту-
ров (далее — p-ZC-ФСС). Звеном называют два
смежных контура с одним элементом связи меж-
ду ними. Известны, например, звенья типов 1Щ
(Рис. 24.40, а) и Ш3 (Рис. 24.40, б). Условие реа-
лизации p-ZС-ФСС — большой запас добротно-
сти контуров: Q > 2.82УЗ/П, причем П — полоса
пропускания А-звенного фильтра, согласован-
ная с шириной частотного спектра сигнала.
Такой p-Z С-ФСС из А звеньев содержит А+ 1
контур, крайние из них (Рис. 24.40, в), подклю-
ченные к выходу VTX и входу VT2, имеют вдвое
большую индуктивность и вдвое меньшую ем-
кость, чем внутренние контуры. Число звеньев
А обусловлено заданными прямоугольностью
АЧХ (см. ст. 24.24) и добротностью. Все конту-
ры имеют одинаковую добротность Q, все эле-
менты межконтурной связи (Ссв, ML) — одина-
ковый номинал — в этом сравнительная про-
стота расчета и выполнения p-ZС-ФСС. Резо-
нансный коэффициент усиления
Ко= 0.5и1И2£р£ф,
где S — крутизна характеристики транзистора
РТЬ нагруженного на p-ZC-ФСС; k$ = 0.2...0.9
— поправочный коэффициент, зависящий от А,
q; q = 2(/р/П)/бэкв — обобщенная добротность;
пх = Vl/pG22, п2 = VT/pG?? — коэффициенты
включения; G22 — выходная проводимость
транзистора VTy, Gu — входная проводимость
транзистора VT2. При pG22 1 и pGn 1 коэф-
фициенты включения щ = 1 и п2 = 1, а могут
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
689
24.8. КАСКАД ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ (СЕЛЕКТИВНЫЙ)
быть и больше единицы, и тогда контуры шун-
тируют резисторами. В этих случаях внешние
контуры не имеют дополнительных клемм-вы-
водов. Значение р должно отвечать условиям:
10 < р < 100; р/о < ЮО (р — в килоомах,/) — в
мегагерцах). При больших значениях р усиле-
ние велико, усилитель нестабилен и неустой-
чив. Номиналы элементов внутренних ZC-кон-
туров вычисляют, исходя из рекомендованных
значений р, выбранных частот среза АЧХ p-ZC-
ФСС/ и/2, резонансной частоты/), а номина-
лы внешних контуров — с учетом влияния ем-
костей: выходной С22 транзистора VTX и нагру-
зочной Сн= Си + См, где Сн, См — емкости вход-
ная транзистора VT2 и монтажа соответственно.
Применяют также более сложные в реали-
зации LC-ФСС с АЧХ или ФЧХ, оптимальной
по заданному параметру (далее — ZC-ФСС-
оптим). При этом пользуются полиномами Бат-
терворта, Бесселя, Золотарева—Кауэра, Чебы-
шева и др. (см. ст. 23.7, 24.2), а понятие «зве-
но» отсутствует. По схемам ZC-ФСС-оптим не
отличаются от рассмотренных p-ZC-ФСС, а их
оптимальные свойства достигаются выбором
индивидуальных значений добротностей 2ЭКВ],
6экв2, • • • бэквлг и коэффициентов связи между
каждой парой контуров £св12, ZCB23> ••• ^CB(N-W
Условие реализации ZC-ФСС-оптим из N кон-
туров для получения максимально плоской
АЧХ Баттерворта:
е >/о (<£ -I)1'*2") /[nosin(rt/2N)]
где оп = Ко / ТС/о±П/2 = + (2эКВПа//0)2 — ос-
лабление на краях полосы Па.
Условие реализации ZC-ФСС-оптим Че-
бышева с уровнем v волн АЧХ, с коэффициен-
том частотных искажений в полосе пропуска-
ния оп = Vl + V, но с большей, чем у фильтра
Баттерворта, крутизной спада АЧХ:
Q > /о /n^h[(l/.V)arsh(l/V?)]sin(;t/27V).
При проектировании тракта ПЧ в радиоприем-
никах для сигналов с AM от ZC-ФСС-оптим
требуют высокой прямоугольности АЧХ, а для
сигналов с ЧМ — высокой линейности ФЧХ и
максимально плоского участка характеристики
группового времени задержки Тгр = t/(p(co)/t/co в
пределах полосы пропускания.
Самой высокой добротности контуров тре-
бует фильтр Чебышева, высокой — фильтры
Баттерворта (предельный случай фильтра Чебы-
шева при нулевой амплитуде v волн АЧХ) и
фильтр Бесселя. В сравнении с ними требования
к добротности контуров в звеньях p-ZС-ФСС на-
много ниже. Например, на ПЧ /> = 465 кГц для
подавления соседнего канала оск = 40дБ при
расстройке А£к = ±9кГц и ослаблении ВЧ ком-
понентов сигнала оп = ЗдБ на краях полосы
Па=_3 = ЮкГц для шестиконтурного ZC-ФСС-
оптим по Чебышеву требуется добротность кон-
туров бэкв = 600, а по Баттерворту 0ЭКВ = 260.
При тех же условиях для p-ZC-ФСС 2ЭКВ = 150.
При расчете примера нами использована мето-
дика Г.И. Левитана [7].
Сравнение аппроксимаций АЧХ по крутиз-
не переходного участка, прямоугольности
АЧХ, линейности ФЧХ и рекомендации отно-
сительно их применения — см. ст. 24.2.
Технологический недостаток всех ZC-филь-
тров — наличие в них намоточных узлов — ка-
тушек. Для устранения влияния внешних маг-
нитных полей катушки ZC-ФСС усилителей эк-
ранируют (см. ст. 7.7).
Каскады с акустоэлектронными фильт-
рами — разновидность активной стабильной
селективной цепи с АЧХ, близкой к прямо-
угольной, но с невысокой линейностью ФЧХ
(см. ст. 24.24). В последнее время известные
электроакустические фильтры стали называть
точнее — акустоэлектронными. Их серьезные
достоинства объясняются явлением упругого
акустического резонанса. Принцип действия
— преобразование входных электрических
сигналов в механические колебания входного
высокодобротного резонатора с последующим
обратным преобразованием колебаний выход-
ного резонатора в электрические сигналы. Ре-
зонаторами служат миниатюрные кварцевые,
металлические и керамические конструкции.
Каскад с электромеханическим фильтром
(ЭМФ) показан на Рис. 24.41, а. Он состоит из
контуров связи ZjCi и Z2C2, двух магнитост-
рикционных преобразователей — входного
(прямого) 1, выходного (обратного) 4 и цепочки
механических резонаторов 2 (дисковых, стерж-
невых, пластинчатых) с упругими связками 3
между ними. Магнитострикция (от лат. strictio
— стягиваю) — изменение формы ферромаг-
нитных тел (из кобальта, никеля, их сплава —
пермаллоя) под воздействием переменного
магнитного поля. Переменный ток, проходя-
щий через катушку Lx при ее подмагничивании
постоянным током БТ VTX, вызывает в стержне
преобразователя 1 продольные механические
колебания, которые возбуждают механические
резонаторы 2 с частотой сигнала. Назначение
690
РАДИОТЕХНИКА
24.8. КАСКАД ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ (СЕЛЕКТИВНЫЙ)
элементов смещения и питания — обычное
(см., например, Рис. 24.36 и 24.71, б). ЭМФ
применяют на частотах 0.01...1МГц, их доб-
ротность Q < 104, коэффициент прямоугольно-
сти АЧХ &Прм-б0дБ= 1.7...2. Фильтр отличается
высокой тепловой и механической стабильнос-
тью, быстрым спадом АЧХ при расстройке от-
носительно резонанса и равномерностью пере-
дачи сигналов в полосе пропускания.
Пьезоэлектрический (кварцевый) фильтр
(ПЭФ), в отличие от ЭМФ, объединяет функ-
ции преобразования и резонанса в единой
кварцевой пластине 1, размещенной между ме-
таллическими электродами 2 (см. Рис. 24.41, б,
где показан пример схемы фильтра профессио-
нального приемника радиосвязи). Размеры
пластины определяются длиной волны ее ме-
ханического резонанса на частоте сигнала.
Фильтрация сигнала пластиной подобна филь-
трации последовательным контуром — резкое
уменьшение сопротивления при резонансе.
ПЭФ применяют на частотах до 100 МГц, его
добротность Q = 1О3...1О6, коэффициент пря-
моугольное™ АЧХ Аърм-бодь = 1-5...2. Недо-
статки: относительно большие размеры и ма-
лая механическая прочность.
Монолитный ПЭФ — решетка электродов,
попарно осажденных на поверхности
кварцевой основы — подложки; пары электро-
дов — это резонаторы, участки между ними —
элементы связи. Он более надежен и на поря-
док миниатюрнее по объему и массе, чем
обычный ПЭФ; хорошо совмещается с плоски-
ми ИМС на частотах до 30 МГц или на акусти-
ческих обертонах до 200 МГц.
Пъезокерамический фильтр (ПКФ), как и
монолитный ПЭФ, создают нанесением ре-
шетки электродов на пьезокерамическую ос-
нову; резонаторы с добротностью Q < 103 на
частотах 0.1... 10 МГц компонуют в П- и Т-об-
разные звенья. Преимущества ПКФ: малая
критичность к изменению внешних сопротив-
лений, что дает возможность подключать ПКФ
к транзистору непосредственно; механическая
прочность, устойчивость; относительно низкая
стоимость. Недостатки ПКФ: наличие на АЧХ,
на ординатах у < 0.03, длинных пологих «хво-
стов» с дополнительными резонансами и лож-
ными выбросами, их устраняют включением
LС-контура перед или после ПКФ; меньшая
стабильность, чем у ПЭФ.
Быстрый спад АЧХ вне полосы пропуска-
ния обеспечивает специальная конструкция —
пьезомеханическое звено (Рис. 24.41, в) в виде
двух керамических дисков 2 с диэлектрической
связкой 1 между ними. Применение такого зве-
на в ПКФ сближает свойства ЭМФ и ПКФ.
Фильтр на поверхностных акустических
волнах (ПАВ) имеет минимум два размещенных
на пьезоэлектрической основе встречно-шты-
ревых элемента; первый благодаря пьезоэффек-
ту преобразует входной сигнал в акустические
волны, а второй — наоборот: ПАВ в выходной
сигнал. В цепь транзистора ПАВ-фильтр вклю-
чают через согласующий трансформатор или
непосредственно, в зависимости от конкретных
значений входных и выходных сопротивлений
транзистора. Достоинства ПАВ-фильтра:
— микроминиатюрные размеры благодаря ма-
лой скорости акустической волны с (менее
5103 м/с вместо 3108 м/с электромагнитной
волны) и соответственно малой ее длине X = c/f
(менее 1 мм) на частотах от единиц мегагерц
до единиц гигагерц (нижняя граница частот за-
висит от минимально допустимых размеров
подложки, верхняя — от технологии изготов-
ления штырей);
— простое формирование передаточной функ-
ции благодаря взаимодействию акустической
волны с планарными структурами на поверх-
ности звукопровода ПАВ-фильтра;
— высокая добротность (Q = 103... 105);
— большой диапазон изменения относитель-
ной полосы (0.3 > П//о > 0.05);
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
691
24.8. КАСКАД ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ (СЕЛЕКТИВНЫЙ)
— совместимость конструкции с технологией
ИМС;
— стабильность, повторяемость значений па-
раметров.
Недостатками ПАВ-фильтров являются
сложность технологии и наличие ряда побоч-
ных физических явлений. ПАВ-ФСС широко
применяют в видео- и телевизионной технике,
приемниках РЛС, в измерительных устройст-
вах СВЧ.
Расчетные соотношения для каскадов со
всеми видами акустоэлектронных ФСС — об-
щие. В общем случае каждый из фильтров
включают в цепь транзистора через согласую-
щее звено из ZC-элементов. Резонансный ко-
эффициент передачи
ко =10-£ф/2°5и1и2/72G22Gn(J+l),
где Аф[дБ] — затухание сигнала в полосе
пропускания ФСС; S — крутизна, 6ц и G22 —
входная и выходная проводимости транзис-
тора; А = (5 + q) / (5 - q) — параметр затуха-
ния; q = 2(4/П)/2 — обобщенная добротность;
П\ +!)РвхФСС /^22 > П2 =-J^bx2 ФвыхФСС
— коэффициенты включения входного и вы-
ходного контуров, соответственно; R22 и Т?вх2
— выходное сопротивление первого и входное
сопротивление второго транзисторов; рВХфсс =
— 1/&вхфсс> Рвыхфсс — 1/^выхфсс входное и
выходное характеристические (волновые) со-
противления ФСС.
Входная и выходная проводимости
Свхфсс = (^оэкв+^гг) /
бвыхФСС = п2 /^вх2 = п2 ^вх2-
Приведенные выражения пригодны также
для расчета селективных усилителей, в которых
в качестве АЭ использованы ИМС, если извест-
ны соответствующие параметры этих ИМС.
Полосовой усилитель — многокаскад-
ное устройство, содержащее несколько рас-
смотренных ранее селективных каскадов,
каждый из которых в отдельности не в состо-
янии обеспечить заданные коэффициенты
усиления и прямоугольности АЧХ, т.е. удов-
летворить требованиям к селективности, рав-
номерности усиления в полосе пропускания,
линейности ФЧХ и т.п. Пример классифика-
ции П. у. радиоприемников — см. ст. 17.29.
Логарифмический усилитель — устройст-
во, обладающее нелинейной амплитудной ха-
рактеристикой, вследствие чего происходит
сжатие на выходе динамического диапазона
D уровней обработанного сигнала: £>вых < £>вх.
В качестве примера на Рис. 24.42, а показана
схема селективного логарифмического усили-
теля, а на Рис. 24.42, б — его АХ. Амплитудная
характеристика состоит из трех участков: 1 —
начальный, линейный: при С/вх < UQ выходное
напряжение (7ВЬ1Х = KU^ 2 — основной лога-
рифмический участок: при С7ВХ > UQ напряже-
ние (7ВЬ1Х = KUqXq^U^/Uq) + KUq, 3 — снова
линейный участок при больших уровнях (/вх
(имеется у немногих устройств). Таким обра-
зом, основной диапазон изменения выходных
уровней находится в интервале от t/BbIxmin =
ХТ70 Д° t/BbIxmax — XC/0[loga((7Bxrnax/^o) + 1]> гДе
К, Uo — коэффициент усиления и наибольшее
входное напряжение начального участка АХ.
Эффективность сжатия зависит от выбора
основания логарифма а. Изменение динамиче-
ского диапазона в логарифмическом усилителе
(как и в других функциональных селективных
Рис. 24.42
692
РАДИОТЕХНИКА
24.9. КАСКАД МОЩНЫЙ ВЫХОДНОЙ
усилителях) осуществляют изменением коэф-
фициента усиления K(U). Для этого контур LC
шунтируют диодами VD}) VD2, естественно, с
нелинейными ВАХ. При малых уровнях Uo ди-
оды закрыты, их внутреннее сопротивление
велико. При возрастании входного напряжения
диоды открываются и уменьшают усиление ка-
скада; их рабочую точку устанавливают дели-
телями Я3/?4.
Логарифмические усилители применяются
для согласования характеристик первичного
сигнала с характеристиками канала связи и
оконечного устройства или для устранения пе-
регрузки в приемниках импульсных сигналов
РЛС (см. ст. 17.20, 17.24), а также для специ-
альной обработки акустических сигналов в
студиях (см. ст. 27.9) и в гидроакустических
станциях (см. ст. 3.11). Динамический диапа-
зон сигналов и помех на входе приемника око-
ло 80 дБ, а на экране ЭЛТ — от 12... 16 дБ (при
яркостной отметке) и до 20...30 дБ (при ампли-
тудной отметке). В вещательных приемниках
эти усилители не применяются из-за ощути-
мых искажений сообщения.
Широкополосный импульсный усилитель —
устройство, в котором приняты меры к умень-
шению искажений импульсов на выходе
(уменьшению времени установления переход-
ных процессов и скалывания вершин импуль-
сов), т.е. к сохранению формы огибающей
входных импульсов сигналов локации и связи.
Искажения формы выходных импульсов зави-
сят от соотношения полосы пропускания уси-
лителя и ширины спектра входных импульсов.
В приемнике РЛС ширина полосы пропуска-
ния составляет несколько мегагерц, усиление
достигает 120 дБ. Применение широкополос-
ных низкодобротных контуров уменьшает
удельное усиление на каскад, поэтому особен-
ность усилителей широкополосных сигналов
— большое число каскадов.
24.9. КАСКАД МОЩНЫЙ ВЫХОДНОЙ
предназначен для создания достаточного уров-
ня мощности в нагрузке — оконечном устрой-
стве прибора.. Для эффективного использова-
ния энергетического ресурса источника пита-
ния предельные амплитуды переменных вы-
ходных токов и напряжений у АЭ мощного ка-
скада близки к их постоянным составляющим в
рабочих точках или несколько превышают их.
При этом существенно проявляется влияние
нелинейности входных и передаточных ВАХ
активного элемента и возникают нелинейные
искажения сигнала — носителя сообщения.
Выбор АЭ для мощного каскада кроме уче-
та предельной частоты основывается на допу-
стимых значениях токов, напряжений, потерь
мощности. Например, биполярный транзистор
с общей базой, имеющий высокую линейность
выходной характеристики (см. ст. 24.3), реали-
зует максимальную мощность при достаточно
малом коэффициенте гармоник. Транзистор с
общим эмиттером дает усиление мощности в Р
раз большее, чем с общей базой. Транзистор с
общим коллектором обеспечивает наилучшее
согласование выхода каскада с низкоомной на-
грузкой без трансформатора.
Отличительной особенностью проектиро-
вания мощного каскада является то, что пара-
метры нагрузки — характер и значение ее со-
противления — заданы заранее [8]. Исходя из
требуемой мощности выбирают тип и режим
работы АЭ (см. ст. 24.24), определяют мощ-
ность рассеяния, КПД, коэффициент гармоник
сигнала и энергоемкость источника питания.
Расчеты выполняют графоаналитическим или
численным методом.
Выбор вида выходного каскада по структу-
ре (одно- или двухтактная, см. ст. 24.7) и по ви-
ду цепи связи с нагрузкой (резисторная, транс-
форматорная, дроссельная, конденсаторная,
резонансная, бестрансформаторная или бес-
конденсаторная) определяется требуемой вы-
ходной мощностью и КПД усилителя. КПД —
отношение мощности полезного сигнала в на-
грузке к потребляемой от источника питания
Т) = Лпвых^ИП = ит1т/(2ЕГ)цП зависит от эф-
фективности работы АЭ. При больших уровнях
сигнала информативным параметром является
коэффициент использования тока = 1т/1нп и
напряжения = ит/ЕИп. Мощность рассеяния
Ррас= ^ип-Ртаых Для выбранного АЭ не долж-
на превышать допустимого паспортного значе-
ния, поскольку именно рассеяние вызывает пе-
регрев АЭ, снижение надежности и электриче-
ских показателей усилителя. При малом сопро-
тивлении нагрузки 7?н уменьшаются Um и ко-
эффициент а при большом 7?н снижаются
выходной ток 1т и коэффициент Поэтому
существует оптимальное сопротивление на-
грузки мощного каскада 7?н, при котором про-
изведение UmIm в выражении для КПД имеет
максимальное значение. Однако при высоком
КПД в мощных усилителях ощутимо проявля-
ются нелинейности, оцениваемые коэффициен-
том гармоник методом пяти ординат.
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
693
24.9. КАСКАД МОЩНЫЙ ВЫХОДНОЙ
Метод пяти ординат — графоаналитичес-
кий метод оценки нелинейных искажений через
коэффициент гармоник кг выходного сигнала с
помощью динамической характеристики каскада
(см. также ст. 19.1). Оценку проводят в три этапа:
— формируют сквозную динамическую ВАХ
АЭ по семейству входных и выходных статиче-
ских характеристик и нагрузочной прямой пе-
ременному току каскада (Рис. 24.43);
— на полученной сквозной характеристике
(Рис. 24.43, в) выделяют пять ординат — зна-
чений выходного тока в характерных точках;
— вычисляют значение кг.
Например, согласно Рис. 24.43, а (нижняя
кривая, /Б1) для выбранных значений /Б1 и zKi из
графика (Рис. 24.43, б) считывают значение
ЕВЭ] как абсциссу точки пересечения входной
характеристики БТ и ординаты /Б1. На Рис.
24.43, в отмечают ординату сквозной характе-
ристики zK1, соответствующую /Б1. По формуле
ег1 = /б1^г + £бэ1 (Яг — внутреннее сопротив-
ление источника сигнала) находят абсциссу
ЕВЭ1 и отмечают первую точку сквозной дина-
мической ВАХ (Рис. 24.43, в) с координатами
Ркь eri]- Аналогичные действия выполняют
для пяти—семи значений тока /к на выходных
характеристиках транзистора (см. Рис. 24.43,
л), найденные точки соединяют и строят сквоз-
ную ВАХ каскада при известном сопротивле-
нии источника сигнала 7?г.
Далее процедура такая. Отмечают пять то-
чек с фазами со/ входного сигнала (см. Рис.
24.43, в) ег = Етг costtit, а именно: со/ = 0, л/3, л/2,
2 л/3, л. Соответствующие этим фазам ЭДС сиг-
нала ег = Ео + Етг, Ео + 0.5 Етг, Ео, Ео - 0.5Етг,
Eq-Етг, а выходные токи i = /тах, /ь /0, 4, Л™-
Амплитуды токов четырех гармоник выходно-
го сигнала вычисляют по формулам:
1т\ = (Алах ~ 4nin + Л ~
1щ2 = (/max + /min ~ 2/q)/4;
1тЗ = (Атах “ Zmin ~ 2/j + 2/2)/6;
1т4 = (/max + /min " ~ ^2 + 67О)/12.
Постоянная составляющая тока
/n=(/max + /mm+2Z1 + 2/2)/6.
Частные коэффициенты гармоник: второй
кГ2 = 1т2Ит\\ третьей кг3 = 1т3ИтХ- четвертой
^г4 = /гид/Лиь Полный коэффициент гармоник
= V^r2 “*"^гЗ + ^г4 — ^т2 + m3 ~^^т4 Ли 1 >
где 1тХ—1т4 — амплитуды первой—четвертой
гармоник тока в нагрузке.
Точность метода составляет около 10%. Ее
можно повысить, если воспользоваться экспе-
риментальными ВАХ реальных АЭ вместо ус-
редненных паспортных.
Для определения постоянной составляю-
щей, первой и второй гармоник сигнала до-
статочно всего трех ординат выходного тока
за один полупериод сигнала с фазами со/ = 0,
л/2, л. Итак, оценка коэффициента гармоник
невысоких порядков, но с меньшей точнос-
тью возможна методом трех ординат сквоз-
ной динамической ВАХ. Для более точного
вычисления коэффициента гармоник требу-
ется семь ординат, но предельная точность
694
РАДИОТЕХНИКА
24.9. КАСКАД МОЩНЫЙ ВЫХОДНОЙ
Рис. 24.44
графического метода во многом зависит от
качества рисунка.
Двухтактный выходной каскад (ДВК)
применяют, если выходная мощность Рвых > 2Вт.
ДВК содержит четное число транзисторов или
других активных элементов, нагруженных на
общее оконечное устройство. Каждая полупа-
ра АЭ со своими цепями формирует плечо кас-
када. Переменные токи плеч АЭ взаимно сдви-
нуты по фазе на л. По способу возбуждения
АЭ различают три вида ДВК:
— с параллельным управлением однофазным
сигналом, для чего нужны транзисторы разной
структуры, п-р-п и р-п-р (Рис. 24.44, а); приме-
няют в бестрансформаторных ДВК;
— с параллельным управлением противофаз-
ными сигналами и с транзисторами одинаковой
структуры в обоих плечах, п-р-п или р-п-р\ эти
ДВК нагружают через выходной трансформа-
тор (Рис. 24.44, й);
— с последовательным управлением однофаз-
ным сигналом, когда ведущее плечо возбужда-
ет другое, ведомое, применяют в бестрансфор-
маторных ДВК с транзисторами одинаковой
структуры в режиме А (см. ст. 24.24).
При первых двух способах возбуждения
ДВК без трансформатора транзисторы включа-
ют с ОЭ(ОИ) или с ОК(ОС). Если ДВК транс-
форматорный, то лучше применять включения
с ОБ или реже — с ОЭ; при третьем способе
возбуждения ДВК — с ОЭ(ОИ) или реже — с
ОК(ОС) [3]. Свойства ДВК:
— четные гармоники сигнала скомпенсирова-
ны, поскольку токи z'K, ?'к (Рис. 24.44, б) про-
текают навстречу один другому и поочередно
благодаря противофазному возбуждению тран-
зисторов VT\, VT2 управляющим сигналом.
Возможен экономный режим АВ (см. ст. 24.24);
— скомпенсированы синфазные помехи, фоны,
наводки, чем расширен динамический диапазон;
— разностный ток плеч не содержит постоян-
ной составляющей, значит, нет намагничиваю-
щего сердечник тока, что дает возможность
уменьшить габаритные размеры трансформа-
тора и коэффициент гармоник;
— в общих цепях плеч нет первой и высших
нечетных гармоник сигнала. Это упрощает
фильтрацию сигналов и пульсаций в цепях пи-
тания и практически устраняет межкаскадную
связь через общий источник питания, позволяя
уменьшить емкость его фильтра. В режиме А
можно не вводить блокировочные конденсато-
ры в цепи эмиттеров и этим уменьшить частот-
ные искажения сигналов на НЧ.
Трансформаторы для согласования в быто-
вой аппаратуре применяют редко из-за несо-
вершенства их массогабаритных и электричес-
ких характеристик. Вместо трансформаторных
каскадов в ИМС используют оконечные каска-
ды повторителей с комплементарными (от лат.
complementum — дополнение) парами БТ для
работы в режимах АВ и В (см. Рис. 24.44, а).
Плечи бестрансформаторных ДВК с двумя
симметричными источниками питания выпол-
няют на составных БТ с ОК (Рис. 24.45). Что-
бы выход ДВК имел лучшую симметрию, в од-
ной паре плеч объединяют выходные транзис-
торы VT2 с одинаковой проводимостью (напри-
мер, на Рис. 24.45 — лиг или б и в). Плечи не
вносят фазового сдвига на НЧ и не создают
скалывания вершины импульса.
Выходной каскад операционного усилите-
ля (Рис. 24*46) обычно строят по схеме с па-
раллельным управлением синфазными сигна-
лами, поскольку при этом для возбуждения
не нужен парафазный каскад. Режим АВ вы-
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
695
24.9. КАСКАД МОЩНЫЙ ВЫХОДНОЙ
ходных БТ VT4> VT5 задается генератором ма-
лого стабильного напряжения (ГМСН) — см.
ст. 24.18. Последний выполнен на диодах VD}
и VD2, через которые проходит ток транзис-
тора VT\ от генератора стабильного тока
(ГСТ) /г. Вместо диодного стабилизатора воз-
можно включение других ГМСН, например,
показанных на Рис. 24.65. Защита от коротко-
го замыкания (КЗ) выхода ОУ состоит из це-
пей VT2R2 и VT3R3 (см. Рис. 24.46). В тот по-
лупериод, когда ток нагрузки проходит через
транзистор VT4 и возрастает из-за случайного
КЗ выхода, напряжение на резисторе R2 от-
крывает БТ VT2. Его малое (только при этом)
внутреннее сопротивление шунтирует вход
БТ VT4, прекращает дальнейшее возрастание
тока и перегрев VT4. Иными словами, откры-
тый БТ VT2 «берет на себя» чрезмерный ток
КЗ. Во второй полупериод аналогично дейст-
вуют элементы VT3R3 и VT5. Сопротивление
резисторов R2, R3 в ОУ составляет 20.. .50 Ом.
Другой пример защиты выхода ОУ — см. ст.
10.1 и Рис. 10.1.
Выходные каскады мощных ОУ выполня-
ют, в частности, на составных транзисторах
(см. ст. 24.3) для уменьшения тока покоя, на-
пример, транзистора V7\ (см. Рис. 24.46).
Применяют также повторители на полевых
транзисторах (см. ст. 24.11) с противополож-
ной структурой каналов ДВК и двумя источ-
никами питания.
Однотактный выходной каскад выполня-
ют с резисторной, трансформаторной, дрос-
сельной цепями межкаскадной связи. В мощ-
ных каскадах на ПТ применяют динамическую
нагрузку (транзистор), пример которой пока-
зан на Рис. 24.47, а. Высокое сопротивление
переменному току транзистора с ОЗ VT2 увели-
чивает усиление каскада на ИТ], расширяет ди-
намический диапазон, снижает искажения.
696
РАДИОТЕХНИКА
24.10. КАСКАД С ОБЩЕЙ БАЗОЙ (ЗАТВОРОМ)
Транзистор VT2 как полезная нагрузка и цепь
связи с Лвхсл имеет малое сопротивление по-
стоянному току. Динамический диапазон и ко-
эффициент гармоник каскада зависят от напря-
жения Есм на затворе транзистора VT2, а коэф-
фициент передачи
где Sm — крутизна проходной характерис-
тики ПТ ИТь 7?н— сопротивление нагруз-
ки, состоящее из трех параллельных ветвей:
— ^вых 1 II ^вых2 II ^вх сл j Причем Т?Вых2 » ^вых 1 •
Принципиальное отличие однотактного мощ-
ного выходного каскада от каскада предваритель-
ного усиления — не в схемах (они совпадают), а
в режимах работы транзистора. Трансформатор-
ные каскады применяют для оптимизации работы
АЭ, в частности, в системах многоканальной свя-
зи. Трансформатор кроме минимальных потерь
сигнала, благодаря согласованию сопротивления
линии и АЭ, обеспечивает простой переход от
симметричных цепей к несимметричным и, на-
оборот, не пропускает постоянный ток и напряже-
ние на выход в нагрузку. Дроссельный каскад из-
за отсутствия в нем индуктивности рассеяния
лучше усиливает ВЧ компоненты спектра. Он це-
лесообразен лишь при согласованных сопротив-
лениях АЭ и нагрузки, поскольку дроссель без
дополнительных выводов-клемм эту функцию не
выполняет. Недостатки трансформаторных и
дроссельных каскадов — несовместимость с тех-
нологией изготовления ИМС, увеличение нели-
нейных искажений вследствие намагничивания
сердечника постоянным током каскада.
В режиме А (см. ст. 24.24) энергетическая
эффективность каскада невелика (до 25%). Для
резкого повышения КПД (до 90%) в настоящее
время широко применяют режим усиления AD
[1, 5]. Классическая схема однотактного уси-
лителя класса AD показана на Рис. 24.47, б.
Гармонический сигнал преобразуется в прямо-
угольные импульсы в блоке ШИМ: ширина
импульсов пропорциональна мгновенному
напряжению сигнала. Усиленные операцион-
ным усилителем DA импульсы подаются на
вход транзистора VT, работающего в ключе-
вом (символ D) режиме, с фильтром НЧ LC в
коллекторной цепи межкаскадной связи. Бла-
годаря ФНЧ ток в нагрузке 7?н и напряжение
на ней не содержат гармоник, а только сред-
нее значение — полезный усиленный сиг-
нал. Максимального использования АЭ дости-
гают выбором напряжения Еп источника пи-
тания по максимальному допустимому току
4 коллектора: Е„ = иКЭтах, /к = 7к тах. При этом
R„ = Fn/^ max, мощность в нагрузке Р„ = E„IK.mXi.
В режиме насыщения средняя мощность элект-
рических потерь
р =Т2Г т/Т
1 пот л н' нас v/ 19
где т, Т — длительность и период повторения
импульсов; гнас — сопротивление насыщения
транзистора.
В режиме отсечки (во время паузы) ток /н
проходит через рекуперативную (от лат. геси-
peratio — возвращаю) с диодом VD цепь, ко-
торая выдает в нагрузку накопленную дроссе-
лем L энергию. Среднее значение тока в на-
грузке /ср = /н т/Т. Средняя мощность, потреб-
ляемая транзистором от источника питания,
РОк = ЕП4Р = Еп4 ъ/Т. КПД однотактного кас-
када, в котором напряжение на нагрузке вдвое
меньше ЭДС источника питания (Еп = 2(7Н),
Рпот ___Ц, ^нас ^нас
РОк Еп 2ЕН
ФНЧ не должен вносить заметных искаже-
ний. Для двухзвенного фильтра Баттерворта
(см. ст. 24.2) с допустимым спадом АЧХ 3 дБ
индуктивность дросселя L = 1.4/?н/(2лЕтах),
емкость конденсатора С = 0.7/(2л 7?н Fmax). Для
улучшения фильтрации усиленного сигнала
используют фильтры высоких порядков, в том
числе фильтры Чебышева. Если нужно зазем-
лить резистор 7?н, то БТ и 7?н меняют местами,
а для уменьшения выходного сопротивления
включают согласующий трансформатор. Такой
каскад часто используют как одно из двух плеч
двухтактного выходного усилителя в режиме
BD; тогда КПД Т| -» 90%.
В перспективных разработках используют
выходные мощные каскады с регулируемым
напряжением источника питания (его называ-
ют «РИП»). При этом выходные транзисторы
работают на предельно широких активных (см.
ст. 24.18) участках ВАХ АЭ в режимах АЕ, BE
(см. Рис. 24.100), а потери энергии сведены к
минимуму без увеличения нелинейности, при-
сущей режиму D (см. ст.24.24).
24.10. КАСКАД С ОБЩЕЙ БАЗОЙ (ЗА-
ТВОРОМ) (см. Рис. 24.19, а) для удобства
анализа представляют в виде параллельно-по-
следовательного соединения каскада К(со) с
ОЭ(ОИ) и «пустого» перекрещенного четы-
рехполюсника Р(со), показанных на
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
697
24.10. КАСКАД С ОБЩЕЙ БАЗОЙ (ЗАТВОРОМ)
Рис. 24.19, б. Как видно из рисунка, почти
весь выходной ток проходит через входные
клеммы, поэтому входное сопротивление ма-
ло, а коэффициент усиления тока меньше еди-
ницы. Отрицательный знак ОС определяется
узлом Б, из которого в усилитель Л?(со) посту-
пает лишь часть тока генератора /б = 1Э - /к, а
остальной ток /к потребляет цепь ОС. Выход-
ное напряжение (7КБвых равно сумме напряже-
ний: усиленного [7КЭ и входного UBX; послед-
нее полностью передается со входа на выход
через цепь р. С учетом действия ООС (что от-
мечено шрифтовым выделением) коэффици-
ент передачи
К = (икэ + ивх)/ивх = (1 + К) -> к,
следовательно, усиление напряжения каскада-
ми с ОБ (ОЗ) почти такое же, как каскадами с
ОЭ (ОИ). Базу (или затвор) заземляют через
конденсатор Сбл (см. Рис. 24.37); управляю-
щий ток входит в эмиттер, фазы входных и вы-
ходных сигналов совпадают при активной на-
грузке 7?н- Низкое входное сопротивление де-
лает бессмысленным последовательное вклю-
чение двух и более каскадов с ОБ (ОЗ), так как
коэффициент передачи напряжения первого
же каскада будет меньше единицы. Благодаря
высокой линейности выходных характеристик
(вследствие большого выходного сопротивле-
ния и стабилизации тока) каскад с ОБ приме-
няют в мощных усилителях (см. ст. 24.9).
Поскольку для сигнала входными клемма-
ми каскадов с ОБ (ОЗ) и с ОЭ (ОИ) являются
одни и те же электроды, а разница выходных
напряжений для этих включений очень мала
(равна UBX, см. Рис. 24.19, б), то правомерно
считать, что подробный анализ каскада с ОЭ
(ОИ), выполненный далее в ст. 24.12, прием-
лем и для каскада с ОБ (ОЗ), но с учетом сле-
дующих четырех замечаний.
Во-первых, хотя частотно-зависимые со-
ставляющие фазовых сдвигов на НЧ и ВЧ фн,
фв, Фв5 Для каскадов с ОБ(ОЗ) и с ОЭ(ОИ) сов-
падают, однако в первом случае их отсчитыва-
ют от нулевого значения ф0 = 0 на средней ча-
стоте соо, а во втором — от Дф0 = - л, так как
ЯС-каскад с ОБ (ОЗ) на частоте (Оо повторяет
фазу входного сигнала благодаря подаче сиг-
нала в эмиттер (исток), а не сдвигает ее на л,
как в каскаде с ОЭ (ОИ) — см. Рис. 24.49, в.
Во-вторых, нормированная АЧХ сквозной
передачи каскада с ОБ у = Ke{f)IKeQ имеет подъ-
ем на ВЧ благодаря индуктивному характеру за-
висимости ZBX(f) при Ян 0 (см. Рис- 24.18, б).
Поэтому верхняя частота полосы пропускания
каскада повышается (/вОБ > Лоэ) и можно ис-
пользовать более дешевый БТ с меньшей гра-
ничной частотой/^, (см. Рис. 24.18, а), чем для
каскада с ОЭ.
В-третьих, сквозная ПХ каскада с ОБ для
случая Zr» ZBX имеет время установления им-
пульса туст 2.2\/тв И- Tq, где тв Сн7?эквБч
высокочастотная постоянная времени на-
грузочной цепи каскада с ОЭ (см. ст. 24.12),
та= 1/(2л/а) — постоянная времени,/а — час-
тота полюса функции a(f) = h2\b(f) < 1- На-
помним, что а — коэффициент передачи тока
каскада с ОБ, см. ст. 24.3.
В-четвертых, входная емкость каскада с
ОБ (ОЗ) мало влияет на АЧХ и другие характе-
ристики этого каскада, поскольку она зашун-
тирована малым активным входным сопротив-
лением.
Свойства включения транзисторов с ОБ и с
ОЗ — см. ст. 24.3.
24.11. КАСКАД С ОБЩИМ КОЛЛЕК-
ТОРОМ (СТОКОМ) — эмиттерный (истоко-
вый) повторитель (см. ст. 24.3 и Рис. 24.20, а),
который для удобства анализа представляют
в виде последовательно-параллельного со-
698
РАДИОТЕХНИКА
24.12. КАСКАД С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ (ИСТОКОМ)
единения каскада К(со) с ОЭ (ОИ) и «пусто-
го» перекрещенного четырехполюсника Р(со),
показанного на Рис. 24.20, б. Почти все вы-
ходное напряжение (7Эк приложено в проти-
вофазе ко входу транзистора последователь-
но с напряжением СБЭ = СБК - Сэк, а управ-
ляющее входное напряжение СБЭ — это толь-
ко часть напряжения источника сигнала ег.
Поэтому ОС — отрицательная, входное со-
противление — большое, коэффициент пере-
дачи напряжения меньше единицы. Выходная
цепь повторителя такая же, как у каскада с
ОЭ (ОИ): последовательно включены источ-
ник питания, транзистор и резистор нагруз-
ки, поэтому уровень переменного выходного
напряжения не может превышать половины
напряжения источника питания.
Модели выходной цепи эмиттерного и ис-
токового повторителей для НЧ совпадают. Как
дальше будет показано, имеется постоянная
времени тн = Cp(7?z + /?н)> где Rj — выходное со-
противление (см. Рис. 24.49, а). Коэффициент
частотных искажений АЧХ на нижней частоте
диапазона сон = 2jlFh:
Мн =ЛО/К’Н =^1+1/(<ц,тн)2;
нормированная АЧХНч
y(FH) = K0/KH,
нормированная ФЧХНч
<рн = arctg [1/(сонт„)];
нормированная ПХНч
h(t) - т/тн,
где т — длительность импульса.
Следовательно, увеличение тн уменьшает
все виды линейных искажений.
Модели выходной цепи повторителей на би-
полярных и полевых транзисторах для ВЧ не
совпадают. Показанная на Рис. 24.48 модель для
БТ содержит источник сигнала евых с внутрен-
ним сопротивлением ЛцБ, параллельную нагру-
зочную цепочку RHCH и эквивалентную индук-
тивность Авых=тагБ'=xsh j 1Б. Последняя позволя-
ет учесть возрастание выходного сопротивления
повторителя с ростом частоты и, следовательно,
уменьшение выходного напряжения Свых и коэф-
фициента передачи на ВЧ. Постоянная времени
эмиттерного повторителя на ВЧ тв = £Вых/(Ян +
ЛцБ), частота полюса сквозной АЧХ/В= 1/(2лтв)
=/s/(l - Kgo) значительно выше fs — предельной
частоты по крутизне проходной характеристики
БТ, поскольку на средней частоте < 1, что
объясняется глубокой Л-ООС (см. ст. 24.15). Из-
за резонансных явлений в последовательном ре-
зонансном 7?нСн-контуре возможен выброс
АЧХ. Коэффициент частотных искажений
АЧХ на верхней частоте диапазона сов = 2tlFb
mb=W,=Vi-^Tb)2, нормированная ФЧХВч
(рв = - arctg(coBTB), время установления на ПХВЧ
туст = 2.2тв. Все искажения уменьшаются с
уменьшением постоянной времени тв.
Модель выходной цепи повторителя на ПТ
для ВЧ совпадает с показанной на Рис. 24.49, б
моделью каскада с ОЭ для ВЧ. Постоянная вре-
мени тв = Сн/?эквВЧ (см. ст. 24.12). На ВЧ усили-
вается влияние емкости Сзи: для повторителя
она создает прямую проходную проводимость и
выполняет пассивную передачу сигнала на вы-
ход (см. также «Фазочастотную коррекцию опе-
рационного усилителя» в ст. 24.17). Вследствие
влияния емкости Сзи АЧХ спадает не до нуля, а
до уровня Сзи/Сн, а ПХ возле своего фронта
имеет ступеньку, переходящую в экспоненту.
24.12. КАСКАД С ОБЩИМ ЭМИТТЕ-
РОМ (ИСТОКОМ) — самый распространен-
ный тип включения транзистора (см. ст. 24.3), с
показателями которого сравнивают показатели
других каскадов. Схемы на Рис. 24.71 и 24.72
(см. ст. 24.18) содержат АЭ (БТ или ПТ), элемен-
ты связи (полезную нагрузку) — резисторы R,
конденсаторы Ср (не пропускают постоянный
ток в соседний каскад), цепи смещения фиксиро-
ванным напряжением £БЭ или Ези с эмиттерной
(или истоковой) стабилизацией рабочей точки с
помощью резисторов 7?э или /?и. Напряжение
I1>II на 0.1...0.5В, и БТ открыт. Напря-
жение Ези задает положение рабочей точки ПТ
(см. Рис. 24.72, а). Для устранения последова-
тельной Z-ООС по сигналу конденсатором Сэ
(или Си) блокируют резисторы 7?э (или но на
Z-ООС по питанию эти конденсаторы не влияют.
Кроме того, конденсаторы Сэ (Си) создают пря-
мой путь входному сигналу к управляющим эле-
ктродам Б—Э (или 3—И) транзисторов. Элемен-
ты фильтра Еф, Сф в коллекторной или стоковой
цепях блокируют источник питания Еп по пере-
менному току, если их постоянная времени =
ДфСф больше максимального периода сигнала на
нижней частоте FH, т.е. » (7^ = 1/FH). Вы-
полнение этого условия исключает прохождение
переменного выходного тока каскада через ис-
точник питания (ток течет через Сф на корпус).
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
699
24.12. КАСКАД С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ (ИСТОКОМ)
Этим устраняются связи нескольких каскадов че-
рез общий источник питания из-за его ненулево-
го внутреннего сопротивления и уменьшается
вероятность самовозбуждения усилителя.
Если же постоянные времени цепей ЯЭСЭ и
Я и Си небольшие на ВЧ, а постоянная времени
фильтра небольшая на НЧ (7?фСф « Ттах), то
эти цепи корректируют и улучшают АЧХ, ФЧХ
и ПХ каскада соответственно на ВЧ и НЧ. По-
дробнее об этом см. ст. 24.14.
Для анализа показателей каскада рабочий
диапазон частот условно разбивают на три уча-
стка: НЧ, средние частоты (СрЧ), ВЧ и для каж-
дого участка предлагают частную эквивалент-
ную схему по переменному току. Схемы содер-
жат выходную цепь АЭ (источник ЭДС евых с
внутренним сопротивлением 7?,), элементы свя-
зи, полезной нагрузки (см. ст. 24.24) и входа
следующего каскада — полной нагрузки 7?н, Сн.
Модель каскада для НЧ (см. Рис. 24.49, а) со-
держит выходное сопротивление =R22IIR, раз-
делительный конденсатор Ср и сопротивление
полной нагрузки 7?н = || R2II Явх.Сл (резисторы R,
R\, R2 — см. Рис. 24.71, б). Символ II означает
параллельное соединение элементов. Коэффи-
циент частотных искажений на НЧ (см. ст. 24.24)
MH=^0/^H=7i^mv =
=^/1+1/[<ц1Ср(Л,+ЛН)]2,
где тн = Cp(Rj + 7?н) — постоянная времени.
Частотно-зависимый фазовый сдвиг на НЧ
Дфн = arctg[l/(coHTH)] достигает +л/2 относитель-
но своего значения на средней частоте Fo, рав-
ного -л относительно сигнала UBX (как показано
на Рис. 24.49, в, слева). Таким образом, суммар-
ный сдвиг фазы ивых на НЧ относительно UBxFo
составляет -л/2. Скалывание А = т/тн вершины
прямоугольного импульса длительностью т
вследствие линейных искажений сигнала про-
исходит в области больших времен ПХ, т.е. на
НЧ. Следовательно, формы АЧХ, ФЧХ и ПХ на
НЧ улучшаются, а все искажения уменьшаются
с увеличением номиналов Ср, RH. Для достиже-
ния нужного значения тн можно увеличить 7?н и
уменьшить Ср, сделав каскад миниатюрнее.
Модель каскада для средних частот на ри-
сунках не показана. Ее можно представить, пе-
ремкнув Ср на Рис. 24.49, а; модель содержит
лишь источник сигнала с внутренним сопро-
тивлением Rj и полное активное сопротивление
нагрузки 7?н- В нагрузке самым малым, т.е. оп-
ределяющим, у БТ является его входное сопро-
тивление, а у ПТ — сопротивление резистора
7?з утечки конденсатора Cpi и передачи смеще-
ния в цепь затвора (см. Рис. 24.72, а). Из-за от-
сутствия реактивных элементов каскад на сред-
них частотах не вносит линейных искажений
сигнала; принято все искажения в широком ди-
апазоне частот нормировать по отношению к
среднечастотному «нулевому» уровню.
В модели для ВЧ (см. Рис. 24.49, б) учте-
ны последовательно соединенные источник
сигнала с внутренним сопротивлением
7?эквВЧ и полная емкость Сн. Они представля-
ют сложную параллельную цепь: Яэкввч =
~ ^22 VT II Я II II ^2 II Явх.сл (см. Рис. 24.71, б);
Сн ~ С*22 VT См + Свх сл.
Входные емкости каскада на БТ и на ПТ соот-
ветственно равны;
Свх.БТ ~ Сб'Э + СквО + *о),
Свхпт= Сзи+ ССз(1 + Хо).
Увеличенное примерно в Ко раз добавление
емкости обратной передачи СКБ или ССз ко
входной емкости транзистора физически объ-
ясняется увеличением проходящего через
них тока, поскольку в случае ОЭ (ОИ) к ним
приложено большое переменное напряжение
U = ивых + UBX. Это важное явление известно
как эффект Миллера [1,4, 5].
Коэффициент частотных искажений на ВЧ
(см. ст. 24.24)
=А/1+(<ЧС„ЯжвВч )2-
Частотно-зависимый фазовый сдвиг Афв =
= -arctg(coBTB) — отрицательный (-л/2) относи-
тельно сдвига (-л) на частоте Fo, т.е. выходной
ВЧ сигнал отстает от входного на -Зл/2, как
показано на Рис. 24.49, в, справа. Время уста-
новления фронта выходного импульса из-за ис-
кажения его ПХ в области малых времен, т.е.
на ВЧ, туст = 2.2тв. Следовательно, с уменьше-
нием тв уменьшаются и все искажения.
Приведенные выражения Мв, Дфв, туст спра-
ведливы для ПТ, а для БТ ими можно пользо-
ваться лишь в границах полосы пропускания по
уровню минус 3 дБ. Точный анализ требует
полной записи постоянной времени на ВЧ:
Tb5=Tb + tv; ts= 5гб< / (2nfs),
где Ts—постоянная времени крутизны проход-
ной характеристики БТ.
700
РАДИОТЕХНИКА
24.13. КАСКАД ФАЗОИНВЕРСНЫЙ (ПАРАФАЗНЫЙ)
Тогда коэффициент высокочастотных искажений
Л/. = КО/КВ= V1 +(швтв5)2,
высокочастотный фазовый сдвиг
ДфВ5= -[arctg(coBTB) + arctg(coBT5)],
время установления импульса
Тус,5 = Ут»+4
Если тн = Ту, то для БТ туст = 3.36тв, что в полто-
ра раза больше, чем при приближенном анализе.
С учетом емкостной составляющей вход-
ного сопротивления спад на ВЧ сквозной АЧХ
каскада у = Ке (f)/KQ происходит ранее, чем у
проходной АЧХ у = K(f)/KQ, а процесс установ-
ления импульса запаздывает:
^уст Л — + Т'Л»
где тЛ = 1/(2л/Л) — постоянная времени; fh —
частота полюса зависимости Л2ь(/)> показан-
ной на Рис. 24.18, а.
Для расширения диапазона частот вверх и
уменьшения туст целесообразно брать БТ с ча-
стотой Jh » /в, где /в — верхняя частота рабо-
чего диапазона (см. ст. 24.3).
Д ля полевого транзистора последние выраже-
ния упрощаются, так как т5 = тЛ = 0. На частотах
до сотен мегагерц ПТ — безынерционный АЭ.
При сверхвысоком сопротивлении 7?нх > 1 МОм
входного тока у ПТ нет и сопротивление /?ВЬ1Х не
зависит от сопротивления источника сигнала Zr.
Рассмотренные эквивалентные схемы, мо-
дели, выражения справедливы для бесконеч-
но больших емкостей конденсаторов, блоки-
рующих резисторы (Сэ, Си °°). Реальные
же значения этих емкостей вносят дополни-
тельный спад АЧХ, нелинейность ФЧХ, ска-
лывание вершины импульса на НЧ. Для при-
ведения коэффициента Мн и сдвига фазы Аф к
допустимым значениям проводимость этих
конденсаторов на минимальной частоте сиг-
нала должна намного превышать проводи-
мость резисторов R э или 7?и этих цепей. На-
пример, (Оц^эси)^ 1/Яэ(И), или точнее:
^Э(И) !/^(Л/в-l)(2itFH
^Э(И))-
Удаление конденсаторов Сэ, Си из цепи,
когда Сэ —> 0, Си —> 0, превращает обычный
каскад в каскад с последовательной Z-ООС не
только по питанию, но и по переменному току
сигнала (см. Рис. 24.17, а, б, и ст. 24.15). В схе-
мах каскадов, показанных на Рис. 24.71 и
24.72, ООС создается резистором через
который проходит выходной переменный ток
полной нагрузки = R || /?, || /?вх сл, а фаза сиг-
нала ОС на базе транзистора VT противопо-
ложна фазе входного сигнала. Поэтому здесь
ОС — отрицательная.
Входное сопротивление с учетом Z-OOC
ZBX = \ + /?э(1 + h2\), т.е. включение резисто-
ра 7?э также и по переменному току эквива-
лентно включению последовательно входу БТ
дополнительного резистора с сопротивлением
/?э(1 + /*2i)- Коэффициент усиления с учетом
Z-OOC
K = SR~/(\ +SR3).
Это выражение пригодно также для полевого
транзистора, у которого входная емкость
много меньше, чем у каскада на ПТ с конден-
сатором Си:
Свх экв= Сэи / (1 + SRh) •+ ССз(1 + К),
где Сзи и Ссз междуэлектродные емкости ПТ.
Выходное сопротивление с учетом последова-
тельной Z-ООС больше, чем без нее:
Лвых = /?22(1 +S/T).
Изложенное иллюстрирует свойства каска-
дов на БТ и ПТ с самой массовой и простой в
выполнении Z-ООС, которая уменьшает нели-
нейные искажения сигнала с сообщением, ста-
билизирует режим АЭ, повышает входное со-
противление и устойчивость каскада. Платой
за эти достоинства является небольшое сниже-
ние усиления напряжения.
24.13. КАСКАД ФАЗОИНВЕРСНЫЙ
(ПАРАФАЗНЫЙ) предназначен для передачи
однофазного, относительно общего провода,
сигнала к симметричному входу, например,
мощного выходного каскада (см. ст. 24.9). Па-
рафазный каскад имеет несимметричный вход
и два симметричных (относительно общего
провода) выхода. Выполняет задачу обеспече-
ния равенства амплитуд и противоположности
фаз сигналов с двух выходных плеч при равен-
стве их выходных сопротивлений. В литерату-
ре принято называть такой каскад фазоинверс-
ным, и это неточно, так как инверсия фазы
входного сигнала на одном из выходов — толь-
ко часть функций парафазного каскада, а соб-
ственно инверсию фазы выполняет любой кас-
кад с ОЭ(ОИ).
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
701
24.13. КАСКАД ФАЗОИНВЕРСНЫЙ (ПАРАФАЗНЫЙ)
Парафазный каскад с разделенной на-
грузкой (см. далее, Рис. 24.71, б) — 7?С-каскад
без конденсатора Сэ, выходные сигналы с кол-
лектора и эмиттера имеют взаимный фазовый
сдвиг л при активной нагрузке. Коэффициент
передачи эмиттерного плеча < 1, как у лю-
бого повторителя (см. ст. 24.11), поэтому пол-
ную нагрузку для переменного тока у коллек-
торного плеча выбирают несколько меньше,
чем у эмиттерного, для уравнивания выходных
напряжений плеч между собой. Выходные со-
противления плеч тоже неодинаковые:
^вых Э<^выхК, ^вых Э = 1/Л> = 1/1^211»
Явых.К = II /?22-
Символ II означает параллельное соедине-
ние элементов. Неодинаковость выходных со-
противлений неприемлема для работы мощно-
го двухтактного каскада из-за нарушения сим-
метрии и увеличения нелинейных искажений.
Поэтому для уравнивания выходных сопротив-
лений последовательно с резистором RnKcn в
эми гтернос плечо включают резистор 7?доб. В
этом каскаде нет усиления напряжения, трудно
выполнить коррекцию АЧХ и ФЧХ, что огра-
ничивает его применение.
Парафазный каскад с эмиттерной / ис-
токовой связью подобен дифференциально-
му каскаду (ДК) — см. Рис. 24.90, в котором
базу транзистора КТ2 блокируют конденсато-
ром на корпус, т.е. транзистор V7\ включают
с ОЭ, a VT2 — с ОБ. Поэтому их выходные на-
пряжения в цепях коллекторов — взаимно
противофазные (см. ст. 24.3), что является
первым требованием к фазоинверсному каска-
ду. Второе требование — равенство амплитуд
сигналов с обоих выходов — обеспечивают
увеличением сопротивления резистора обрат-
ной связи (как в ДК). Преимущества: уси-
ление сигнала и вдвое большее выходное на-
пряжение при одинаковых с предыдущим ва-
риантом источниках питания; симметрия и ра-
венство выходных сопротивлений; ослабление
четных гармоник сигнала и пульсаций фона
при симметрии плеч; вдвое большее входное
сопротивление; возможность независимой
коррекции на ВЧ и НЧ в эмиттерных и коллек-
торных ЯС-цепях (см. ст. 24.14).
Известны также каскады на двух транзис-
торах разных структур с третьим (инвертиру-
ющим) транзистором на общей подложке
ИМС [2, 3J.
24.14. КАСКАД ШИРОКОПОЛОСНЫЙ
— каскад с £С7?-коррекцией АЧХ, ФЧХ, ПХ и
группового времени задержки (ГВЗ), предназ-
наченный для обработки непрерывных и им-
пульсных сигналов со спектром от единиц герц
до сотен мегагерц. Содержит АЭ, цепи межка-
скадной связи (см. ст. 24.24) и коррекции —
для расширения плоского участка АЧХ и ли-
нейного отрезка ФЧХ. Различают каскады с
коррекцией ПХ на ВЧ (область малых времен)
и на НЧ (область больших времен) с помощью
корректирующих двухполюсников или допол-
нительных цепей частотно-зависимых ООС.
Высокочастотная коррекция осуществ-
ляется включением одной-двух катушек ин-
дуктивности или с помощью эмиттерной (ис-
токовой) стабилизации АЧХ (введением отри-
цательной обратной связи для компенсации
спада АЧХ).
Распространенный способ — простая па-
раллельная индуктивная коррекция. Катушку
L включают с резистором связи R (см. Рис.
24.71, б) последовательно (на рис. она не пока-
зана). Тем не менее коррекция называется па-
раллельной, поскольку совместно с эквива-
лентной емкостью Со каскада получается па-
раллельный колебательный контур LC^R, где
Со = С22ГТ+ C]\tr+ Qi — сумма междуэлект-
родных емкостей БТ и монтажа. Кроме того,
корректирующее звено по переменному току
включено параллельно входу следующего кас-
када. Заметный подъем (или расширение) АЧХ
на ВЧ, высокий эффект коррекции возможны
при условиях: R « /?вх сл, R « ^22гт» т.е. ког-
да R — самое малое, определяющее сопротив-
ление параллельной цепочки R || /?22РТ|| Явх сл-
Эти условия выполняются для каскада на БТ с
ОЭ или ОБ при высокоомном входе 7?вх сл сле-
дующего каскада на БТ с ОК или на составном
транзисторе (см. ст. 24.3), или на ПТ с ОИ.
Нормированная АЧХ (Рис. 24.50, а) видо-
изменяется в зависимости от нормированной
частоты Q = (dC'oR = сотв при различных значе-
ниях параметра
т = = lACoR2),
где /?оэкв — эквивалентное резонансное сопро-
тивление параллельного контура.
При отсутствии индуктивности (L = 0)
АЧХ такая же, как у обычного /?С-каскада
без коррекции. При т = ткр АЧХ максималь-
но плоская и широкая согласно аппроксима-
ции Баттерворта (см. ст. 24.2). При т > ткр
702
РАДИОТЕХНИКА
24.14. КАСКАД ШИРОКОПОЛОСНЫЙ
АЧХ имеет выброс. Критическое значение
0.414 соответствует оптимальной коррек-
ции, а выигрыш в площади усиления (см. эту
сталью далее) составляет 1.72 раза и зависит от
заданного ослабления у на краях полосы про-
пускания, например, у = 0.7 (Л/ == 3 дБ) на Рис.
24.50, а. При М = 1дБ выигрыш составляет 2.3
раза, при М = 0.1 дБ — 4 раза. Чем меньше до-
пустимое значение Л/, тем заметнее выигрыш в
площади усиления или в полосе пропускания
при неизменном усилении.
Нормированная переходная характеристи-
ка h(l} показана на Рис. 24.50, б, где Т— нор-
мированное время установления, зависящее от
того же параметра т. При wKp = 0.25 значение
7’ в 1.42 раза меньше, чем при т = 0 (L = 0, нет
коррекции), а при т - 0.35 в 1.7 раза мень-
ше, тогда и выброс ПХ 8 = (т - 0.25)2 имеет
значение 8кр, не превышающее 1%. ФЧХ кас-
када Дф = -arctg[Q( 1 - т + w2Q2)] близка к пря-
мой, проходящей через начало координат, фа-
зовые искажения сигнала — минимальные.
Таким образом, простая параллельная ВЧ
коррекция устраняет недостаточность усиле-
ния на ВЧ и повышает линейность фазы благо-
даря добавлению индуктивного сопротивления
в коллекторную (стоковую) цепь. Время уста-
новления фронта импульса сокращается благо-
даря возрастанию тока заряда емкости Со, по-
скольку самоиндукция катушки за счет запа-
сенной в ней энергии мешает скачкообразному
спаду тока в начале импульса.
Цепь сложной последовательно-параллель-
ной индуктивной ВЧ коррекции (Рис. 24.50, в)
содержит корректирующую индуктивность Л|,
включенную последовательно с резистором /?н,
и вместе с паразитными емкостями С0|, С(п об-
разует П-образный широкополосный фильтр.
Катушка индуктивности Л2 для переменного
тока включена параллельно резистору Ru. При
отношении Со|/(СО| + С02) = 0.25...0.6 выиг-
рыш в полосе пропускания (относительно це-
пи простой коррекции) и в длительности фрон-
та импульса составляет приблизительно 1.5 ра-
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
703
24.14. КАСКАД ШИРОКОПОЛОСНЫЙ
за. Недостаток сложной коррекции — критич-
ность выбора номиналов элементов. Эта цепь
коррекции малопригодна для БТ из-за его ма-
лого входного сопротивления и неприемлема
для ИМС из-за наличия катушек индуктивнос-
ти. Поэтому в ИМС вместо катушек включают
входные электроды Э—Б биполярного транзи-
стора с ОБ, так как в определенном интервале
частот при RH —> 0 его входное сопротивление
-- индуктивное (см. Рис. 24.18, 0).
В ИМС используют также специальные це-
пи: соединенные последовательно двух- и трех-
звенные двухполюсники — генераторы тока.
Пример одного звена показан на Рис. 24.50, г;
емкость конденсатора С— единицы пикофарад.
Для ВЧ коррекции отрицательной обратной
связью в эмиттерную цепь вместо элементов
термостабилизации /?э, (см. Рис. 24.71, б)
или последовательно с ними включают парал-
лельную цепочку ЯкорСаф (на рис. она не пока-
зана) с малой постоянной времени. Эта Z-OOC
уменьшает усиление на СрЧ и НЧ, а на ВЧ ка-
скад нс имеет отрицательной ОС через цепь
коррекции из-за большой проводимости
2л/?вчСкор, благодаря чему усиление на ВЧ не
уменьшается (Рис. 24.50, д). При определен-
ном отношении постоянных Сю^п)р/С($зкввч
(обозначения — см. ст. 24.12) выигрыш в площа-
ди усиления достигает 1.7 раза, т.е. как и при
простой параллельной индуктивной ВЧ коррек-
ции каскада на ПТ. Но ВЧ коррекция ООС значи-
тельно проще и надежнее.
Низкочастотная коррекция достигается
включением корректирующих элементов /?фСф в
коллекторную цепь БТ (или в стоковую цепь
ПТ), а также с помощью цепи межкаскадной ча-
стотно-зависимой ООС. Подобно тому, как на
ВЧ вместе с частотой увеличивается индуктив-
ное сопротивление катушки, здесь на НЧ с пони-
жением частоты возрастает емкостное сопротив-
ление конденсатора Сф (эквивалентная схема ка-
скада по переменному току показана на Рис.
24.51, а) и общее сопротивление полезной на-
грузки (элемента связи) увеличивается от R на ВЧ
до R + Rф — на НЧ. Это приводит к возрастанию
усиления каскада на НЧ, расширению по частоте
вниз АЧХ (Рис. 24.51, б) и выравниванию ФЧХ на
низкочастотном участке. Коррекцию применяют
для обработки протяженных импульсов (сотни мил-
лисекунд) или сигналов с частотой от 10 Гц и выше.
Схема каскада с НЧ коррекцией не отличает-
ся от схемы Рис. 24.71, б. коллектор подключают
к источнику питания через два последователь-
ных резистора R и /?ф Мф, а их общую точку через
конденсатор Сфмор — к общему проводу. Отли-
чие от фильтра питания /?фСф состоит в выборе
постоянной времени тф к1ф = Яф.№рСфюР- Как и
индуктивная коррекция ВЧ, низкочастотная кор-
рекция эффективна при R « R22 ут, R <<: Явх сл,
т.е. если сопротивление R — самое малое из трех
параллельных сопротивлений 7?||7?22гт11 Явхсл-
Чем меньше отношение R/R$ №р, тем легче осу-
ществить коррекцию. Еще один критерий эффек-
тивности НЧ коррекции — малое значение отно-
шения RCф VDp/RuCp (здесь Ср — емкость раздели-
тельного конденсатора), которое определяет дли-
тельность заряда/разряда Сф|юр, следовательно,
задает и форму ПХ в области больших времен —
скалывание вершины импульса.
Коррекция АЧХ на НЧ с помощью отрица-
тельной ОС возможна, например, в двухкас-
кадном усилителе цепочкой ООС из последо-
вательных элементов /?Ос и Сое- Для этого ре-
зистор /?ос включают в эмиттерную (или ис-
токовую) цепь первого транзистора, а СОс —
в коллекторную (стоковую) цепь второго
транзистора. Получают цепочку последова-
тельно-параллельной А-ООС (см. ст. 24.15),
уменьшающей усиление на СрЧ и на ВЧ, но
сохраняющей усиление на НЧ. Емкостное со-
противление конденсатора СОс на НЧ велико,
и нормированная АЧХ имеет подъем или рас-
ширение плоского участка влево, в направле-
нии НЧ.
В ИМС коррекцию АЧХ на НЧ осуществ-
ляют включением генератора стабильного тока
(ГСТ) — см. ст. 24.18 — в коллекторную или
стоковую цепь первого транзистора вместо ре-
зистора /?№р. ГСТ выполняют на транзисторе
другой структуры р-п-переходов. Сопротивле-
ние ГСТ переменному току велико, поэтому
704
РАДИОТЕХНИКА
24.15. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ ЭЛЕКТРОННАЯ
при заданной постоянной времени Тф ю,р нужна
меньшая емкость, и габариты конденсатора
Скор могут быть уменьшены.
Площадь усиления — показатель широко-
полосное™ устройства, произведение верхней
частоты /в АЧХ сквозной передачи и сквозного
коэффициента передачи каскада на средней час-
тоте Ц>„Ых/е, (см. ст. 24.3): Q =/кК<ъ..
Для биполярного транзистора £ЭЬ1 сложно за-
висит не только от параметров транзистора, но и
от сопротивлений нагрузки и генератора Rv, так
как Rr>> Rrx ы, UaK< ег. Оптимальной нагрузке со-
отвегствует максимальная площадь усиления кас-
када на БТ: 2ьг,пах = + V2itFBCKbrb-)2. Как
видим, для этого нужны БТ с малым произведени-
ем Скь'ь* (см. ст. 24.3).
Площадь усиления каскада на полевом тран-
зисторе не зависит от сопротивления источника
сигнала (/?, « 7?нхПТ, Ц*х = ei) и от сопротивления
элемента связи (полезной нагрузки) R в стоковой
цепи ПТ (см. Рис. 24.72, а): £711Т = 57(2лС0),
где 5 - крутизна проходной характеристики
ПТ, Со - - паразитная емкость каскада. Следо-
вательно, для увеличения площади усиления
нужно выбирать I IT с большой крутизной S и
по возможности уменьшать емкость Со, шун-
тирующую полную нагрузку.
24.15. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ ЭЛЕКТРОН-
НАЯ — одна из форм воздействия следствия
на причину, осуществляется подачей части
выходного сигнала на вход или в определен-
ные точки электронной цепи. Различают пара-
зитные, внутренние, целевые и смешанные
обратные связи. Паразитные ОС возникают
вследствие неудачного размещения элементов
на монтажной плате или нерационального
формирования их на подложке ИМС. Внут-
ренние ОС обусловлены нежелательной внут-
ренней обратной передачей сигнала активным
элементом (выражается, например, парамет-
ром АЭ Л12). Целевые ОС создают специально
для стабилизации режима питания АЭ (см. ст.
24.18), повышения показателей усилителя и
снижения искажений. Электронную цепь ОС,
охватывающую вход усилителя и выход его
последнего каскада, называют общей обрат-
ной связью, а ту цепь ОС, которая действует в
пределах каскада, — местной (не путать с
внутренней ОС). Примером местной ООС яв-
ляется последовательная Z-ООС через резис-
тор в цепи эмиттера без конденсатора Сэ в
каскаде с ОЭ (см. Рис. 24.71, б). Паразитные
ОС в настоящей главе не рассматриваются —
см. гл. 7, 10.
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
Классификация целевых ОС. В зависимос-
ти от элементов цепи Р различают' частотно-
независимую и зависимую, линейную и нели-
нейную, пассивную и активную обратные свя-
зи. В зависимости от точки съема и ввода сиг-
нала ОС различают отрицательную и положи-
тельную ОС. В апериодических каскадах уси-
ления (см. ст. 24.9—24.14) применяют линей-
ные частотно-независимые пассивные элемен-
ты, в широкополосных (см. ст. 24.14) и селек-
тивных (см. ст. 24.8) частотно-зависимые
пассивные элементы, а в нелинейных устрой-
ствах на основе ОУ (см. ст. 24.1) —нелиней-
ные пассивные и активные элементы. Транзи-
сторы в цепях ОС используют ограниченно,
например, в гираторах с активным элементом
в цепи положительной ОС (см. Рис. 24.2, б). В
сложных устройствах сигналы ОС подают не-
сколькими цепями (многоканальная ОС, где
действуют и местные независимые, и перекре-
щенные петли ОС).
Усилитель без ОС с коэффициентом пере-
дачи Л?(со) (далее — цепь К) соединяют с це-
пью ОС, имеющей коэффициент передачи
Р(со) (далее — цепь Р), подобно любой из
схем Рис. 24.52, а—г и формируют петлю ОС.
Вообще узлами соединений являются шестипо-
люсники (на рисунках они не показаны). Про-
изведение Р(со)Х'(со) называют коэффициентом
петлевого усиления. Разность между напряже-
нием, поданным в разрыв петли ОС в любой ее
точке, и напряжением, возвращенным в эту
точку после обхода петли, называют возврат-
ной разностью, F = 1 РЛ?. Опа является коли-
чественной мерой влияния ОС на показатели
усилителя, например,
К К/F- К/(\ -РХ),
где К — коэффициент передачи усилителя, ох-
ваченного цепью ОС*; К — коэффициент пере-
дачи усилителя без ОС.
Для отрицательной ОС коэффициент петле-
вого усиления (~р/0 — отрицательный, следо-
вательно, возвратная разность F = 1 - (—р/С) =
= 1 + РЛ?, а при положительной ОС произведе-
ние РЛ? положительное, F = 1 РЛ\ Модуль
|F| называют фактором, или глубиной ОС.
Знаки «+» и «-» уверенно относят к средним
частотам диапазона, так как в усилителях пе-
ременного тока на низких и высоких частотах
Здесь и далее полужирным шрифтом выделены
параметры, учитывающие действие обратной связи.
705
23-2959
24.15. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ ЭЛЕКТРОННАЯ
(а в УПТ — только на ВЧ) действует комплекс-
ная ОС, учитывающая реактивные сопротивле-
ния, и имеются фазовые сдвиги сигналов, в том
числе с изменением их знака. При неглубокой
(пока нет инверсии фазы) отрицательной ОС
возвратная разность Г > 1 и коэффициент К
уменьшается, а при неглубокой положительной
ОС F < I и коэффициент К увеличивается срав-
нительно с К (см. также «Устойчивость опера-
ционного усилителя» в ст. 24.17). Нас интересу-
ют в основном отрицательные ОС, так как
именно они повышают устойчивость устройст-
ва, качество и стабильность еш показателей.
По способу съема и ввода сигналов разли-
чают четыре вида ОС: последовательно-после-
довательную, параллельно-параллельную, по-
следовательно-параллельную и параллельно-
последовательную. Первое слово в названии
ОС указывает на способ соединения цепей К и
Р со стороны входа усилителя К, т.е. слева на
всех схемах Рис. 24.52, второе слово способ
соединения цепей со стороны выхода усилите-
ля К. Функциональное прохождение сигнала
по петле /ф, как видно из схем, таково: вход К
—> выход К —> вход Р -> выход Р —> вход К. При
одинаковых способах соединения левых
клемм (вход К / выход Р) и правых клемм (вы-
ход К / вход р) достаточно одного слова для
определения ОС, например, параллельная
ОС, Рис. 24.52, б.
Известные термины ОС «по току» (вместо
«последовательная» ОС) или ОС «по напряже-
нию» (вместо «параллельная» ОС) не всегда
точны. Так, ОС «но напряжению» реальна
лишь при ненагруженном выходе (ZH —> «>) и
отсутствует при коротком замыкании (КЗ) вы-
хода (ZH —> 0), а ОС «по току» эффективна на-
оборот при Z,, —> 0, т.е. при КЗ выхода. На самом
же деле полное сопротивление нагрузки уст-
ройств, работающих на частотах 0...100 МГц,
может приобретать любые произвольные про-
межуточные значения от нуля до сотен килоом.
Виды обратной связи. Оценивая показа-
тели ОС, исходят из трех условий. Во-пер-
вых, выходное напряжение U2 цепи А(со)
(см. Рис. 24.52) условно не должно изме-
няться под влиянием цепи Р(со) при всех ви-
дах ОС, т.е. выходное напряжение усилите-
ля, охваченного петлей ОС, U2~U2 [1,4, 5].
Во-вторых, суммируя матрицы соединенной
пары четырехполюсников А(ш) и р(со), учи-
тывают все параметры самого усилителя
А(со), кроме параметра обратной передачи,
роль которого условно возлагают на цепь
Р(со), а усилитель идеализируют. Принима-
ют (например, в A-параметрах), что
Лцк>> Лир, h2\K>> ^2ip, h22K -*> Л22р,
(Л|2 к 0) « h12р,
т.е. входное сопротивление, коэффициент пря-
мой передачи и выходная проводимость самого
усилителя преобладают по своим значениям
над такими же параметрами цепи ОС. Выпол-
нение этих неравенств в реальных электронных
цепях — в компетенции проектировщика. Про-
ще придать необходимые значения цепи р(со),
так как она состоит в основном из пассивных
элементов и не влияе^г на параметры усилителя.
Наиболее приемлемым для выполнения по-
следнего из четырех неравенств является опе-
рационный усилитель. Итак, матрица результи-
рующего четырехполюсника [Л?(со)|3(со)] имеет
элементы:
706
РАДИОТЕХНИКА
24.15. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ ЭЛЕКТРОННАЯ
к2\к h22K h ।эр.
В-третьих, выходным током 12 считают
только ток, протекающий через нагрузку ZH.
Напомним, что шрифтовое выделение по-
казателей усилителя, например, h !2, К, ZRK,
ZBbJX, свидетельствует о наличии ОС.
Последовательную ОС (см. Рис. 24.52, а)
описывают матрицей Z-параметров для лако-
ничности формул. При первом условии (t/2 = ^2,
см. ранее) коэффициент передачи напряжения
tfz = U2IU\ = + ^ос) = А'Ж,
где Kz = U2/U}, a Fz = 11 + 0X1 — фактор ОС.
Значит, при отрицательной ОС Kz меньше, чем
Kz. Коэффициент передачи тока Kiz = /2//| =
= /2//| = Ki не изменяется от действия ООС, так
как и входной /|, и выходной /2 токи — общие
для цепей К и 0 (поскольку цепи соединены
последовательно), хотя /2 < /2, а 1\ < Ц из-за
увеличения выходного и входного сопротивле-
ний соответственно. Действительно:
zBXZ = vxux = (их + (7ос)//1 = /вхЛ;
ZBWXr ~ С2П2 — ZHbIxA- + ZBb|Xp
Пара четырехполюсников [/С0,] с высоким об-
щим выходным сопротивлением является ис-
точником тока для последующей цепи — на-
грузки с сопротивлением Zn, значит, последо-
вательная Z-ООС стабилизирует выходной ток.
Уменьшение усиления напряжения, увели-
чение входного сопротивления, неизменность
коэффициента передачи тока при подключении
к усилителю цепи ООС — это результат после-
довательною соединения цепей К и 0 слева. Уве-
личение выходного сопротивления и стабилиза-
ция выходного тока — э го следствие последова-
тельного соединения правых клемм. Последова-
тельная ООС эффективна при Z, —> О, ZH —> О,
так как при этих значениях петля ОС не разры-
вается и фактор отрицательной ОС большой:
Г,= |1 +Р-/С| =
-1 + Z12Z2I / [(Zn + Zr)(Z22 + Z„)l »1.
Малое значение Fz 1 при (Z,, ZH) —> <» лиша-
ет смысла применять Z-OOC, например, для
повышения входного сопротивления и стаби-
лизации выходного тока усилителя, так как
петля ООС разрывается. Напомним, что в по-
следней формуле Z|2 — сопротивление обрат-
ной передачи цепи 02, а остальные Z-парамет-
ры принадлежат цепи К, у которой Zn и Z22 —
входное и выходное сопротивления соответст-
венно, Z2| - сопротивление прямой передачи.
Параллельную ОС (см. Рис. 24. 52, б) опи-
сывают матрицей У-парамстров для лаконично-
сти формул. Коэффициент KY = Ку (т.е. не изме-
няется, так как U} = (/j, как видно из рисунка, а
£/2 = U2 — по условию). Коэффициент передачи
тока
KlY= /2//1 = /2/(/, + /ос) = Ki/Fy,
где Kj = /2//| — коэффициент передачи тока без
ОС, a Fy = |1 + ргА?у| — фактор ОС. Следова-
тельно, при ООС Ki < Kh поскольку в точке А
ток /| разветвляется на два тока Ц, /ос, а /2 (по
определению) — ток, протекающий только че-
рез на1рузку ZH. Входное и выходное сопротив-
ления уменьшаются:
ZBxr = С/,//1 = С/,/(/, ь /ос) = ZBX/Fr;
^выхУ С2П2 - (/2/(/2 + /20с) ~
= ZbwxA'II ZB|,ixP ~ ZkuvJFy-
Параллельное соединение правых клемм па-
ры цепей [/Сг 0Г], уменьшение выходного со-
противления приближают пару к идеальному
источнику напряжения для нагрузки ZH, сле-
довательно, параллельная У-ООС стабилизи-
рует выходное напряжение. С другой сторо-
ны, уменьшение коэффициента KiY, входного
сопротивления ZHxr и неизменность коэффи-
циента передачи напряжения KY являются
следствием параллельного соединения цепей
[А7у 0Г] слева. Параллельная ООС эффективна
при больших сопротивлениях источника сиг-
нала и нагрузки. В этом случае они не шунти-
руют цепь ООС и нс уменьшают ее глубину.
Фактор У-ОС
1 + У12У21 / [(Уп + УГ)(У22+ Ун)] » 1,
где Ун и У22 — входная и выходная проводи-
мости; У2| и У|2 — проводимости прямой и
обратной передачи; Ун — проводимость на-
грузки.
Следующие два вида ОС комбинации
двух первых. Они обладают следующими
свойствами.
Последовательно-параллельную ОС (см.
Рис. 24. 52, в) описывают матрицей //-параме-
тров, так как она имеет свойства Z-ОС по вхо-
ду и У-ОС по выходу. Параметры Kh - K/Fh,
Kih = Kih, Znxh = ZnKhFh изменяются, как у Z-OC,
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
707
24.15. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ ЭЛЕКТРОННАЯ
т.е. при отрицательном знаке Л-ОС (Fh > 1)
коэффициент передачи напряжения уменьша-
ется, а входное сопротивление возрастает. Ма-
лое выходное сопротивление ZRhlKh = ZRUKhIFh
стабилизирует выходное напряжение, как при
У-ООС. Эффективность Л-ООС проявляется
при малом сопротивлении источника сигнала
Zr и большом сопротивлении нагрузки ZH, по-
скольку петля ОС при этом не разрывается сле-
ва и не закорачивается справа, поэтому и фак-
тор Л-ООС — большой:
Fh = 1 + h, 2Л2, / [(Л,, + Zr)(h22 + Г,,)] » 1,
где Ли — входное сопротивление; Л22 — выход-
ная проводимость; Л2) и Л12— коэффициенты
прямой и обратной передачи соответственно,
безразмерные величины.
Параллельно-последовательную ОС (см.
Рис. 24.52, г) описывают матрицей «-параме-
тров, так как она имеет свойства У-ОС по
входу и Z-ОС по выходу. Параметры Ка = Ка,
Кш = KiaIFa, Znxa ZHKa/Fa изменяются, как при
У-ОС, 1. е. при отрицательном знаке «-ОС (Fa> 1)
коэффициент передачи тока и входное сопро-
тивление уменьшаются. Большое выходное со-
противление ZBblx„ = ZnMXaFa стабилизирует
выходной ток, как у Z-ООС. Эффективность
«-ООС особенно заметна при малой внутрен-
ней проводимости источника сигнала У,, (гене-
ратор не шунтирует петлю ОС) и при малом
сопротивлении нагрузки ZH (нагрузка не раз-
рывает петлю ОС), тогда и фактор «-ООС —
большой:
/<’„= 1 + в,2а2| / [(«и + Уг)(а22 F Z„)] » 1,
где «и —входная проводимость; «22 — выход-
ное сопротивление; «2| и «12 — коэффициенты
прямой и обратной передачи соответственно,
безразмерные величины.
Влияние отрицательной обратной связи
на показатели усилителя определяется фак-
тором ОС F при различных сопротивлениях
источника сигнала Zr или нагрузки ZH (см. Рис.
24.52). Выражения для фактора F для различ-
ных видов ОС — см. ранее. Иногда использу-
ют частные, упрощенные выражения фактора
ОС. Так, при Z, = О фактор FBX(0) = 1 + Хрвх(0);
при Z„ = О фактор FBb,x(0) = 1 + Крвь1х(0). При
(Zr, Z„) —> оо имеем аналогично FBX(«>), FBbIX(oo).
Влияние ООС на АЧХ, ФЧХ, ПХ. Для час-
тотно-независимой ООС коэффициент р(со) =
= const, поэтому в середине диапазона частот
((Оо), где Дсо) = ДсОо) = ^max, значение факто-
ра ООС FBX(0) = FBX(0)max максимально. На
краях полосы пропускания, т.е. на частотах
итт и сотах, значение FBX(0) невелико и ослаб-
ление сигнала от действия отрицательной ОС
меньше; следовательно, АЧХ становится плос-
кой в более широком интервале частот. Вооб-
ще ООС уменьшает неравномерность АЧХ,
обусловленную лишь теми причинами, кото-
рые изменяют и Дсо), и р(со) в одном направле-
нии. В противном случае ООС даже увеличи-
вает искажения. Например, последовательная
по выходу ООС увеличивает спад АЧХ на ВЧ,
если спад обусловлен влиянием емкости на-
грузочного конденсатора Сн, поскольку коэф-
фициент Дсо) уменьшается от шунтирования
активного сопротивления нагрузки /?н емкос-
тью, так как Z,, = (/?н II С„), см. Рис. 24.52, а. А
отрицательное действие цепи р(со) возрастает
вместе с увеличением тока ООС на ВЧ.
Поясним влияние ООС аналитически. Без
ООС передаточная функция усилителя на ВЧ
Д/со)-Д/(1 +;<отв),
где тв = Сн/?экв вч (см. Рис. 24.49, #) высоко-
частотная постоянная времени цепи нагрузки;
Д ~ ДС00) — Дпах-
С учетом действия ООС
Д/со) = [Д/Дх(0)] / [1 +усотв/Лвх(0)].
Как видно из формул, высокочастотная посто-
янная времени тв и инерционность уменьши-
лись в FBX(0) раз, потому и верхняя граничная
частота /з может быть увеличена в FaK(0) раз
при прочих равных условиях. На НЧ без ООС
передаточная функция
Д/со) = Д/(1 + 1/уоин),
где т„ = Ср/?и (см. Рис. 24.71, б и 24.49, а) —
низкочастотная постоянная времени раздели-
тельной цепи.
С учетом действия ООС
Д/со) = [Д/Гвх(0)] / [1 + 1/jcdt..Fbx(0)].
Таким образом, низкочастотная постоянная
времени увеличилась в Fnx(0) раз, что соответ-
ствует снижению нижней граничной частоты в
то же число FBX(0) раз.
Нормированная АЧХ усилителя с учетом
действия ООС
708
РАДИОТЕХНИКА
24.15. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ ЭЛЕКТРОННАЯ
Х<0) =* / *«Оо) - I [I V(CO)]/FBX(0),
где у(со) = Х7(со)/Х7(соо) — нормированная АЧХ
усилителя без ООС.
Чем глубже ООС, чем больше значение
фактора FBX(0), тем меньше вычитаемая из еди-
ницы величина в квадратных скобках числите-
ля и тем более плоской становится АЧХ. Ана-
логично и фазовый сдвиг:
<p = <p/FBX(O).
Отрицательная ОС (FBX(0) > I, см. ранее)
уменьшает фазовый сдвиг и выравнивает, лине-
аризует ФЧХ, а положительная ОС (FBX(0) < 1)
увеличивает искажения ФЧХ. Оценивая сквоз-
ные величины — коэффициент передачи Ке и
фазовые сдвиги ф£>, вместо FBX(0) используют
приведенные ранее полные выражения для фак-
тора ОС — Fz, Fy, Fh или Fa с конкретными зна-
чениями полных сопротивлений Z,, ZH.
Переходная характеристика тоже улучшает-
ся под влиянием ООС: длительности фронта и
среза, скалывание вершины импульса умень-
шаются в FBX(0) раз. При числе каскадов N > 2
возможны выбросы па вершине импульсов
вследствие фазовых сдвигов на ВЧ полосы про-
пускания. Тогда уменьшают или значение
FBX(0), или число А каскадов, охваченных ООС.
При включении в цепь р(со) частотно-зави-
симых элементов можно корректировать АЧХ
и ФЧХ для увеличения широкополосности ка-
скадов (см. ст. 24.14).
Влияние ООС на нелинейные искажения и
внутренние помехи. Для уменьшения нелиней-
ных искажений цепи ООС включают, прежде
всего, в выходные каскады, где уровни сигнала
максимальны. Проходной и сквозной коэффи-
циенты гармоник (последний учитывает влия-
ние Z, при действии ООС) оценивают соответ-
ственно как
А, ~ А, //гвх(0) и kr = kr/F.
Следует иметь в виду, что ООС не способ-
на уменьшить тс нелинейные искажения, кото-
рые обусловлены отсечкой тока (см. ст. 24.18),
поскольку при отсечке коэффициент X —> О,
усиления нет, FBX(0) —> 0 и ООС не действует.
Внешние и внутренние помехи, фоны, дрей-
фы нуля, асимметрия плеч дифференциальных
каскадов или двухтактных усилителей мощнос-
ти (см. ст. 24.9, 24.23,24.24) уменьшаются цепя-
ми ООС, если они не порождены входным кас-
кадом: Utl вых = Uu BhIX/F. Входной каскад со сла-
бым сигналом не охватывают петлей обратной
связи, так как резисторы цепи ООС шумят и
увеличивают шумовой эффект АЭ (бесшумных
АЭ не существует), что снижает отношение сиг-
нал/шум на выходе устройства.
Чувствительность входных и выходных
сопротивлений усилителя с ООС к измене-
нию значений других параметров оценивают
по работе усилителя на согласованную ли-
нию. При неглубокой ООС (5 < F(0) < 15)
чувствительность входного сопротивления
ZBX к изменению коэффициента К усилителя
без ООС
^вх е А = [FBX(0) - FBX(~)] / [/7nx(0)/7nx(oo)];
аналогично чувствительность выходного со-
противления
^Лных < А = [/'ных(О) - ^вых(°°)] / [Л|ых(0)^вых(°°)]-
Применение мостовых схем подключения ис-
точника сигнала Zr и нагрузки ZH к петле ООС
дает возможность сделать сопротивления ZBX и
4ых не зависящими от Zu, Z,, К и F(0). Это по-
лезно для повышения устойчивости устройст-
ва при нестабильной нагрузке.
Чувствительность коэффициента К уси-
лителя с ООС к изменению коэффициента К
самого усилителя — важнейший показатель
стабильности и усгойчивости устройства. По
определению
SK^.K = (dK/K) I (dK/K) =
= (dK/dK) I (K/K) = I /FBX(0).
Чем больше значение фактора ООС F, гем
меньше чувствительность и выше стабиль-
ность коэффициента К при изменении К.
При реальном К > 103, например, для после-
довательно-параллельной ООС коэффициент
К = КЦ\ + h12Х) 1/Л|2 с погрешностью по-
рядка 1О’\ Итак, передаточная функция уси-
лителя с большим коэффициентом усиления
X, охваченного петлей внешней обратной свя-
зи, не зависит от параметров самого усилите-
ля, а определяется только свойствами цепи
ООС (например, ее параметром Л(2). Па этом
принципе базируются многочисленные при-
менения ОУ (см. ст. 24.1, 24.17). Важно и то,
что пассивные элементы цепи ОС с коэффи-
циентом передачи р(со) значительно стабиль-
нее, чем АЭ усилителя.
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
709
24.16. ОГРАНИЧИТЕЛЬ
24.16. ОГРАНИЧИТЕЛЬ — устройство,
которое благодаря нелинейным свойствам сво-
их элементов обеспечивает постоянство вы-
ходного напряжения в определенных пределах
изменения входного напряжения. Применяется
для формирования сигналов и ослабления по-
мех. В зависимости от назначения различают
О. мгновенных значений и О. амплитуды.
Ограничитель амплитуды обеспечивает
постоянство амплитуды выходного напряже-
ния при изменении амплитуды входного сиг-
нала. Непостоянство амплитуды Опкт может
быть обусловлено как влиянием помехи (па-
разитная AM), так и прохождением ЧМ сиг-
нала через частотно-селективный тракт (со-
путствующая AM). Структура О. а. содержит
НЭ (диод, транзистор, ИС), обеспечивающий
ограничение мгновенных значений (см. да-
лее), с фильтровой нагрузкой, подавляющей
гармоники выходного напряжения. Благодаря
этому при синусоидальном напряжении на
входе О. а. напряжение на его выходе также
остается синусоидальным. Качество работы О.
а. оценивают при помощи амплитудной харак-
теристики СВЫХ„,(СНХ,„), а также коэффициента
подавления AM t;AM = тлк/тлых (Рис. 24.53, а).
Для высококачественного приема ЧМ сигнала
необходимо, чтобы </АМ 20.. .40 дБ. О. а. при-
меняется в приемниках ЧМ сигналов.
Ограничитель амплитуды на транзисторе
— избирательный усилитель, который отлича-
ется от обычного пониженным напряжением
питания на коллекторе. Режим работы задают
выбором начального базового тока и угла на-
клона начальной динамической характеристи-
ки так, чтобы ограничение амплитуды коллек-
торного тока осуществлялось сверху благодаря
переходу в область насыщения и снизу благо-
даря отсечке во входной цепи транзистора [6].
Ограничитель амплитуды на диодах — из-
бирательный усилитель, на выходе которого ус-
тановлены два встречно включенных ограничи-
тельных диода, закрытых пороговым напряже-
нием Епор. До тех пор, пока напряжение на кон-
туре меньше порогового UKm < Епор, диоды не
шунтируют нагрузку усилителя. Когда ампли-
туда контурного напряжения превышает напря-
жение порога, диоды открываются и через них
протекают импульсы тока. Первая гармоника
этого тока определяет входное сопротивление
диодной схемы /?вх = ипктНт\, шунтирующее
контур. Эквивалентное сопротивление контура
изменяется в противофазе с AM, т.е. осуществ-
ляется подавление AM входного сигнала.
Динамический подавитель — избиратель-
ный усилитель, нагруженный диодным АД с
изменяющимся входным сопротивлением. От-
личие от предыдущей схемы заключается в
том, что диодный детектор работ ает без внеш-
него смещения благодаря инерционности на-
грузочной цепи /?НСН » ГАМ, где ГАМ — наи-
больший период AM входного сигнала. Подав-
ление аналогично рассмотренному в дробном
детекторе (см. ст. 24.6).
Ограничитель мгновенных значений
обеспечивает постоянство мгновенных значе-
ний выходного напряжения при изменении
мгновенных значений входного сигнала в опре-
деленных пределах. В зависимости от вида
амплитудной характеристики wBKIX(wBX) О. м. з.
разделяют на ограничители по минимуму и по
максимуму. Каждый из них может быть одно- и
710
РАДИОТЕХНИКА
24.17. ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
двухсторонним. Последние могут иметь одина-
ковые или различные пороги ограничения EIIop.
Двухсторонние О. м. з. с одинаковыми порога-
ми называют симметричными, а с различными
— асимметричными. На Рис. 24.53 изображе-
ны АХ идеальных О. м. з.: Рис. 24.53, б — од-
носторонних по максимуму; Рис. 24.53, в — од-
носторонних по минимуму; Рис. 24.53, г, д —
двухсторонних по максимуму и минимуму со-
ответственно. На Рис 24.54 показаны схемы их
формирования: Рис. 24.54, а О. м. з. односто-
ронних по максимуму; Рис. 24.54, б — одно-
сторонних по минимуму. Характеристики ре-
альных ограничителей нс имеют четко выра-
женного порога ограничения и горизонтальных
отрезков. Применение О. м. з. для подавления
импульсных помех рассматривается в ci. 17.11.
24.17. ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
— активный элемент современных РЭС, слож-
ный многокаскадный УПТ с симметричным
входом, очень большим усилением и несимме-
тричным выходом. Предназначен для работы с
разнообразными цепями внешних ОС, которы-
ми определяются выполняемые ОУ техничес-
кие задачи. Термин операционный усилитель
(1947 г., США) от первичного применения:
он означал тогда выполнение математических
операций с континуальным сигналом в анало-
говых ЭВМ. Чтобы упростить получение нуле-
вых (начальных) значений выходных напряже-
ний, питание ОУ осуществляют от биполярно-
го источника питания (+£„/-£„), а его среднюю
точку заземляют. Для машинного анализа РЭС
операционный усилитель представляют макро-
моделями — упрощенными принципиальными
схемами. Простая малосигнальная линейная
модель ОУ содержит три блока, показанных на
Рис. 24.55: а входное сопротивление, б
имитация первого полюса АЧХ о)в = !/(/?(’), а
также входного тока /| = в — имитация
выходных тока и сопротивления /2 = Х'д(7вх//?нь|х
(обозначения — см. далее). На электрических
принципиальных схемах ОУ обозначают треу-
гольником или прямоугольником. Слева сверху
— инвертирующий (инверсный) вход, отмечен-
ный кружком, слева снизу нсинвертирую-
щий (неинверсный) вход; справа — выход; сс-
ыльные выводы размещают произвольно.
Малосигналъные параметры ОУ. Отметим
важнейшие из двадцати известных. Коэффи-
циент передачи дифференциального (сино-
нимы: разностного, противофазного, контр-
фазного, двухфазного, парафазного, т.е. сим-
метричного относительно общего провода)
входного напряжения Х’д = (7HhIX/CBX д опреде-
ляют при поминальном сопротивлении на-
грузки /?„ „ом или при /?,, —>.«>. Порядок зна-
чений Кл — от 10^ до 107.
Коэффициент подавления синфазных по-
мех1 с „ = Хд/Хеф, как и в дифференциаль-
ном каскаде (см. ст. 24.23), составляет
60... 120 дБ. Этот параметр определяет потен-
циальную помехоустойчивость ОУ. Допусти-
мое напряжение Свх Сф,пах — такое его значе-
ние, при котором коэффициент ки с „ на 6 дБ
меньше паспортного.
Входное полное conpoi явление для диффе-
ренциального сигнала /?ВХД||СВХД — полное
сопротивление между инверсным и неинверс-
ным входами ОУ (см. Рис. 24.55, а) находится
в пределах о г 103 до 1()7 Ом.
Входное сопротивление для синфазного
входного сигнала /?вхсф = 0.5/?вх сф| сопро-
тивление между перемкнутыми входами ОУ
(инверсным и нсинверсным) и общим прово-
дом (см. Рис.24.55, а). Сопротивления /?нхеф|
имеют порядок десятков мегаом. Входные со-
противления по синфазному и дифференци-
альному входам измеряю! на постоянном токе
или па низких частотах.
Выходное сопротивление зависит от пара-
метров оконечного каскада ОУ (см., например,
Инворсный вход
Неинверсныи вход
а)
1 Друюе название — коэффициент ослабления син-
фазною chi нала (КОСС) (прим ред. ).
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
711
24.17. ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
Рис. 24.46); обычно это мощный эмиттерный
повторитель (см. ст. 24.11), имеющий /?вых —> 0.
Частота полюса /в или сов — верхняя часто-
та, соответствующая спаду АЧХ ОУ на 3 дБ; ее
оценивают только на малом сигнале, в отсутст-
вие перегрузки первого каскада.
Частота единичного усиления С0| (см.
Рис. 24.61), при которой модуль |ЕД| = 1, дости-
гает сотен мегагерц.
Время установления ОУ — продолжитель-
ность переходного процесса тус1 — см. ст.
24.24.
Постоянное входное напряжение смеще-
ния Евх см = Евых см/(Яос/Я1 + О — напряжение,
обусловленное асимметрией плеч дифферен-
циального каскада (см. Рис. 24.90) на входе ОУ
Компенсационное напряжение Есм к = |ЕСМ|
изменяется от 1 до 5 мВ, имеет знак, обратный
Явх.см, при котором Евых см = 0.
Температурный дрейф смещения АЕВХ СМ/АТ
составляет 10...50 мкВ/К.
Входной ток смещения /вх см — среднее (по
нсинвсрсному и инверсному входам) значение
обоих входных токов ОУ при заданном значении
Евыхсм, изменяется от 10 пА до 10 мА, а темпе-
ратурный дрейф входного тока Д/вх СМ/АТ — от
0.5 до 2.5 нА/К.
Скоростными параметрами ОУ, описыва-
ющими его свойства при больших уровнях
входного сигнала и перефузке первого каскада,
являются максимальная скорость нарастания
выходного напряжения ИВЬ|Х тах (сотни вольт на
микросекунду) и максимальная частота, на ко-
торой ОУ развивает полную, как на НЧ, выход-
ную МОЩНОСТЬ, С0тах — ^ныхтах^выхтах [К 5].
Оба эти параметра характеризуют динами-
ческие искажения сигнала входной цепью ОУ
после каждого значительного броска напряже-
ния С/вх: некоторое время ОУ не способен вос-
производить бросок входного сигнала любого
знака или переменный сигнал, поскольку вы-
ходное напряжение при этом неуправляемо.
Это ошибочное время тем короче, чем
большую скорость КВЬ1хтах обеспечивает ОУ и
чем меньше значение фактора F внешней ОС
(см. ст. 24.15). Самые скоростные ОУ образуют
серию компараторов на ИМС (см. ст. 24.1).
Классификация ОУ. Различают следующие
типы ОУ:
— ОУ общего назначения с высокими значени-
ями некоторых параметров;
— специальные ОУ с оптимизацией некоторых
параметров за счет ухудшения других, напри-
мер, с большим усилением, но в узкой полосе
частот или наоборот;
— прецизионные ОУ с большим усилением,
возможностью глубокой ОС без самовозбужде-
ния, с малыми смещением нуля и шумами, вы-
соким входным сопротивлением;
— компараторы — высокоскоростные ОУ.
Структура ОУ содержит два входных диф-
ференциальных каскада (ДК), за которыми
следуют каскады сдвига (смещения) уровня
(КСУ), см. ст. 24.23; далее включают предоко-
нечный, затем мощный выходной каскады (см.
ст. 24.9) с дополнительными цепями внутрен-
них ООС и коррекции АЧХ (см. далее «Устой-
чивость операционного усилителя»). Переход
от симметричных двухфазных к несимметрич-
ным однофазным цепям и сигналам осуществ-
ляется во втором ДК. Этот переход предусмот-
рен для удобства подключения внешних цепей
ОС и передачи обработанного сигнала к испол-
нительному устройству пользователя. Во внут-
ренней схемотехнике ОУ широко используется
генератор стабильного тока (ГСТ), или «токо-
вое зеркало» (термин США — см. ст. 24.18).
Его применяют также как динамическую на-
грузку каскадов для увеличения усиления и
коррекции АЧХ (см. ст. 24.14) и (или) как цепь
межкаскадной связи (см. ст. 24.19). Предусма-
триваются также цепи защиты ОУ от коротко-
го замыкания (см., например, Рис. 24.46 и ст.
10.5).
Вообще ОУ всегда применяют вместе с
цепями внешних ОС. Главная причина — ос-
новополагающий результат, отмеченный в
конце ст. 24.15: в устройствах обработки сиг-
налов на базе ОУ коэффициент передачи
К = 1/р12 определяется только цепью ОС. Под
величиной р12 здесь понимают обобщенный
комплексный коэффициент передачи цепи
ОС, которая и определяет свойства ОУ вмес-
те с цепью ОС при условии очень большого
коэффициента Ед . Однако дело не только в
назначении (см. ст. 24.1, 24.15), но и в боль-
шом усилении ОУ (Ед -» 106) — это вторая
причина применения ОС: даже незначитель-
ная асимметрия плеч входного ДК или весь-
ма малое входное напряжение С/вхд могут
привести к смещению (сдвигу) нуля, к насы-
щению ОУ и его неспособности обрабаты-
вать сигналы. Третья причина — большой
технологический разброс параметров ОУ
(в особенности Ед) и их зависимость от тем-
пературы, требующие отрицательной обрат-
ной связи при любых применениях ОУ Без
них ОУ нс работает принципиально.
712
РАДИОТЕХНИКА
24.17. ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
Базовые схемы ОУ как активного элемента
с цепями внешних ОС — это инверсный, неин-
версный, дифференциальный ОУ, а также пре-
образователь тока в напряжение.
Дифференциальный операционный уси-
литель предусматривает обязательное исполь-
зование обоих входов — инверсного и неинверс-
ного (см. ст. 24.17, далее), причем, в отличие от
дифференциального каскада (см. ст. 24. 23), он
охвачен внешней ООС (Рис. 24.56). Для обес-
печения одинаковых коэффициентов передачи
от обоих входов включают делитель /?2/?3 и, ес-
ли R\/Roc = R2/R3, то Д- ОУ становится нечув-
ствительным к внешним синфазным помехам,
поскольку они ослабляются в kn с п раз:
вых )/?ос/Л|.
^вых = (^вх2 “ £4xl)^OC’/^l-
Здесь Roc/R\ ~ К* — коэффициент передачи
сигнала с одного из входов дифференциального
ОУ с внешней ОС (/?ос)- Каскадный Д. ОУ со-
держит два-три корпуса ОУ, чтобы обеспечить
еще большее подавление синфазных помех.
Инвертирующий (инверсный) операци-
онный усилитель — основное включение,
базовая схема ОУ (Рис. 24.57), с применением
которой созданы многие устройства (см.
ст. 24.1). Сигнал подают на инверсный вход и
осуществляют параллельную ООС. Для па-
раллельной У-ОС (см. ст. 24.15) коэффициент
АГ=/С,К2/Гнх(0),где
Явх Д11/?oc/(^i + RBX д II *ос).
Здесь символ II означает параллельное соеди-
нение цепей, Roc = (Roc + /?н11ЯВых) Roc, а
К2 = Кд (см. эту статью ранее «Малосигналь-
ные параметры ОУ»). Фактор ООС
FBX(0) = I + ад II Явхд) / (Roc + Л, II Лвх л).
Входное сопротивление с учетом действия
ООС
Явх = Л, + лвх.л|| [Яос/(1 + Кл)] Ль
так как выражение в квадратных скобках —
эквивалентное сопротивление ветви ООС, ко-
торое значительно меньше сопротивления ре-
зистора Roc.
Выделение параметров полужирным шрифтом
свидетельствует о наличии ОС.
Рис. 24.57
Выходное сопротивление с учетом дейст-
вия ООС
-^вых ^выхО^Х00),
где /?вь1х0 ~ -^вых II Roc ^вых» а /?вых сопро-
тивление самого ОУ; фактор ООС F(oo) » 1
(см. ст. 24.15).
Если параметры самого ОУ близки к иде-
альным (что соответствует практике, т. е.
Кд -» оо, 7?вх д -» оо, двых 0), то приведенные
формулы упрощаются:
^инв —*oc/*i
^ВЫХ ИНН 0"
Л'нх инн 1,
Недостаток инверсного ОУ — невысокое
входное сопротивление. Увеличивая нужно
также увеличить и Яос, чтобы не уменьшить
усиление (АГИПВ). Но высокоомный резистор /?ос
вызовет неустойчивость ОУ из-за дополнитель-
ного фазового сдвига сигнала цепью /?осСвх.д
(см. Рис. 24.55, а). Поэтому для увеличения обо-
их параметров /?вх инв и АГИНВ включают делитель
R2R3 (см. Рис. 24.57), после чего эквивалентное
сопротивление цепи ОС значительно возрастает:
/?осэкв = Roc + Ri( 1 + Roc/Rz) >> Roc,
причем при невысоком фактическом номинале
/?ос- В результате можно применить и высоко-
омный резистор R} без потери устойчивости и
усиления инверсного ОУ:
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
713
24.17. ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
^инв АО( >кв//?,.
Неинвертирующий (неинверсный) опе-
рационный усилитель — второй базовый вид
включения ОУ (Рис. 24.58), который использу-
ется во многих устройствах. Сигнал пода-
ют на неинверсный вход, а сигнал ООС С/ос
(как и в инверсном ОУ) — на инверсный вход
через делитель RoCR\. Это обеспсчиваег отри-
цательный знак ОС, но, в отличие от инверсно-
го ОУ, ООС введена последовательно с сигна-
лом. Итак, имеем последовательно-параллель-
ную ООС (см. ст. 24.15) и потому входное со-
противление И. ОУ намного больше, чем ин-
версного ОУ Коэффициент передачи в общем
виде К = где А] = Я11ХД /(/?вхд +
+ /?, ||яос), К2 = Ад, /^(0) — фактор ОС (см.
инверсный ОУ), а символ II означает парал-
лельное соединение цепей. Для идеализирован-
ного II. ОУ с параметрами КЛ —> «>, /?нхд —> оо,
коэффициент передачи
К - I +
Следовательно, коэффициент передачи напря-
жения К неипвсрсного ОУ не может быть мень-
ше единицы. Входное сопротивление Н. ОУ со-
ставляет несколько мегаом. С огласно Рис. 24.58
и 24.55, а
/?Вх-1Авх()Гпх(0)]11/?гсф1,
1ДС Апх() - /?вх д 4" /?] || /?о(\
Выходное сопротивление очень мало (еди-
ницы ом), так как действует внешняя Л-ООС.
В 11. ОУ, согласно исследованиям [ IJ, к выход-
ному напряжению добавляйся составляющая -
входная синфазная помеха Свх сф ~ (7ВХ » Спх д.
Поэтому неизвестны точное значение коэффи-
циента ее подавления Аи с „ = А'д/А\.ф и знак ко-
эффициента ее передачи А'сф. Эти недостатки
объясняются слишком высоким входным со-
противлением Н. ОУ.
Неинвертирующий (неинверсный) опе-
рационный усилитель-повторитель — раз-
новидность Н. ОУ (Рис. 24.58) с подачей на
вход нс части, а полною выходного сигнала,
учитывая, что /?ос = 0, /?1 <*>, как на
Рис. 24.59. При этом t/„x = + t7„x где
UBX д “ ^Аых/^д- Поэтому коэффициент переда-
чи практически не зависит от сопротивления
нагрузки:
А = Ад/(1 + А'Д).
Рис. 24.58
Рис. 24.59
Входное сопротивление составляс! десят-
ки мегаом:
= |/?,.х л(1 -> А\)]!|/?вхеф1.
Выходное сопротивление очень мало (доли
ома). Выражение для /?ВЬ1Х Н. ОУ-повторителя
совпадает с приведенным ранее для /?вых ин-
версного ОУ, но фактор ОС выглядит иначе:
[Авх дАд/(Я| + Авхд] г- I,
|де Rt вну треп нес сопротивление источника
сигнала. Глубокая последовательно-парал-
лельная Л-ООС требует коррекции с целью за-
щиты от возбуждения (см. далее «Устойчи-
вость операционного усилителя»). Но коррек-
ция ослаблением сигналов ВЧ уменьшает и
быстродействие ОУ.
Преобразователь тока в напряжение на
операционном усилителе получают на базе
инверсного ОУ (см. Рис. 24.57), в котором
/?] 0, т.е. резистор закорочен. При этом ток
/,.х = /<>< = -<4,.,х/Я<><. а напряжение 1/ВЬ1Х -
-= ~Л»хЯ(И , 1ак как при Ад —> оо, /?вх д оо все
выходное напряжение приложено к /?ос и
входной ток самого ОУ отсутствует (см. нача-
ло ст. 24.1). Преобразователь имеет малые
входное и выходное сопротивления и прием-
лемые частотные свойства.
Устойчивость операционною усилите-
ля — способность устройства на ОУ сохра-
нять стабильность основных характеристик,
степень его удаленности от порога самовоз-
буждения (генерации) в диапазоне рабочих
714
РАДИОТЕХНИКА
24.17. ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
частот при всех возможных уровнях сигнала,
шумов, помех, допустимых колебаниях тем-
пературы и напряжений источника питания, а
также при замене экземпляра ОУ. Устойчи-
вость самое важное условие работоспособ-
ности устройства. Из известных критериев
устойчивости (см. ст. 12.7) алгебраические
малопригодны, так как нет точных значений
параметров ОУ и цепей ОС, трудно вычис-
лить корни знаменателя передаточной функ-
ции А(/о>). Поэтому пользуются частотным
критерием Боде, четко указывающим, как
именно сделать ОУ устойчивым. Для этого
нужно, чтобы модуль фазового сдвига петле-
вого усиления (см. ст. 24.15) был меньше я на
час юте прохождения сигнала.
Частота прохождения сигнала при замкну-
той негде ОС, или критическая частота (Окр
(Рис.24.60) — такое ее значение, при котором
петлевое усиление (рХ*д)кр 1 (0 дБ)), а коэффи-
циент Х'д ОУ равен обратному значению коэф-
фициента передачи р цепи ОС, а именно:
A\(Wkp) = 1/Р(<°кр)- Следовательно, точка В пере-
сечения диаграммы Боде и линии коэффициента
передачи 1/р (Рис. 24.61) дает искомую абсцис-
су (0кр. Обозначения фазы (см. Рис. 24.60) отно-
сятся к участкам диаграммы Боде, условно по-
казывая, какие фазовые сдвиги соответствуют
спрямленным отрезкам АЧХ, формируемым
отдельными каскадами ОУ.
Рис. 24.61
Критерий Боде вообще устанавливает, что
начальный фазовый сдвиг я на низких и сред-
них частотах дает сама цепь ОС, подключен-
ная к инверсному входу ОУ, а дополнитель-
ный сдвиг (вследствие инерционности ОУ на
ВЧ и паразитных емкостей цепи Р) вносит ча-
стотно-зависимый компонент фч = фА - ф!ф,
т.е. фч есть разность наклонов к оси частот
асимптотических диаграмм Боде для X\((DKp) и
1/р(сокр). При независимости цепи р от частоты
сдвиг ф|/р= 0, график функции I/р((о) — гори-
зонтальная прямая, фм = фА и весь фазовый
сдвиг зависит лишь от двух дифференциаль-
ных каскадов внутри ОУ с частотами полюсов
(срезов АЧХ) сон| и соп2.
Запас устойчивости ф1аи = я фч с положи-
тельным знаком является гарантией устойчиво-
го ОУ, а отрицательный знак фШ|1 свидетельст-
вует о возбуждении ОУ. Для уменьшения вре-
мени установления и выбросов желательный
запас У составляет от я/3 до я/4. Существуют
нормированные графики зависимости отноше-
ния выброса 5 от ф1ап [1], с которыми пользова-
тель сравнивает свои осциллограммы прохожде-
ния прямоугольных импульсов через ОУ Напри-
мер, для допустимого «звона» (выброса) 6 < 5%
нужен запас устойчивости ф1а1| > 65°.
На практике часто применяют простой ло-
гарифмический критерий Боде: если горизон-
тальная прямая на уровне 1/р = Кя (см. Рис.
24.61) пересекает диаграмму Боде /Сд(со) на уча-
стке се единичной крутизны (6 дБ/окт), то ОУ
устойчив, а если на участке 12... 18 дБ/окт и
больше, то ОУ неустойчив. Для типичных при-
менений ОУ (инверсный, неинверсный) при
больших значениях /?вх д и Х'д, но малом Rr ко-
эффициент прямой передачи сигнала с нулевой
и низкой частотой (/?ос + /?|)//?|, а коэффи-
циент обратной передачи р ~ /?|/(/?Ос + Я|), от-
куда видно, что Kq~ 1/р. Таким образом, на кри-
тической частоте X\(coKp) « коэффициент пе-
редачи самою ОУ (без ОС) равен заданному
низкочастотному коэффициенту усиления с
ООС. Для обеспечения устойчивости необходи-
мо уменьшать запаздывание по фазе, т.е. зара-
нее корректировать передаточную функцию —
АЧХ, ФЧХ самого ОУ, без внешних цепей ОС.
Фазочастотная коррекция операционно-
го усилителя — обеспечение устойчивого уси-
ления ОУ с цепью ООС путем уменьшения за-
паздывания фазы сигнала в каждом дифферен-
циальном каскаде. Суть коррекции искусст-
венное ограничение крутизны спада АЧХ зна-
чением 6 дБ/окт (20 дБ/дск) во всем диапазоне
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
715
24.17. ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
частот при работе ОУ с малым усилением, т.е. с
очень глубокой ООС, при которой вероятны
большие фазовые сдвиги. Эго условие вытекает
из простого логарифмического критерия Боде.
Простейшая коррекция с запаздыванием
— шунтирование определенной сигнальной
точки дифференциального каскада внутри ОУ
конденсатором небольшой емкости Скор, что
эквивалентно включению ФНЧ на пути про-
хождения сигнала (Рис. 24.62, а). Передаточ-
ная функция цепи коррекции ХКОр((о) содержит
один полюс с частотой со,, кор = 1/(7?Скир) (см.
Рис. 24.61, штриховая линия) и обеспечивает
нужное запаздывание фазы. График ALM —
это передаточная функция Хд(со) самого ОУ,
график А1/М' полный коэффициент переда-
чи Х((о) = Хд(со) + Х'кор((о). Частоту среза (по-
люса) со,, кор задают достаточно низкой и по-
лучают протяженный участок единичной кру-
тизны 6 дБ/окт. Для устойчивости принимают
запас устойчивости (рШ1| = я/4 (точка L' второ-
го излома АЧХ с коррекцией — на уровне
АГ(со) = 1/р(со)) и, исходя из пропорции
со,, । /со,, кор = Х^/Яо, выбирают емкость конден-
сатора Скор = кор). Значение R берут из
принципиальной схемы ОУ (или задаются им)
и определяют точку А графическим способом.
Для выбранной постоянной времени /?Скор це-
пи коррекции номинал конденсатора Скор
уменьшают путем включения его в высокоом-
ную сигнальную цепь ОУ Для этого в некото-
рых ОУ предусмотрены специальные выводы-
клеммы. Недостаток — резкое смещение час-
тоты первого полюса со„| влево, в область НЧ
(из-за емкостного шунтирования резистора) и,
следовательно, снижение быстродействия ОУ.
Усложненная коррекция запаздыванием сиг-
нала даег возможность на порядок, по сравне-
нию с предыдущей схемой, снизить номинал
конденсатора С^р и этим сдвинуть вверх часто-
ту первого полюса (о„ ।, добавив лишь один рези-
стор /?коР (Рис. 24.62, б). При запасе устойчивос-
ти фзап = тс/4 из приведенной пропорции имеем:
(О„
кор - СОп2 Хо/Хо.
Сопротивление резистора = R/(A - 1), ем-
кость конденсатора СкоР~ где пара-
метр устойчивости А = СОп|Хо/(СОП2Хо).
Коррекцию местной емкостной параллель-
ной ООС между базой и коллектором одного из
каскадов с ОЭ применяют, чтобы уменьшить
номинал конденсатора
CKop = Xo/fX0CD1X(l+X()2)],
где С01 — угловая частота единичного усиления
(см. Рис. 24.61); К()2 — низкочастотный коэф-
фициент передачи второго транзистора; R —
сопротивление между его базой и корпусом [I].
Эта коррекция основана на эффекте Мил-
лера (см. ст. 24.12), действует при большом
усилении и требует лишь одного конденсатора
небольшой емкости Сос = Скор, а широкопо-
лосностью (сдвигом вверх частоты полюса
ш,, кор) значительно превосходит предыдущие
способы коррекции, благодаря чему ее широко
применяют в ИМС.
Коррекция с фазовым опережением спо-
соб компенсации сдвига фазы, обусловленного
действием нс только самого ОУ, но и полной
цепи ОС с входной Снх и монтажной См пара-
зитными емкостями, поскольку именно они
резко снижают запас устойчивости ОУ. Кор-
рекция состоит в добавлении параллельно ре-
зистору /?ос (см- Рис. 24.57) конденсатора ем-
костью С^р — (/? j//?oc)(CHX + См).
Коррекция подачей сигнала вперед — про-
стейшая, осуществляется с помощью конден-
сатора Скор, который в обход каскада создает
прямой путь пассивной передачи сигнала. По-
ложительным сдвигом фазы от конденсатора
СКОр уменьшается отрицательный сдвиг на ВЧ
от петли ОС; это повышает устойчивость ОУ
за счет разбалансирования фаз. Конденсатор
Скор увеличивает полную емкость нагрузки и
понижает частоту полюса:
«П кор — 1 / [Хн жвВч(£н ЭКВ + Скор)],
где Сн ,кв = с22 + с„ + См (см. ст. 24.12).
Чрезмерный запас устойчивости уменьша-
ет полосу пропускания ОУ (в отличие от селек-
тивного усилителя, см. ст. 24.8 и 17.29) и его
быстродействие. Поэтому при разработке ОУ
запас устойчивости задают компромиссно, в
рациональных пределах.
Шумовая модель операционного усили-
теля — модель с представлением шумовых ис-
точников в виде генераторов тока и напря-
716
РАДИОТЕХНИКА
24.18. ПИТАНИЕ ТРАНЗИСТОРА
жения иш (Рис. 24.63), числовые значения ко-
торых приводятся в справочниках, например, в
[2]. Суммарный эффект шума описывают при-
ложенным к инверсному входу ОУ эквивалент-
ным входным напряжением всех шумов вместе
взятых (см. ст. 17.32 и 29.14):
^=K2+(V?OC)2,
где Uu, = '-UkTRU — напряжение тепловых шу-
мов Джонсона, выраженное формулой Найкви-
ста; = V2(?/ri — ток дробовых шумов Шотт-
ки и фликкер-шумов вида 1//; к =
1.38-10 23Дж/К — постоянная Больцмана; q =
1.6-10 1чКл — заряд электрона; Т абсолют-
ная температура (в кельвинах); П — полоса
пропускания (в герцах); / — среднее значение
постоянного тока (в амперах).
Выходной шум ОУ
вых -(/?ос/^1)^111вх “ ^^ш.вх “
=к^Цг+(Гмг.
Коэффициент шума ОУ Ш = (Рс/Ли)вх/(Л/Л||)вых
выражают в децибелах: Ш[дБ] = lOlgLLI. В
иностранной литературе [2, 5, 8] коэффициент
Ш [дБ] называют шум-фактором.
24.18. ПИТАНИЕ ТРАНЗИСТОРА —
энергетическое обеспечение работы каскада
путем создания стабильного постоянного тока
его эмигрирующего электрода. Состояние по-
коя транзистора — значения постоянных то-
ков и напряжений его электродов при отсутст-
вии входного сигнала, определяющие положе-
ние рабочей точки на входной, выходной, про-
ходной и сквозной характеристиках АЭ (см. ст.
24.24). В зависимости от знака напряжений на
р-и-переходах различают четыре зоны характе-
ристик БТ:
— активную зону (напряжение эмиттерного
перехода Е)Б прямое, а коллекторного ЕБК
— обратное);
— зону отсечки (напряжения обоих переходов
обратные, транзистор закрыт);
— зону насыщения (напряжения обоих перехо-
дов прямые и ток максимальный);
— инверсную зону (напряжение эмиттерного
перехода обратное, а коллекторного — прямое).
Например, для БТ л-р-л-структуры прямое
напряжение ЕЭБ — это минус на эмиттере (п~)
и плюс на базе (р+), а обратное напряжение
Ебк — это минус на базе (р+) и плюс на коллек-
торе (п ). В активной зоне АЭ работает усили-
телем или генератором, а в зонах отсечки, на-
сыщения и инверсной — переключателем.
Полевой транзистор выгодно отличается от
БТ очень высоким входным сопротивлением
(1...10 МОм у ПТ с управляющимр-п-перехо-
дом и десятки — тысячи гигаом — у транзис-
торов структуры МДП), малыми собственны-
ми шумами, устойчивостью к ионизирующим
излучениям и стабильностью. Единственный,
но очень существенный недостаток ПТ — ма-
лая крутизна S прямой передачи (единицы
миллисименсов).
Активная зона полевого транзистора —
его состояние с открытым каналом: напряже-
ние |ЕСИ| > |ЕЗИ|. В зоне отсечки канал закрыт:
у ПТ с управляющим р-и-переходом (Рис.
24.64) и у ПТ структуры МДП со встроенным
каналом (см. Рис. 24.73, в) рабочее смещение
|ЕЗИ| > |ЕОТС|. У транзистора структуры МДП с
индуцированным каналом (см. Рис. 24.73, а)
рабочее смещение |ЕЗИ| > |Е,1ор|. Под влиянием
изменения температуры, старения и техноло-
гического разброса значений параметров рабо-
чая точка транзисторов дрейфует.
На основании изложенного можно уточ-
нить полное назначение цепей смещения —
обеспечение и стабилизация состояния покоя
транзистора для нормальной работы в выбран-
ной зоне.
Влияние теплоты на работу транзисто-
ра выражается в воздействии изменения тем-
пературы на проводимость р-и-переходов. Из-
вестны три причины нестабильности тока БТ:
— изменение обратного тока коллекторного
перехода /кьо, который удваивается у германи-
евых БТ с увеличением температуры на 10 К
(единицы микроампер), а у кремниевых БТ —
на 7 К (сотые доли микроампера);
— уменьшение напряжения база — эмиттер в
соответствии с температурным коэффициен-
том напряжения ЛЕЬЭ/ЛТ = 2.5мВ/К;
— изменение коэффициента передачи тока р
(или Л21) со скоростью 0.5%/К (однако важнее
технологический разброс р между экземпляра-
ми БТ, достигающий десятков процентов).
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
717
24.18. ПИТАНИЕ ТРАНЗИСТОРА
БТ наиболее критичен к первому фактору
(/кь), допустимое отношение А/к//к < 20%.
Полевой транзистор намного стабильнее,
некоторые его виды могут работать даже при
температуре жидкого азота (76 К). Известны
три причины нестабильности тока ПТ с управ-
ляющим /7-л-псрсходом:
— увеличение сопротивления полупроводника
канала с возрастанием температуры, некоторое
нодзапиранис p-w-нерехода и уменьшение тока;
сокращение толщины закрытого ^//-пере-
хода с повышением температуры, расширение
канала, уменьшение его сопротивления и уве-
личение тока;
— появление обратного тока управляющего
р-и-перехода, который может вызвать увеличе-
ние выходного тока.
Последнюю причину не учитывают при со-
противлении резистора в цепи затвора
/?з < 1МОм (см. Рис. 24.72, а). Первые две при-
чины — взаимно образ ного действия, поэтому
проходная характеристика /с(£зи) при измене-
нии темперагуры вращается вокруг термоста-
бильной точки В на Рис. 24.64. Рабочая точка А
с координатами [Есм, /с] лежит выше точки В, и
ток уменьшается при возрастании температуры
со скоростью 0.6% /К. Следовательно, в отли-
чие от БТ, полевой транзистор нс имеет значи-
тельной тепловой нестабильности, но техноло-
гический разброс его параметров (в первую оче-
редь коэффициента [3) трсбуез мер стабилиза-
ции для компенсации отклонений параметров.
Последствия теплового воздействия на
МДП-транзисторы с изолированным затвором
— это увеличение сопротивления канала с по-
вышением температуры и уменьшение тока, но
в то же время и увеличение числа пар носите-
лей в подложке полупроводника и, значит, рост
тока. Поэтому проходная характеристика ПТ
МДП-структуры также имеет тсрмостабиль-
ную точку смещения.
Генератор малого стабильного напря-
жения (ГМСН) — стабилизированный источ-
ник пизания для узлов ИМС, двухполюсник,
напряжение на котором Есг почти не зависит
оз тока. Например, диод или прямосмещен-
ный эмиттерный переход БТ с логарифмичес-
кой ВАХ обладают способностью стабилизи-
ровать напряжение Ecl ~ 0.7В. Для увеличе-
ния £С1 можно применить последовательное
соединение двух транзисторов в диодном
включении. Но чаще применяют ГМСН, по-
казанный на Рис. 24.65,л: прямосмещснный
диод (транзистор УТ\) подсоединяю! парал-
лельно р-и-переходу «коллектор—база» тран-
зистора ГГ2, напряжение ЕСА ~ EV1^\ + £Г>Э2 ~
1.3В. Транзиетор-диод УТ\ питается малым
током базы транзистора УТ2. Резистор R шун-
тирует его вход, смещает рабочую точку
транзистора У7\ с начального участка ВАХ
эмиттерного перехода вправо, понижает вы-
ходное динамическое сопротивление, при-
ближая ГМСН к идеальному генератору на-
пряжения. Температурный коэффициент на-
пряжения для ГМСН на прямосмещенных
диодах отрицательный: с ростом темперагу-
ры напряжение Zfcl падает.
Для регулирования ЕС1 применяют ГМСН
(Рис. 24.65, б) с параллельным (озносительпо
общего провода) соединением средней точки
резисторов делителя R^R2 и базы УТ. Ток / за-
дастся генератором стабильного тока (он на
рис. нс показан), поэтому опорный ток через
резистор R2 и смещение £г» > стабильны. На-
пряжение ЕС1 = ЕЬ )(1 + /?|//?2). Динамическое
выходное сопротивление этого ГМСН
Явых АС/А/= (/?(I/?2)/(57?2).
718
РАДИОТЕХНИКА
24.18. ПИТАНИЕ ТРАНЗИСТОРА
Генератор стабильного тока (ГСТ), отра-
жатель тока, «токовое зеркало», — один из са-
мых важных узлов в составе ИМС, и в том чис-
ле в ОУ. Ток одной, опорной, ненагруженной
ветви ГСТ точно воссоздается в другой ветви
даже при изменении значений параметров по-
следней, и в том числе параметров нагрузки.
ГСТ поддерживает неизменным выходной ток
в широком интервале температур и при измене-
нии напряжения источника питания. Основные
требования к ГСТ — высокое выходное сопро-
тивление 7?вых и минимальное отклонение вы-
ходного тока I от опорного /1 (Рис. 24.66). Это
возможно в ИМС с малым разбросом парамет-
ров однотипных элементов, их одинаковым
тепловым режимом на общей подложке.
Различают ГСТ двух видов: источник то-
ка и токоотвод. Первый выполняют на р-п-р-
БТ или на р-канальных ПТ; транзистор эмит-
тирующим электродом подключают к «плю-
су» источника питания, а элемент связи (см.
ст. 24.24) — к его «минусу». Токоотвод компо-
нуют на «-р-«-БТ или на w-канальных ПТ;
транзистор эмиттирующим электродом под-
ключают к «минусу» источника питания, а эле-
мент связи — к «плюсу». Токоотводы имеют
более высокие показатели благодаря лучшим
параметрам «-/?-«-БТ и «-канальных ПТ, поэто-
му именно их преимущественно формируют в
ИМС. Для обеспечения высокого значения
^вых ГСТ всегда подключают к элементу связи
коллектором (или стоком).
Простейший ГСТ с резисторным делителем
RXR2 (Рис. 24.66, а), как и остальные, выполнен
по схеме с ОБ, так как управляющий ток втекает
в эмиттер. Этот ГСТ имеет сравнительно неболь-
шое выходное сопротивление даже при 7?э 00
из-за ненулевой внутренней ОС (й12Б). Поэтому
применяют ГСТ с резисторным смещением на
двух БТ (Рис. 24.66, б). Принцип его действия та-
кой: опорное напряжение
Еоп = £бЭ1 + Лэ\R 1 = ЕбЭ2 + Лэ2Т?2.
Пренебрегая малым током /Б2, имеем /Э1 = Д,
1Э2 = /. Если Rx = R2, а транзисторы VTX, VT2
идентичны, то I = Ц, т. е. выходной управляе-
мый ток нагрузки ГСТ повторяет, «отражает»
(как пишут в технической литературе США)
опорный ток Д. Отношение тока ГСТ к опор-
ному ИЦ = Rx/R2 можно варьировать в десятки
раз с точностью до 10 % независимо от темпе-
ратуры. Резисторы Rx, R2 являются элемента-
ми последовательной Z-ООС, служащей для
стабилизации выходного тока путем увеличе-
ния динамического выходного сопротивления
^вых — (ЛцБ +R2)/(h22BR2 + /)Б),
где Db = hUBh22B - hX2Bh2XB. Обычно Двых »
1М0м для типовых ИМС.
ГСТ с диодным смещением на двух (Рис.
24.66, в) и трех (Рис. 24.66, г) транзисторах
имеют повышенную термостабильность.
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
719
24.18. ПИТАНИЕ ТРАНЗИСТОРА
Принцип стабилизации в ГСТ на Рис. 24.66, в,
такой же, как в каскаде на Рис. 24.70, в: напря-
жение ЕЬ ) диода-транзистора VT\ стабилизиру-
ет ток БТ VT2. Динамическое выходное сопро-
тивление ГСТ на Рис. 24.66, в
Яных= 1/(2Л22Ь+Л12Ь/А11г,)< 1МОм.
Из-за отсутствия резистора в цепи эмиттера
термостабильность выше, чем у ГСТ на Рис.
24.66, а, и достигает 5%. В ГСТ на Рис. 24.66, г
опорный ток /| стабилизирован глубокой ООС,
которая увеличивает /?ВЬ|Х: ток /Б2 вначале вы-
читается из опорного тока а потом снова вхо-
дит в базу транзистора VT} опорной (левой по
схеме) цепи. Отношение
//Л=(/ + /Ь1 2/Ь2 + < 0.5%
при h2\ > 100 и разбросе параметров элемен-
тов до 20%.
Простота двухполюсною ГСТ на полевом
транзисторе (Рис. 24.66, д) — преимущество пе-
ред ГСТ на БТ, показанных на Рис. 24.66, б—г.
Напряжение £зи = возрастает при случай-
ном увеличении тока истока, становится более
отрицательным на затворе и прикрывает канал
л-канального ПТ, как на Рис. 24.72, а. Двухпо-
люсные ГСТ могут создаваться также и на
транзисторах МДП-структуры с индуцирован-
ными или со встроенными каналами.
Недвухполюсный ГСТ (Рис. 24.66, е) на
МДП-ПТ с каналом встроенным обедненным
(Ези < 0 на Рис. 24.73, в) и ОУ DA стабилизи-
рует ток /: на неинверсном входе ОУ DA дейст-
вует напряжение, которое снимается с резисто-
ра /?, а на инверсном — напряжение стабили-
трона VD.
Желаемое предельно большое динамичес-
кое выходное сопротивление обеспечивают
многоярусные ГСТ-токоотводы с полной нейт-
рализацией внутренней ОС (Л|2Б—» 0), состав-
ленные из нескольких ГСТ с диодным смеще-
нием, показанных на Рис. 24.66, в. Петля ООС
охватывает все транзисторы, сопротивление
Явых ~ 1/Л22г>. В ИМС с большой площадью
эмиттеров уменьшена также и выходная про-
водимость Л22Б. Эти ГСТ ослабляют синфаз-
ные помехи и нежелательные входные токи
смещения ОУ (5J.
Источники питания транзистора. Для
обеспечения нужного режима работы (см.
ст. 24.24) на транзистор подают два постоянных
напряжения (Рис.24.67, а): между базой и эмит-
тером БТ (смещение £БЭ) и между базой и кол-
лектором (ЕКБ). В усилительном каскаде (см.
ст. 24.7) источник питания Еп включают парал-
лельно (Рис. 24.67, б) или последовательно
(Рис. 24.67, в) с транзистором VT и нагрузкой
ZH. Во втором случае через Zn проходят как по-
стоянная, так и переменная составляющие,
пульсирующий выходной ток, а в первом случае
их пути разные: постоянная составляющая не
идет через ZH, а переменная не идет через источ-
ник питания из-за большого сопротивления
дросселя (OmtnAiip >:> даже на НЧ. Требования
к источнику и цепям питания: обеспечение за-
данных полярности и уровня напряжения; со-
хранение положения точки покоя в заданных
пределах при действии дестабилизирующих
факторов (см. ранее, ст. 24.18).
Нестабилизированные цепи питания би-
полярных транзисторов. Смещение фиксиро-
ванным током базы (Рис. 24.68) — самое про-
стое: напряжение Еп » £Б) приложено к рези-
стору /?Б, ток базы /Б фиксирован большим со-
противлением /?Б. В общем случае коэффици-
ент нестабильности
*н = Д/к/Д/КЬоЧ(Яь+ *'>)(! +Л21)]/
/ГЯБ + ЯЭ(1 O2I)J,
где Д/к — приращение тока коллектора; Д/КБ0
— изменение обратного тока коллекторного
перехода, вызвавшее приращение Д/к.
В этой цепи /?> = 0, коэффициент кИ 1 + h2]
= 1 + Р, цепь чувствительна к изменениям /КБ0
(первая причина нестабильности — см. ранее).
Рабочая точка приемлемо стабильна при ма-
лом чоке /КБ (кремниевые БТ). Вследствие за-
720
РАДИОТЕХНИКА
24.18. ПИТАНИЕ ТРАНЗИСТОРА
висимости коэффициента кн от р сопротивле-
ние резистора RB ~ ЕП/1Б определяют индиви-
дуально с учетом паспортного тока базы /Б для
каждого экземпляра БТ.
Смещение фиксированным напряжением
Ебэ создают делителем RXR2 (Рис. 24.69) с то-
ком /деЛ = (ЕП - IeR})/(R} + Я2)- При условии
/дел » /б получают смещение
Ебэ ~ Лел^2 - £п^2/(^1 + Е2).
Чем больше ток /дел, тем меньше смещение за-
висит от изменения параметров БТ, но каскад
становится неэкономичным. Оба вида неста-
билизированного питания БТ — фиксирован-
ными /Б и Ебэ — не ликвидируют отклонений
режима БТ от заданного при изменении напря-
жения источника питания. Отсюда и вытекают
требования к источникам питания (см. преды-
дущую ст. и гл. 30).
Стабилизированные цепи питания би-
полярных транзисторов выполняются с тер-
мокомпенсацией и с ООС по цепям питания. В
первых используют компенсационные элемен-
ты: терморезисторы (термисторы А/, позисто-
ры редко — стабилитроны и стабисторы
(см. ст. 29.9) из-за значительного уровня их
шумов. В качестве R~t вместо R2 (см. Рис. 24.69)
включают элементы с отрицательным темпера-
турным коэффициентом сопротивления: ТКС
= -AR/&T. С возрастанием температуры умень-
шаются сопротивление 7?/ и соответственно
смещение ЕБЭ, токи /Б, /к, что компенсирует
увеличение /к, обусловленное изменением об-
ратного тока коллекторного перехода и параме-
тра р. Так компенсируют все три вида неста-
бильности транзистора. Если в цепь вместо ре-
зистора Rx включить еще и позистор R+tc поло-
жительным ТКС, то смещение ЕБЭ уменьшит-
ся дополнительно, даст более глубокую ком-
пенсацию. Но возможна и перекомпенсация
(чрезмерное уменьшение тока /э при малом
росте температуры).
Вместо термистора Rt часто включают пря-
мосмещенный диод VD2 с отрицательным тем-
пературным коэффициентом напряжения:
ТКН = -&Е/&Т= -2мВ/К, а иногда вместо пози-
стора R+t — диод KD1, смещенный в обратном
направлении, с положительным ТКН = &Е/&Т =
= ЗмВ/К.
В ИМС широко используют также диодное
включение транзистора в качестве цепи с отри-
цательным ТКН = -2...3 мВ/K р-и-перехода
(Рис. 24.70, а). С целью увеличения опорного
напряжения Еоп соединяют последовательно
несколько (п) БТ в диодном включении, тогда
ЕОп = пЕБЭ.
В умножителе опорного напряжения ЕБЭ с
параллельной ООС (Рис. 24.70, б) имеем на
выходе
^ОП=^БЭ(1+^3),
а отрицательный ТКН = -Д£БЭ(1 + RilR^/kT.
Изменением отношения R^Ri, достигают нуж-
ных значений Еоп и ТКН.
В ИМС часто применяют диодно-транзис-
торные структуры (Рис. 24.70, tf): VTX - в диод-
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
721
24.18. ПИТАНИЕ ТРАНЗИСТОРА
ном включении (с отрицательным ТКН), a VT2
— стабилизируемый АЭ. В мощных каскадах
(см. ст. 24.9) с большим уровнем сигнала дио-
ды вследствие нелинейности ВАХ заметно
увеличивают коэффициент гармоник сигнала с
сообщением. В этом случае вместо диодов или
совместно с ними применяют глубокую ООС
по смещению.
Термокомпенсация не устраняет влияния
старения, разброса параметров транзисторов,
нестабильности источника питания. Поэтому
необходимы цепи с ООС по смещению. В об-
щем случае коэффициент стабилизации таких
цепей [1]
т = R3/Rb = (1 + Л21 - к„) / [(1 + Л21)(*н- 1)],
где кИ — коэффициент нестабильности (см.
предыдущую ст.).
Стабильность каскада тем выше, чем
больше 7?э и чем меньше приведенное сопро-
тивление в цепи базы Т?Б = R} || R2, но в разум-
ных границах: слишком большое 7?э понизит
напряжение ЕКЭ и нарушит режим питания
БТ, а слишком малое Т?Б зашунтирует вход
каскада.
Коллекторная стабилизация (Рис. 24.71, а)
целесообразна при невысоких требованиях к
стабильности. От цепи смещения фиксирован-
ным током базы (см. Рис. 24.68) она отличает-
ся подключением верхнего (по схеме) вывода
резистора Т?Б к коллектору БТ, а не к источнику
питания, что создает параллельную ООС. При
случайном изменении тока /э изменяются ЕКэ
(из-за падения напряжения на резисторе R) и
ток /Б, протекающий через резистор Т?Б, следо-
вательно, выходной ток /к стабилизируется.
Условие эффективного действия: IKR > 0.5Еп.
Для цепи на Рис. 24.71, а коэффициент т = R/RB
имеет приемлемое значение при большом со-
противлении резистора R, а это требует значи-
Рис. 24.71
тельного напряжения источника питания. Со-
противление
7?б = (£кэ_ ^бэ)/(/к/А21 -/кбо)-
Однако эта ООС понижает входное сопротив-
ление каскада для сигнала (см. ст. 24.15).
Эмиттерная стабилизация (Рис. 24.71, б)
— простая, удобная, рациональная, самая рас-
пространенная, ее действие основывается на
последовательной Z-ООС через резистор 7?э.
Случайное изменение коллекторного тока вы-
зывает изменение на резисторе 7?э напряжения
Ебэ, приложенного к р-я-переходу с тем зна-
ком, который препятствует изменению выход-
ного тока /к БТ. Коэффициент стабилизации
т — R^/RB — R^/R\ + R3/R2,
где RB = R] ||fl2 — приведенное сопротивление
в цепи базы.
Для повышения коэффициента стабилиза-
ции увеличивают насколько позволяет ис-
точник питания (ER3 = 0.2Еп), и уменьшают Rb.
После определения RB вычисляют сопротивле-
ния
R\ = R^EJE^ R2 = 1/(1/ЯБ- 1/7?,).
Комбинированная стабилизация (Рис.
24.71, б) объединяет две предыдущие. Здесь
роль коллекторного стабилизатора играет ре-
зистор 7?ф. Его вклад в полную стабилизацию
выходного тока /к значительно скромнее, чем
вклад резистора 7?э, поскольку изменение ER3
действует целиком в цепи р-я-перехода БТ, а
регулирование изменением ER$ ослабляется
делителем в R2/(R\ + Rz) раз. Коэффициент ста-
билизации
т = R3/RB = R3/R\ + 7?э/7?2 +
+ R$/R 1 + R-sRfy I (R \ Rz).
Заметим, что резистор 7?ф с небольшим со-
противлением служит также элементом фильтра
питания ЯфСф — развязки по питанию между
каскадами усилителя. Поэтому расчет номина-
лов элементов выполняют так же, как для эмит-
терной стабилизации, но с меньшим напряжени-
ем эквивалентного источникаЕэкв = Еп-I^R^.
Такие цепи с ООС применяют в маломощ-
ных усилителях, в которых постоянная со-
ставляющая выходного тока не зависит от
уровня сигнала.
722
РАДИОТЕХНИКА
24.18. ПИТАНИЕ ТРАНЗИСТОРА
Рис. 24.72
Стабилизированные цепи питания поле-
вых транзисторов, несмотря на разнообразие
конструкций ПТ, по виду мало отличаются от
цепей питания БТ. С подачей обратного напря-
жения Ези на ПТ с управляющим р-«-перехо-
дом становятся возможными модуляция удель-
ной проводимости канала и управление выход-
ным током стока с помощью входного сигнала.
Для ПТ с p-каналом подают положительное, а
для ПТ с «-каналом — отрицательное смеще-
ние на затвор относительно истока. В ПТ
МДП-струкгуры пространственный заряд по-
лупроводника управляется входным напряже-
нием через диэлектрик. Обычно чаще других
применяют МДП-транзисторы с индуцирован-
ным р- и (или) со встроенным «-каналами.
Первые не проводят тока при Ези = 0; поэтому
для создания p-канала на затвор подают отри-
цательное, а для «-канала — положительное
смещение относительно истока. Вторые прово-
дят ток при положительных, нулевых и отри-
цательных смещениях относительно истока.
Независимо от структуры ПТ для его нормаль-
ной работы с «-каналом сток подключают к
плюсу, а с р-каналом — к минусу источника
питания относительно общего провода.
Для стабилизации тока стока 1С применяют
способы, известные для БТ, основной из них
— применение ООС по цепям смещения. В це-
пи автоматического смещения с истоковой ста-
билизацией (Рис. 24.72, а) ток /и создает сме-
щение Ези на резисторе Еи с минусом на затво-
ре (через резистор Е3). Случайное изменение
тока истока /и вызывает изменение напряже-
ния Ези = /ИЕИ с таким знаком, который пре-
пятствует изменению выходного тока 1С ПТ:
«утолщает» ^-«-переход, «сужает» канал и
уменьшает ток 1С при росте температуры. Глу-
бину ООС изменяют резистором Еи; если зна-
чение ERk превысит нужное отрицательное
смещение, то для его частичной компенсации
на затвор подают положительное относитель-
но истока напряжение Екмп (Рис. 24.72, б) с де-
лителя R\R2. При комбинированной стабилиза-
ции (Рис. 24.72, в) действуют две ООС по сме-
щению — параллельная (RR\) и последова-
тельная (Еи). В отличие от БТ стоковую (без
последовательной истоковой) стабилизацию
ПТ с управляющим ^-«-переходом реализовать
невозможно, поскольку без резистора Еи нет и
смещения.
В МДП-структурах с индуцированным ка-
налом смещение Есм должно превышать по-
рог запирания Епор (Рис. 24.73, а). Рабочее от-
крывающее смещение подают на затвор с де-
лителя R\R2 в той же полярности, что и от ис-
точника питания на сток (Рис. 24.73, б). Рези-
стор Rx подключают к источнику питания не-
посредственно или через резистор R — для
достижения комбинированной стабилизации
совместно с резистором Еи. Ток 1С транзисто-
ра МДП-структуры с встроенным каналом без
смещения мал, линейность ВАХ недостаточна
(Рис. 24.73, в). Для увеличения крутизны S в
рабочей точке А на затвор, например, «-каналь-
ного ПТ с делителя R\R2 подают положитель-
ное смещение так же, как и на Рис. 24.73, б.
Оно обогащает канал, увеличивает выходной
ток, крутизну прямой передачи сигнала и ли-
нейность ВАХ. Применяют также истоковую
(резистор Еи) и стоковую (резистор R) цепи
стабилизации.
«Токовое зеркало» — см. Генератор ста-
бильного тока.
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
723
24.18. ПИТАНИЕ ТРАНЗИСТОРА
24.19. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
— устройство, осуществляющее преобразова-
ние частоты, т.е. линейный перенос спектра
несущей с сообщением из одного частотного
диапазона в другой при сохранении значений
параметров модуляции (см. ст. 16.9, 16.12,
17.15). Преобразователь частоты состоит из
смесителя и гетеродина (от греч. geteros
dynamos — другая сила, генератор). Смеситель
См (Рис. 24.74, а) — это шестиполюсник, ос-
новным звеном которого является нелинейный
активный элемент с периодически изменяю-
щимся параметром. Таким параметром часто
служит крутизна его проходной ВАХ, управля-
емая напряжением местного генератора — ге-
теродина Г. В качестве АЭ применяют транзи-
сторы, варикапы и диоды, в том числе туннель-
ные. Простые ПрЧ имеют один АЭ, балансные
— два, а двухбалансные (кольцевые) — четыре
АЭ. Полезной нагрузкой ПрЧ является полосо-
вой фильтр, настроенный на преобразованную
частоту, называемую в приемных устройствах
промежуточной частотой /Пч, так как се значе-
ния выбирают на интервале между несущей
частотой сигнала и спектром частот сообще-
ния. Полосовой фильтр имеет достаточные по-
лосу пропускания, неравномерность АЧХ в
пределах этой полосы и избирательность для
неискаженной передачи спектра сообщения и
эффективного подавления помех за ее предела-
ми (см. ст. 17.15). В случае прямого преобразо-
вания частоты (см. ст. 17.27) вместо ПФ вклю-
чают ФНЧ.
Линейная теория преобразования частоты.
Анализ ПрЧ выполняют при трех допущениях:
на смеситель См (Рис. 24.74, а) воздействуют
три гармонических напряжения — сигнала, ге-
теродина и ПЧ: t/c, Ur, Um; уровни этих напря-
жений удовлетворяют условиям: Uc « Ur,
t/пч <<: ^4; смеситель является безынерцион-
ной цепью, не содержащей реактивных эле-
ментов, поэтому его выходной ток не зависит
от производных или интегралов приложен-
ных напряжений. Выходной ток смесителя
/вых = V (*4, *4 ^пч) находят разложением в
ряд Тейлора функции двух переменных напря-
жений с малыми приращениями аргументов —
входного t/ccosov и выходного t/ffqCoscOnn^ сиг-
724
РАДИОТЕХНИКА
24.19. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
налов. При этом ограничиваются первыми сте-
пенями и тремя членами ряда
/см вых = VW) + исду/дис + 1/ПчЭу/ЭС7Пч-
Составляющую гетеродина \|/(t/r) = 4вых(0 из
анализа в дальнейшем исключают, поскольку
она не несет полезной информации. Частные
производные — крутизна d\|//dt/c = S(f) и вы-
ходная проводимость д\|//ЭС7Пч = G(t) ПрЧ —
изменяются во времени вместе с синусоидаль-
ным напряжением гетеродина, и поэтому их
представляют рядами Фурье:
S(t) = 'У'Зк cos
k=\
= cosiest.
z=i
После перемножения косинусов выходной ток
без гетеродинных компонентов
^см.вых(^) — ~й~ с[cos(tor + COc)Z +
k=Q
ОО
+ cos(tor - coc )z] + \ у GiUпч [cos(Zcor +
/=0 2
+(Onq + cos(Zcty. — (Опч)/],
где Sk — амплитуда к-й гармоники крутизны
характеристики АЭ, изменяющейся с частотой
гетеродина; Gi — амплитуда Z-й гармоники ча-
стоты гетеродина.
Преобразование частоты возможно на лю-
бой гармонике крутизны Sk. Промежуточная
частота может быть выбрана по-разному. На-
пример, одними из применяемых вариантов
являются:/Пч = kfr~fc или /пч =fc ~ kfr, при-
чем первый вариант — при kfr >fCi а второй —
при kf. < fc. Теоретически возможен и третий
вариант в виде/м>вых = kfr +fC9 но его примене-
ние лишено практического смысла.
Из этого многообразия спектра частот вы-
ходного тока /см.вых (Z) в ПрЧ используют лишь
одно значение /Пч, которое выделяют фильт-
ром с резонансной частотой fQ =/Пч- При к = 1
частота/Пч= 14 ~fc\, и преобразование называ-
ют простым, а при к > 1 и частоте/Пч = 144 ~f\
— комбинационным. ПрЧ не инвертирует
спектр сигнала, если/. > /, но инвертирует его
при/ < fr (см. Рис.24.74, б). Полезной являет-
ся составляющая выходного тока /см.Вых с про-
межуточной частотой /пч настройки ПФ, сле-
довательно:
/м.вых = /пч = (0.55jtt/c + Go^n4)costt)n4^ =
— 4м.выхСОБС0пЧ^-
Здесь в скобках — амплитуда выходного
тока, а первый член Q.5SkUc характеризует
процесс преобразования, откуда крутизна
преобразования Snp = 0.55^. При к = 1 имеем
5пр = 0.5*5*! (половина амплитуды первой гармо-
ники крутизны), а при к = 0 получим постоян-
ную составляющую крутизны Snp = 50, при ко-
торой преобразование частоты не происходит
и ПрЧ работает как обычный усилитель вход-
ного сигнала/. Второй член Got/пч —это ре-
акция фильтра, настроенного на выбранную
частоту /пч, где Go соответствует Z = 0, т.е. это
постоянная составляющая выходной проводи-
мости ПрЧ. Именно при постоянном значении
выходной проводимости (Go = const) выходное
напряжение t/CM вых может иметь новую часто-
ту/пч[3].
Параметры преобразователя частоты.
Согласно линейной теории нелинейный шес-
типолюсник См (см. Рис. 24.74, а) вместе с ге-
теродином Г заменяют линейным по сигналу
четырехполюсником, управляемым напряже-
нием гетеродина с частотой/. Полученный эк-
вивалент преобразователя частоты описывают
матрицей активных проводимостей, отражаю-
щей параметры ПрЧ. Относительно напряже-
ния Ur АЭ всегда работает В нелинейном режи-
ме. При наличии ПФ на входе и выходе ПрЧ
имеет такие параметры:
крутизна преобразования
*$пР = /пч/t/c при t/пч = 0;
внутренняя проводимость
Gnp = Im/Uc при Uc = 0;
внутренний статический коэффициент пе-
редачи
Цпр — *Snp/Gnp — SnpRnp.
При обратном преобразовании (влиянии
t/пч на входной сигнал):
*^обр ~ 4/t/пч при Uc = 0, GO6P ~ GBX = I JUс
при t/пч = 0.
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
725
24.19. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
Коэффициент передачи ПрЧ с прямым пре-
образованием
КПр=£/пч/С/с= ЯпДСпр+Сн),
где GH = Стоэкв = 1/^оэкв — резонансная прово-
димость цепи селективной нагрузки ПрЧ.
Коэффициент передачи ПрЧ с обратным
преобразованием
^обр = ^с/^ПЧ = ^обр/(^с + бвхо),
где Gc и (7вх0 — внутренняя проводимость ис-
точника сигнала и входная проводимость АЭ
соответственно.
Входная проводимость ПрЧ
^вх.пр ^вхО *^пр*^обр/(^пр + <?н).
Выходная проводимость ПрЧ
^вых пр — ^пр — *^пр*^обр/(^С + ^вхо)*
Если активным элементом ПрЧ является
транзистор, то обратное преобразование час-
тоты почти отсутствует, 5обр —> 0, поэтому
^вх.пр ^ВхО И ^вых пр ^пр*
Диодный преобразователь частоты вы-
полняют по простым и сложным (балансным,
кольцевым) схемам. Параметры диодных ПрЧ
(см., например, Рис. 24.75) следующие:
крутизна преобразования
Snp = ^к/2 = S sinkB/(kjt);
выходная проводимость
<7np = 5o=S0/Tc;
внутренний статический коэффициент пе-
редачи
Нпр = Snp/Gnp = SsinAfl /(АВ),
где S — крутизна ВАХ диода; So — ее постоян-
ная составляющая, 0 — угол отсечки выходно-
го тока диода (см. ст. 24.4).
Схема диодного ПрЧ — взаимная, поэтому
параметры прямого и обратного преобразований
одинаковые. »$обр — *$пр> ^вх пр — ^пр, Цобр — Цпр*
Простой диодный резистивный ПрЧ имеет
в последовательной цепи (см. Рис. 24.75) ис-
точник сигнала (контур LC), гетеродин Г, диод
VD], выходной контур (Термин резис-
тивный обусловлен активным характером уп-
Рис. 24.75
равняемого сопротивления). Прямое смещение
диода VD\ источником Есм выводит рабочую
точку на крутой участок ВАХ. Недостатки: то-
ки контуров с частотами/ и/пч взаимозависи-
мы: сигнал на частоте/ может «захватить» ча-
стоту гетеродина fr и вызвать его расстройку;
шумы гетеродина поступают к выходному кон-
туру; усиления в диодном ПрЧ нет. Преимуще-
ства: простота, самый малый уровень шумов
АЭ (так как нет усиления) и незначительная
инерционность вследствие малой длительнос-
ти пролета электронов в диодах. Вместо обыч-
ных диодов в этих ПрЧ применяют туннель-
ные диоды и диоды с барьером Шоттки для
расширения динамического диапазона благо-
даря малым уровням собственных шумов этих
активных элементов.
Балансный диодный резистивный ПрЧ
(Рис. 24.76) свободен от нескольких недостат-
ков предыдущего: напряжение Ur к диодам
VDz приложено синфазно через средние
точки контуров £С, £]СЬ а напряжение сигна-
ла Uc — противофазно; схема двухтактная, по-
этому взаимно сдвинутые по фазе на тс токи с
частотой /пч суммируются на выходе, а син-
фазные токи гетеродина /г не дают напряжения
на входном и выходном контурах, что значи-
тельно уменьшает уровень шумов гетеродина,
устраняя главный недостаток простых ПрЧ.
726
РАДИОТЕХНИКА
24.19. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
Известен балансный ПрЧ, который компенси-
рует также зеркальную помеху радиоприема
(см. эту статью далее).
Кольцевой резистивный ПрЧ (Рис. 24.77)
— два балансных ПрЧ, у которых выходные за-
жимы включают параллельно и противофазно,
из-за чего в выходном контуре почти полно-
стью отсутствуют составляющие токов с час-
тотами^ nfr, а во входном контуре нет токов с
частотами/г иу^ч, что составляет основное до-
стоинство кольцевого ПрЧ. Но такой баланс
возможен при полной симметрии плеч, поэто-
му настройка сложна и массовый выпуск при-
емников с кольцевым ПрЧ затруднен.
В рассмотренных резистивных ПрЧ/Пч <fc,
что позволяет увеличить усиление и повы-
шает качество селективной цепи. В отличие
от резистивных емкостный ПрЧ вместо дио-
да VD\ (см. Рис. 24.75) содержит варикап
VD2 с источником Есм2 обратного смещения
нар-и-переходе (вместо ЕСм1)- Емкость варика-
па зависит от напряжения гетеродина емкост-
ного ПрЧ. Источник смещения Есы2 применя-
ют для оптимального выбора рабочей точки на
вольт-фарадной характеристике варикапа и для
параметрического (см. ст. 24.20) усиления
мощности с коэффициентом, количественно
равным отношению частот /Пч и fc, т.е. КР =
fm/fc. При этом коэффициент шума Ш = 1 +
4£//пч> значит, ПрЧ с малым уровнем шума
собственно АЭ и большим усилением должен
выполнять преобразование сигнала вверх по
частоте, Тпч > fc (например, в инфрадинном
приемнике, см. ст. 17.27). Такой нерегенера-
тивный преобразователь частоты является по
сути параметрическим устройством.
Транзисторный преобразователь часто-
ты может быть одновременно смесителем, ге-
теродином и усилителем сигнала на ПЧ.
Параметры транзисторных ПрЧ удобно
определять графоаналитическим способом с
помощью динамических ВАХ. Чтобы полу-
чить максимальную крутизну Snpw = 0.5*54 при
минимальных уровнях ее высших гармоник
32, •••> *$к, рабочую точку АЭ ПрЧ выбирают на
середине линейного участка графика S = /(ег).
Его строят по сквозной динамической характе-
ристике БТ /к=Л^г), показанной на Рис. 24.43, в,
и находят первую гармонику крутизны =
= 0.5(*5max — *5min) = SA (крутизна в рабочей точ-
ке А). При этом 5пр = 0.5*51 —> 0.255тах. Следо-
вательно, усиление ПрЧ вчетверо меньше, чем
у резонансного каскада (см. ст. 24.8), при про-
чих равных условиях.
Выходная проводимость Gznp = Gi0 и вход-
ная проводимость (7вхпр = (7ц транзисторного
ПрЧ такие же, как в усилительном каскаде.
Крутизну 5обр не учитывают: ОС здесь отсут-
ствует из-за различия частот/ и/Пч в цепях
ПрЧ.
Подстановкой этих параметров в выраже-
ния Kq полосовых селективных усилителей
(см. ст. 24.8) получим:
для ПрЧ с двухконтурным ПФ при Gznp « GH
^Ч)пр — *$пр^0экв^ 1^2Л/(1 + Л )
и для ПрЧ с р-ФСС:
^Опр=‘5'Р«1«2^ф,
где к$ — поправочный коэффициент, зависящий
от обобщенной добротности q = 2(4/П)/()экв и
числа N звеньев ФСС.
Напряжение Ur выбирают из условий до-
стижения максимального КОпр при минималь-
ном числе комбинационных преобразований
/пч = I ¥г ±/cl (СМ- эту статью ранее) — комби-
национных помех радиоприему (см. ст. 17.15).
Вообще в цепь базы (затвора) можно по-
дать напряжения Uc и Ur вместе, но взаимо-
связь источников с частотами/ и fr приводит к
технологической зависимости настроек сиг-
нальных и гетеродинных контуров,ошибочно
синхронизирует гетеродин частотой/ и созда-
ет помехи от большого напряжения Ur для
близко расположенных каскадов. В качестве
примера на Рис. 24.78 изображена схема ПрЧ с
совмещенными гетеродином и смесителем, где
напряжение Uc подают в базовую, а напряже-
ние Ur — в эмиттерную цепи. Катушки Ьсв2 и
£Свз включают последовательно; сопротивле-
ние выходного контура LC мало на частоте /,
поэтому напряжение гетеродина на выходе от-
сутствует. Недостаток этого ПрЧ — модуляция
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
727
24.19. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
напряжения гетеродина выходным сигналом с
частотой /пч и его гармониками, которая при-
водит к интерференционным явлениям на вы-
ходе ПрЧ.
В ПрЧ на полевом транзисторе (Рис. 24.79)
с отдельным гетеродином напряжение Ur через
конденсатор Ссвг подводят к истоку, а напря-
жение Uс с контура LC, настроенного на часто-
ту/, — к затвору ПТ; в цепь стока включают
выходной контур ZiCi, настроенный на часто-
ту /[Ч. Недостатки этого ПрЧ — склонность к
возбуждению на частоте /пч и повышенная
мощность гетеродина, поскольку для гетероди-
на ПТ включен с ОЗ при низком входном со-
противлении (см. ст. 24.3).
Двухзатворный ПрЧ (Рис. 24.80, а) обеспе-
чивает развязку цепей сигнала и гетеродина
благодаря их подаче на разные затворы. Для
согласования сопротивлений Т?22 ПТ и RBX
кварцевого фильтра Q в цепь стока включают
ZC-контур и высокочастотный трансформатор
Т. Квадратичные проходные ВАХ ПТ позволя-
ют уменьшить нелинейные явления (см. ст.
24.24, 17.15).
На Рис. 24.80, б показана схема ПрЧ на
дифференциальных каскадах (ДК) в интег-
ральном исполнении (см. ст. 24.23) с высокой
стабильностью благодаря практически полной
взаимной независимости трех цепей, в кото-
рых действуют токи с частотами/,/,УпЧ. При-
мер схемы ПрЧ массового радиоприемника на
ДК показан также на Рис. 17.29.
На Рис. 24.80, в приведена упрощенная
функциональная схема преобразователя частоты
с подавлением зеркального канала — одного из
побочных каналов радиоприема (см. ст. 17.15).
Такой ПрЧ удобен при малом значении проме-
жуточной частоты/тч, когда помеха зеркального
канала/ к расположена близко к основному ка-
налу/ (см. ст. 17.15 и Рис.17.28) и поэтому не-
эффективно подавляется селективными цепями,
включенными перед ПрЧ. Обозначения фаз на
схеме Рис. 24.80, в приведены для случая/ >/.
Напряжение сигнала wc,/ с фазой фс подводится
к смесителям Смь См2 непосредственно, а на-
пряжение гетеродина иг, fr с фазой фг — через
фазовращатели ф = + я/4 и ф = - я/4. Из рисунка
видно, что сигналы на частоте/]ч =/ -/ на вы-
ходе плеч имеют одинаковые фазы срПч = Фс ~ фг
и складываются на выходе сумматора. Напряже-
ния ПЧ от зеркального канала/^ =/-/.к на вы-
ходе плеч имеют противоположные фазы:
фпч = фг “ фз.к + ТГ/2 И (Рпч = фг - фз.к - 7С/2. Поэто-
му после сложения в сумматоре помеха зеркаль-
ного канала подавляется (коэффициенты переда-
чи плеч одинаковые).
Шумы преобразователя частоты зависят
от шумов входных и выходных цепей, гетеро-
дина и собственно АЭ; относительный уровень
их значительно выше, чем в усилителе, еще и
потому, что крутизна преобразования 5пр в не-
сколько раз меньше паспортной крутизны S
проходной характеристики транзистора. По-
этому резонансный коэффициент усиления
ПрЧ ХОпр меньше, чем в усилительном каскаде,
а коэффициент шума больше:
Шпр — 1 + £/ш.вых^Оэкв^Рщ с К()Пр)>
где Рш с — мощность шума от источника сиг-
нала. Коэффициент Ш [дБ] = 10 IglU.
Структуру и особенности ПрЧ супергете-
родинных радиоприемников — см. ст. 17.15.
24.20. РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ УСИЛИ-
ТЕЛЬ — устройство, обеспечивающее допол-
нительное усиление сигнала благодаря внесе-
нию в колебательный контур отрицательного
сопротивления от внешнего источника энергии.
Так, при подключении к контуру с потерями гк
двухполюсника с отрицательным сопротивле-
нием Г возможны три состояния: если |Г| = гк,
то компенсируются собственные потери в кон-
728
РАДИОТЕХНИКА
24.20. РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
Рис. 24.80
туре; при |г"| > гк дополнительно компенсиру-
ется еще и часть потерь, внесенных нагрузкой
(следующим каскадом); при чрезмерном отри-
цательном сопротивлении |г"| > (гк + гн) в кон-
туре возникают незатухающие колебания и
усилитель превращается в генератор. С возрас-
танием отрицательного сопротивления (до по-
рога возбуждения) добротность и усиление
также увеличиваются, но при этом сокращает-
ся полоса пропускания АЧХ. Нужное значение
отрицательного сопротивления формируют це-
пями положительной обратной связи или спе-
циальными нелинейными элементами.
Различают Р. у. на туннельном диоде — см.
ст. 29.9, 11.5, параметрические (с варикапами
на ВЧ или с дросселями насыщения на НЧ) и
квантовые малошумящие — мазеры (с обме-
ном энергией между электромагнитным полем
и молекулами активного вещества) [6]. Все три
вида Р. у. — двухполюсные: одни и те же зажи-
мы — одновременно вход и выход усилителя.
Входной и усиленный сигналы действуют в од-
ном контуре, цепи источника сигнала и нагруз-
ки совпадают (с учетом их коэффициентов
включения в контур), шумы АЭ следующего
каскада поступают в контур, усиливаются и
увеличивают общий уровень шума. Этот недо-
статок устраняют включением направленных
невзаимных элементов — проходного (с фер-
ритовым вентилем) и отражательного (с цир-
кулятором). Они стабилизируют показатели Р.
у. при изменении параметров источника сигна-
ла и нагрузки (например, приемника), не вызы-
вая регенерации внутреннего шума приемника.
Сигнал от антенны А (Рис. 24.81, а) поступает
на вход 1 циркулятора Ц, и усиливается в реге-
неративном контуре РК. Отраженная от РК
волна с его входа 2 поступает на вход 3 прием-
ника Пр и на вход 4 согласующего звена СЗ для
поглощения части избыточной энергии путем
согласования сопротивлений цепи.
Иногда Р. у. выполняют по схеме четы-
рехполюсника: сигнал к резонатору подво-
дят одним путем, а отводят — другим.
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
729
24.20. РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
Структура последовательной цепи такая: ис-
точник сигнала входной вентиль —> Р. у. —>
выходной вентиль приемник. Входной
вентиль предназначен для развязки источни-
ка сигнала и Р. у, а выходной разделяет Р. у. и
приемник. Примеры применения регенерато-
ров и сверхрегенераторов в радиоприемниках
см. в ст. 17.27.
Параметрический каскад — электронная
цепь, в которой под воздействием источника на-
качки (гетеродина) с частотой, обычно большей,
чем частота сигнала, практически безынерци-
онно изменяется нелинейная емкость (напри-
мер, обратносмещенного р-и-перехода). П. к.
содержит параметрический диод (его эквива-
лентная схема показана на Рис. 24.81, б) с со-
противлением растекания (потерь) Rs = 1 ...5 Ом,
индуктивностью вводов LB = 0.2...2нГ, емкостью
корпуса Ск = 0.1...0.4 пФ, нелинейной емкостью
Снл = С7(0)/(1 + и/Ек)п, где С(0) — емкость дио-
да при нулевом смещении, Ек — контактная раз-
ность потенциалов (0.2...0.ЗВ у германия и
1.1... 1.2 В — у арсенида галлия), U — перемен-
ное напряжение накачки, показатель степени
п = 2 для сварных диодов со ступенчатым р-п-
переходом и п = 3 для диффузных диодов.
Постоянная времени диода т(Е0) - Cnsi(Eo)Rs
определяет максимальную частоту и шумовые
характеристики П. к. (Ео — начальное обрат-
ное смещение, относительно которого изменя-
ется напряжение накачки). Граничная частота,
на которой внесенное в контур отрицательное
сопротивление еще не превышает сопротивле-
ние потерь Rs,
f^ = {SxISQ)l[^RsC^EQ)},
где 5] — первая гармоника эластанса (жестко-
сти) S(f) = 1/CHJ1(Z), изменяющегося под влия-
нием накачки; — его постоянная составляю-
щая (эластанса).
У современных параметрических диодов
/р=25...200 ГГц, т(Е0) < Ю...12 с. Для устойчиво-
сти П. к. нужно, чтобы рабочая Ус < 0.3/р. Дина-
мическая добротность параметрического диода
ед=/гр//с = 51/(2со()ЛЛ
В сантиметровом диапазоне волн 0д « 2...20,
а в миллиметровом — Qa ~ 0.5...3.
Существует несколько видов П. к. и режи-
мов их работы. Усиленный сигнал можно по-
лучить на частоте/; или на преобразованной
промежуточной частоте
/пч = nf„ +fc,
где п = 1.2..., /, — частота накачки. Напряже-
ния с выбранными частотами/ или/пч выделя-
ют с помощью колебательных контуров. П. к.
выполняют одноконтурными (при /пч = /), а
также двух- и многоконтурными. При /пч > /
П. к. аналогичен емкостному ПрЧ (см. Рис.
24.75) при нерегенеративном усилении мощно-
сти с коэффициентом
Кр = 4/пЧ /с,
где/ и/пч — входная (сигнальная) и выходная
730
РАДИОТЕХНИКА
24.21. РЕГУЛЯТОРЫ УСИЛИТЕЛЕЙ ЗВУКА
(преобразованная) частота соответственно; к
— коэффициент пропорциональности. Итак,
для повышения усиления полезно преобразова-
ние частоты вверх, т.е.у^ч >fc (см. стр. 68).
У П. к. шумы меньше, чем у каскада на
транзисторах и туннельных диодах, поскольку
П. к. осуществляет бесшумное преобразование
энергии источника накачки в полезное колеба-
ние нужной частоты благодаря отсутствию ак-
тивного сопротивления у емкости Снл нелиней-
ного элемента и, следовательно, отсутствию
токовых шумов.
Для уменьшения шума применяют варак-
торы с высокой граничной частотой /гр (на-
пример, ДБШ), повышают отношение частот
накачки и сигнала fH/fc до оптимального зна-
чения 5... 15, понижают потери во входных
цепях и циркуляторах до 0.1 дБ. Достигну-
тые минимальные уровни шумовой темпера-
туры Тш (см. ст. 17.32) составляют в санти-
метровом диапазоне волн 2...30 К с охлаж-
дением или 5...90 К при нормальной темпе-
ратуре. Рекорд низкой шумовой температуры
Тш = 5...ЮК (температура жидкого гелия
4.2 К) достигнут в квантовых П. к. [6] — см.
также ст. 11.5, 17.30.
Регенеративный каскад на туннельном
диоде описывают типовой эквивалентной
схемой (Рис. 24.81, в) с идеальным циркуля-
тором (без отражения энергии). Элементы
схемы: дифференциальное сопротивление Rn
и емкость Сп р-л-перехода (7?п = 40... 100 Ом,
Сп = 0.2...2 пФ); сопротивление потерь 7?s =
= 4.5...7 Ом; собственная индуктивность корпу-
са ТД и вводов LB = 0.05...0.3 нГ; емкость кор-
пуса Ск = 0.3...0.5 пФ; цепи стабилизации RCT,
Сст, LCT и настройки £н, Сн. Шумовая постоян-
ная ТД Аш = 20/оЯп, где /0 - ток в рабочей точ-
ке (Nw = 0.8; 1.4; 2.4 для материалов ТД — ан-
тимонида галлия, германия, арсенида галлия
соответственно); проводимость согласованно-
го с линией контура (7ТД = 1/(7?п - Rs); параметр
регенерации а = Стд/ул, где у — волновая про-
водимость линии; коэффициент передачи мощ-
ности КР= (1 + а )/(1 - а); граничная частота,
выше которой резистивное сопротивление ТД
становится положительным,
/гр = V7?n/^-l/(27t/?nCn) = 5...40 ГГц.
Резонансная частота, на которой реактивное
входное сопротивление Хвх = 0,
Отд = V[1 -£в/(СпЛ2п)]/(£вСп).
Резонансная частота цепи стабилизации
/ст = 1/2tiV£ctCct.
За пределами полосы рабочих частот резистор
RCT шунтирует контур, благодаря чему повы-
шается устойчивость регенеративного каскада
наТД.
Усилитель (Рис. 24.81, г), выполненный по
последовательной схеме, содержит: регенера-
тивный контур LC(G + G~) с ТД VD (элементом
отрицательной проводимости G-); резисторы
7?i, R2 для выбора рабочей точки на середине
участка спада ВАХ ТД; конденсатор Сбл — для
блокирования (замыкания) резистора R2 током
ВЧ. Устойчивый Р. к. на ТД при 0.8 > а > 0.7
имеет коэффициент КР =16... 18 дБ. Полоса
пропускания регенеративного усилителя при
КР> 1
ПТд = (7Тд /(лСн у/Кр) = (1 - ос)Пн
где Пн — полоса пропускания нагруженного
контура, (7ТД = G + G~.
Очевидно, что Птд < Пн из-за внесения в
контур отрицательного сопротивления. У
Р. к. на ТД коэффициент шума IHmin = 1 +
Аш, если 7?s < Rn, а резонансная частота /0 <
/гр. У германиевых ТД коэффициент IHmin =
2.3 (3.6 дБ), у ТД из антимонида галлия коэф-
фициент LUmin = 1.85 (2.7 дБ). В реальных ус-
тройствах шумы циркулятора и цепи стабили-
зации добавляют к коэффициенту шума еще
1...2 дБ. Диапазон частот определяет и конст-
рукцию регенеративного контура: коаксиаль-
ную или микрополосковую — на дециметро-
вых волнах, волноводную — на сантиметро-
вых волнах (см. ст. 11.5).
24.21. РЕГУЛЯТОРЫ УСИЛИТЕЛЕЙ
ЗВУКА — радиоэлектронные и механические
средства воздействия на воспроизводимую ус-
тройством искусственную звуковую картину с
целью приближения ее к натуральному звуча-
нию или для создания специальных эффектов.
Подобное определение может касаться не
только звуковых устройств. Тогда вместо звука
подразумевают другой носитель информации,
в зависимости от датчика, преобразующего
энергию конкретного поля в электрические
сигналы. Например, видеоэффект, визуальная
информация (см. ст. 22.3). К акустическим ре-
гуляторам относят частотно-зависимые, так
называемые физиологические регуляторы тем-
бра и громкости, многополосные эквалайзеры,
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
731
24.21. РЕГУЛЯТОРЫ УСИЛИТЕЛЕЙ ЗВУКА
антишумовые фильтры, устройства создания
эффекта присутствия, улучшения пространст-
венного слухового впечатления и т.п. [9, 10].
Рассмотрим несколько примеров регуляторов
звуковых сигналов.
Регулятор громкости частотно-зависи-
мый — устройство для выравнивания в диапа-
зоне 34 громкости звуковой картины в соответ-
ствии с физиологическими свойствами слуха
человека. Принцип его действия состоит в отно-
сительном подъеме уровня НЧ и ВЧ введением
искусственного спада коэффициента передачи
на средних частотах при малом уровне звука
(нижняя кривая на Рис. 24.82, а). По оси орди-
нат отложены 1(f) — интенсивность звука, не-
обходимая для получения одинаковой на всех
частотах громкости звучания программ, и
y2(f) = 10 \g(KflKfa)2— квадрат нормированной
АЧХ усилителя. Человек воспринимает измене-
ние громкости звука пропорционально измене-
нию его интенсивности (см. ст. 27.6). Необходи-
мую АЧХ обеспечивает, например, простой
«тонкомпенсированный» Р. г., показанный на
Рис. 24.82, б. К сожалению, эта простая пас-
сивная цепь не учитывает нелинейности чув-
ствительности слуха, требующей сжатия ди-
намического диапазона уровней сигнала. Она
корректирует АЧХ минимально-фазовой RC-
цепью (см. ст. 23.11), но до сих пор точно не
выяснено, каким образом слуховой аппарат
человека реагирует на фазу сообщений. Кано-
ническое мнение, что фазу звукового сообще-
ния человек не ощущает, устарело (см. ст. 27.6
- 27.9 и [9]). Кроме того, различные музыкаль-
ные инструменты при тихих и громких звуках
имеют неодинаковую тембровую окраску. По-
этому введен переключатель SA, который дает
возможность отключить предложенную разра-
ботчиком коррекцию АЧХ восприятия.
Регулятор пространственного впечат-
ления — электронный расширитель стерео-
фонической базы — оптимального расстоя-
ния между громкоговорителями, при котором
слушатель ярко ощущает стереоэффект. Это
— устройство для воздействия на субъектив-
ное эмоциональное восприятие звуковых кар-
тин: восприятие локализации виртуального
источника звука за пределами стереобазы,
ощущение эффекта «супербазы» и т.п. Ожи-
даемого результата достигают фильтрацией и
смешиванием сигналов левого L и правого R
стереоканалов, далее — масштабным алгеб-
раическим суммированием, созданием вооб-
ражаемых каналов, сигналы которых опреде-
ленным образом распределяют между громко-
говорителями акустических систем (АС) —
см. ст. 27.1 и 27.8). Искусственные сигналы
воспроизводят независимо, вместе с исходны-
ми сигналами L, R. Технической базой реали-
зации всех способов является разнообразное
применение ОУ (см. ст. 24.1, 24.2).
Расширения стереофонической базы дости-
гают перекрестным суммированием отфильтро-
ванных сигналов L- и 7?-каналов (Рис. 24.83, а).
Устройство смягчает эффект «срединного»
сигнала, который подчеркивает нежелательное
монозвучание. На выходе получают новые сиг-
налы стереопары: левыйL' = L-H(p)kR и пра-
вый R' = R - H(p)kL, где к — коэффициент ос-
лабления сигнала середины (к = 0.6 во избежа-
ние полной компенсации «срединного» звука).
Уровень расширения стереобазы регулируют
ФНЧ с частотой среза (см. ст. 24.2) более 300 Гц,
моносигналы частотой выше 300 Гц ослабля-
ются на 201g(l - к) дБ. Активные фильтры ра-
ботают в режиме взаимного вычитания сигна-
лов. Коэффициент перекрестных искажений
сигналов канала R сигналами канала L (и на-
732
РАДИОТЕХНИКА
24.21. РЕГУЛЯТОРЫ УСИЛИТЕЛЕЙ ЗВУКА
оборот) изменяется в зависимости от импедан-
са ZP балансной цепи полосового фильтра:
— pR рСр
1 + pRpCp + RrCr + RpCp + р^ RrCrRrCp
где p =j(ti — оператор; ZR и ZP — полные со-
противления, a Rr, Cr и Rp, CP — элементы це-
пей ООС — сумматоров Z и балансной соот-
ветственно.
Формирователь псевдостереофонических
сигналов (Рис. 24.83, б) создает стереоподоб-
ные сигналы из монофонического, когда уров-
ни трех первичных сигналов: L,Rvl «срединно-
го» М— одинаковые. Фазы сигналов обоих ка-
налов при идентичных АЧХ сдвигаются так на-
зываемым «всепропускающим» фазовым
фильтром второго порядка. Он содержит два
независимых параллельных фильтра — ПФ и
режекторный РФ, а также линейный сумматор
на ОУ. После обработки получают псевдоле-
вый L' = -Л/ехр[/(р1(со)] и псевдоправый R' =
= Л/ехр[/ф2(со)] сигналы. Применение форми-
рователя целесообразно при близко располо-
женных громкоговорителях АС: в небольшой
комнате, в корпусах телевизоров и переносных
бытовых аппаратов — магнитофонов, прием-
ников и т.п.
Регулятор тембра — активная или пассив-
ная электронная цепь, с помощью которой
можно сформировать субъективно-рациональ-
ную передаточную функцию воспроизведения
звука. Варианты Р. т.: раздельные ВЧ/НЧ и сов-
местно независимые Р. т. Центральная часть
АЧХ Р. т. для сигналов 34 остается неизмен-
ной, в отличие от АЧХ эквалайзера, и лишь на
краях диапазона передаточную функцию Н(р)
произвольно (в пределах ±20 дБ) изменяют в
зависимости от индивидуального вкуса слуша-
теля. При симметричном раздельном регули-
ровании сигналов ВЧ и НЧ (Рис. 24.84. а)
обобщенная передаточная функция активного
или пассивного Р. т.
ТГ( \__тг ________1 + ^вР^В
°(1-ан)+ртн 1+(1-ав)+рт1,’
Глава 24. УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
733
24.21. РЕГУЛЯТОРЫ УСИЛИТЕЛЕЙ ЗВУКА
где тн и тв — постоянные времени цепей кор-
рекции НЧ и ВЧ; ан, ав — параметры, с помо-
щью которых задают вид обработки спектра на
НЧ и ВЧ соответственно.
При максимальном подъеме (Хн = ав = 1; без
подъема (середина АЧХ) ан = ав = 0.5; при мак-
симальном спаде ан = ав = 0. Следовательно,
0 < Otfnin < (X < Otmax — 1 >
где атах = А/7/(1 + АН); amin = 1 - amax; АН —
уровень подъема (или спада) АЧХ относитель-
но уровня на средних частотах.
Пассивные Р. т. рассматриваются как це-
почка из НЧ и ВЧ независимых последователь-
ных звеньев первого порядка с наклоном АЧХ
каждого 6 дБ/окт. (см. также диаграммы Боде,
например, на Рис. 24.61).
Активный регулятор тембра содержит
два параллельных сложных делителя RXR2CX
и R3R4Ck (Рис. 24.84, б), включенных в ин-
версную цепь ОУ DA. Здесь ОУ предназначен
для компенсации потерь в пассивной части
Р. т., а не для повышения порядка фильтра
(см. ст. 24.2). Поэтому передаточная функция и
методика анализа активных и пассивных Р. т.
— общие. Подъем/спад регулирования сигна-
лов НЧ (см. Рис. 24.84, а) — экстремумы АЧХ
на низких частотах
A//Hmax ~ + Rz/R 1,
а частоты перегиба (среза) АЧХ на НЧ для
верхних и нижних уровней регулирования со-
ответственно равны:
/1н = 1/(271(2?! II^G], /2н = 1/(271^).
В среднем положении движка резистора R2
сопротивления участков T?2i = 2?22 = 0.52?2, по-
этому целесообразно применение переменного
резистора R2 типа А с линейной регулировоч-
ной характеристикой (см. ст. 31.9). При регули-
ровании сигналов ВЧ экстремумы АЧХ
АЯвтах ~ 1 + (2?i + 22?к)/2?3,
а частоты перегиба (среза) АЧХ на ВЧ для
верхних и нижних уровней регулирования со-
ответственно равны:
/1в= 1/(271(2?] +22?К + 2?3)СК],
/2в= l/(27tR3CK).
Часть регулятора, работающая на НЧ, не
влияет на высокочастотную часть при условии
2?4 » (2?3 + 2?i + 22?к).
Цепочка 2?стСст предназначена для обеспе-
чения устойчивости Р. т. против самовозбужде-
ния, резистор 2?д — для защиты низкочастот-
ной части Р. т. от постоянного тока.
В нейтральном положении ползунков рези-
сторов 2?2, 2?4 передача сигналов равномерна в
широком диапазоне частот, коэффициент пере-
дачи в полосе пропускания равен Но (0 дБ), а
не А27тах — в эквалайзере (см. Рис. 24.86, а);
поэтому шумы и нелинейные искажения малы.
Это очень важно. Преимуществами Р. т. явля-
ются также низкоомный выход, целесообраз-
ность и возможность использования резисто-
ров 2?2,2?4 типа А, а также симметрия АЧХ. Рас-
чет элементов Р. т. для заданных экстремумов
АЯтах = 10 (20 дБ) выполняют по формулам
(значение частот/гн nf2B — в герцах):
2?i = 2?к = 0.112?2 [кОм];
С, = 1.6105W2h) [нФ];
2?3 = 0.32?! [кОм];
Ск = 4.3 106/(2?/2в) [нФ]; 2?4 = 3.72?2 [кОм].
Приведенные на Рис. 24.84, б номиналы эле-
ментов при выбранном значении 2?2 = 100 кОм
даны для частотен = 50 Гц,^в = 10 кГц.
Пассивный регулятор тембра действует
как частотно-зависимый делитель напряжения
с существенным внутренним затуханием. Боль-
шие уровни собственных шумов вытеснили его
из употребления. Принципиальные схемы и
расчеты такие же, как и для активного Р. т.
Регулятор усиления электронный — уст-
ройство для плавного изменения коэффициента
передачи цепи (Рис. 24.85) напряжением £упр от
дистанционного пульта. Р. у. э. не содержит ме-
ханических ненадежных деталей и проводни-
ков, доступных внешним полям. Сопротивле-
ния резисторов Rx » 2?; резистор 2?min служит
для линеаризации зависимости сопротивления
гзи затвор—исток ПТ от различных уровней
сигнала; конденсатор емкостью С» 1/(2тс2?х/) —
734
РАДИОТЕХНИКА
24.21. РЕГУЛЯТОРЫ УСИЛИТЕЛЕЙ ЗВУКА
разделительный между цепями управления £упр
и сигнала UQX. Пределы регулирования усиле-
ния зависят от значений 7?тах > гзи и 7?min.
Фильтр подавления низкочастотных аку-
стических помех (например, гула и рокота при
воспроизведении грамзаписи, фона источника
питания и его гармоник) — это всегда ФВЧ с ре-
гулируемой частотой среза. Его выполняют, на-
пример, по схеме Саллена—Кея (подобной Рис.
24.16, в, но для ВЧ) с выбранной разработчиком
аппроксимацией АЧХ (см. ст. 24.2).
Эквалайзер — многополосный формирова-
тель независимого подъема или спада АЧХ в лю-
бой точке диапазона частот, графический регуля-
тор-корректор АЧХ. Положение ручек на его
пульте напоминает график АЧХ (отсюда и назва-
ние «графический»). Узлы эквалайзера содержат
параллельные полосовые или режекторные ак-
тивные 7?С-фильтры второго порядка (см. ст.
24.2), каждый из них часто является корректором
Боде (см. ст. 24.17) с передаточной функцией
H^+pa^/Q+p2)
п (Р) =—}---------------
об+/хЦ)(1-а)/е + р2
где Но (Рис. 24.86, а) — нормированный коэф-
фициент передачи; р =j(£> — оператор; Q — до-
бротность; а — параметр, определяющий
подъем/спад АН АЧХ на центральной частоте
/о = соо/(2я) каждого фильтра,
® max — А///(1 + Д/7), ОС mjn — 1 — ОС тах-
Эквалайзер с постоянной шириной полосы
пропускания фильтра выполняют как набор ок-
тавных фильтров (центральные частоты кратны
2) или как набор частично октавных фильтров:
отношение частот равно, например, 1/3 октавы,
т.е. терции (см. ст. 27.7). При вычислении ос-
новных параметров (cOq и Q) задаются числом N
полос обработки, верхней сов и нижней сон час-
тотами диапазона. Средняя частота диапазона
<о0 /2тс = Fo = ^FBFH = 1кГц.
Шаговый коэффициент кшг = 2|/т, где т —
число полос на одну октаву. Для октавного Э.
коэффициент £шг = 21/1 = 2, а для третьоктавно-
го Э. коэффициент £шг = 21/3 = 1.26. Доброт-
ность при максимальном подъеме (спаде) АЧХ
e = 7U/(^r-i)-
Например, для октавного Э. добротность Q = 1.41,
а для третьоктавного Э. — Q = 4.32.
Эквалайзер с постоянной добротностью
выполняют как набор активных фильтров на
отдельном операционном усилителе для каж-
дой частоты /0 (Рис. 24.86, б) с двойным
Т-мостом в качестве цепи ООС. Один из рези-
сторов моста (Т?2) — переменный, для настрой-
ки на центральную частоту f0. У октавного Э.
(см. ранее) сопротивление резистора R2 выби-
рают произвольно (десятки килоом);
R} = 3R2/(AH- 1); R3 = \0R2.
Емкости конденсаторов и добротность:
С, =10С2; С2 =73/Ш-1/(2Ол/оЛ2);
2 =-7(34/7-1)/9.6.
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
735
24.21. РЕГУЛЯТОРЫ УСИЛИТЕЛЕЙ ЗВУКА
Для выбранного экстремума АЯ = 3.2 (10 дБ)
добротность Q = 0.92, а для ДЯ = 10 (20 дБ) до-
бротность Q = 1.74. Следовательно, для октав-
ного Э. приемлемый подъем АЧХ А/7= 3...5. Не-
достаток этого варианта Э. — высокое сопро-
тивление резистора R3 на входе ОУ на частотах
/</0. Указанные на Рис. 24.86, б номиналы эле-
ментов относятся к ПФ с центральной частотой
fo = 32 Гц. Для частоты fQ = 15 кГц изменяются
лишь номиналы конденсаторов: Ci = 0.39 нФ,
С2 = 0.039 нФ; сопротивления резисторов не из-
меняются в диапазоне частот регулирования.
Десятиполосный эквалайзер (он на рисунке
не показан) должен содержать десять аналогич-
ных фильтров, входной согласующий усили-
тель и линейный сумматор (как на Рис. 24.1).
Входной усилитель выполняют в двух вариан-
тах: на одном ОУ, нагруженном сопротивлени-
ем R}/N, или на N отдельных ОУ. Недостаток
обоих вариантов — суммирование выходных
шумов десяти фильтров; увеличение уровня
шума в нейтральном положении резистора R2
пропорционально д/У.
Параметрические эквалайзеры отличаются
тем, что центральные частоты полос коррек-
ции и их добротность могут свободно регули-
роваться. Для этого используют активные по-
лосовые 7?С-фильтры (см. ст. 24.2)
Многополосным эквалайзером с параллель-
ными цепями коррекции (Рис. 24.87) осуществ-
ляют симметричное (подъем/спад) регулирова-
ние АЧХ и подавление шума в среднем поло-
жении ползунка резистора R3. Усиление в сере-
дине диапазона (плоская АЧХ, Но = 1) устанав-
ливают резисторами R}, R2. Максимальный
подъем АЧХ АЯ = (1 + T?2#max)^i осуществля-
ют суммированием выходных сигналов N по-
лосовых фильтров на ОУ DA\, DA2.
ный подъем АЧХ
Hmax(P) = [R + Z(P)]/Z(P),
максимальный спад АЧХ
Hmin(p) = Z(p)/[R + Z(p)],
где Z(p) = (1 + pCR3 + p2LC)l(pC).
Элементы каждого фильтра определяют
через его центральную частоту соо-
L = QRJ&Q, С = (А/7- 1)/(соое^),
R3 = R/(AH- 1),
а сопротивление резистора R выбирают произ-
вольно (десятки килоом). Сигналы от всех
фильтров суммируют и усиливают. Недостаток
этого Э. — зависимость добротности Q от по-
ложения ползунка резистора осЛь а — коэффи-
циент, изменяющийся в пределах 0 < а < 1.
Индуктивность L иногда реализуют с помо-
щью гираторов (см. ст. 24.1). Примеры Э. для
радиоприемников — см. ст. 13.8.
24.22. УПРОЩЕННЫЙ СРАВНИТЕЛЬ-
НЫЙ АНАЛИЗ СХЕМ УСИЛЕНИЯ. Прин-
цип действия усилительного транзистора
(транзистор от англ, transfer resistor — переда-
точный резистор) состоит в изменении мгно-
венного уровня мощности, потребляемой на-
грузкой от ИП, в результате изменения мгно-
венного значения тока эмиттирующего и «со-
бирающего» электродов (Рис. 24.89), управля-
емого входным сигналом.
Эквалайзер с последовательным LCR-pe-
жекторным фильтром в каждой полосе про-
пускания изображен на Рис. 24.88. Максималь-
Усиление мощности сигналов обеспечивают
схемы с общим эмиттером — ОЭ, общей базой
— ОБ, общим коллектором — ОК. Термин
736
РАДИОТЕХНИКА
24.22. УПРОЩЕННЫЙ СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СХЕМ УСИЛЕНИЯ
«общий» означает, что указанный электрод явля-
ется общим для входных и выходных зажимов.
Исходные данные анализа на НЧ: гэ — диф-
ференциальное сопротивление прямосмещенно-
го эмиттерного перехода (для выбранного тран-
зистора при нормальной температуре окружаю-
щей среды определяется уровнем постоянного
тока эмиттера), гэ ~ 25//Эо> где 1Эо выражается в
миллиамперах, т.е. для токов 0.1... 10 мА состав-
ляет 250...2.5 Ом; гк — дифференциальное со-
противление обратносмещенного коллекторного
перехода (для выбранного транзистора опреде-
ляется обратной ВАХ коллектора), достигает со-
тен килоом; RH — сопротивление нагрузки
(предварительно устанавливается согласно ус-
ловиям работы усилителя); р = Ь21э — коэффи-
циент передачи тока, равен отношению пере-
менного тока коллектора к переменному току ба-
зы в режиме линейного усиления, т.е. Р = /к/гБ
(для современных транзисторов достигает со-
тен-тысяч); Ki — коэффициент усиления тока —
отношение переменного выходного тока к вход-
ному; К — коэффициент усиления напряжения
— отношение переменного выходного напряже-
ния к входному; КР — коэффициент усиления
мощности, КР = KiK; RBX, 7?вых — входное и вы-
ходное сопротивления, отношения соответству-
ющих переменных напряжений и токов; пере-
менный ток эмиттера гэ = zk + zb = (Р + 1 )zb-
Особенности схем усиления. Схема с ОЭ:
входной ток — это ток базы; входное напряже-
ние — это напряжение база—эмиттер; выход-
ной ток — это ток коллектора, выходное на-
пряжение — произведение /к7?н-
Схема с ОБ: входной ток — это ток эмитте-
ра; входное напряжение — напряжение эмит-
тер—база; выходной ток — ток коллектора;
выходное напряжение — произведение /кЯн-
Схема с ОК1: входной ток — это ток базы;
входное напряжение — напряжение база—кол-
лектор (равно сумме выходного напряжения и
напряжения эмиттер—база); выходной ток —
ток эмиттера; выходное напряжение — произ-
ведение г’э^н ~
Результаты анализа приведены далее. Схе-
ма с ОЭ: коэффициент усиления тока Kz =
= /вых/4х = *к/*б = Р; входное сопротивление 7?вх
= «бэ/'б = = (Р + O'e^'e = Ргэ; коэффи-
циент усиления напряжения К = ивых/ивх =
= = РгБЛн/(/БРгэ) = R„/r3; выходное
сопротивление приблизительно равно сопро-
тивлению выходного (коллекторного) перехо-
1 Более распространенное название — эмиттерный
повторитель (ЭП) {прим. ред.).
да, поскольку гк » гэ, т.е. 7?вых = гк.
Схема с ОБ: коэффициент усиления тока
Ki = 1Вых/'вх = 'к/'э = Р'б/((Р + 1)'б) = 1; входное
сопротивление RBX = uBX/iBX ~ ивэИэ = гэ; коэф-
фициент усиления напряжения К = ивых/ивх =
= ik/?h/((3^bx) = PW((P + 1);Бгэ) = Лн/гэ; вы-
ходное сопротивление приблизительно в р раз
больше гк, поскольку ток базы в р раз меньше
тока коллектора, а выходная цепь замыкается
через базу: RBbIX = prK-
Схема с ОК: К, = = р + 1 ~ р; RBX = uBX/iBX =
= («БЭ + «вых) /*Б = О’э>Э + = (Р + 1)(>Э +
+ RH) ~ рлн при RH » Гэ, К — ивъ1х/ивх —
— «вых/(«вых + «Бэ) ~ 1 > ПОСКОЛЬКУ WBblx » «БЭ При
Ян >:> гэ; Явых приблизительно равно гэ по ана-
логии с определением входного сопротивления
схемы с ОБ.
Параметры схем сведены в сравнительную
Табл. 24.1.
Таблица 24.1
Схема усиления по переменному току К, к ^вх р лвых
ОЭ р RJr3 Р'э ''к
ОБ ¥ h 1 R„/r3 RJr3 'э Р'к
ок £3 р 1 Р 'э
Выводы: коэффициент усиления тока наи-
больший в схемах с ОЭ и ОК, коэффициент уси-
ления напряжения — в схемах с ОЭ и ОБ, коэф-
фициент усиления мощности — в схеме с ОЭ,
входное сопротивление — в схеме с ОК; вход-
ное сопротивление наименьшее в схеме с ОБ;
выходное сопротивление наибольшее в схеме с
ОБ; выходное сопротивление наименьшее в схе-
ме с ОК. Схема с ОБ менее всего подвержена
самовозбуждению благодаря малому значению
сопротивления 7?вх, на котором именно и выде-
ляется напряжение ОС (см. также ст. 24.3).
Каскодные схемы усиления — схемы с
непосредственно соединенными парами тран-
зисторов (составными транзисторами). Всего
возможны девять каскодных комбинаций: ОЭ—
ОЭ, ОЭ—ОБ, ОЭ—ОК, ОБ—ОЭ, ОБ—ОБ,
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
737
24-2959
24.22. УПРОЩЕННЫЙ СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СХЕМ УСИЛЕНИЯ
Таблица 24.2
Схема усиления по перемен- ному току Kt к ^ВХ р лвых
оэ-оэ <5 р2 PVa РА*э Ргэ Гк
ОЭ-ОБ * 3 р РЯЛэ Ргэ |К
ОЭ-ОК 1 А р2 Р«Л, РЧ*э Р'э Гэ
ОБ-ОЭ р рЯ.Лэ РЧЛэ Гэ ГК
ОБ—ОБ Г 1 Л„/гэ RJr3 Гэ к
ОБ—ОК р РЯ„*э РЧДэ Гэ Гэ
ОК-ОЭ р2 РЧЧ РЧ Гк
ОК-ОБ р /?н/(2гэ) РЯн/(2гэ) 2Ргэ Ргк
ок-ок р2 1 Р2 РЧ Гэ
ОБ—ОК, ОК—ОЭ, ОК—ОБ, ОК—ОК. Учи-
тывая изложенное ранее и считая, что нагруз-
кой первого каскада является входное сопро-
тивление второго, построим сравнительную
Табл. 24.2.
Результаты сравнения. Схема ОБ—ОБ не
имеет преимуществ перед однокаскадной
схемой с ОБ и поэтому ее применение вооб-
ще нецелесообразно. Наилучшие усилитель-
ные свойства по напряжению имеют схемы
ОЭ—ОЭ и ОЭ—ОК, первая — при повышен-
ных сопротивлениях нагрузки, вторая — при
уменьшенных. Наибольшее входное сопро-
тивление обеспечивает схема ОК—ОК. Наи-
большее выходное сопротивление при луч-
ших, чем у схемы ОК—ОБ, усилительных
свойствах имеет схема ОЭ—ОБ; кроме того,
ее реализация очень удобна благодаря после-
довательному питанию двух транзисторов от
одного ИП.
Общий вывод: для построения транзистор-
ных схем усиления в зависимости от парамет-
ров источника сигнала и нагрузки достаточно
использовать однокаскадные схемы с ОЭ, ОБ,
ОК или каскодные ОЭ—ОЭ, ОЭ—ОК, ОК—
ОК, ОЭ—ОБ (см. также ст. 24.3).
Причиной ухудшения характеристик тран-
зисторных усилителей с ростом рабочей час-
тоты является непосредственное шунтирова-
ние управляющего сопротивления гэ диффу-
зионной емкостью эмиттерного перехода Сэ, а
также опосредствованное шунтирование со-
противления полезной нагрузки RH барьерной
емкостью коллекторного перехода Ск (см.
Рис. 24.89). Влияние Сэ одинаково для всех
схем усиления, поскольку эта емкость всегда
подключена непосредственно к гэ, т.е. ухуд-
шение управления током транзистора начина-
ет ощущаться только на частотах, где реактив-
ное сопротивление Сэ становится соизмери-
мым с активным сопротивлением гэ. Коллек-
торная емкость Ск в различных схемах вклю-
чения транзисторов неодинаково влияет на ча-
стотные свойства усилителя. Так, в схемах с
ОЭ и ОК емкость Ск присоединена к полезной
нагрузке /?н через последовательно включен-
ный низкоомный эмиттерный переход, т.е.
почти непосредственно шунтирует сопротив-
ление RH. В схеме с ОБ влияние колекторной
емкости Ск ослаблено в р раз, потому что вы-
ходная цепь транзистора замыкается через ба-
зу, ток которой в р раз меньше выходного тока.
Для сравнения частотных свойств раз-
личных схем целесообразно ввести понятие
738
РАДИОТЕХНИКА
24.23. УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
эффективной шунтирующей емкости нагрузки
Сн, т.е. воображаемой емкости, которая учиты-
вает одновременно как влияние Сэ на эффек-
тивность управления сопротивлением г3, так и
влияние Ск на эффективность передачи энер-
гии в полезную нагрузку RH. Емкость Сэ шун-
тирует сопротивление г3, которое в RH/r3 раз
меньше /?н, т.е. емкость Сэ, приведенную к за-
жимам RH, нужно уменьшить в RH/r3 раз. Таким
образом, эффективная шунтирующая емкость
(без учета влияния параметров источника сиг-
нала) может быть определена следующим об-
разом в схемах включения транзисторов:
с ОЭ Сн = C3/RJr3 + Ск;
с ОБ Сн = C3/RJr3 + Ск/р ;
с ОК Сп = C3/RJr3 + Ск.
При определении эффективной шунтирую-
щей емкости схем с составными транзистора-
ми кроме учета двухкратного управления со-
противлением г3 следует учитывать зависи-
мость полезной нагрузки первого каскада от
схемы включения второго т.е. ргэ — для вклю-
чения ОЭ—ОЭ, ОБ—-ОЭ, ОК—ОЭ; г3 — для
ОЭ—ОБ, ОБ—ОБ, ОК—ОБ; рЯн — для ОЭ—ОК,
ОБ—ОК, ОК—ОК.
Значения эффективной шунтирующей ем-
кости схем с составными транзисторами при-
ведены в Табл. 24.3.
Таблица 24.3
Схема Эффективная шунтирующая емкость Сн Сравнительное значение Сн Предельная частота
ОЭ СуЛ + Ск ~ Ск - 1/(Ск/?н)
ОБ сэгу/г„ + Ск/р «Ск ~ 1/(СэГэ)
ОК Сэгэ//?н + Ск -Ск - 1/(Ск/?н)
ОЭ-ОЭ 2СэГэ/Л„ + Ск(1 + РгА) >2СК < 1/(2Ск/?н)
ОЭ—ОБ 2СуЛ + Ск(2гА+1/Р) «Ск - 1/(2Сэгэ)
ОЭ-ОК 2Сэгэ/й„ + Ск(Р+1) 'PQ ~1/(рсЛ)
ОБ—ОЭ 2Сэгэ//?н + Ск(гэ//?нН) >СК - 1«)
ОБ—ОБ 2СУэ/Лн + Ск(1/ргА + 1/р) «Ск - 1/(2Сэгэ)
ОБ—ОК 2СэГэ//?н + 2Ск -2СК - 1/(2Ск/?н)
ОК-ОЭ 2Сэгэ/Л„ + Ск(1 + ргА) >2СК < 1/(2СкЛн)
ОК-ОБ 2Суэ/Лн + Ск(2гЛ+1/р) « Ск < 1/(2Сэгэ)
ОК-ОК 2Сэгэ/й„ + Ск(Р+1) ~РСК ~ 1/(РСЛ)
Окончательно упростить сравнительный
анализ частотных свойств схем позволяет
то, что в большинстве практических случаев
Р > RJr3 » Сэ/Ск » 1. Предельно упро-
щенные сравнительные значения Сн пред-
ставлены в третьем столбце Табл. 24.3.
В последнем столбце этой таблицы приве-
дено ориентировочное значение предельной
частоты схемы, на которой существенно начи-
нают изменяться некоторые характерные пара-
метры конкретного усилителя (коэффициент
передачи тока и передачи напряжения, входное
и выходное сопротивления). Предельная час-
тота определена как частота, на которой сопро-
тивление шунтирующей емкости равно сопро-
тивлению нагрузки, т.е./гр = 1/тн = 1/(CHRH).
В соответствии с Табл. 24.3 наилучшие ча-
стотные свойства имеют схемы с ОБ, ОЭ—ОБ,
ОБ—ОБ, ОК—ОБ; средние значения предель-
ных частот — схемы с ОЭ, ОК, ОЭ—ОЭ,
ОБ—ОЭ, ОБ—ОК, ОК—ОЭ; наихудшие час-
тотные свойства — схемы с ОЭ-ОК и ОК—ОК.
С учетом предварительно определенных ко-
эффициентов передачи тока, напряжения и
входного и выходного сопротивлений прихо-
дим к выводу, что практического внимания за-
служивают только однокаскадные схемы с
ОЭ, ОБ, ОК и каскодные схемы ОЭ—ОЭ,
ОЭ—ОБ, ОК—ОК, последняя — только бла-
годаря уникально большому входному сопро-
тивлению на НЧ.
Изложенная процедура сравнительного
анализа имеет универсальный характер и мо-
жет быть достаточно легко распространена на
усилительные схемы с другими АЭ — полевы-
ми транзисторами и электровакуумными при-
борами. Однако и без дополнительного анали-
за можно утверждать, что сравнительные каче-
ственные показатели соответствующих схем
усиления на различных триодных элементах
будут совпадать.
Проведенный анализ при наличии данных
о параметрах и режимах питания транзисторов
и номинальных значениях радиоэлементов
позволяет количественно оценить основные
характеристики многокаскадних усилителей
без сложных вычислительных процедур.
24.23. УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО
ТОКА — устройство для усиления аналого-
вых сигналов, медленно изменяющихся во вре-
мени, спектр которых начинается от нуля герц,
а верхнюю частотную границу /в определяют
инерционные свойства активного элемента
(см. ст. 24.3). УПТ не вносит фазового сдвига
на НЧ, не создает скалывания вершины им-
пульса (см. ст. 24.24) при их усилении.
Классификация. По принципу действия
различают УПТ: прямого усиления (с гальва-
нической межкаскадной связью), с оптронной
связью, с преобразованием сигнала с помощью
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
739
24.23. УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
модулятора-демодулятора (модема). По дина-
мическим свойствам различают следующие
группы УПТ: очень медленного действия (до-
ли-единицы герц) для обработки сигналов от
источников с большой постоянной времени
(О...1кГц); среднего быстродействия для анало-
говой вычислительной техники, выполняющей
операции в реальном масштабе времени; быст-
родействующие для многоканальных измери-
тельных систем, ЦАП, АЦП и т.п. Усилители
постоянного тока прямого усиления выполня-
ют небалансными и параллельно-балансными
(их называют дифференциальными).
Основные параметры УПТ следующие,
Диапазон частот 0...100 МГц; коэффициент пе-
редачи напряжения до 108; входное сопротив-
ление до 10 ГОм; выходное сопротивление от
10 до 104 Ом; приведенный ко входу дрейф ну-
ля смещения (см. в этой статье далее) 1 мкВ,
дрейф тока до 1 пА, скорость нарастания пол-
ного уровня выходного сигнала до 100 кВ/мкс.
Обеспечение этих требований в одном кас-
каде невозможно, поэтому структура УПТ со-
держит три каскада: входной — со стабильным
входным током, малыми дрейфом нуля и шу-
мом, промежуточный и выходной мощный.
Общий недостаток большинства УПТ — не-
стабильность нуля, произвольное изменение
выходного напряжения при постоянном или
нулевом входном сигнале. Это явление называ-
ется дрейфом нуля; у биполярного транзистора
дрейф определяется температурным коэффи-
циентом напряжения £B3min/AT = 2.2 мВ/K.
Дифференциальный (разностный) каскад
(ДК) — параллельно-балансный УПТ с двумя
входами, предназначенный для получения вы-
ходного напряжения, пропорционального разно-
сти потенциалов входов — двухполярному, диф-
ференциальному входному сигналу. Содержит
два идентичных транзистора (Рис. 24.90, а),
одинаковые элементы связи Rx и R2 в коллек-
торных цепях и резистор 7?э или генератор ста-
бильного тока ГСТ в эмиттерной цепи. Для по-
давления синфазной помехи, действующей на
плечи ДК, используют принцип сбалансиро-
ванного моста. Резисторы R2 и внутренние
сопротивления Rt транзисторов КГЬ VT2 обра-
зуют плечи моста (Рис. 24.90, ^). К одной диа-
гонали 0—Э подключают биполярный источ-
ник питания £к7£э, а с Другой его диагонали
Ki—К2 снимают выходное напряжение, сим-
метричное относительно общего провода.
Одинаковое по знаку и синфазное измене-
ние токов плеч (синфазная помеха) не вызывает
разбалансирования моста, и выходное напряже-
ние отсутствует. Для двухфазного (дифферен-
циального) входного сигнала £ВХдф = ^вх2~ Ц»х1
мгновенные токи плеч находятся в противофазе,
и мост полностью разбалансирован, поэтому на
выходе (между коллекторами транзисторов) на-
пряжение пропорционально разности входных
сигналов. В цепи резистора R3 проходит неиз-
менный по уровню ток
1э = (Ли + А/) + (^К2 _ А/) = 2/к,
поскольку приращения ±А/ токов плеч имеют
противоположные знаки. Вследствие этого ре-
зистор £э не является элементом ООС Z-типа
(каким он является для синфазного сигнала), и
потому усиление полезного (двухфазного) сиг-
нала не уменьшается.
Биполярный источник питания способст-
вует получению напряжения покоя баз, близко-
го к нулевому, что облегчает гальваническое
соединение каскадов без разделительных кон-
денсаторов. Напряжение между коллекторами
транзисторов ДК
^вЫхдф = ±(^2 + ^1)(^вх2-^вх1),
740
РАДИОТЕХНИКА
24.23. УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
как отмечалось ранее, пропорционально раз-
ности входных напряжений. Здесь
Ki=(\-K3)SRH;K2 = SRHK3,
К3 = 1/(2 + h j ] б//?э) — коэффициент передачи
эмиттерной цепи; RH — нагрузочное сопротив-
ление каждого плеча; ЛцБ — входное сопро-
тивление БТ.
Точное вычитание напряжений осуществ-
ляется лишь при (Лцб/^э) 0, если —>°°-
Мгновенные токи эмиттеров равны, но про-
тивофазны. Каждое из входных напряжений
действует на выходной ток транзисторов оди-
наково, но поочередно и в противофазе с
входным напряжением другого плеча. Однако
для обеспечения режима транзисторов (см.
ст. 24.18, 24.24) невозможно включить резистор
с сопротивлением постоянному току R3—
поскольку при этом транзистор окажется от-
ключенным от источника питания. Поэтому
вместо резистора включают генератор ста-
бильного тока ГСТ (см. ст. 24.18) с большим
сопротивлением переменному и малым — по-
стоянному току.
На практике часто целесообразно иметь не-
симметричный выход ДК от одного из коллек-
торов (или стоков) транзистора, снимая, на-
пример, напряжение
£4ых2 = ВДх! - £4x2) + - кх)изх2 =
= к2(изхЛ - изх2) + &кизх2.
Здесь первое слагаемое — полезный эф-
фект усиления, а второе, ДЛ77вх2, — синфазная
помеха, К2 — коэффициент передачи полезно-
го разностного сигнала, а |Л^2 - К\ I — коэффи-
циент передачи синфазной помехи. Отноше-
ние К2/|К2 — А7] | — важный параметр ДК; его
принято называть коэффициентом подавления
синфазного сигнала, хотя синфазное напряже-
ние в ДК — это всегда помеха:
ku с п = К2 / |К2 - Кх I = К2/\К = R3/h!! Б.
Как видно из приведенной формулы, резис-
тор /?э с большим сопротивлением или ГСТ
очень полезны также и для подавления синфаз-
ной помехи: они создают глубокую ООС Z-типа
(см. ст. 24.15) лишь для помехи, а ГСТ не нару-
шает режима плеч ДК. Выраженное коэффици-
ентом кп с п свойство подавлять на выходе вну-
тренние и внешние помехи определяет потен-
циальную помехоустойчивость ДК, что явля-
ется его основным достоинством.
Входное сопротивление ДК для синфазной
помехи измеряют между перемкнутыми база-
ми и корпусом (транзисторы включают парал-
лельно) и по формулам для повторителя (см.
ст. 24.11) вычисляют
^вх.сф = (гкб/2)||(1 + h2\)R3,
где гКБ, h2X — сопротивление коллекторного
перехода и коэффициент передачи тока БТ с
ОЭ, соответственно (см. Рис. 24.18, в).
Входное сопротивление ДК для полезно-
го двухфазного сигнала (между базами тран-
зисторов)
^вх дф — 2Лц.
К параметрам ДК относят также входные
токи плеч, свойственные и операционному
усилителю (см. ст. 24.17) с ДК на входе для
обеспечения помехоустойчивости ОУ.
Двухкаскадный балансный усилитель при-
меняют для увеличения коэффициента к „ с п .
Для этого коллекторы с резисторами Rx, R2
первого ДК соединяют с базами второго ДК.
При симметрично нагруженном первом ДК ко-
эффициент передачи синфазной помехи
Ксф1 = Я/(2Яэ),
а коэффициент передачи двухфазного сигнала
^дФ 1 - К2 + Кх = SR^x,
где Ян1 = Я||(Явх дф2/2).
Тогда для двух ДК коэффициент подавле-
ния синфазной помехи
^псп = ^дф1/^сф1 = 2/[(Л]1Б/7?э)(1 + 27?/7?вх дф2)]
достигает 80... 100 дБ. Чтобы увеличить вход-
ное сопротивление ДК для двухфазного сигна-
ла, используют составные транзисторы, напри-
мер пару Дарлингтона (см. Рис. 24.22,«), поле-
вые транзисторы, а также и биполярные тран-
зисторы со сверхвысоким коэффициентом пе-
редачи тока — «супербета»-БТ (р = Л21, поряд-
ка 1000). Последние — для уменьшения вход-
ных токов и их разности (см. ст. 24.17).
Дрейф нуля и способы его компенсации.
В УПТ с гальваническими связями (см., напри-
мер, Рис. 24.95) напряжение £БЭ (£зи) на тран-
зисторе второго и следующих каскадов пред-
ставляет собой малую разность двух напряже-
ний относительно корпуса: на коллекторе пре-
дыдущего и на эмиттере следующего каскада.
Незначительные флуктуации этих напряжений
существенно изменяют смещение между ба-
зой и эмиттером второго каскада, что вызыва-
ет дрейф нулевого уровня на выходе УПТ. Раз-
личают дрейфы: медленный (с частотой менее
1 Гц) и быстрый (свыше 1 Гц). Медленная со-
ставляющая (основная часть дрейфа) обуслов-
лена старением элементов, саморазогреванием
транзисторов, а быстрая — флуктуациями ис-
точника питания, наводками, термо-ЭДС пая-
ных и иных соединений, шумами мерцаний.
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
741
24.23. УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Эти факторы действуют совместно с сигналом,
вместе усиливаются и создают основные по-
грешности при обработке сообщений в УПТ.
Для количественных оценок помехоустой-
чивости УПТ дрейф от всех его элементов при-
водят ко входу как среднеквадратическую сум-
му составляющих. Уровнем дрейфа УПТ огра-
ничивается снизу его динамический диапазон.
Уменьшение дрейфа достигается использовани-
ем элементов с термокомпенсацией (например,
терморезисторов, см. ст. 24.18, 31.9), глубокой
ООС, а также межкаскадной электрической изо-
ляцией с применением оптронных пар (см. да-
лее) или модемов. Радикальный способ — при-
менение балансных УПТ на базе дифференци-
альных каскадов, поскольку дрейф, как и боль-
шинство иных вредных воздействий, — синфаз-
ная помеха, приложенная одновременно к обо-
им плечам сбалансированного по ней моста.
Каскад снижения уровня (КСУ) — элек-
тронная цепь для получения нулевого потен-
циала на выходе ОУ в моменты нулевых значе-
ний входного сигнала. КСУ исключает посто-
янное напряжение питания из выходного сиг-
нала с сообщением; позволяет обходиться без
разделительных конденсаторов во внутренней
структуре ОУ (см. ст. 24.17).
КСУ на двух транзисторах разной струк-
туры смещает постоянный потенциал вниз с
одновременным усилением сигнала. Например,
составной биполярный транзистор (см. ст. 24.3)
VTXVT2 структурыр-п-р (Рис. 24.91) понижает
уровень напряжения £вх1 на величину £БК1 +
+ ЕБЭ2« Как показано на Рис. 24.92, снижение
уровня на существенную величину Езс > Ези
достигается с помощью двух полевых транзис-
торов с каналами разной проводимости; в ре-
зультате выходной потенциал ЕВЬ1Х = £вх2 - Езс.
В ИМС на входе удается сформировать
р-и-р-БТ с приемлемыми значениями парамет-
ров. Примеры широко распространенных КСУ
на одном биполярном транзисторе /?-и-р-струк-
туры показаны на Рис. 24.93 и Рис. 24.94. Оба
варианта — повторители (см. ст. 24.11) с рези-
сторными делителями в эмиттерных цепях и с
разным сопротивлением элементов постоянно-
му и сигнальному токам. Элементы делителя
— резисторы или ГСТ, стабилитрон, полупро-
водниковый диод в качестве динамической на-
грузки. Постоянный потенциал понижают эле-
менты верхнего плеча делителя с большим со-
противлением или элементы нижнего плеча с
малым сопротивлением постоянному току. Для
Рис. 24.93 выходной постоянный потенциал
ЕВых Ебэ) / (^1 *" R2) Еъхкдел >
где кле:1 < 1 как для постоянного уровня, так и
для сигнала, и в этом недостаток данного КСУ
Если же вместо резистора R2 включить
ГСТ с малым сопротивлением постоянному то-
ку (см. ст. 24.18), то £вых снизится:
Евых = Евх - £БЭ -/э^ь
а полезный сигнал не уменьшится, потому что
внутреннее сопротивление ГСТ переменному
току большое. Сопротивление резистора R}
выбирают соизмеримым с внутренним сопро-
тивлением ГСТ переменному току, что значи-
742
РАДИОТЕХНИКА
24.23. УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
тельно понижает потенциал Евх. Однако коэф-
фициент передачи сигнала К < 1. Второй недо-
статок КСУ с ГСТ — высокое выходное сопро-
тивление, оно ограничивает сверху диапазон
частот (см. ст. 24.11) и мешает работе КСУ на
емкостную нагрузку. Поэтому после такого
КСУ включают обычный резисторный повто-
ритель с малым сопротивлением ЕВЬ1Х, а для
усиления сигнала иногда включают цепь поло-
жительной ОС.
Чтобы облегчить получение не только низ-
кого, но даже нулевого выходного потенциала,
применяют симметричный биполярный источ-
ник питания (см. Рис. 24.93, пунктир). Уровень
4,х = 0 при |£7| = !£•„!, если
|^яг| -|^п |>а |£й1 + М - |£п|-
Если вместо резистора R\ (показанного на
Рис. 24.93) включить стабилитрон VD} (как на
Рис. 24.94) с напряжением стабилизации Ест, то
постоянный уровень резко снизится:
^вых — ^вх — ^БЭ — ^ст ,
а напряжение сигнала не уменьшится благодаря
малому (в сравнении с/?]) динамическому со-
противлению «зажженного» стабилитрона VDX.
Стабилитроны уменьшают постоянный уровень
на единицы — десятки вольт, но имеют ограни-
ченный набор уровней напряжений и повышен-
ный уровень шума. Поэтому для усиления сла-
бых сигналов в КСУ вместо резистора R} (пока-
занного на Рис. 24.93) включают один или по-
следовательную цепочку открытых диодов
VD2VD3, как показано на Рис. 24.94 пунктиром
(VD} при этом удаляют). Поскольку динамичес-
кое сопротивление диодов мало, повторитель на-
гружен по сигналу лишь на резистор Е2, а смеще-
ние на каждом р-и-переходе снижается на не-
сколько десятых вольта (для кремния на 0.5 В), т.е.
^вых=£’вх-W + 1)Ебэ,
Рис. 24.94
где N— число диодов. Недостаток этого вариан-
та КСУ — температурную зависимость напря-
жения на диодах и ЕБЭ — устраняет схема, пока-
занная на Рис. 24.93 с генератором стабильного
тока, включенным вместо резистора /?2.
Схемы КСУ на полевых транзисторах по-
добны рассмотренным на Рис. 24.93, 24.94 ва-
риантам с биполярными транзисторами.
Небалансные каскады УПТ представля-
ют только исторический интерес, так как не
обладают помехоустойчивостью дифферен-
циального каскада. Небалансный УПТ обыч-
но содержит не более трех транзисторных
каскадов по следующим причинам. Резисто-
ры Еэ1, ЕЭ2, ЕЭз (Рис. 24.95) стабилизируют
режим (Z-ООС по постоянному и перемен-
ному току — см. ст. 24.15), одновременно
участвуя в создании нежелательного обрат-
ного смещения на эмиттерах относительно
баз. У идентичных БТ напряжения
^Э2 ~> ^кэ + Еэз —> 2ЕКЭ + ^эь
так как Ебэ « (Еэ, Екэ)- Поскольку значения
Екэ, трех подобранных БТ одинаковы, со-
противления резисторов должны быть в со-
отношении Еэз > ЕЭ2 > ЕЭ1, а Екз < ЕК2 < Ек1,
из-за чего коэффициент усиления К = SR^ /
(1 + 57?э) соответственно уменьшается: К3 <
К2< Кх. Если коэффициент К < 1, то дальней-
шее увеличение количества каскадов нецеле-
сообразно. Избыточный рост глубины ООС
при увеличении R3 устраняют заменой рези-
сторов R3 обратносмещенными стабилитро-
нами (см. ст. 30.7): их сопротивление току
сигнала на участке стабилизации — доли
ома, ООС неглубокая, ЕК1 = /?К2 = /?кз и уси-
ления каскадов примерно одинаковые: 57? кз
= SRK2 = SRK].
В УПТ с дополнительным источником пи-
тания Есм (Рис. 24.96) Евх2 > ЕВХ] на величину
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
743
24.23. УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
£кбь а на коллекторе транзистора VT2 — еще
больше (на величину Е КБ2). Смещение можно
свести к нулю, если Есм « ЕКУГ2. Поскольку
источник питания Есм не заземлен и может
вызвать наводки, вместо него иногда включа-
ют стабилитрон VD (на рисунке показан пунк-
тиром). Ток через источник питания Есм от-
сутствует, а стабилитрон потребляет ток ста-
билизации. Значит, вариант УПТ со стабили-
троном менее экономичен и дополнительно
«шумит» (см. ранее — КСУ).
Оптронная связь в усилителе постоян-
ного тока применяется для полной взаимной
гальванической развязки каскадов. Передача
сигнала осуществляется с помощью оптрон-
ной пары излучатель — приемник (в литерату-
ре неудачно называемой оптопарой). Это доро-
гое, но радикальное электронное средство уст-
ранения дрейфа нуля в УПТ. Различают четыре
вида оптронных пар (ОП): резистивную, диод-
ную, транзисторную и тиристорную.
В резистивной ОП (Рис. 24.97) в качестве
излучателя используется светодиод, а в качест-
ве приемника — фоторезистор (см. ст. 29.11).
Диодная ОП — это диод-излучатель и кремни-
евый фотодиод. Транзисторная ОП — светоди-
од и и-р-и-фототранзистор (см. ст. 29.11). Оп-
тронная пара передает аналоговый сигнал из
коллекторной цепи первого каскада к базовой
— второго.
Резистивные ОП почти не имеют обратной
передачи, их применяют в изолирующих уси-
лителях для бесконтактного управления, на-
пример медицинским оборудованием, в уст-
ройствах коммутации в широком диапазоне ча-
стот, в модуляторах УПТ с преобразованием
сигнала. Диодные ОП используют в оптронных
трансформаторах, которые имеют меньшую
массу, чем импульсные, а также в усилителях
класса D (см. Рис. 24.47, б) для обособления БТ
ключевых каскадов от предыдущих каскадов.
Транзисторные ОП согласуют датчики сигна-
лов со входными цепями УПТ, коммутируют
большие токи на фоне болыййх помех. Однако
эти электронные приборы инерционны и име-
ют невысокие энергетические показатели [5].
24.24. ЭЛЕКТРОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ — устройст-
во для обработки и выдачи содержащегося в
сигналах сообщения в исполнительный при-
бор пользователя. В функции обработки вхо-
дят усиление аналоговых сигналов до необ-
ходимого уровня и обеспечение заданного ка-
чества сообщения при повышении помехоус-
тойчивости, т.е. достижении отношения
(С/П)вых > (С/П)вх.
Усилитель (Рис. 24.98) состоит из одного
или нескольких активных элементов АЭ, эле-
ментов связи ЭС (согласующих звеньев), по-
лезной нагрузки в виде апериодических, селек-
тивных или комбинированных цепей межкас-
кадной связи ЦМС и источника питания, объе-
диненных в один или несколько каскадов (см.
ст. 24.7). Энергией выходных сигналов анало-
гового устройства является преобразованная
энергия источника питания, управляемая вход-
ным сигналом от заданного источника сигнала.
Для усилителя всегда справедливо двойное не-
равенство: Рип >РВЫХ > Рвх, т.е. выходная полез-
ная мощность сигнала больше входной, но мень-
ше потребляемой. Отношение Рзых/Рзх = КР ха-
рактеризует эффект усиления, а отношение
Р зы*/Р ип = Л — КПД-
При любых видах ЦМС, согласующих зве-
ньев и нагрузки усилитель всегда является ус-
тройством с частотной фильтрацией сигнала
— полезной или нежелательной. Поэтому ос-
новные свойства усилителя связаны с формой
его АЧХ (см. ст. 24.2) и коэффициентом усиле-
ния мощности КР в пределах полосы пропуска-
ния АЧХ.
744
РАДИОТЕХНИКА
24.24. ЭЛЕКТРОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ
Полная нагрузка АЭ1
I I
Ubx ; —* АЭт; Z22 —” 1 ; ^вых £ ЭС1 * ЦМС * ЭС2 *7вхсл!АЭ2 « 1 5
Рис. 24.98
Классификация усилителей выполняется
по таким признакам: полоса пропускания и аб-
солютное значение граничных частот; харак-
тер входных (управляющих) сигналов; тип АЭ;
функциональное назначение.
Усилители постоянного тока воспроизводят
сигнал в полосе частот от нулевой до верхней
граничной частоты FB. Среди усилителей пере-
менного тока различают: апериодические ши-
рокополосные для сигналов сообщений, в кото-
рых отношение граничных частот FJFK > 106, а
частота FB достигает десятков мегагерц; селек-
тивные узкополосные с отношением полосы
частот пропускания к резонансной частоте
П//о « 1 и с различным приближением формы
АЧХ к прямоугольной (1.2 < £пр < 10) — см.
эту статью, «Параметры и характеристики»;
селективные широкополосные — с отношени-
ем T\lfQ > 1. Последние с большим отношением
/в//н (импульсные) не следует отождествлять с
апериодическими усилителями, которые рабо-
тают без ограничения полосы частот снизу.
Апериодические усилители применяют
для обработки звуковых сообщений, полу-
ченных от микрофона (см. ст. 27.4), сообще-
ний визуального содержания, например, от
телевизионного датчика (см. ст. 22.2), сигна-
лов многоканальной связи, полученных и от
микрофона, и от видеодатчика, и т.п. Селек-
тивные усилители предназначены для обра-
ботки сигналов со спектром, сосредоточен-
ным вблизи центральной частоты, на кото-
рую настраивают фильтр. В приемных уст-
ройствах — это несущая или промежуточная
частота.
По характеру входного сигнала различают
усилители непрерывных сигналов с относи-
тельно медленным изменением уровня, и уси-
лители импульсных сигналов с мгновенно из-
меняющимся уровнем. Схемотехника послед-
них определяется точностью воспроизведения
формы импульса, заданной для получения ус-
тановившихся значений выходных парамет-
ров. Такие усилители требуют широкой поло-
сы пропускания.
По функциональному назначению различа-
ют усилители напряжения, тока и мощности, ес-
ли размерности выходных и входных параметров
сигналов совпадают; в противном случае элек-
тронную цепь следует называть устройством об-
работки данных. Действительно, возможны че-
тыре варианта устройств обработки сигналов:
— при Rr « 7?вх и 7?вых « /?н — источник
напряжения, управляемый напряжением
(ИНУН), усилитель напряжения (здесь 7?вх и
7?вых — его входное и выходное сопротивления,
а 7?г, 7?н — сопротивления источника сигнала и
нагрузки);
— при 7?г» 7?вх и Явых » 7?н — источник
тока, управляемый током (ИТУТ), усилитель
тока (R3X и 7?вых его входное и выходное со-
противления);
— при Rr « R3X и 7?вых » RH — источник
тока, управляемый напряжением (ИТУН);
— при Rr » R3X и 7?вых « 7?н — источник
напряжения, управляемый током (ИНУТ).
Приведенные аббревиатуры приняты в ра-
диотехнической литературе. Строго говоря, уси-
литель напряжения (по управляющему воздей-
ствию) — устройство с высокоомным входом
при низкоомном выходе, для нагрузки он - зави-
симый ИНУН. Усилитель тока — устройство с
низкоомным входом при высокоомном выходе
— зависимый ИТУТ для нагрузки. К остальным
вариантам пригоден обобщенный термин —
усилитель мощности, Рзых > Рвх. В усилителе
мощности полное сопротивление нагрузки и его
характер задают техническим заданием, а в уси-
лителях тока и напряжения сопротивление на-
грузки определяет разработчик устройства [8].
По типу АЭ известны: усилители на полу-
проводниковых приборах — БТ, ПТ, ТД, оп-
тронных парах, ОУ, ИМС; усилители парамет-
рические, например, емкостные с варикапами,
варикондами [3]; усилители на электровакуум-
ных электронных приборах — радиолампах
для больших выходных мощностей и (или)
очень высоких частот. Известны УПТ без пре-
образования сигналов и УПТ-модемы (модуля-
тор-демодулятор).
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
745
24.24. ЭЛЕКТРОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ
Параметры и характеристики усилите-
ля — количественная оценка энергетического
эффекта усиления и меры искажений выходно-
го сигнала относительно входного, управляю-
щего. Основные характеристики усилителя как
активного четырехполюсника (АЧХ, ФЧХ, ПХ)
— см. ст. 23.8, 23.11. Дополним их еще не-
сколькими.
Устойчивость усилителя против самовоз-
буждения — его способность сохранять требу-
емые значения параметров в реальных услови-
ях эксплуатации при действии паразитных по-
ложительных ОС и дестабилизирующих фак-
торов (см. ст. 24.15, 17.29). Необходимое и до-
статочное условие устойчивости выполняется,
если деформация АЧХ, ФЧХ и ПХ от действия
ПОС не превышает допустимых значений. Ус-
тойчивость оценивают, например, коэффици-
ентом устойчивости — вызванным нежела-
тельной ПОС относительным изменением ак-
тивной проводимости селективного контура в
цепи усилителя (см. ст. 17.29). Устойчивость
операционного усилителя оценивают принци-
пиально иначе (см. ст. 24.17).
Амплитудная характеристика — зависи-
мость установившегося значения выходного
напряжения от входного.
Сквозная динамическая характеристика
— зависимость выходного тока 7ВЬ1Х (или на-
пряжения Г/вых при заданном сопротивлении
нагрузки) от ЭДС источника сигнала ег с внут-
ренним сопротивлением Rv. Если Rv« /?вх, что
присуще ПТ и ОУ, то используют ДХ прямой
передачи, проходную ДХ — зависимость С/вых
от Г/вх усилителя, а влиянием сопротивления Rv
пренебрегают (см., например, Рис. 24.43).
Коэффициент передачи напряжения К —
модуль передаточной функции, отношение на-
пряжений на нагрузке и на входе первого кас-
када усилителя на стандартной (средней) или
на резонансной частоте:
К = ивых/ивх.
Сквозной коэффициент передачи напряже-
ния
Ке = UBblx/er.
Коэффициент передачи тока
Kj ~ -^вых^вх •
Коэффициент усиления мощности КР —
отношение мощностей: в нагрузке с заданным
сопротивлением и подведенной от источника
сигнала:
КР = KF= K2RBX/(4Ra),
где 7?вх, RH — входное и нагрузочное активные
сопротивления.
Для А-каскадного усилителя коэффициент
передачи
К{ N = K}K2...KN,
а если коэффициенты передачи каскадов оди-
наковы, то Кус = К^.
Связь линейных и логарифмических еди-
ниц такова:
XP^B]=101gXP; X [дБ] = 201gX; К{ [дБ] =
= 201gXz.
Полный сквозной коэффициент передачи
А-каскадного усилителя
Кус [дБ] = ХДдБ] + Х2[дБ] + ... + Х4дБ].
Чувствительность — минимальное напря-
жение (ток или мощность) на входе усилителя,
достаточное для получения заданного напря-
жения (тока или мощности) в нагрузке в задан-
ной полосе частот.
Реальная чувствительность — чувстви-
тельность при заданном превышении сигнала
над шумом в заданной полосе частот; ее выбор
зависит от технического задания (см. ст. 17.31).
Динамический диапазон (ДД) — отношение
максимального уровня (амплитуды) выходного
сигнала (с допустимыми нелинейными искаже-
ниями) к минимальному уровню (с допусти-
мым отношением сигнал/шум). Различают ДД
одновременный, т.е. согласованный с информа-
тивным динамическим диапазоном сигнала, и
полный ДД. Последним учитывают програм-
мированное регулирование чувствительности,
искусственное расширение ДД усилителя атте-
нюаторами, цепями АРУ (см. ст. 17.2) или ис-
кусственное сужение динамического диапазона
источника сигнала, например микшированием
(см. ст. 24.21). Оба вида ДД оценивают по амп-
литудной характеристике усилителя.
Полоса пропускания сигнала Пу, оцененная
по заданной ординате у нормированной АЧХ,
— интервал частот, в пределах которого значе-
ние у не меньше заданного. Для апериодичес-
кого усилителя
Пу = Amax - Fmin, Yf = KF/KF(h
Л) = л/^тахЛпт >
где F, Fmin и Fmax — текущая, НЧ и ВЧ рабоче-
го диапазона частот соответственно.
Для селективного усилителя
Пу = Amax - Amin, Yf = Kj/Kf(„
где f fo — соответственно текущая и средняя
(или резонансная) частоты АЧХ (здесь термин
«средняя» относится к широкополосным се-
лективным, термин «резонансная» — к узкопо-
лосным усилителям).
746
РАДИОТЕХНИКА
24.24. ЭЛЕКТРОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ
Величину, обратную ординате у на краях
заданной полосы Пг, называют также коэффи-
циентом частотных искажений (выражается в
децибелах). Для апериодического усилителя ее
обозначают Мп = 201g( 1/у), а для селективного
оп = 201g(l/jr). Широко применяют значения
у = 0.707 (М = 3 дБ), у = 0.5 (М = 6 дБ).
Полоса задерживания, заграждения — ин-
тервал частот, в пределах которого подавление
мешающего сигнала of= Му не меньше задан-
ного. Для апериодического и для селективного
усилителей, соответственно
<5f = &fJKf, = Kf.
Коэффициент прямоугольности нормиро-
ванной АЧХ по заданной ординате у
^прмг ~ Пу/Пу -07^ 1 •
Чем ближе значение £прму к единице, тем пря-
моугольнее форма АЧХ, тем лучше полосо-
вые и селективные качества усилителя. Поло-
су частот, оцениваемую по ординатам АЧХ
у = 0.0001; 0.001; 0.01; 0.1 (или по подавле-
нию мешающего воздействия на 80, 60, 40 и 20
дБ соответственно), в стандартах радиосвязи
называют полосой мешания (от слова помеха, а
не перемешивать). Тогда коэффициент прямо-
угольности АЧХ есть отношение полосы ме-
шания к полосе пропускания. Например,
^-прм-60 — П_60/П_3.
Односигнальная селективность селектив-
ного усилителя — выраженное в децибелах от-
ношение единичной ординаты нормированной
АЧХ на резонансной частоте фильтра/0 и орди-
наты у, на заданной частоте f
Селективность радиоприемников опреде-
ляют по нескольким видам регулярных и ком-
бинационных помех (см. ст. 17.30, 17.31).
В анализаторах спектра сигналов селектив-
ность косвенно определяет также разрешаю-
щую способность по частоте — минималь-
ную разность частот, при которой можно раз-
личить заданные уровни спектральной плотно-
сти амплитуд сигналов.
Коэффициент перекрытия диапазона час-
тот кЯП = Уотах//отт используется в селектив-
ных перестраиваемых усилителях для оценки
характера изменения отношения резонансных
коэффициентов усиления XOmax/A?Omin при наст-
ройке в заданном диапазоне частот.
Искажения управляющего сигнала — из-
менения его формы и других параметров на
выходе вследствие отклонения характеристик
усилителя от идеальных, желаемых.
Линейные искажения (частотные, фазовые,
переходные) — те, что обусловлены пассивны-
ми реактивными элементами цепей: полезны-
ми, используемыми как элементы связи, и па-
разитными.
За меру отклонений формы АЧХ от плос-
кой в границах полосы пропускания прини-
мают величину, обратную ординате у на кра-
ях заданной полосы Щ. Ее называют коэффи-
циентом частотных искажений (см. ранее).
Мерой фазовых искажений (отклонения фор-
мы ФЧХ реального усилителя от линейной)
принято групповое время задержки (ГВЗ) —
мгновенное запаздывание фазы каждого спе-
ктрального компонента выходного сигнала
относительно входного тгр = d($(f)ldf\ а также
разность между максимальным и минималь-
ным значениями этой производной в диапазо-
не частот.
Переходные искажения оценивают откло-
нением нормированной ПХ h(t) от единичного
скачка напряжения (см. ст. 1.7) с помощью
трех параметров: времени нарастания (уста-
новления) туст или спада тсп ПХ, в течение ко-
торых h(t) изменяется от 0.1 до 0.9 (или наобо-
рот) своего установившегося значения; отно-
сительного выброса 5, возникающего при пе-
реходном процессе; скалывания А вершины
импульса за время его длительности тимп.
Нелинейные искажения и нелинейные явле-
ния, связанные с нелинейностью сквозной ДХ,
сопровождаются появлением на выходе усили-
теля спектральных компонентов с частотами,
отсутствующими на входе.
Коэффициент нелинейных (гармонических)
искажений (КНИ) п-го порядка сигнала или
его огибающей — выраженное в процентах от-
ношение эффективного значения п-й гармони-
ки сигнала к среднеквадратическому значению
всего выходного сигнала в нагрузке.
Коэффициент гармоник полный — корень
квадратный из суммы квадратов КНИ всех по-
рядков, определенных техническим заданием.
Коэффициент нелинейности пилообраз-
ных импульсных сигналов
^нл — (tg^rnax — tg^min) / tg^max-
Здесь в числителе — наибольшее и наи-
меньшее значения производной dU^Jdt, а —
угол между искаженной, дугообразной «пи-
лой» и касательной к ней в точках максималь-
ной и минимальной кривизны.
747
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
24.24. ЭЛЕКТРОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ
Линейные и нелинейные искажения, не-
смотря на различную природу, взаимосвязаны
и могут вызывать комбинированные искаже-
ния (не путать с комбинационной помехой,
описанной в ст. 17.31).
Нелинейные явления возникают при пере-
грузке транзистора большим входным сигна-
лом или при одновременном действии на его
входе нескольких колебаний, если уровень хо-
тя бы одного из них или суммарного сигнала
перегружает (насыщает) транзистор. Нелиней-
ные явления при 1/вх > 0 (начальный участок
ВАХ) не учитывают даже в аппаратуре высшей
категории качества (Hi-Fi). В селективном уси-
лителе нелинейной является зависимость пер-
вой гармоники выходного тока от уровня сиг-
нала. Коэффициент гармоник £-го порядка
огибающей модулированного ВЧ сигнала, ко-
эффициенты блокирования, перекрестных ис-
кажений, взаимной (интер-) модуляции, по ко-
торым оценивают многосигналъную селектив-
ность, — см. ст. 17.13, 17.31.
В апериодических усилителях важнейшим
показателем является коэффициент интермоду-
ляционных (взаимных) искажений п-го порядка
— выраженное в децибелах или в процентах от-
ношение среднеквадратического значения на-
пряжения, представленного суммой спектраль-
ных компонентов с частотами Fc = F2 ± (п - 1 )F{,
к напряжению с частотой F2, где п » 2 — це-
лое число, a Fx < F2. Полный коэффициент ин-
термодуляционных искажений — корень квад-
ратный из суммы квадратов коэффициентов
всех п порядков, определенных согласно тех-
ническому заданию.
Входные параметры — полное и резистив-
ное входное сопротивление (проводимость) в
диапазоне рабочих частот при известных мак-
симальной и минимальной ЭДС еГ генератора с
внутренним сопротивлением Zr. Для ОУ вво-
дят дополнительные входные параметры (см.
ст. 24.17).
Выходные параметры — (на примере зву-
котехнических устройств) — выходное сопро-
тивление (проводимость); номинальное вы-
ходное напряжение; КПД и выходные мощно-
сти — номинальная (ограниченная заданным
полным коэффициентом гармоник сигнала кГ),
максимальная (ограниченная кг< 10%) и крат-
ковременная (пиковая, или «музыкальная» —
в зарубежных стандартах), под которой пони-
мают Рвых при воздействии непродолжитель-
ного сигнала, не успевающего снизить напря-
жение автономного источника питания. У вы-
сококачественных мощных УЗЧ задают также
коэффициент демпфирования — отношение
сопротивления резистивной нагрузки 7?нрзс к
выходному сопротивлению 7?вых усилителя;
значение £дмп = Ян.Рзс/^вых = 10... 100 обеспечи-
вает высококачественное, естественное вос-
произведение музыкальных программ усили-
телем и громкоговорителем категории Hi-Fi.
Внутренние помехи: шумы, фоны, дрейф
нуля являются причиной ограничения снизу
полного динамического диапазона усилителя.
Шумы — флюктуационные напряжения,
токи хаотического движения свободных носи-
телей (электронов, «дырок») — теплового,
дробового и т.п. Шумы важно учитывать при
усилении слабых сигналов операционным уси-
лителем (см. ст. 24.17), устройствами обработ-
ки сигналов на базе ОУ (см. ст. 24.1), радио-
приемником (см. ст. 17.32).
Фон — мешающее, постороннее перемен-
ное напряжение на выходе устройства, вызван-
ное пульсациями выпрямленного напряжения
в цепях источника питания, а также наводками
электрических и магнитных полей в цепях и
межэлементных соединениях с частотой сети
или ее гармоник. Фон оценивают допустимым
фоновым напряжением на заданной резистив-
ной нагрузке с сопротивлением Ru-
Дрейф нуля — изменение выходного на-
пряжения усилителя постоянного тока при
строго неизменном (или нулевом) входном
сигнале вследствие колебания температуры
окружающей среды, параметров источника
питания, влияния радиации, старения АЭ. Аб-
солютный дрейф нуля оценивают в микро-
вольтах на выходе устройства при подключе-
нии к его входу эквивалента внутреннего со-
противления Rr источника сигнала. Приведен-
ный ко входу усилителя дрейф нуля — отно-
шение абсолютного дрейфа к коэффициенту
усиления К.
Режим работы активного элемента —
определенное соотношение между амплитудой
сигнала и постоянными напряжением и током
выходного электрода АЭ (положением рабочей
точки покоя), которое обеспечивает заданное
время прохождения выходного тока в течение
периода сигнала. Угол отсечки выходного тока
0 — выраженная в угловых единицах (граду-
сах, радианах) половина части периода гармо-
нического сигнала, в течение которой через АЭ
проходит переменный выходной ток. Обще-
принятые режимы обозначаются литерами А,
АВ, В, С.
748
РАДИОТЕХНИКА
24.24. ЭЛЕКТРОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ
Режим А: угол отсечки 0 = я, точка покоя А
(Рис. 24.99) лежит на середине сквозной дина-
мической характеристики (см. Рис. 24.43),
амплитуда выходного тока не превышает зна-
чения постоянного тока в рабочей точке 10А,
выходной ток существует на протяжении всего
периода сигнала ег, КПД Т|тах< 25...30%, коэф-
фициент гармоник кг = 2...5%.
Режим В — идеализированный, соответст-
вует искусственно выпрямленной сквозной
ВАХ для получения удобных упрощенных
формул; угол отсечки 0 = л/2, точка покоя В ле-
жит на оси £см справа от начала координат, ток
покоя 10В = 0, выходной ток проходит в течение
полупериода входного сигнала, теоретический
КПД Tjmax 78%. Коэффициент гармоник
кг —>43%, и для усиления гармонических сиг-
налов приемлем лишь симметричный двух-
тактный каскад (см. ст. 24.16) с компенсацией
четных гармоник.
Режим АВ — реальный: угол отсечки 0 —> л/2
(лежит в пределах я > 0 > л/2), выходной пере-
менный ток существует дольше полупериода
входного сигнала в соответствии с нелинейной
на малых уровнях формой ДХ.
Режим С: угол отсечки 0 —> л/3 (лежит в
пределах л/2 > 0 > л/3), выходной ток равен ну-
лю не только при отсутствии входного сигнала,
но и при малых уровнях ег, поскольку точка
покоя С находится слева от начала координат.
Этот режим более экономичен, чем режим А В,
но характеризуется большими нелинейными
искажениями, из-за чего применяется в мощ-
ных селективных усилителях и радиопередат-
чиках (см. ст. 16.1) с подавлением четных и не-
четных гармоник выходного тока.
Общий недостаток режимов А, В, С —
уменьшение КПД с уменьшением амплитуды
сигнала. Этот недостаток в разной мере устра-
няют режимы AD, BD, Е, АВЕ.
В режиме D АЭ работает как электронный
ключ: он то закрыт, то открыт. В первом состо-
янии ток /вых —> 0, а во втором — напряжение
—> 0, так что в обоих состояниях АЭ потреб-
ляемая им мощность незначительна и КПД
Т| —> 90%. Режим D применяют в вычисли-
тельной технике, где уровень выходных им-
пульсов не должен зависеть от уровня вход-
ного сигнала. Для усиления в режиме D гар-
монических сигналов их предварительно
преобразуют в сигналы с широтно-импульс-
ной модуляцией одинаковой амплитуды: дли-
тельность импульса пропорциональна мгно-
венному значению напряжения сигнала.
В режиме AD формируют униполярные, а в
режиме BD — двухполярные импульсы и осу-
ществляют двухтактное усиление с двойным уп-
равлением АЭ; в обоих случаях нужен интегра-
тор импульсов, например ФНЧ. Пример схемы
усилителя в режиме AD показан на Рис. 24.47, б.
Режим Е (Рис. 24.100) отличается от пре-
дыдущих тем, что точка покоя АЭ не зафикси-
рована, а изменяет свое положение от АВЕХ
(при уровне входного сигнала до АВЕ2
(при уровне Um2). В обоих положениях паде-
ние напряжения на АЭ, в его активной зоне
(см. ст. 24.18), — минимальное, что достигает-
ся использованием вторичных, регулируемых
источников питания (известных как РИП).
В режиме АВЕ, как и в режиме АВ, угол от-
сечки 0 > л/2. Минимальные потери напряже-
ния в активной зоне транзистора обусловлены
Глава 24 УСТРОЙСТВА АНАЛОГОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
749
24.24. ЭЛЕКТРОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ
одинаковыми максимальными коэффициента-
ми использования напряжения = ивых/Еп
(см. ст. 16.1) независимо от уровня сигнала,
что недостижимо в режимах А, В, С. Результат
— очень высокий КПД (свыше 90%). Эконо-
мичность режима АВЕ крайне важна для сиг-
нала с большим одновременным динамичес-
ким диапазоном (см. ранее); нелинейные иска-
жения и коэффициент гармоник значительно
меньше, чем в режиме D, благодаря работе АЭ
в активной зоне ВАХ.
Усилительный активный элемент — эле-
ктронный прибор, предназначенный для преоб-
разования энергии источника питания в энер-
гию полезных выходных сигналов (см. Рис.
24.98). Это основной элемент усилителя, в кото-
ром используется явление электронной прово-
димости в полупроводнике, вакууме, газах; зна-
чения его параметров изменяются в зависимос-
ти от управляющего сигнала — тока, напряже-
ния. Свойства конкретных АЭ — см. гл. 11 и 29.
Цепь межкаскадной связи усилителя
(ЦМС) — полезная составляющая полной на-
грузки каскада, совокупность электрорадиоэ-
лементов, с помощью которых сигнал от од-
ного АЭ с выходным сопротивлением Rt че-
рез элементы связи и согласования ЭС (см.
Рис. 24.98) передается на вход следующего ка-
скада с сопротивлением ZBX сл. Примеры ЦМС
— один или несколько резисторов, конденсато-
ров, дроссель, трансформатор, колебательный
контур, сложный электрический фильтр, а так-
же транзисторы или диоды с цепями питания
(динамическая нагрузка). Полную нагрузку ка-
скада представляет параллельная цепочка с со-
противлением ZH = ZUMC 11 ZBX сл, где ZUMC —
сопротивление ЦМС.
Элемент связи усилителя — согласующее
звено (Рис. 24.98) для подключения двух АЭ
усилителя к цепи межкаскадной связи (ЦМС)
— полезной составляющей полной нагрузки
каскада (см. эту статью ранее). Согласующее
звено — это резисторы, конденсаторы, дроссе-
ли, трансформаторы. Некоторые из этих эле-
ментов могут одновременно выполнять разде-
лительную функцию для путей переменного и
постоянного токов (см. Рис. 24.67, б). Полное
включение АЭ в ЦМС или гальваническое со-
единение двух АЭ, как, например, в УПТ, сви-
детельствует о том, что элементом связи явля-
ется обычный проводник, провод.
Список использованной УХ
и рекомендованной литературы
1. Ногин В.Н. Аналоговые электронные устройства. — М.: Радио и связь, 1992. — 304 с.
2. Применения операционных усилителей и линейных ИС / Пер. с англ. Фолкенберри Л. —
М.: Мир, 1985. — 572 с.
3. Головин О.В. Радиоприемные устройства. — М.: Высш, шк., 1987. — 440 с.
4. Войшвилло ГВ. Усилительные устройства. — М.: Радио и связь, 1983. — 264 с.
5. Остапенко ГС. Усилительные устройства. — М.: Радио и связь, 1989. — 400 с.
6. Справочник по учебному проектированию приемно-усилительных устройств /Под ред.
М.К. Белкина. — К.: Вища шк., 1988. — 472 с.
7. Калихман С.Г, Левин Я.М. Радиоприемники на полупроводниковых приборах: Теория и
расчет. — М.: Связь, 1979. — 352 с.
8. Воллернер Н.Ф. Радиоприемные устройства. — К.: Вища шк., 1993. — 391 с.
9. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике: Пер. с нем. — М.: Мир,
1981.-446 с.
10. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя. 4-е
изд., стереотип. / Р.М. Терещук, К.М. Терещук, С.А. Седов. — К.: Наук, думка, 1989. — 800 с.
750
РАДИОТЕХНИКА
— ГЛАВА 25
УСТРОЙСТВА ЦИФРОВОЙ
ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
• Ваше слово пусть будет: «Да-Да»,
«Нет-нет». А что сверх этого,
то от лукавого.
Евангелие от Матфея
• Цифровая обработка сигналов отличается
от аналоговой, как профессиональная
фотография от детского рисунка
(но дети бывают разные).
• Машина может лишь выполнять то,
что мы умеем ей задать.
Леди Ада Лавлейс, первый программист
• Доктор Эшби предполагает,
что можно действительно создать
машину, которая будет умнее
своих творцов, и в этом я с ним
целиком согласен.
Н. Винер
• Первая механическая
вычислительная машина (+, -)
(Б. Паскаль, Франция, 1642 г.).
• Попытка создать цифровую
вычислительную машину
с программным управлением
(Ч. Бебидж, Англия, 1833 г.).
• Алгебра логики
{Дж. Буль, Англия, 1847 г.).
• Триггерная схема
{М.А. Бонч-Бруевич, Россия, 1918 г.).
• Теорема о дискретизации
{В.А. Котельников, СССР, 1931 г.).
• Цифровая вычислительная
машина на электромагнитных реле
с программным управлением
от перфоленты «Марк-1»
(Фирма IBM, США, 1944 г.).
• Отечественная цифровая вычислительная
машина на электронных лампах
{С.А. Лебедев, Институт электротехники
АН УССР, СССР, 1950 г.).
Устройство цифровой обработки сигна-
лов — электронное устройство, предназначен-
ное для обработки дискретных во времени и
квантованных по уровню сигналов. Цифровые
системы имеют ряд преимуществ по сравне-
нию с аналоговыми. Они стабильны, обеспе-
чивают высокие помехоустойчивость и точ-
ность вычислений, простоту управления и ав-
томатизации. Эти системы дают возможность
реализовать сложные алгоритмы обработки
информации, реализация которых в аналого-
вом варианте связана с существенными затруд-
нениями. Это прежде всего касается создания
адаптивных систем. Цифровая аппаратура об-
ладает большой надежностью, однородностью
элементной базы, высоким уровнем интегра-
ции, легче поддается автоматизированному
проектированию. Вследствие этого в послед-
нее время наблюдается процесс активного вы-
теснения аналоговых систем обработки ин-
формации цифровыми. Главный недостаток
цифровых систем состоит в том, что для неко-
торых применений они не обладают достаточ-
ным быстродействием и более дороги, чем
аналоговые. Кроме того, устройства цифровой
обработки требуют достаточно высокого уров-
ня входного сигнала.
В главе изложены основы цифровой техни-
ки и методы цифровой обработки сигналов.
Приведены необходимые сведения о двоичной
арифметике и математической логике. Отмеча-
ются особенности анализа и синтеза комбина-
ционных и последовательностных устройств
(цифровых автоматов).
Во время проработки материала главы ре-
комендуется следующий порядок изучения
статей: 25.22, 25.27, 25.13, 25.7, 25.16, 25.14,
25.33, 25.10, 25.17, 25.9, 25.23, 25.15, 25.2,
25.18, 25.25, 25.19, 25.24, 25.8 , 25.26, 25.12,
25.28, 25.1, 25.20, 25.34, 25.31, 25.11, 25.4,
25.21 (остальные — в произвольном порядке).
Глава 25 УСТРОЙСТВА ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
751
25.1. АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
25.1. АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБ-
РАЗОВАТЕЛЬ — устройство, предназначен-
ное для преобразования аналоговых величин
(зачастую — напряжения) в их цифровой экви-
валент. По принципу действия АЦП делят на
последовательные, параллельные, интегри-
рующие и др. [8].
Различают последовательные АЦП трех
типов — развертывающего, следящего и по-
разрядного уравновешиваний. В АЦП развер-
тывающего уравновешивания (Рис. 25.1, а) на
один вход компаратора К поступает входное
напряжение Ux, а на другой — компенсирую-
щее напряжение ОС UK с выхода ЦАП. В на-
чальном состоянии содержимое счетчика Сч,
напряжение UK и выходной сигнал схемы уп-
равления СхУ приравнивают нулю. Схема И
выполняет функцию вентиля. Поэтому им-
пульсы от генератора тактовых импульсов ГТИ
на вход Сч не подаются. После поступления
импульса «Пуск» СхУ выдает на выходе сиг-
нал 1 и тактовые импульсы подаются на вход
Сч. Выходной код Сч, поступающий на ЦАП,
преобразуется в напряжение 1/к, которое уве-
личивается от начального значения (/к = 0 до
UK > Ux, причем с приходом каждого импульса
от ГТИ значение UK увеличивается на шаг
квантования Дм. В момент, когда UK > Ux, ком-
паратор К срабатывает, СхУ выдает выходной
сигнал 0 и счет тактовых импульсов прекраща-
ется. Содержимое Сч показывает число шагов
квантования, необходимых для уравновешива-
ния напряжения Uxn является цифровым экви-
валентом этой величины.
В АЦП следящего уравновешивания (Рис.
25.1, ^), в отличие от развертывающего АЦП,
вместо суммирующего счетчика используют
реверсивный счетчик Рев.Сч. Направлением
счета управляет дополнительный выход схемы
управления СхУ: при Ux> UK Рев.Сч. работа-
ет как суммирующий, а при Ux< UK — как вы-
читающий. В момент уравновешивания вход-
ной величины Ux АЦП переходит к следящему
режиму и его выходной код колеблется вокруг
среднего значения Ux с точностью до Дм.
В АЦП поразрядного уравновешивания
(Рис. 25.1, в), в отличие от предыдущих схем,
вместо счетчика применяют уравновешиваю-
щий сдвигающий регистр Per, режим которого
задается схемой управления СхУ. В начальный
момент после пуска СхУ устанавливает в Per
м-разрядный двоичный код 10...О, а значение
UK определяется весом старшего разряда кода
Ux. Если UK < Ux, то на первом такте СхУ со-
храняет старший разряд Per и устанавливает в
1 следующий (младший) разряд. Если UK > Ux,
то установка младшего разряда в 1 сопровож-
дается сбросом в 0 предыдущего старшего раз-
ряда. Далее этот процесс повторяется со всеми
следующими разрядами, в результате чего
после п тактов приближается к Ux с точнос-
тью до Дм.
Основной недостаток АЦП последователь-
ного типа — низкая помехоустойчивость к се-
тевым наводкам и другим помехам. Этот недо-
статок можно устранить, если во время преоб-
разования входного напряжения провести его
интегрирование на протяжении фиксирован-
ного интервала времени, т.е. сгладить все быс-
трые помехи. К преобразователям такого типа
относится АЦП с двухтактным интегрирова-
нием, полный цикл работы которого состоит
из двух тактов. На первом такте входное на-
пряжение интегрируется, а на втором резуль-
тат интегрирования преобразуется в эквива-
лентный цифровой код интегрированием
опорного напряжения.
752
РАДИОТЕХНИКА
25.4. ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ
Самое высокое быстродействие имеют па-
раллельные АЦП (Рис. 25.2), в которых входной
сигнал Ux за один шаг преобразования сравни-
вается с полным набором пороговых уровней
Uni компараторов К. В общем, на каждом такте
срабатывают несколько компараторов, для ко-
торых выполняется условие Ux> Uni. Их вы-
ходные сигналы устанавливают в 1 соответст-
вующие разряды регистра, в котором формиру-
ется число, пропорциональное UXi в виде кода
Джонсона. Преобразователь кодов, например
приоритетный шифратор, преобразует код
Джонсона в двоичный параллельный код. Не-
достатком параллельного АЦП являются зна-
чительные аппаратные затраты, поскольку для
«-разрядного АЦП нужно иметь 2я-1 компара-
торов и элементов памяти. Поэтому параллель-
ные АЦП применяют только в быстродейству-
ющих устройствах малой разрядности.
Основные параметры АЦП: погрешность
смещения нуля, нелинейность преобразова-
ния, разрядность выходного кода, время уста-
новления, или частота преобразования, диа-
пазон измеряемых величин. Погрешности вы-
ражают в процентах или в единицах самого
младшего разряда.
25.2. АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКОЕ
УСТРОЙСТВО — цифровое устройство, вы-
полняющее арифметические и логические
операции над входными числами. Простые А.
л. у. выпускаются промышленностью в виде
отдельных ИС. Это комбинационные устрой-
ства, которые могут выполнять простые ариф-
метические (сложение, вычитание, увеличе-
ние и уменьшение на 1) и логические (дизъ-
юнкция, конъюнкция, инверсия и др.) опера-
ции. Входные операнды (объекты операций),
как правило, четырехразрядные. Для выбора
той или иной операции предусмотрены уп-
равляющие входы.
Часто в ИС А. л. у. операция суммирования
четырехразрядных операндов выполняется с
параллельным переносом. Для увеличения раз-
рядности операндов из нескольких четырехраз-
рядных ИС строят многоступенчатые А. л. у..
При этом между ступенями можно организо-
вать как последовательный, так и параллель-
ный перенос (см. ст. 25.22). В последнем слу-
чае используют дополнительную ИС ускорен-
ного переноса. А. л. у, входящие в состав ми-
кропроцессорных БИС, выполняют больший
набор операций.
25.3. БЫСТРОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ
ФУРЬЕ — эффективный по быстродействию
и аппаратным затратам алгоритм вычисления
дискретного преобразования Фурье (ДПФ).
БПФ наиболее эффективно при длине времен-
ной последовательности N = 2*, где к — целое
число. Это преобразование основывается на
разбиении последовательности длиной N эле-
ментов на подпоследовательности длиной 2, 4,
8, ... , N/2 элементов и вычислении их ДПФ.
Промежуточные и выходной массивы разме-
щаются в той же области памяти, что и вход-
ной массив. Это сокращает необходимую ем-
кость памяти вдвое сравнительно с алгорит-
мом ДПФ. Быстродействие БПФ обеспечива-
ется сокращением числа арифметических опе-
раций, причем относительный выигрыш в бы-
стродействии возрастает с увеличением N.
Есть много модификаций БПФ [1]. Обратное
БПФ — алгоритм вычисления обратного ДПФ.
Алгоритмы БПФ и обратного БПФ различают-
ся лишь знаком показателя весового экспонен-
циального множителя.
25.4. ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ — эле-
ктронное устройство, генерирующее одиноч-
ный импульс или последовательность импуль-
сов с постоянными временными параметрами.
По форме выходных импульсов Г. и. делятся на
генераторы прямоугольных, треугольных, пи-
лообразных импульсов и импульсов некоторых
иных форм. Г. и. могут работать в трех режи-
мах: автоколебательном, ждущем и режиме
синхронизации. Автоколебательный Г. и. ге-
нерирует периодическую последовательность
импульсов без какого-либо внешнего воздейст-
вия. Ждущий Г. и. генерирует одиночный им-
пульс каждый раз, когда на его вход поступает
короткий запускающий импульс. Синхронизи-
руемый Г. и. вырабатывает импульсы, частота
которых равна или кратна частоте входного
сигнала синхронизации.
Глава 25. УСТРОЙСТВА ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
753
25.4. ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ
В структуру Г. и. входят АЭ, времязадаю-
щая цепь и ИП. Для Г. и. характерно наличие
положительной ОС, обуславливающей воз-
можность его самовозбуждения и возникнове-
ния лавинообразного процесса перехода АЭ из
одного крайнего состояния в другое (открыт —
закрыт, единица — нуль). В качестве АЭ ис-
пользуют ЛЭ, ОУ, интегральные триггеры, а
также дискретные элементы — транзисторы и
ТД. В качестве времязадающих элементов ча-
ще всего применяют 7?С-цепи. Постоянная вре-
мени такой цепи определяет продолжитель-
ность медленных процессов, связанных с фор-
мированием длительности импульсов и паузы
между ними (в автоколебательных Г. и.).
Процессы, протекающие в Г. и., можно
описать так. Под действием ИП происходит за-
ряд конденсатора ЯС-цепи. При этом изменя-
ется напряжение на входе АЭ. Когда это напря-
жение (или ток) достигнет порогового значе-
ния, развивается лавинообразный процесс пе-
реключения АЭ, вследствие чего он переходит
из одного состояния в противоположное. Да-
лее начинается разряд конденсатора и, когда
напряжение (ток) на входе АЭ достигнет ново-
го порогового значения, схема возвращается в
начальное состояние. После этого все процес-
сы повторяются.
Поскольку напряжение u(t) на элементах
7?С-цепи с постоянной времени т = RC изменя-
ется по экспоненциальному закону, продолжи-
тельность переходного процесса на произволь-
ном временном интервале t&= t2-tx, включая и
длительность импульса, можно вычислить по
формуле:
и(°°)-и(72)
где «(©о) — предельное значение.
Генератор пилообразного напряжения
вырабатывает напряжение, которое поочеред-
но линейно возрастает и спадает в определен-
ных границах, причем наклон рабочего участ-
ка может отличаться от наклона участка вос-
становления (обратного хода). Основным тре-
бованием к пилообразному напряжению явля-
ется его линейность во время рабочего хода. В
основе всех Г. п. н. лежит заряд постоянным
током. Принцип действия большинства Г. п. н.
основывается на использовании интегрирую-
щих 7?С-цепей. При этом на протяжении рабо-
чего и обратного ходов перезаряд конденсато-
ра происходит через различные резисторы.
Пример Г. п. н., выполненного на ОУ, показан
на Рис. 25.3. Усилитель DA j выполняет функ-
цию порогового устройства, на выходе которо-
го формируется последовательность прямо-
угольных биполярных импульсов. Эта после-
довательность поступает на вход интегратора
DA2, вырабатывающего пилообразное напря-
жение. Соотношение длительностей прямого и
обратного ходов пилообразного напряжения
определяется отношением сопротивлений ре-
зисторов R2, R3.
Мультивибратор — автоколебательный Г.
и. прямоугольной формы, не имеющий ни од-
ного устойчивого состояния, а периодически
находящийся в одном из квазиустойчивых со-
стояний, переход между которыми происходит
лавинообразно. Пример М., выполненного на
ЛЭ И—НЕ, показан на Рис. 25.4. Перезаряд
конденсатора С происходит под действием на-
пряжения и\ что соответствует сигналу логи-
ческой 1, поступающего в одном квазистабиль-
ном состоянии с выхода ЛЭ DDX, а в другом —
с выхода ЛЭ DD2.
Одновибратор — Г. и. прямоугольной
формы, работающий в режиме ожидания и
имеющий одно устойчивое и одно квазиустой-
чивое состояния, причем переход к последне-
му происходит лавинообразно под воздействи-
ем внешнего короткого запускающего импуль-
са. Пример О., построенного на ЛЭ И—НЕ,
показан на Рис. 25.5. После запуска и перехода
в квазиустойчивое состояние на выходе О. ус-
танавливается напряжение мвых = и\ которое
скачком через конденсатор С передается на
вход ЛЭ DD3. Далее происходит заряд конден-
сатора, что обуславливает уменьшение напря-
754
РАДИОТЕХНИКА
25.6. ДВОИЧНАЯ АРИФМЕТИКА
Рис. 25.5
жения на входе ЛЭ DD3. Как только это напря-
жение достигнет порогового значения t/nop,
происходит переход схемы в исходное устой-
чивое состояние.
25.5. ГЕНЕРАТОР ЧИСЕЛ — цифровое
устройство, вырабатывающее определенную
последовательность чисел фиксированной
длины. В структуру Г. ч., как правило, входит
или счетчик, или сдвигающий регистр. Напри-
мер, для построения Г. ч., который должен вы-
рабатывать последовательность четырехраз-
рядных чисел 1110—ООП—1000—0100, до-
статочно к двоичному двухразрядному счетчи-
ку, вырабатывающему последовательность
00—01—10—И, подключить соответствую-
щий комбинационный преобразователь кода.
Последний имеет два входа Qx, Qo и четыре
выхода уз, у2> Уь Уо- Таблицей его истинности
является Табл. 25.1.
Таблица 25.1
б! а У1 л
0 0 1 1 1 0
0 1 0 0 1 1
1 0 1 0 0 0
1 1 0 1 0 0
25.6. ДВОИЧНАЯ АРИФМЕТИКА —
система правил, основанных на таблицах дво-
ичного сложения, вычитания, умножения и
применяемых для выполнения арифметичес-
ких операций в цифровых системах. При этом
числа представляют в обратном, чаще допол-
нительном, коде, так что операции сложения и
вычитания выполняются по одинаковому алго-
ритму, а аппаратно реализуются одним устрой-
ством — сумматором.
Алгебраическое сложение осуществляется
поразрядным арифметическим сложением (с
переносом) кодов слагаемых, включая разряды
знаков. В случае переноса из старшего (знако-
вого) разряда суммы единица переноса отбра-
сывается (см. пример далее).
Выполняя умножение, применяют проце-
дуры, аналогичные процедурам умножения
вручную (см. пример далее). При этом резуль-
тат получают суммированием частичных про-
изведений, являющихся результатом умноже-
ния множимого на значения следующих (стар-
ших) разрядов множителя. Поскольку вес сле-
дующего разряда вдвое больше веса предыду-
щего, при каждом умножении делают сдвиг ча-
стичного произведения вправо на один раз-
ряд, обеспечивая сложение разрядов с более
старшими разрядами частичного произведе-
ния. Множимое можно умножать на разряды
множителя, начиная со старшего разряда. Тог-
да частичное произведение следует сдвигать
влево, что соответствует уменьшению вдвое
веса следующего разряда.
Выполняя деление, также используют про-
цедуры, аналогичные процедурам деления
вручную (см. пример далее). Алгоритм деле-
ния сводится к выполнению последовательно-
сти вычитаний делителя сначала от делимого,
а потом — от остатков и сдвига каждый раз ос-
татка на один разряд влево. После каждого вы-
читания проверяют знак результата: если знак
положительный, то в очередной разряд частно-
го записывают 1 и выполняют очередной сдвиг
и вычитание; если же результат отрицатель-
ный, то в очередной разряд частного заносят 0,
восстанавливают предыдущее значение остат-
ка (прибавлением делителя), после чего вы-
полняют сдвиг и очередное вычитание (кото-
рое реализуют прибавлением дополнительного
кода делителя). Существует алгоритм без вос-
становления остатка, который является разви-
тием рассмотренного.
Примеры выполнения двоичных арифме-
тических операций:
+01010ДОп = +1010 х1Ю = 610
•11101доп = -3|0 101 =5,0
00111Доп = +7|о ИО
+ 000
по
11110 = зо1О
117 -9 =13
1 1 / ю . 710 1 j10
111010111001
- 1001 '1101
01011
- 1001
001001
- 1001
0000
Здесь индекс 10 означает десятичную сис-
тему счисления, а индекс «доп» — дополни-
тельный код.
Глава 25 УСТРОЙСТВА ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
755
25.7. ДЕЛИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ИМПУЛЬСОВ
25.7. ДЕЛИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ИМПУЛЬ-
СОВ — электронное устройство, предназна-
ченное для уменьшения частоты следования
поданной на вход импульсной последователь-
ности в постоянное (Кд) число раз. Величину
Кд называют коэффициентом деления. Д. ч.
выполняют на основе счетчиков импульсов,
что позволяет построить Д. ч. с регулируемым
коэффициентом деления. При этом последова-
тельность состояний счетчика может быть
произвольной, важно лишь обеспечить задан-
ное число их, определяющее коэффициент Кд.
Изменить число состояний счетчика с мо-
дулем счета Кс (см. ст. 25.23) можно двумя
способами: изменением начального состояния,
от которого ведется счет, и изменением конеч-
ного состояния, после которого счет начинает-
ся сначала. В первом случае (Рис. 25.6) цикл
счета заканчивается в момент переполнения
счетчика, когда на его соответствующем выхо-
де появляется сигнал. После этого в счетчик
записывается число, равное числу «лишних»
состояний счетчика (Кс - Кд). Для этого выход
переполнения счетчика соединяют со входом
разрешения параллельной записи (V) со вхо-
дов D3—DO. Второй способ реализуют с помо-
щью компаратора, на который в качестве опе-
ранда подают число, равное Кд9 а вторым опе-
рандом является код состояния двоичного
счетчика. Этот код подается с выхода счетчика
на компаратор. Выход последнего подключают
ко входу сброса счетчика в нулевое состояние.
25.8. ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОР — комбина-
ционное устройство, обеспечивающее комму-
тацию информационного сигнала со входа на
один из выходов согласно коду адреса. Обыч-
но в качестве Д. используют дешифратор, име-
ющий вход разрешения (V), на который пода-
ют входной информационный сигнал. Адрес
выхода, на который передается входной сиг-
нал, задают на информационных входах деши-
фратора.
/. 25*9. ДЕШИФРАТОР — комбинационное
устройство с несколькими входами и выхо-
дами у7, у которого каждому входному коду
(набору) соответствует возбуждение лишь од-
ного определенного выхода. Полный Д. с т
входами имеет 2т выходов. При этом выходы
определены для всех входных наборов. Непол-
ный Д. предусматривает декодирование только
отдельных наборов. Табл. 25.2 описывает пол-
ный Д., выполняющий преобразование двух-
разрядного двоичного кода в десятичный. Из
этой таблицы можно получить логические
функции, описывающие Д., и его структурную
схему (Рис. 25.7).
Таблица 25.2
Х1 х0 Уз Уг л
0 0 0 0 0 1
0 • Л 0 0 1 0
1 0 0 1 0 0
1 1 1 0 0 0
Рис. 25.7
Вход V, разрешает работу Д. Если число
входов т > 4, то более экономным является по-
строение Д. по многоступенчатой пирамидаль-
ной схеме. При двухступенчатом включении
первую ступень образует один, а вторую — т
дешифраторов. Выходы первой ступени присо-
единяют ко входам V второй. Информацион-
ные входы второй ступени образуют младшие
разряды входного кода, а информационные
входы первой ступени — старшие разряды.
756
РАДИОТЕХНИКА
25.11. ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
25.10. ДИСКРЕТНОЕ ПРЕОБРАЗОВА-
НИЕ ФУРЬЕ — математическая операция, с
помощью которой определяют спектр S(k) пе-
риодической временной решетчатой функции
s(n) с периодом, составляющим N отсчетов:
У-1
S(k)=^s(n)e~J{2”/N}l:" ,к =0,1,2...,N -1,
л=0
где п и к — номера временных и частотных от-
счетов соответственно.
С помощью Д. п. Ф. можно определить так-
же спектр апериодической конечной последо-
вательности продолжительностью N, подразу-
мевая ее периодизацию. При этом Д. п. Ф. од-
нозначно представляет конечную последова-
тельность, поскольку по S(k) можно точно вос-
становить s(n), используя обратное Д. п. Ф..
Для увеличения разрешающей способности по
частоте в конечную последовательность s(n)
вводят дополнительные нулевые отсчеты.
Д. п. Ф. является периодическим с периодом,
равным частоте дискретизации функции s(n).
Этот период соответствует N частотным отсче-
там. Следовательно, по N временным отсчетам
можно определить N различных частотных от-
счетов. Если s(n) — действительная последо-
вательность, то S(k) = S (N - к), что дает воз-
можность вычислять только N/2 + 1 отсчетов
S(k). Д. п. Ф. имеет ряд других свойств и явля-
ется важным средством цифровой обработки
сигналов.
Обратное Д. п. Ф. — математическая опе-
рация, используя которую по спектру S(k) оп-
ределяют соответствующую периодическую
временную решетчатую функцию s(n) с перио-
дом в N отсчетов:
s(n) =—^5(Л)еу<2я/Л')*", п =0,1,2,...л-1 •
N л=о
25.11. ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТ-
ВО — предназначено для записи, хранения и
считывания данных и обмена ими с другими
частями цифровых систем. По функциональ-
ному назначению различают внешние, буфер-
ные и внутренние ЗУ. Внешние ЗУ служат для
хранения больших объемов информации на
магнитных дисках и лентах. Внутренние ЗУ по
выполняемым функциям делят на оператив-
ные, сверхоперативные и постоянные. Буфер-
ная память (буфер) предназначена для проме-
жуточного хранения информации во время об-
мена данными между устройствами с различ-
ным1 быстродействием. Основные параметры
ЗУ — информационная емкость, быстродейст-
вие и потребляемая мощность. Информацион-
ная емкость ЗУ выражается или числом слов
заданной разрядности, или числом двоичных
разрядов (бит), которые одновременно могут
храниться в ЗУ. Иногда емкость ЗУ выражают
в байтах (8 бит), килобитах (1 Кбит = 210 бит),
килобайтах (1 Кбайт = 210 байт), мегабитах
(1 Мбит = 220 бит), мегабайтах (1 Мбайт =
= 220 байт). Быстродействие определяют вре-
менем выборки и циклом записи. Потребляе-
мую мощность относят к емкости ЗУ.
Оперативное запоминающее устройство
— ЗУ, непосредственно связанное с процессо-
ром вычислительной системы, в котором хра-
нятся программные команды и данные. Осно-
вой О. з. у. является матрица накопителя, со-
стоящая из элементов памяти, каждый из кото-
рых хранит 1 бит информации Каждый эле-
мент памяти (или их группа, образущая ячейку
памяти) имеет свой адрес, код которого подает-
ся на соответствующие входы ИС при выборе
данного элемента или ячейки. ИС О. з. у. по ти-
пу элементов памяти делят на статические и
динамические. В статическом О. з. у. элемен-
том памяти является триггер. В динамическом
О. з. у функцию элемента памяти выполняет
конденсатор, время сохранения заряда которо-
го ограничено. Поэтому предусматривают пе-
риодическое восстановление (регенерацию)
записанной информации. Этот недостаток ком-
пенсируется простотой динамического О. з. у.
Постоянное запоминающее устройство
— энергонезависимое ЗУ, предназначенное
для продолжительного хранения и быстрого
чтения ранее записанной информации, содер-
жание которой во время работы не меняется.
Различают: собственно П. з. у, однократно
программируемое изготовителем; программи-
руемые П. з. у., которые программируются од-
нократно пользователем; репрограммируемые
П. з. у., программируемые пользователем мно-
гократно. Структура П. з. у. показана на Рис.
25.8. Здесь в качестве элементов памяти ис-
пользованы диоды, однако часто применяют
БТ, структуры металл — окисел — полупро-
водник, аморфные и прочие полупроводники,
размещаемые на пересечении входных адрес-
ных линий Xi и выходных разрядных линий у7.
При программировании плавкую вставку ПВ
разрушают, если нужно задать 0 на линии у7 по
адресу Xj. Сохранение ПВ соответствует 1. Ре-
программируемые П. з. у. по способу програм-
Глава 25. УСТРОЙСТВА ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
757
25.11. ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
Рис. 25.8
мирования делят на П. з. у. со стиранием ин-
формации электрическими сигналами и с по-
мощью лучей, чаще — ультрафиолетовых.
Сверхоперативное запоминающее уст-
ройство — ЗУ, имеющее самое высокое быст-
родействие во всей иерархии памяти процессо-
ра. Как правило, это несколько регистров, со-
держимое которых быстро изменяется во вре-
мя работы процессора.
25.12. КОД — правило преобразования со-
общения из одной символической формы пред-
ставления в другую без потерь информации.
Есть много различных К. Ниже рассматрива-
ются основные К., используемые в цифровых
системах.
Для представления двоичных чисел в ЭВМ
применяют прямой, обратный и дополнитель-
ный К. Положительные числа во всех этих К.
имеют одинаковый вид, а отрицательные —
различный. Прямой К. отличается от обычной
записи двоичного числа введением дополни-
тельного (как правило, старшего) знакового
разряда, в котором знак «минус» кодируется
единицей, а знак «плюс» — нулем. Например,
+61О = +1102 = 0110пр, -61о = -П02= 1110пр. Об-
ратный К. отрицательных двоичных чисел по-
лучают из прямого инвертированием всех раз-
рядов, кроме знакового. Преобразование из об-
ратного К. в прямой осуществляют по тому же
алгоритму. Дополнительный К. отрицательных
двоичных чисел получают из прямого инвер-
тированием всех разрядов, кроме знакового, и
прибавлением единицы к младшему разряду.
Обратное преобразование выполняют по тому
же алгоритму Например, -610 = ПЮпр =
= 1001обр= 1010доп.
Для представления чисел в десятичной си-
стеме счисления в ЭВМ используют двоично-
десятичные К. Наиболее распространенным
из них является код 8421, в котором каждую
цифру десятичного числа заменяют четырех-
разрядным двоичным числом. Название этого
К. отражает вес разрядов в кодовой тетраде.
Например, 391О = 001110012/ю-
В ряде специфических приложений нахо-
дят применение циклические не взвешенные
К., в которых переход к соседнему числу со-
провождается изменением только в одном раз-
ряде. Отметим два из них. В К. Джонсона пе-
реход к следующему числу осуществляется
последовательной заменой 0 на 1 до заполне-
ния всех разрядов единицами, а потом заме-
ной 1 на 0 до заполнения их нулями: 00000—
10000—1 1000—1 1 100—1 1 1 10—11 1 1 1 —
01111—00111—00011—00001, что соответст-
вует (0—1—2—...—9). В К. Грея двухразряд-
ные числа образуют циклическую последова-
тельность 00—01—И—10—00 (0—1—2—
3—0), трехразрядные — последовательность
000—001—011—010—110—111—101—100—
000 (0—1—2—3—4—5—6—7—0). Алфавит-
но-цифровые К. предназначены для кодирова-
ния текстовой информации, содержащей циф-
ры, буквы, разделительные знаки, иные сим-
волы. В ЭВМ используют восьмиразрядный
(КОИ) и двоичный (ДКОИ) коды обмена ин-
формацией.
25.13. КОМБИНАЦИОННОЕ УСТРОЙ-
СТВО — логическое устройство, у которого
значение сигнала на выходе в каждый задан-
ный момент, в отличие от последовательност-
ного цифрового устройства, определяется
только входными сигналами (их комбинацией)
в этот же момент. Последовательность синтеза
К. у. можно разбить на ряд этапов: запись усло-
вий функционирования К. у. с помощью табли-
цы истинности; запись и минимизация логиче-
ской функции; запись минимизированной ло-
гической функции в заданном базисе; состав-
ление структурной схемы. Типовыми К. у. яв-
ляются дешифраторы, шифраторы, мульти-
плексоры, демультиплексоры, сумматоры, ци-
фровые компараторы.
758
РАДИОТЕХНИКА
25.15. ЛОГИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ
25.14. КОМПАРАТОР ЦИФРОВОЙ —
комбинационное устройство, предназначенное
для сравнения двух чисел, представленных в
двоичной системе. Простейший К. ц. выявляет
лишь факт равенства или неравенства двух п-
разрядных двоичных чисел, поданных на его
входы А = ап\...а} аои В = ЬпЛ...Ь} Ьо, и выра-
батывает на выходе сигнал равенства Y = 1 или
неравенства Y = 0. Из таблицы истинности
(Табл. 25.3) после тождественных преобразо-
ваний можно получить логическую функцию,
описывающую двухразрядный простейший
К. ц.:
У =(«Д+«Д)(яД + а}Ь}).
В общем для «-разрядного К. ц.
Таблица 25.3
«1 «о ^0 Y
0 0 0 0 1
0 1 0 1 1
1 0 1 0 1
1 1 1 1 1
Остальные наборы разрядов А и В 0
Интегральные К. ц., как правило, четырех-
разрядные; они имеют три выхода с результата-
ми анализа входных чисел: А > В, А < В, А = В.
25.15. ЛОГИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ — вы-
ражение, в которое входят двоичные перемен-
ные (принимающие значения 0 или 1), связан-
ные операторами булевой алгебры. Комбина-
ции значений двоичных переменных называют
двоичными наборами. В зависимости от набо-
ров Л. ф. также принимает значение 0 или 1.
При п переменных число двоичных наборов
равно 2", а число Л. ф. равно 22 . Однако лю-
бую Л. ф. можно представить суперпозицией
ограниченного числа элементарных Л. ф., об-
разующих функционально полную систему.
Наиболее распространенными являются сле-
дующие элементарные Л. ф.
Дизъюнкция (логическое сложение, логиче-
ское ИЛИ) — Л. ф. (у) нескольких переменных
(хь х2, ... , хп), которая равна 1, если хотя бы
одна из переменных равна 1 (ИЛИ хь ИЛИ х2,
... , ИЛИ хп, ИЛИ несколько переменных).
Дизъюнкция равна 0, только если все пере-
менные равны 0. Аналитическая ее запись та-
кова: у = *1 + х2 + х3, или у = X! v х2 v х3. Знак
«+» или «V» между переменными означает
операцию логического сложения.
Инверсия (отрицание, логическое НЕ) —
Л. ф. (у) одной переменной (х), равная 0, если
переменная равна 1, и наоборот. Аналитичес-
кая запись ее такова: у = х (читается: «у равно
не х»). Черточка над переменной означает ло-
гическую операцию инверсии.
Конъюнкция (логическое умножение, логи-
ческое И) — Л.ф. (у) нескольких переменных
(хь х2,..., х„), которая равна 1 только тогда, ког-
да все переменные равны 1 (И xj, И х2,..., И х„).
При остальных наборах переменных она равна
0. Аналитическая запись ее такова: у = х}-х2'х3,
или у = х\ л х2 л х3. Точка или знак «а» между
переменными означает операцию логического
умножения. В первом варианте записи точки
между переменными часто опускают.
Функция логического И—НЕ реализует
операцию логического умножения с отрицани-
ем результата: у = *1X2*3 •
Функция логического ИЛИ—НЕ реализует
операцию логического сложения с отрицанием
результата: у = Х] + х2 + х3.
Значения Л. ф. И, И—НЕ, ИЛИ, ИЛИ—НЕ
при всех наборах двух переменных хь х2 при-
ведены в Табл. 25.4. Для записи любой Л. ф.
достаточно двух элементарных функций — ин-
версии и дизъюнкции или инверсии и конъ-
юнкции, т.е. каждая из этих пар образует функ-
ционально полную систему.
Таблица 25.4
*1 *2 и И-НЕ или ИЛИ-НЕ
0 0 0 1 0 1
0 1 0 1 1 0
1 0 0 1 1 0
1 1 1 0 1 0
Л. ф. может быть задана в виде таблицы
истинности (например, Табл. 25.5), содержа-
щей ее значения для всех наборов переменных.
По таблице истинности можно записать анали-
тическое выражение, описывающее данную
Л. ф. Такую запись выполняют в виде одной из
двух тождественных форм. В совершенной
дизъюнктивной нормальной форме (СДНФ)
каждому набору переменных, при котором
функция равна 1, соответствует конъюнкция
(логическое умножение) всех переменных,
причем все переменные, имеющие в этом на-
боре значение 0, входят в конъюнкции с отри-
цанием, а имеющие значение 1, — без отрица-
ния. Дизъюнкция указанных конъюнкций яв-
Глава 25 УСТРОЙСТВА ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
759
25.15. ЛОГИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ
Таблица 25.5
Наборы Функция Наборы Функция
*1 *2 *3 у *1 *2 *3 У
0 0 0 0 1 0 0 0
0 0 1 0 1 0 1 1
0 1 0 0 1 1 0 1
0 1 1 1 1 1 1 1
ляется аналитическим выражением, описыва-
ющим данную Л. ф. Например, СДНФ, соот-
ветствующая Табл. 25.5, имеет вид:
у(х} ,Х2,Х3) = XjX2X3 4-XjX2X3 +
+ XjX2X3 +XjX2X3. (1)
В совершенной конъюнктивной нормаль-
ной форме (СКНФ) аналитическое выражение
записывают как конъюнкцию дизъюнкций (ло-
гических сложений), соответствующих всем
наборам, при которых Л. ф. равна 0. При этом
переменные, имеющие в данном наборе значе-
ние 1, входят в дизъюнкции с отрицанием, а
имеющие значение 0 — без отрицания. Напри-
мер, СКНФ, соответствующая Табл. 25.5, име-
ет вид:
y(Xj,X2,X3) =(xj + Х2 +Х3)(Х| +х2 +х3)х
х(%! +х2 +Х3)(Х! + Х2 +хз)-
Булева алгебра — функционально полная
система операций над двоичными переменны-
ми, в которой основными операциями являют-
ся конъюнкция ху, дизъюнкция х + у и инвер-
сия х. Относительно этих операций справедлив
ряд аксиом и законов, основные из которых
следующие.
Аксиомы:
Ох = 0, 1х = х, 0 + х = х, 1 + х = 1, хх = х,
х + х = х, хх = 0, х + х = 1, х = х.
Законы:
коммутативности ху = ух, х + у = у + х;
ассоциативности x(yz) = (xy)z, х + (у + z) =
= (х + у) + z;
дистрибутивности X + yz = (х + у) (х + z),
х(у + z) = ху + xz;
поглощения х(х + у) = х, х + ху = х;
склеивания (х + у)(х + у) = х, ху + ху =х;
де Моргана ху = х + у, х +у = ху.
Логическая схема — это схема реализа-
ции логических методов описания — таких,
как булева алгебра. Л. с. составляется из логи-
чески^ элементов, которые осуществляют эле-
ментарные логические операции (дизъюнк-
цию, конъюнкцию, инверсию и пр.). Л. с. мо-
жет быть построена по аналитическому выра-
жению Л. ф. Например, для Л. ф. (1) соответст-
вующая Л. с. приведена на Рис. 25.9. Как пра-
вило, Л. с. строят на ограниченном числе ЛЭ,
образующих функционально полную систему
Совокупность ЛЭ, достаточных для воспроиз-
ведения любой Л. ф., называют логическим ба-
зисом. Элементы И и НЕ представляют такой
базис. Более того, логический базис может об-
разовываться одним ЛЭ, например И—НЕ или
ИЛИ—НЕ. Запись Л. ф. в заданном базисе по-
лучают ее преобразованием согласно соотно-
шениям булевой алгебры, например,
Минимизация логической функции —
тождественное преобразование Л. ф. для пред-
ставления ее в простейшей (тупиковой) форме
с целью наиболее экономной ее реализации.
При небольшом числе переменных (п < 6) удо-
бен формализованный способ М. л. ф. с помо-
щью карт Карно — прямоугольников, разби-
тых на 2" клеток, каждая из которых соответст-
вует определенному набору переменных. Этот
набор определяется пересечением координат
строк и столбцов карты. Наборы на карте упо-
рядочены (выбраны их координаты) так, что
каждый набор отличается от соседнего (по го-
ризонтали и вертикали) только инверсцей од-
ной из переменных. Это дает возможность
применять к ним закон склеивания.
В каждую клетку карты заносят значение
Л. ф. при соответствующем этой клетке набо-
760
РАДИОТЕХНИКА
25.16. МУЛЬТИПЛЕКСОР
ре переменных (0 или 1). Далее все соседние
клетки, содержащие 1, объединяют прямо-
угольными контурами с числом клеток 2*, где
к = 0, 1,2,.... Контуры могут пересекаться, од-
ни и те же клетки могут входить в несколько
контуров, а каждый контур должен объединять
возможно большее число клеток. Число конту-
ров должно быть минимальным, но при этом
все клетки с 1 должны быть объединены.
Клетки самой нижней и самой верхней строк
могут входить в один контур. То же самое от-
носится к самому правому и самому левому
столбцам. При п > 5 следует применять допол-
нительные правила проведения контуров. Ми-
нимизированную Л. ф. записывают в виде сла-
гаемых, каждое из которых соответствует од-
ному контуру и является логическим произве-
дением переменных, общих для данного кон-
тура. Пример задания Л. ф. с помощью карты
Карно показан на Рис. 25.10. Минимизирован-
ная Л. ф. имеет вид
F(x,y,z, w) = yzw 4- xyz 4- xz 4- zw.
Здесь первое слагаемое соответствует контуру
1, второе — контуру 2 и т.д.
Для М. л. ф. с числом переменных п > 6 ис-
пользуют алгебраические методы — такие, как
метод Квайна, метод неопределенных коэффи-
циентов и пр. [2].
25.16. МУЛЬТИПЛЕКСОР — комбинаци-
онное устройство, обеспечивающее коммута-
цию на выход одного из нескольких информа-
ционных сигналов согласно коду адреса. Струк-
турная схема М. изображена на Рис. 25.11. Эле-
менты И выполняют функции вентилей, управ-
ляемых сигналами с выходов дешифратора DC.
Входы х0—хт, являются информационными,
входы я0, а\—адресными, на них задают адрес
(номер) информационного входа, подключае-
мого к выходу F. Вход V — вход разрешения.
Логическая функция, описывающая функцио-
нирование М., имеет вид:
F =а1аохо +alaoxl +ala0x2 +ataox3. (1)
Увеличения числа коммутируемых сигна-
лов достигают многоступенчатым включением
М. При двухступенчатом включении первую
ступень образуют М., число которых равно
числу информационных входов одиночного М.
Выходы первой ступени подключают ко вхо-
дам второй. Адресные входы первой ступени
образуют младшие разряды адреса, а адресные
входы второй ступени — старшие.
Кроме использования в качестве коммута-
торов М. имеют ряд других схемотехнических
применений. В частности, М. используют для
реализации различных логических функций.
Например, реализовать схему неравнозначнос-
ти, описываемую функцией F(z,w) =zw+zw,
можно на четырехканальном М. (см. Рис. 25.11),
для чего переменные z и w следует подавать на
адресные входы а0, аь а на информационных
входах следует задать х() = х3 = 0, X] = х2 = 1. Это
вытекает из сравнения (1) с выражением F(z,
w). Такой метод приемлем, если логическая
функция тп переменных в совершенной дизъ-
юнктивной нормальной форме имеет число
слагаемых, близкое к 2"’. Иначе схема будет из-
быточной. М. можно использовать эффектив-
Глава 25 УСТРОЙСТВА ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
761
25.16. МУЛЬТИПЛЕКСОР
нее, если аргументы функции подавать также
на информационные входы [2].
25.17. ПРОГРАММИРУЕМАЯ ЛОГИ-
ЧЕСКАЯ МАТРИЦА — матрица размещен-
ных на кристалле однотипных элементов, со-
единение которых (программирование) осуще-
ствляется так, чтобы обеспечить выполнение
заданного набора логических функций. Выход-
ные функции П. л. м. задаются в совершенной
дизъюнктивной нормальной форме. Структура
П. л. м. содержит две матрицы (ступени). Эле-
менты первой ступени (И-матрицы) реализуют
необходимые конъюнкции входных перемен-
ных (xj—хт). Сигналы с выходов И-матрицы
подаются на входы К, второй ступени (ИЛИ-
матрицы); последняя реализует логическое
сложение конъюнкций.
На Рис. 25.12 приведена схема типичной
П. л. м. Здесь точками на пересечении горизон-
тальных и вертикальных линий обозначено на-
личие элемента связи (диода для И-матрицы и
транзистора для ИЛИ-матрицы). Программиро-
вание П. л. м. состоит в устранении элементов
связи путем разрушения электрическим спосо-
бом плавкой вставки ПВ в нужных узлах обеих
матриц. Применительно к Рис. 25.12 имеем
Л =*l*2*m +xlx2xm',F2 = ХЛ. +х2хт’>
= Х\Хт +Х\Х2Хт-
П. л. м. широко используют для построе-
ния различных управляющих устройств.
25.18. РЕГИСТР — совокупность биста-
бильных (с двумя устойчивыми состояниями)
устройств, используемых для приема, хране-
ния и выдачи информации, а также для про-
стых ее преобразований в вычислительной
технике. Каждому разряду числа, записанному
в Р., соответствует разряд Р, выполненного,
как правило, на основе триггеров RS-, D- или
JK-типов. На Р. можно осуществлять операции
преобразования информации (например, по-
следовательный код преобразовать в парал-
лельный, прямой — в обратный).
Основным классификационным признаком
Р. является способ записи числа. При этом вы-
деляют Р. трех типов: параллельные, последо-
вательные и параллельно-последовательные. В
зависимости от числа каналов, по которым ин-
формация поступает на входы, различают Р.
парафазного и однофазного видов. В первом
случае информация поступает по двум кана-
лам (прямому и инверсному), во втором она
762
РАДИОТЕХНИКА
25.21. СИСТЕМА СЧИСЛЕНИЯ ПОЗИЦИОННАЯ
поступает в каждый разряд по одному каналу
(прямому или инверсному). Парафазцые Р. вы-
полняют, как правило, с использованием RS-
триггеров, а однофазные — на основе D-триг-
геров.
Регистр параллельный — Р., в который
информацию заносят параллельным кодом, т.е.
во все разряды синхронно. Такой Р. называют
также Р. памяти. Входы синхронизации всех
триггеров объединяют, образуя вход разреше-
ния записи информации в Р. Вывод информа-
ции осуществляется через элементы И, кото-
рые играют роль вентилей. Вторые входы эле-
ментов И объединяют, образуя вход разреше-
ния выдачи информации. Для преобразования
прямого кода в обратный Р. должен иметь вход
«обращение кода», соединенный со счетными
входами всех триггеров.
Регистр сдвигающий — последователь-
ный Р., выполняющий сдвиг двоичной инфор-
мации вправо (в сторону младших разрядов)
или влево. Р. с. — это совокупность последова-
тельно соединенных триггеров с объединен-
ными входами синхронизации (тактовый вход
Р. с.). Запись числа осуществляется последова-
тельно, начиная с младшего или старшего раз-
ряда, сдвиг числа — перезаписью состояний
соседних триггеров в направлении сдвига при
поступлении тактового импульса. Часто Р. с.
имеют вход установки Р. в нулевое состояние.
Р. с., выполняющий сдвиг как вправо, так и
влево, называют реверсивным.
25.19. РЕШЕТЧАТАЯ ФУНКЦИЯ (ПО-
СЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ) — функция, значе-
ния которой определены только при дискрет-
ных равноотстоящих друг от друга значениях
независимой переменной (как правило, време-
ни). Например, finГ), где Т — период дискрети-
зации, а п = (..., -2, -1,0, 1,2,...) — номер вре-
менного отсчета. Часто Р. ф. рассматривают
как функцию переменной и, т.е.у(и)-
Цифровая дельта-функция 5(и) — Р. ф.,
нулевой отсчет которой равен 1, а остальные
отсчеты равны 0. В системах цифровой обра-
ботки сигналов Ц. д. ф. выполняет ту же роль,
что и дельта-функция Дирака в аналоговых си-
стемах, но при этом первая является физичес-
ки реализуемым сигналом.
Цифровой единичный скачок 1(и) —
Р. ф., отсчеты которой при п > 0 равны 1, а при
п < 0 — нулю.
25.20. СВЕРТКА ДИСКРЕТНАЯ —
свертка у(п) двух произвольных последова-
тельностей h(n) и х(п):
Свертка дискретная апериодическая
(линейная) — С. д. у(п) двух последователь-
ностей х(п) и h(n) конечной длины по N и L от-
счетов, которые отличны от нуля при п > 0 и
равны нулю при п < 0:
у(л) = ^А(/)х(л —/), п =0,1, 2,..., N + L — 2.
z=0
С. д. а. конечна и имеет длительность N + L-\
отсчетов.
Свертка дискретная быстрая — метод
вычисления С. д. двух конечных последова-
тельностей длиной N и L отсчетов с примене-
нием дискретного преобразования Фурье
(ДПФ). Рассчитывая С. д., выполняют следую-
щие действия: вычисляют ДПФ последова-
тельностей х(п) и h(n)\ перемножают эти пре-
образования, поскольку спектр свертки равен
произведению спектров; вычисляют обратное
ДПФ. Результатом является круговая свертка
у(п). Благодаря использованию алгоритма БПФ
для определения ДПФ при N + £-1 >30 вычис-
ление С. д. по алгоритму С. д. б. более эффек-
тивно, чем прямым методом.
Свертка дискретная круговая (периоди-
ческая, циклическая) — С. д. у(п) двух пери-
одических последовательностей х(п) и h(ri).
С. д. к. периодична с периодом N + £-1, где N
и £ — число отсчетов на период последова-
тельностей х(п) и h(n). Поэтому необходимо,
чтобы х(п) и h(n) содержали по N + £-1 отсче-
тов на период, что достигается дополнением
каждой из последовательностей соответствую-
щим числом нулевых отсчетов. С. д. к. опреде-
ляется выражением
N+L-2
у(п) = N +L-2.
25.21. СИСТЕМА СЧИСЛЕНИЯ ПОЗИ-
ЦИОННАЯ — система представления чисел,
в которой одна и та же цифра имеет различ-
ный вес в изображаемом числе в зависимости
от ее места (позиции) в нем. Число различных
символов, принятых для представления цифр,
называют основанием С. с. п., а позицию циф-
ры в числе — разрядом. Вообще, если число
имеет дробную часть, то оно записывается в
виде xn_\Xn_2...X\XQ, х \...х m и может быть изоб-
ражено числовым рядом хп_\рп~х + хп 2рп 2 +..•+
+ Х\рх + xqP° + х лр х + ... + х^трТ”1, где xt — ци-
Глава 25 УСТРОЙСТВА ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
763
25.21. СИСТЕМА СЧИСЛЕНИЯ ПОЗИЦИОННАЯ
фра в i-м разряде, р — основание, р1 — вес /-го
разряда, п — число разрядов до запятой^ т —
число разрядов после запятой.
Система счисления двоичная — С. с. п. с
основанием 2. Для записи числа используют
цифры 0 и 1, например 110.0112 = 1 -22 + 1 -21 +
+ 0-2°+0-2ч+ 1-22 + 1-23 = 6.37510.
Система счисления шестнадцатерич-
ная — С. с. п. с основанием 16. Для записи
числа используют цифры и буквы 0, 1,2, ... ,
9, А, В, С, D, Е, F, где буквами латинского ал-
фавита записывают шестнадцатеричные циф-
ры 10, И, 12, 13, 14, 15 соответственно. При-
мер такой записи:
1£>0£16 = 1 -163 + 13-162 + 0-161 + 14-16° =
= 74381().
25.22. СУММАТОР — цифровое устрой-
ство, выполняющее операцию сложения двух
двоичных чисел (а и Ь). Формируя сумму в
произвольном разряде sh следует учесть значе-
ния цифр слагаемых at и bi в этом разряде, а
также входной перенос ch поступающий в него
из предыдущего разряда. На выходах С. обра-
зуются значения суммы s, в этом разряде и вы-
ходной перенос в следующий разряд с/+1.
Функционирование одноразрядного С. оп-
ределяет Табл. 25.6, из которой вытекают со-
ответствующие логические функции:
S: = С:й:Ь: + С:О-Ь: + С. О:Ь; + С:О,Ь; \ |
f (!)
cz+1 =claibi +claibl +ciaibi .J
Таблица 25.6
Cj ai bi G+i с. ai bi Si Q+i
0 0 0 0 0 1 0 0 1 0
0 0 1 1 0 1 0 1 0 1
0 1 0 1 0 1 1 0 0 1
0 1 1 0 1 1 1 1 1 1
После минимизации выражение ci+\ при-
нимает вид:
ci+! = ар, + а,с, + bjCj = ар, + cjyi, + Z>z). (2)
По принципу построения различают С.
комбинационного и накапливающего типов.
Комбинационные сумматоры осуществляют
сложение чисел при одновременном их по-
ступлении. Результат исчезает после снятия
входных сигналов, поэтому его запоминают в
отдельном регистре. Используя различные ва-
рианты преобразования функций (1) и (2),
можно реализовать большое число комбинаци-
онных С. В накапливающем сумматоре слага-
емые про^ередно подают на один из входов
комбинационного С. Результат сложения запо-
минается в регистре, после чего его содержи-
мое подается на второй вход С. При поступле-
нии очередного числа образуется сумма этого
числа с числом, которое находилось в регистре.
Такой С. может поочередно складывать произ-
вольное число чисел, накапливая результат.
Многоразрядные С. разделяют на последо-
вательные и параллельные. Последовательный
сумматор выполняет сложение чисел пораз-
рядно, начиная с младшего разряда. При этом
перенос ci+x запоминается на z-м такте, а на
следующем такте подается на вход сг Такие С.
используют в цифровых системах, где переда-
ча чисел производится в последовательном ко-
де поразрядно по одному каналу. Если каналов
несколько, то применяют параллельные сумма-
торы, в которых для каждого разряда имеется
отдельный одноразрядный С. В параллельных
сумматорах с последовательным переносом
(Рис. 25.13) при поступлении всех разрядов
слагаемых результат sb ci+\ формируется лишь
после того, как в предыдущем одноразрядном
С. образуется перенос ch т.е. перенос распрост-
раняется последовательно. Такие сумматоры
более просты, но имеют сравнительно низкое
быстродействие. В параллельном сумматоре с
ускоренным переносом сигналы переноса фор-
мируются синхронно отдельной для каждого
разряда комбинационной схемой независимо
от переноса из предыдущего разряда. Такие С.
имеют высокое быстродействие, но требуют
больших аппаратных затрат.
Рассмотрим принцип построения парал-
лельного С. с ускоренным переносом.
Выражение (2) можно представить в виде:
Ci+\ = G, + CiHh где G, = apb Н, = а, + bb (3)
Из Табл. 25.6 видно, что выходной перенос
С/+1 = 1 формируется при соблюдении одного из
двух условий: либо при G, = 1 (т.е. а, = bt = 1)
либо при ci= 1 и Hi = 1. Поэтому Gi называют
сигналом генерации выходного переноса с/+ь а
Hi — сигналом разрешения распространения
входного переноса (с,- = 1) в качестве выгодно-
го переноса cz+i = 1.
Вычислим значения первых трех перено-
сов с/+1 (сь с2, с3), полагая в (3) i = 0, 1,2 соот-
ветственно. В результате получим:
С1 = Gq + CqHq = Oq6q + Cq (aQ + bo),
C2 = Gi + С]Я1 = api + [aobo + cQ (aQ + Z>0)] x
X(«i +bi),
764
РАДИОТЕХНИКА
25.23. СЧЕТЧИК
с3 = G2 + с2Н2 = а2Ь2 + {а\Ьх + [а0Ь0 + с0Х
Х(а0 + Л>0)] («1 + 61)} («2 + 62)- (4)
Из (4) видно, что переносы во все разряды
могут быть вычислены рекуррентно, причем
одновременно (параллельно) сразу после пода-
чи на С. слагаемых и переноса с0 в самый
младший разряд. Выражение (4) можно запи-
сать также с использованием вспомогательных
сигналов Gh Н, (при i = 0, 1, 2):
Ci - Gq + CqHq,
с2 = G\ + с\Нх = (71 + GqH\ +
сз = G2 + GxH2 + GqHxH2 + CqHqHxH2.
Отсюда видно, что в общем случае (i = 0,1,
2, 3,...) перенос с/+1 может быть вычислен со-
гласно выражению:
Ch-i = G. + Ж-i + (7,_2 + • • • + .. .Я/(70 +
+ад_1...ялосо- (5)
Из (5) следует, что если в каждом z-ом од-
норазрядном С. сформировать дополнитель-
ные сигналы (71 = а{Ь\ и Я, = at + bh то перено-
сы во все разряды можно сформировать одно-
временно согласно (5). Эти переносы выраба-
тывают дополнительные МС ускоренного пе-
реноса, на входы которых подают от однораз-
рядных С. сигналы Я,, Gt.
Из (5) видно, что аппаратные затраты на
вычисление переносов быстро растут с увели-
чением номера разряда, поэтому метод парал-
лельного переноса в чистом виде не применя-
ется. Практически он реализуется в С. с груп-
повым переносом. Такой многоразрядный С.
разбивается на несколько групп равной длины
(обычно четырехразрядных). Внутри каждой
группы все переносы передаются параллельно,
а переносы от группы к группе — последова-
тельно. Таким образом достигается компро-
мисс между сложностью схемы и ее быстро-
действием.
25.23. СЧЕТЧИК — последовательност-
ное устройство, осуществляющее подсчет чис-
ла входных импульсов и фиксирующее его в
произвольном коде. С. строится каскадным со-
единением п триггеров. Основным параметром
С. является модуль счета Кс, равный макси-
мальному числу импульсов, которое может
быть сосчитано С. Число разрядов п выбирают
из условия п > log2Kc, где п — ближайшее це-
лое число. После поступления Кс импульсов
С. должен возвратиться в начальное состояние,
и счет последовательности импульсов повто-
ряется.
Как правило, С. строят с произвольным
модулем счета. С. с модулем счета Кс = 2" на-
зывают двоичным. Двоично-десятичный С.
имеет Кс= 10. Для реализации больших значе-
ний Кс применяют каскадирование С., имею-
щих специальный выход, на котором сигнал
появляется, когда число подсчитанных им-
пульсов равно их максимальному числу (Кс).
Этот выход С. подключают ко входу следую-
щей ИС. С. имеют также вход сброса в ноль.
В зависимости от направления счета разли-
чают С. суммирующие, вычитающие и ревер-
сивные. Суммирующий С. выполняет счет в
прямом направлении. С приходом очередного
импульса его содержимое увеличивается на 1.
Вычитающий С. выполняет счет в обратном
направлении. Каждый импульс, поступающий
на его тактовый вход, уменьшает содержимое
С. на 1. Реверсивный С. может выполнять счет
как в прямом, так и в обратном направлениях.
В зависимости от наличия синхронизации
различают синхронные (параллельные) и асин-
хронные (последовательные) С. При этом воз-
можны различные способы организации перено-
сов между разрядами: последовательный, сквоз-
ной, параллельный и комбинированный. В пер-
вом случае перенос реализуют прямым подклю-
чением выхода предыдущего триггера в цепь
синхронизации последующего. В остальных слу-
чаях перенос из предыдущих триггеров в после-
дующие осуществляют дополнительными ЛЭ.
, Счетчик, асинхронный — С., у которого
состояние последующего триггера изменяется
последовательно в зависимости от состояния
предыдущего. На Рис. 25.14, а показан трех-
Глава 25 УСТРОЙСТВА ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
765
25.23. СЧЕТЧИК
разрядный асинхронный суммирующий С. с
последовательным переносом и модулем счета
Кс = 8. Во время перехода триггера из состоя-
ния 1 в состояние 0 отрицательный перепад,
возникающий на его выходе, вызывает пере-
ключение соседнего (справа по схеме) тригге-
ра. Временные диаграммы, иллюстрирующие
работу С., изображены на Рис. 25.14, б при
О < т < 8, где т — число импульсов, поступив-
ших на вход С. В каждый момент в С. записа-
но (626160) число т. Основное преимущество
С. а. — простота схемы, главный недостаток —
низкое быстродействие.
Счетчик кольцевой — С., в котором ин-
формация циркулирует по замкнутому кругу.
Его реализуют на сдвигающих регистрах со-
единением выхода старшего разряда с входом
самого младшего разряда.
Счетчик синхронный — С., в котором пе-
реключение всех триггеров происходит син-
хронно при параллельной подаче на них син-
хронизирующих импульсов. Схема суммирую-
щего С. с параллельным переносом и модулем
счета Кс = 16 показана на Рис. 25.15.
25.24. ТРИГГЕР — последовательност-
ный элемент цифровых схем, который может
находиться в одном из двух устойчивых состо-
яний, а также многократно переходить из од-
ного состояния в другое. Эти два состояния
соответствуют логической 1 и логическому 0.
Таким образом, Т. является одноразрядным
элементом памяти. Для удобства использова-
ния Т. имеют два выхода: прямой (Q) и ин-
версный (6)- Входы Т. делят на информацион-
ные и управляющие. Информационные сигна-
лы задают состояние Т., а управляющие сигна-
лы используются для синхронизации и пред-
варительной установки Т. в требуемое состоя-
ние. Число входов Т. может быть различным в
зависимости от структуры. Закон функциони-
рования Т. можно задать таблицей состояний.
Так, Табл. 25.7 является таблицей состояний
основных Т., выпускаемых промышленнос-
тью. Здесь сигналы на рассматриваемом такте
обозначены индексом л, а на предыдущем —
(л-1).
RS-триггер имеет два информационных
входа (R и S). Подача логической 1 на один из
входов приводит к установке выхода Q в еди-
ничное (режим установки единицы) или в ну-
левое (режим установки нуля) состояние. При
S = R = 0 обеспечивается режим хранения:
триггер не изменяет свое состояние. Набор
S = R = 1 является запрещенным, поскольку
приводит к неопределенному результату.
JK-триггер также имеет два информационных
766
РАДИОТЕХНИКА
25.25. УМНОЖИТЕЛЬ ЧИСЕЛ
Таблица 25.7
RS-триггер D-триггер Т-триггер JK-триггер
sn а-. a Dn a~i a T 1 n a-/ a Jn a-/ a
0 0 Qn-1 Qn~ i 0 Qn-1 0 0 Qn-1 Qn-\ 0 0 a-i Qn-i
1 0 Qn~ i 1 1 Qn-1 1 1 Qn-\ 1 0 Qn-1 1
0 1 Qn~\ 0 - - - 0 1 Qn-1 0
1 1 Qn-\ - - - - - - - 1 1 Qn-1 a-i
входа. По аналогии с RS-триггером роль вхо-
да S выполняет вход J, а роль входа R — вход
К, но при J = К = 1 осуществляется счетный
режим (Т. меняет свое состояние на обратное).
JK-триггер часто называют универсальным,
поскольку на нем можно реализовать функци-
ональные возможности остальных Т. D-триг-
гер имеет один информационный вход, значе-
ние на выходе Q повторяет входное значение.
Т-триггер также имеет один информационный
вход и всего один режим — счетный (значение
Т = 1 приводит к изменению состояния Т. на
обратное).
Существует много различных схем Т. Схема
простейшего асинхронного RS-триггера с пря-
мыми входами показана на Рис. 25.16. Для по-
строения тактируемых цифровых устройств ис-
пользуют синхронные Т., имеющие дополни-
тельный вход синхронизации. Сигнал на этом
входе или разрешает работу Т. согласно соот-
ветствующей таблице состояний, или перево-
дит его в режим хранения данных. По способу
синхронизации различают триггеры, синхрони-
зируемые потенциалом (работа Т. разрешается
заданным уровнем потенциала на входе син-
хронизации), и синхронизируемые фронтом
(работа Т. разрешается заданным фронтом им-
пульса — положительным или отрицательным).
25.25. УМНОЖИТЕЛЬ ЧИСЕЛ — циф-
ровое устройство, выполняющее операцию пе-
ремножения двух двоичных чисел. С точки
зрения принципа действия У. ч. можно разде-
лить на многотактные и матричные.
Многотактный У. ч. реализует операцию
умножения последовательным выполнением
сложения и сдвигов согласно алгоритму. На
Рис. 25.17 приведена структурная схема мно-
готактного У. ч., выполняющего перемножение
двух трехразрядных чисел х и у. Здесь RGCfl —
сдвигающий регистр; И — логический эле-
мент И; RGH — накапливающий регистр; хь уь
Si — i-e разряды чисел х, у и частичного произ-
ведения s. Если соответствующий разряд у ра-
вен 1, то в У. ч. последовательно накапливают-
ся такие слагаемые:
Х2Х1Х0 [Уо
Х2Х1Х0 [У1
*2* 1*0 [У2
Если yz = 0, то на сумматор с выходов И по-
ступают нули. В такте 1 разряды у, последова-
тельно подаются на И, обеспечивая подачу на
вход сумматоров или числа х, или нуля. Вто-
рым слагаемым для сумматоров является час-
тичное произведение, поступающее с выхода
регистра RGH. После сложения осуществляет-
ся такт 2, результат суммирования заносится в
регистр RGH, а его содержимое сдвигается на
один разряд вправо, чтобы согласно алгоритму
Рис. 25.17
Глава 25. УСТРОЙСТВА ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
767
25.25. УМНОЖИТЕЛЬ ЧИСЕЛ
обеспечить прибавление следующей строки к
более старшим разрядам. Многотактные У. ч.
простые, но с малым быстродействием.
Матричный У ч. имеет высокое быстро-
действие, но требует значительных аппаратных
затрат. Он состоит из матрицы одноразрядных
сумматоров, вариантов построения которой
множество. В качестве примера на Рис. 25.18
изображена структурная схема матричного ум-
ножителя двух чисел: трех- и четырехразряд-
ного. Алгоритм его работы соответствует «руч-
ному» перемножению:
Х2 Xi х0
X Уз У2 У1 Уо
Х2У0 Х!Уо ХоУо
Х2У1 W ХоУх
Х2У2 *1.У2 *0^2
ХгУз %1Уз ХцУз
56 ^5 54 S3 S2 Si So
Рассматриваемый У. ч. состоит из двухмер-
ной матрицы 3x3 одноразрядных сумматоров
(на схеме обозначены кружками). Каждая
строка сумматоров формирует частичное про-
изведение и передает его последующей строке.
Быстродействие матричного У ч. определяется
лишь суммарным временем распространения
переноса и временем образования суммы.
25.26. ФОРМА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЧИ-
СЕЛ — позиционная система счисления, ис-
пользуемая для представления чисел в ЭВМ и
определяющая способ размещения разрядов в
ячейках памяти. Числа можно представить в
двух формах: с фиксированной или с плаваю-
щей запятой.
В Ф .п. ч. с фиксированной запятой поло-
жение запятой, отделяющей дробную часть
числа от целой, фиксируется в определенном
месте относительно разрядов числа. Как пра-
вило, запятая находится или перед старшим
разрядом, например, (,1101) = 0.8125, или по-
сле младшего разряда, например, (1101,) = 13.
В первом случае при п значащих разрядах мо-
гут быть представлены только числа N по мо-
дулю меньше 1 (1-2" > |У| > 2”"), во втором —
только целые числа (2" > |У| > 1), а также чис-
ло 0 в обоих случаях. Для кодирования знака
добавляют знаковый (слева) разряд, в котором
1 соответствует знаку «минус», а 0 — знаку
«плюс». Тогда в указанном диапазоне могут
быть представлены как положительные, так и
отрицательные числа. Использование Ф. п. ч. с
фиксированной запятой дает возможность уп-
ростить схемы ЭВМ, повысить ее быстродей-
ствие. Основной недостаток такого представ-
ления — малый диапазон представимых чисел.
В Ф. п. ч. с плавающей запятой число запи-
сывают как ±т-2±е, где т — мантисса (всегда
дробное число, меньше 1), а е — порядок (всегда
целое число). Например, (, 11O1-2101) = 26. Обе
эти величины представляются в ЭВМ как це-
лые числа со знаком. При этом разрядность
мантиссы влияет на точность, а разрядность
порядка — на диапазон используемых чисел.
Представление числа с плавающей запятой не
является однозначным, поскольку сдвиг ман-
тиссы вправо (влево) на один разряд и одновре-
менное увеличение (уменьшение) порядка на 1
дают одно и то же число при различной записи,
например, 0,101-2110 = 0,0101-2111 = 40. Для ус-
транения неоднозначности в ЭВМ после вы-
768
РАДИОТЕХНИКА
25.28. ЦИФРОВОЙ АВТОМАТ
полнения операций над числами осуществля-
ют их нормализацию, т.е. представляют их в
такой форме, когда старший разряд мантиссы
равен 1. Основное достоинство представления
чисел с плавающей запятой — значительно
больший диапазон представимых чисел, чем с
фиксированной запятой, при одинаковой их
разрядности.
2^47. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБ-
РАЗОВАТЕЛЬ — устройство, предназначен-
ное для преобразования цифрового кода N в
пропорциональное аналоговое значение напря-
жения t/BbIxW- Идеальная передаточная харак-
теристика ЦАП изображена на Рис. 25.19, а
(здесь Ам — шаг квантования). По принципу
действия различают ЦАП: с суммированием и
делением напряжения; с суммированием то-
ков. Более быстродействующие — последние,
имеющие матрицу взвешенных резисторов
(Рис. 25.19, б) или резистивную матрицу R-2R
(Рис. 25.19, в). Здесь а, — разряд входного ко-
да N разрядностью т, Roc — резистор ОС,
t/on — опорное напряжение. Анализ выраже-
ния выходного напряжения t/BMX(7V) показыва-
ет, что в обеих схемах оно пропорционально
входному коду N. Недостаток первой схемы —
широкий набор номиналов резисторов и тре-
бование их высокой точности, в особенности
при значительном числе разрядов входного ко-
да. Во второй схеме используют резисторы
только двух номиналов, но увеличиваются зна-
чения паразитных емкостей.
Основные параметры ЦАП: число разря-
дов т входного кода N; разрешающая способ-
ность (шаг квантования Ам); абсолютная по-
грешность преобразования — отклонение зна-
чения ивых от расчетного в конце передаточной
характеристики; нелинейность — максималь-
ное отклонение реальной передаточной харак-
теристики от идеальной; время установления
/уст* выходного напряжения.
25.28. ЦИФРОВОЙ АВТОМАТ (последо-
вательностное устройство) осуществляет при-
ем, хранение и преобразование дискретной ин-
формации по определенному для него алгорит-
му без участия человека. Выходной сигнал по-
следовательностного устройства на текущем
такте определяется не только комбинацией
входных сигналов на данном такте, но и их
значениями, а также состояниями Ц. а. на пре-
дыдущих тактах. Таким образом, Ц. а. в отли-
чие от комбинационного устройства, обладает
памятью. Ц. а. описывают функциями их выхо-
дов y(J), которые определяют через множество
входных сигналов x(t) и состояния автомата
s(t). По способу формирования y(t) различают
Ц. а. трех типов: автомат Мили (1), автомат
Мура (2), С-автомат (3):
ИО = Л>(/), %(/)]; s(r + i) = <p[5(r),х(0); (1)
y(t) = ЛХ)]; s(t +1) = <p[s(t), X(O]; (2)
л(0 = Ж0,*(')]; №(0 = /2[s(')]; (3)
s(t +1) = <p[s(O, XO],
где s(t + 1) — состояние Ц. а. в следующий мо-
мент времени.
ВЦ. а. всех типов состояние s(t + 1) опре-
деляется как состоянием s(t), так и входным
сигналом x(t). Тем не менее для Ц. а. Мили ха-
рактерна зависимость выходного сигнала y(t)
как от состояния s(t)9 так и от входного сигна-
ла. Выходной сигнал автомата Мура зависит
только от состояния s(t). С-автомат формирует
Глава 25. УСТРОЙСТВА ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
769
25-2959
25.28. ЦИФРОВОЙ АВТОМАТ
два выходных сигнала, один из которых опре-
деляется состоянием s(t) и входным сигналом
х(/), а второй — только его состоянием.
Ц. а. можно описать словами, таблицей со-
стояний, с помощью направленного графа, что
наиболее наглядно. Например, реверсивный
счетчик с коэффициентом счета 5, который при
входном сигнале х = 1 суммирует, а при х = 0 вы-
читает и формирует сигнал переноса у = 1 при
нулевом состоянии Ц. а., можно представить
графом (Рис. 25.20), где а, — состояние Ц. а., а
линии со стрелками указывают направления пе-
реходов. Элементами памяти являются тригге-
ры, а состояниями Ц. а. — значения сигналов на
их выходах. На т триггерах возможна реализа-
ция Ц. а. с 2т состояниями. Представленный на
Рис. 25.20 граф описывает Ц. а. Мура, который
может быть реализован на трех триггерах.
25.29. ЦИФРОВОЙ СИГНАЛ — это сиг-
нал, дискретизированный во времени и кванто-
ванный по уровню, причем каждый из уровней
представляется числом, как правило, двоич-
ным. Ц. с. описывают квантованной решетча-
той функцией. Типовым Ц. с. является выход-
ной сигнал АЦП.
25.30. ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР — цифровое
устройство, предназначенное для разделения
колебаний различных частот. Для построения
произвольного линейного ЦФ с постоянными
параметрами достаточно иметь лишь три базо-
вых цифровых устройства. Это — элемент за-
держки (Рис. 25.21, а), умножитель (Рис. 25.21,
б) и сумматор (Рис. 25.21, в), которые выполня-
ют следующие линейные операции: задержку
сигнала на один отсчет, умножение отсчета на
константу (его взвешивание), суммирование от-
счетов на каждом такте. Поэтому работа линей-
ного ЦФ описывается разностным уравнением,
содержащим лишь названные операции:
y(w)=aox(w)+a1x(w — 1)+а2х(я — 2)+...+
+avx(n -v) -[Р,у(« -О +₽2У(« -2) +...+ (1)
+РГУ(«
где х(и), у(п) — отсчеты входных и выходных
сигналов соответственно; п— номер времен-
ного отсчета; а,— весовой коэффициент при
входном отсчете, задержанном на i тактов;
Ру — весовой коэффициент при выходном от-
счете, задержанном на j тактов. Наличие знака
«минус» перед квадратной скобкой непринци-
пиально. Важно, чтобы коэффициент ру входил
с противоположными знаками в разностное
уравнение и передаточную функцию ЦФ (см.
далее). Пример структурной схемы ЦФ пока-
зан на Рис. 25.22. Разностное уравнение, опи-
сывающее этот ЦФ, имеет вид:
у(п) = Ъх(п) + 2x(w-l) + 0.7у(и-1)-
Рекурсивный цифровой фильтр — это
фильтр, у которого по крайней мере один из ве-
совых коэффициентов при выходных задер-
жанных отсчетах не равен нулю (ру 0). В
структуре такого ЦФ имеется цепь ОС.
Нерекурсивный цифровой фильтр — это
фильтр, у которого все весовые коэффициенты
при выходных задержанных отсчетах равны
нулю (ру = 0). Такие ЦФ не имеют цепи ОС.
770
РАДИОТЕХНИКА
25.30. ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР
Импульсная характеристика цифрового
фильтра — реакция h(n) ЦФ при нулевых на-
чальных условиях на цифровую дельта-функ-
цию 5(и). ИХ h(ri) и передаточная функция H(z)
ЦФ связаны /-преобразованием. Действитель-
но, H(z) = Y(z)IX(z\ где X(z) и Y(z) — /-преоб-
разования входного х(п) и выходного у(п) сиг-
налов. Входным сигналом при определении
ИХ является цифровая S-функция х(п) = 5(w),
а ее изображение (см. ст. 25.32) — единица:
5(и) <->1. Тогда H(z) = Y(z). Поскольку выход-
ной сигнал у(п) = Л(и), имеем соотношение
H(z) h(n).
Поскольку H(z) всегда является дробно-ра-
циональной функцией вида H(z) = A(z)/B(z), где
A(z) и B(z) — полиномы переменной z (см. да-
лее), для выполнения ее обратного /-преобра-
зования (вычисления ИХ) всегда можно при-
менить метод разложения на простые дроби
(см. ст. 25.32). В результате имеем
(.) „ ,=1 (2)
где 5(и) — цифровая дельта-функция; 1(и) —
цифровой единичный скачок; zz — z-й полюс
функции H(z) в z-плоскости; pt = о, + усог — со-
ответствующий z-й полюс в p-плоскости (см.
ст. 25.32); Т — период дискретизации сигналов
х(и), у(п) (см. ст. 25.19); тп — число полюсов
функции H(z)\ Ki = Rjzi — коэффициенты раз-
ложения; Rj — вычет в полюсе zz.
Из формулы (2) следует, что каждый полюс
передаточной функции обуславливает появле-
ние в ИХ экспоненциальной составляющей.
Поскольку H(z) — всегда дробно-рациональ-
ная функция, ее полюсы zz и коэффициенты
разложения АГ, либо действительные, либо по-
парно комплексно-сопряженные. Из формулы
(2) также следует, что составляющая Л,(и) ИХ,
соответствующая действительному корню zz =
ah определяется как
й,(и) =К,а" = К:еа'т”,Т<з1 =1п|а,-|. (3)
Таким образом, экспоненциальная состав-
ляющая является затухающей, если |az| < 1.
При отрицательном полюсе («z < 0) эта состав-
ляющая становится знакопеременной: 7zz(w) =
= Kz(-1)” I at I ”. Комплексной паре полюсов со-
ответствует составляющая 7zy(w) ИХ вида:
hj (и) =2|XZ |еа,Г/г sin(coz7w +4^),
= arctg(r, / х,), (4)
где Ki = rz - jXi.
Синусная составляющая становится зату-
хающей, если еаГ= |zz| < 1, т.е. если полюс на-
ходится внутри единичной окружности на z-
плоскости.
Выражение (2) описывает ИХ бесконечную
во времени, которой обладают рекурсивные
ЦФ. Такие ЦФ относятся к классу фильтров с
бесконечной импульсной характеристикой
(БИХ). Нерекурсивные ЦФ относятся к классу
фильтров с конечной импульсной характерис-
тикой (КИХ). Действительно, обратное /-пре-
образование передаточной функции нерекур-
сивного ЦФ (см. далее) дает
V V
7z(zz) =/-1{^azz“'} = ^а;5(и - z), (5)
/=1 /=1
где {•} означает оператор обратного /-пре-
образования.
Поскольку в ЦФ число элементов задержки
v конечно, ИХ (5) также конечна. Число ее от-
счетов и их значения совпадают с числом и
значениями коэффициентов az.
Зная ИХ 7z(«), можно при нулевых началь-
ных условиях рассчитать выходной сигнал у(п)
ЦФ по заданному входному сигналу х(п). По-
скольку X(z) = Y(z)H(z), по теореме о свертке
имеем
у(«) = Хл(0х(л -0 = ^x(i)h(n-i), (6)
1=0 /=0
т.е. выходной сигнал является сверткой вход-
ного сигнала х(п) и ИХ h(n).
Критерий устойчивости ЦФ формулирует-
ся следующим образом: ЦФ является устойчи-
вым, если при произвольных начальных усло-
виях и при произвольном ограниченном вход-
ном сигнале х(п) выходной сигнал у(п) также
остается ограниченным. Из этого критерия и (6)
вытекает второй критерий устойчивости ЦФ: он
устойчив, если при всех п > 0 ИХ не стремится
к бесконечности. На основании (3), (4) следует
третий критерий устойчивости ЦФ: все полюсы
должны находиться на z-плоскости внутри еди-
ничной окружности. Каждый из этих критериев
является достаточным. Очевидно, что нерекур-
сивные ЦФ всегда устойчивы, поскольку все
полюсы совпадают с началом координат на z-
Глава 25 УСТРОЙСТВА ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
771
25.30. ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР
плоскости (см. далее). Этот вывод согласуется с
отсутствием ОС у нерекурсивных ЦФ.
Комплексный коэффициент передачи ци-
фрового фильтра — отношение выход-
ного сигнала ко входному в установившемся ре-
жиме, если на вход ЦФ подан комплексный гар-
монический цифровой сигнал х(п) = АеЛшп+ч>\
К.к.п. Н (Эсо) и ИХ h(n) связаны парой пре-
образования Фурье. Для доказательства этого
сделаем в (6) подстановку видах(и) =24е7(<0"г+ф):
Хл)=£л(»Ме'[“г("-'Нф] =
z=0
i=Q
Это выражение можно записать как у(п) =
= x(n)H(jmy Здесь частотнозависимый коэффи-
циент H(j&) при входном гармоническом сиг-
нале х(п) = Ле7(<0"г+ф) является по определению
К.к.п. и имеет вид:
Н = =F{h(i)}, (7)
z=0
где F{.} означает оператор прямого преобразо-
вания Фурье.
К.к.п. связан также с передаточной функ-
цией H(z). Как показано выше, H(z) и ИХ h(n)
связаны /-преобразованием: Н(z) = .
i=Q
Из сравнения последнего выражения с (7) сле-
дует, что
H(ja)) = H(z)2 ,=eJbiT • (8)
Таким образом, К. к. п. можно получить
подстановкой z = е7"7 в выражение передаточ-
ной функции H(z) ЦФ.
Амплитудно-частотная характеристика
цифрового фильтра — модуль К. к. п. ЦФ
Л (со) = |Я(/со)|, равный отношению амплитуд
на выходе и входе, если на вход ЦФ подан
гармонический цифровой сигнал х(п) =
= Лзш(соиТ + ср).
Отметим, что значения АЧХ на частотах
со = 0 и со = Q/2, где О — частота дискрети-
зации, могут быть вычислены без перехода от
H(z) к Н (/со) согласно (8).
Из этого выражения следует, что значениям
со = 0 и со = 0/2 соответствуют значения z = 1 и
z = -1. Поэтому:
|Н(®=0)1 = |Н(® = Й/2)| = IH^ _
Фазочастотная характеристика цифро-
вого фильтра — аргумент К. к. п. ЦФ ср(со) =
= arg{H(/co)}, определяющий сдвиг фаз между
гармоническими цифровыми сигналами на
входе и выходе ЦФ.
В выражения К. к. п., АЧХ и ФЧХ частота
со всегда входит как е7". Поскольку е7" — пери-
одическая функция с периодом, равным часто-
те дискретизации О = 2я/Т, функции
Л (со) и ср(со) также периодичны по частоте с од-
ним и тем же периодом. В этом состоит суще-
ственное отличие ЦФ от аналоговых фильтров.
Поскольку К.к.п. Н (/со) является преобра-
зованием Фурье ИХ h(n), то К.к.п. обладает
всеми свойствами, справедливыми для спект-
ра дискретного сигнала. В частности, если
h(n) — действительная функция, то справед-
ливо соотношение = Н(^/со). С учетом
периодичности по частоте с периодом,
равным О, имеем: = H[j(Q- со)]. Т.е.
К.к.п. комплексно симметричен относительно
точки со = QJ2, и он полностью определяется
в цолосе частот со = 0.. .0/2.
Передаточная функция цифрового филь-
тра — функция H(z\ определяемая как отноше-
ние Z-преобразования выходного сигнала Y(z) к
/-преобразованию входного сигнала X(z) при
нулевых начальных условиях: H(z) = Y(z)/X(z).
П. ф. ЦФ можно получить, выполнив /-преоб-
разование правой и левой частей разностного
уравнения (1) и решив его после этого относи-
тельно Y(z)/X(z):
-1 -2 -v
//(z) = a°+alz +a2Z +- + avz (9)
1 + + P2z"2 +... + Prz-r
Соотношение между степенями полиномов
в формуле (9) может быть произвольным: v > г
или г > V, поскольку в разностном уравнении
они определяют число элементов задержки
входного и выходного (в цепи ОС) сигналов.
Свободный член полинома в знаменателе все-
гда не равен нулю, так как он является весовым
коэффициентом при выходном сигнале у(п) в
разностном уравнении. Поэтому при умноже-
нии числителя и знаменателя выражения (9) на
zv, если V > г, или на zrJ если г > V, выражение
П. ф. ЦФ будет дробно-рациональной функци-
772
РАДИОТЕХНИКА
25.30. ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР
ей аргумента z:
2 к
тт, х a^+a.z+a^z +...+akz
H(z) =—-----!S--------------— =
bQ -\~b\Z +b2z 4-...4-bmzm
° 1 2 m (10)
= ak (z ~zoi )(z~z02 )-(z ~z0k )
bm(z-Zf)(z-z2)...(z-zm)
где zOz — z-й нуль функции H(z); zj — J-й полюс,
причем в (10) всегда m> к.
Часто возникает необходимость вычисле-
ния обратного /-преобразования функции
H(z\ что позволяет определить ИХ ЦФ по из-
вестной П. ф. Если H(z) представлена в виде
(10), то эта задача легко решается с помощью
метода разложения на простые дроби (см. ст.
25.32). Выражения (9), (10) используют для
описания П. ф. рекурсивного ЦФ. Для нере-
курсивного фильтра соответствующие выра-
жения имеют вид:
7/(z)=[Ja,.z<v-')]/zv.
/=0 (=0
Отсюда вытекает, что все v полюсов П. ф.
нерекурсивного ЦФ совпадают с началом ко-
ординат (z, = 0) на z-плоскости и такой ЦФ все-
гда устойчив.
Синтез цифрового фильтра — определе-
ние коэффициентов ЦФ, при которых он удов-
летворяй заданным условиям, и выбор кон-
кретной схемы с учетом квантования коэффи-
циентов и данных.
Различают методы синтеза ЦФ с конечны-
ми (КИХ) и бесконечными (БИХ) импульсны-
ми характеристиками. Основные методы сйн-
теза КИХ-фильтров: взвешивания, частотной
выборки, проектирования оптимальных ЦФ с
минимальной ошибкой. При синтезе БИХ-
фильтров зачастую используют косвенные ме-
тоды, осйованные на преобразовании аналого-
вого фильтра-прототипа в соответствующий
ЦФ. Прямые методы синтеза ЦФ в z-плоскости
основываются на нахождении такого располо-
жения нулей и полюсов, при котором обеспе-
чивается требуемая аппроксимация непосред-
ственно заданной характеристики ЦФ.
Метод билинейного Z-преобразования — кос-
венный метод синтеза БИХ-фильтров, основан-
ный на преобразовании комплексной ^-плоско-
сти в z-плоскость, когда вся ось частот усо на р-
плоскости’ 'отображается едййичной окружнос-
тью на z-плоскости, а устойчивый аналоговый
фильтр всегда преобразуется в устойчивый ЦФ. В
передаточной функции К(р) аналогового фильт-
ра^прототипа выполняется замена вида/? *= [2(1 -
z-1)]/[Д1 + z-1)]. Результатов является передаточ-
ная функция H(z) ЦФ. При таком преобразовании
эффекты наложения в АЧХ ЦФ отсутствуют.
Метод взвешивания — метод синтеза КИХ-
фильтров, основанный на взвешивании ИХ
h(n) БИХ-фильтров с помощью весовой решет-
чатой функции конечной длины W(n), равной
Нулю при п < 0. Функцию W(ri) называют ок-
ном. Метод применяют в основном для синтеза
ЦФ нижних частот и ПФ, АЧХ которых по фор-
ме близки к прямоугольной, поэтому взвешива-
ют дискретизированную ИХ идеального пря-
моугольного фильтра. При этом для реализа-
ции линейной ФЧХ осуществляют задержку
ИХ идеального фильтра на время Го/2, где То —
продолжительность конечной ИХ. Простое
усечение ИХ (прямоугольное окно) приводит к
явлению Гиббса, проявляющемуся в виде вы-
бросов и пульсаций в АЧХ ЦФ. Для увеличения
затухания вне полосы пропускания и уменьше-
ния неравномерности в полосе пропускания
применяют более сложные окна, например, ок-
но Хемминга, окно Кайзера; при этом происхо-
дит расширение переходной полосы.
Метод инвариантного преобразования им-
пульсной характеристики — косвенный метод
синтеза БИХ-фильтра, основанный на дискре-
тизации ИХ аналогового фильтра-прототипа.
Выполнение /-преобразования дискретизован-
ной ИХ приводит к такому выражению переда-
точной функции ЦФ, по которому нетрудно оп-
ределить его весовые коэффициенты. В резуль-
тате АЧХ ЦФ образуется «размножением» (с
наложением) АЧХ аналогового фильтра.
Форма реализации цифрового фильтра
— структурная схема ЦФ, соответствующая
определенному виду разностного уравнения
(системы разностных уравнений) или переда-
точной функции.
Прямая форма реализации цифрового
фильтра — структурная схема ЦФ, соответст-
вующая непосредственной реализации ЦФ со-
гласно разностным уравнениям вида (1).
Структурная схема ЦФ в прямой форме реали-
зации приведена на Рис.25.23.
Каноническая форма реализации цифрово-
го фильтра — структурная схема рекурсивно-
го ЦФ, в которой осуществляется задержка
промежуточного сигнала v(n) и которая соот-
ветствует системе уравнений:
{Г V
v(n) = х(п) - £ Р, v(n - 0; у(п) - У. a, v(« - i).
i=l 1=0
Глава 25 УСТРОЙСТВА ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
773
25.30. ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР
В канонической форме реализации исполь-
зуется минимальное число элементов задерж-
ки. Цепи задержки одновременно принимают
участие в формировании нулей и полюсов.
Структурная схема ЦФ в канонической форме
реализации изображена на Рис. 25.24.
Последовательная форма реализации циф-
рового фильтра — структурная схема ЦФ, име-
ющая вид последовательного соединения бло-
ков, как правило, первого и второго порядков.
Для построения ЦФ в последовательной форме
реализации передаточную функцию H(z) запи-
сывают в виде произведения L передаточных
функций Hj(z) первого и второго порядков,
предварительно представив многочлены числи-
теля и знаменателя функции H(z) в виде произ-
ведения линейных множителей (z - zt)9 где —
корень многочлена. Структурная схема ЦФ в
последовательной форме реализации приведе-
на на Рис. 25.25.
Hl(z) - H2(z) ---------- ••• — HL(z)
Рис. 25.25
Параллельная форма реализации цифрово-
го фильтра — структурная схема ЦФ, имею-
щая вид параллельного соединения блоков, как
правило, первого и второго порядков. Для по-
строения ЦФ в параллельной форме реализа-
ции передаточную функцию H(z) записывают в
виде суммы L передаточных функций Hj{z)
первого и второго порядков, предварительно
разложив ее на простые дроби и попарно сло-
жив слагаемые, соответствующие парам ком-
плексно-сопряженных и парам действитель-
ных полюсов. Отдельные звенья второго по-
рядка называют биквадратными блоками.
Они, в свою очередь, могут быть построены в
прямой или канонической форме реализации.
Структурная схема ЦФ в параллельной форме
реализации изображена на Рис. 25.26.
Рис. 25.26
Существуют также другие формы реализа-
ции рекурсивных и нерекурсивных ЦФ. Все
рассмотренные формы реализации имеют оди-
наковую передаточную функцию, но в них раз-
личным способом проявляются эффекты ко-
нечной разрядности чисел.
Эффекты квантования в цифровых
фильтрах — явления, обусловленные конеч-
ной разрядностью всех используемых регист-
ров. К таким явлениям относятся: шум кван-
тования входного сигнала, возникающий при
преобразовании аналогового сигнала в цифро-
вой и обусловленный разностью между исход-
ным сигналом и квантованным; шум квантова-
ния результатов умножения и сложения, вы-
полняемых ЦФ; погрешности характеристик
ЦФ, обусловленные квантованием его весовых
коэффициентов, коррелированный шум округ-
ления, проявляющийся в виде предельных
циклов [1].
774
РАДИОТЕХНИКА
25.32. Z-ПРЕОБРАЗОВАНИЕ
Квантование числа — представление его
с помощью конечного числа b разрядов. При
этом применяют два способа: округление и
усечение. Округляя исходное «-разрядное
число (Ь<п< °°), его заменяют ближайшим Ь-
разрядным. При усечении числа разряднос-
тью п до b разрядов младшие п — b разрядов
отбрасываются. Поскольку среднее значение
шума квантования при усечении числа боль-
ше, на практике предпочитают округление.
Существуют различные оценки шумов кван-
тования в ЦФ: детерминированные, вероятно-
стные и пр.
25.31. ШИФРАТОР — комбинационное
устройство с несколькими входами х и выхода-
ми у, обеспечивающее выдачу определенного
кода в ответ на возбуждение одного из входов.
Табл. 25.8 описывает Ш., преобразующий де-
сятичный код в двухразрядный двоичный. При
этом имеется в виду, что в любой момент может
быть активизирован лишь один из входов (на-
пример, нажатием одной из четырех клавиш).
Поскольку для каждого набора входных сигна-
лов только в одном разряде присутствует 1, то
логические функции можно сразу записать в
минимизированном виде: у0 = *1 + *з', У i= *2+*з-
Если допустить одновременную активизацию
нескольких входов (нажатие нескольких кла-
виш), то можно потребовать, чтобы Ш. реагиро-
вал только на самый старший (или самый млад-
ший) из входов (Табл. 25.9). Такие преобразова-
тели называют приоритетными Ш.
Таблица 25.8
*3 х2 *1 *0 Ji Jo
0 0 0 1 0 0
0 0 1 0 0 1
0 1 0 0 1 0
1 0 0 0 1 1
Таблица 25.9
*3 Х1 *1 хо Ji Jo
0 0 0 1 0 0
0 0 1 * 0 1
0 1 * * 1 0
1 * * * 1 1
Примечание. Знак * означает, что переменные х
могут принимать любые значения (0,1).
25.32. Z-ПРЕОБРАЗОВАНИЕ — преобра-
зование, связывающее оригинал fin) (времен-
ную функцию) и его изображение F(z) (функ-
цию комплексной переменной).
Z-преобразование прямое — ставит в со-
ответствие временной решетчатой функции
/(«) функцию F(z) комплексной переменной z:
F(z)=^/(n)z-".
оо
(1)
Z-преобразование в цифровых системах иг-
рает ту же роль, что и преобразование Лапласа
в аналоговых системах. В принципе возможно
применение преобразования Лапласа F(p) и для
решетчатых функций. Но при этом использует-
ся лишь незначительная область комплексной
p-плоскости (полоса высотой Q, где □ — часто-
та дискретизации временного сигнала). Для ос-
тальных точек на p-плоскости F(p) периодиче-
ски повторяется. Поэтому в цифровых систе-
мах применяют Z-преобразование, при котором
используется вся комплексная z-плоскость.
Плоскости р и z взаимосвязаны: любая точка
Pi = G, + у со, на p-плоскости отображается в точ-
ку zz. =|zz|e7<₽/ на z-плоскости и наоборот:
z,=ep'T =е°'геря'Т; с,Т=ln|z,|,
(titT =argzz =<pz,
где Т — период дискретизации временной
функции.
Отметим, что текущая частота со на z-пло-
скости определяется (в отличие от p-плоско-
сти) аргументом (р комплексной переменной z,
а затухание о — ее модулем (2). Текущая час-
тота со на z-плоскости однозначно определяет-
ся в пределах □ (Рис. 25.27, а). При этом ср = 0
соответствует частоте со = 0, ср = л/2 — частоте
со = П/4 и т.п. (Рис. 25.27, б). Отрицательная
полуплоскость р (область устойчивости анало-
говых систем) отображается внутрь единич-
ной окружности на z-плоскости (область ус-
тойчивости цифровых систем).
Z-n. п. имеет ряд свойств, аналогичных
преобразованию Лапласа, в частности: свой-
Глава 25 УСТРОЙСТВА ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
775
25.32. Z-ПРЕОБРАЗОВАНИЕ
ство линейности; для него справедлива теоре-
ма о свертке — произведению /-преобразова-
ний двух временных решетчатых функций со-
ответствует их дискретная свертка во времен-
ной области (см. ст. 25.20), т.е.
Fj(z)f2(Z)-> £ ЛИЛ («-');
справедлива также теорема о сдвиге (если
fin) -» F(z), то Ди - k) -» F(z)z~k, т.е. задержке
во времени на к тактов соответствует умноже-
ние Z-n. п. на z-*).
Воспользовавшись выражением (1), не-
трудно получить изображения распространен-
ных функций: S(w) -» 1; б(и - к) -» z~k\ апЦп) =
= е^Ци) —> z/(z - а) = zfiz - еа), где а = 1п|а|. В
последнем случае следует воспользоваться
формулой суммы геометрической прогрессии.
Z-преобразование обратное — позволяет
по известному изображению F(z) определить
решетчатую функцию Ди) (оригинал):
f^~^z)z^dz,
с
где с — замкнутый контур в области сходи-
мости, охватывающий начало координат в z-
плоскости.
Прямая оценка этого выражения затрудни-
тельна. Отметим частный, но распространен-
ный случай, когда F(z) является несократимой
дробью многочленов A(z), B(z):
F(z) =
A(z) _ aQ +ayZ + a2z1 2 3 4 5 6 7 8 +... + akzk
B(z) +bxz -\-b2z2' +...+bmzm
и соблюдаются условия: A(z), B(z) не имеют об-
щих корней; среди всех т корней B(z) нет крат-
ных и нулевых; т > к. При этом Z-n. о. можно
оценить, используя метод разложения функции
Ди) на простые дроби, согласно которому
л«)=^з(п)+(£^г")1(«)’
где б(и) — цифровая дельта-функция; 1(и) —
цифровой единичный скачок; = Rjzi — коэф-
фициент разложения; Rt = [A(z)/B(z)]z = z, —
простой вычет в полюсе zz.
Если функция F(z) имеет кратные полюсы,
то вычеты вычисляются по более сложной
формуле. Для случая т = к предварительно
следует в числителе выражения F(z) выделить
полином B(z) (выполнить деление полиномов).
Тогда для остатка всегда будет выполнять-
ся условие т > к. Далее следует учесть, что
1 -э б(и), а для остатка справедливы приве-
денные ранее соотношения.
Существуют и другие методы выполнения
Z-n. о. - такие, как методы вычетов*, деления,
разложения в степенной ряд [1,3].
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. — М.: Мир, 1978.
— 848 с.
2. Зубчук В.И., Сигорский В.П., Шкуро А.Н. Справочник по цифровой схемотехнике. — К.: Тех-
ника, 1990. — 448 с.
3. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов. — М.: Радио
и связь, 1985. — 312 с.
4. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интеграль-
ных микросхемах: Справочник. — М.: Радио и связь, 1990. — 304 с.
5. Рицар Б.С. Цифрова техшка. — К.: НМК ВО, 1991. — 371 с.
6. Толковый словарь по вычислительным системам / Под ред. В. Иллингуорта, Э.Л. Глейзера,
И.К. Пайла. — М.: Машиностроение, 1991. — 560 с.
7. Цифровая и вычислительная техника / Под ред. Э. В.Евреинова. — М: Радио и связь, 1991.
— 464 с.
8. Пшеничников В.А. Электроника: курс лекций. — СПб: Корона принт, 2000. — 416 с.
776
РАДИОТЕХНИКА
ГПДНД 26
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ
ЭЛЕКТРОНИКА
• Использование комбинаций
самых различных явлений
(эффектов) для обработки
сигналов рождает множество
возможных новых устройств.
• Трудно создать хорошую теорию —
она должна быть разумной,
а факты не всегда таковы.
Дж.У. Бидл
• Квантовый молекулярный вычислитель
реализует теоретический предел
миниатюризации и быстродействия
вычисления, которые достигаются
при минимальном потреблении энергии.
Р. Фейнман
• Двойное лучепреломление в кварце
(X. Хюйгенс, Голландия, 1678 г.).
• Интерферометр Фабри—Перо
(Ш. Фабри, А. Перо, Франция, 1899 г.).
• Сверхпроводимость
(Г. Камерлинг-Оннес, Голландия, 1911 г.).
• Ферромагнитный резонанс
(В.К. Аркадьев, Россия, 1913 г.).
• Голография
(Д. Габор, Англия, 1946 г.).
• Волоконная оптика
(И. Капани, Англия, 1956г.).
• ЖИГ-фильтры
(Р.В. де Грасс, США, 1958 г.).
• Эффект Джозефсона
(Б.Д. Джозефсон, Англия, 1962 г.).
• Оптические интегральные схемы
(А. Ярив, США, 1982 г.).
• Первый молекулярный диод
(С.А. Панетта, Дж. Багдадчи,
Р. Мецгер, США, 1984 г.).
Функциональная электроника — область
электроники, в которой используется совокуп-
ность различных физических явлений в твер-
дых телах, жидкостях и газах для формирова-
ния, хранения и обработки сигналов. В отли-
чие от дискретных элементов (резисторов,
конденсаторов, катушек индуктивностей, дио-
дов, транзисторов), которые в результате их
электрических соединений осуществляют пре-
образование электрических сигналов, в основе
физической интеграции лежат различные, а не
только электрические процессы, протекающие
в объеме материала. Их реализация требует
менее жестких технологических операций,
способствует повышению надежности вслед-
ствие уменьшения числа элементов системы,
ее габаритных размеров, ведет к расширению
функциональных возможностей. В зависимос-
ти от использования тех или иных видов энер-
гии функциональная электроника делится на
акустоэлектронику, магнитооптику, теплоэлек-
тронику и др.
Рекомендуется следующий порядок изуче-
ния статей раздела: 26.12, 26.1, 26.11, 26.4,
26.2, 26.7, 26.8, 26.10, 26.5, 26.3, 26.6, 26.9.
26.1. АКУСТООПТИКА — область акус-
тоэлектроники, связанная с взаимодействием
оптических сигналов с дифракционными ре-
шетками, образованными акустическими коле-
баниями и волнами в оптически прозрачных
средах. Акустическая волна, распространяясь
в твердом теле или жидкости, создает локаль-
ные сжатия или растяжения, связанные с меха-
ническими напряжениями. В связи с эффек-
том фотоупругости, т.е. изменения диэлект-
рической проницаемости (оптической плотно-
сти) среды под действием механических на-
пряжений, в ней образуются периодически из-
меняющиеся области с различными показате-
лями преломления — дифракционная решетка,
движущаяся со скоростью акустической вол-
Глава 26. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
777
26.1. АКУСТООПТИКА
ны. При распространении света в такой среде
возникает дифракция — изменение первона-
чальной формы волнового фронта сигнала
при распространении его в среде с неоднород-
ностями. Вид дифракции зависит от интен-
сивности акустооптического взаимодействия,
что, в свою очередь, зависит от соотношения
оптической X и акустической Л длин волн, а
также от глубины акустооптического взаимо-
действия L и определяется безразмерным па-
раметром Q = 2л£Х/Л2 [1].
Дефлектор акустооптический — устрой-
ство для отклонения лазерного луча, действие
которого основывается на дифракции света,
возникающей на дифракционной решетке, об-
разованной акустической волной. Перемеще-
ние луча в Д. а. осуществляется путем измене-
ния частоты акустического сигнала. Дефлекто-
ры чаще всего работают в режиме, приближаю-
щемся к дифракции Брэгга. Характеризуются
разрешающей способностью — числом разре-
шимых световых элементов при изменении ча-
стоты акустического сигнала. Согласно крите-
рию Релея, разрешимыми являются точки с
19%-м уменьшением световой интенсивности.
Разрешающая способность определяется как
N = тА/, где т = £>/(vacos0B) — время прохож-
дения акустической волны через световое поле
на апертуре Д. a.; D — диаметр светового пучка;
Af — полоса акустических частот, на которых
возможно отклонение светового пучка с умень-
шением интенсивности не более 4 дБ; va— ско-
рость акустической волны; 0Б— угол Брэгга.
Рабочая полоса частот Д. а. в значительной
степени определяется расходимостью акусти-
ческого луча, но не может быть выше частоты,
при которой в область оптического сканирова-
ния попадают дифракционные максимумы
второго порядка. При этом максимальная по-
лоса Д/max = 1.25va/VEl наблюдается на цент-
ральной частоте, где выполняется условие
Брэгга. Для расширения полосы частот, на ко-
торых выполняется это условие, дополнитель-
но используют частотное сканирование (на-
правление максимального излучения зависит
от частоты акустической волны в кристалле) на
основе фазированной решетки электроакусти-
ческих преобразователей. Это позволяет в два-
три раза расширить полосу частот. Реализова-
ны устройства с разрешающей способностью
от 200 до 1000 элементов, работающие в октав-
ной полосе в диапазоне рабочих частот от 40 до
200 МГц со временем переключения 5... 15 мкс.
Дифракция Брэгга — вид дифракции, при
котором дифракционный спектр (пространст-
венное распределение луча после дифракции)
состоит из двух максимумов нулевого и перво-
го порядков. Д. Б. имеет место при сильном
акустооптическом взаимодействии с парамет-
ром Q > 4л. Д. Б. первого порядка возможна
только в случае, когда излучение падает под
определенным углом 0Б к фронту акустичес-
кой волны и выполняется условие Брэгга —
sin0B = Х/(2Л).
Дифракция Рамана—Ната — вид ди-
фракции, при котором дифракционный спектр
состоит из большого числа симметричных, от-
носительно нулевого, максимумов высших по-
рядков. Наблюдается при сравнительно слабом
акустооптическом взаимодействии с парамет-
ром Q < 0.3. В случае падения оптической вол-
ны параллельно фазовому фронту акустичес-
кой волны направления дифракционных мак-
симумов определяются соотношением —
sin0w = mX/A, где т — порядок дифракционно-
го максимума.
Модулятор акустооптический — устрой-
ство, управляющее параметрами оптического
сигнала (амплитудой, фазой, частотой) с помо-
щью акустических сигналов в результате ди-
фракции. Как правило, используется брэггов-
ская дифракция. При дополнительной ампли-
тудной модуляции акустического сигнала час-
тотой fm в М. а. кроме несущей частоты суще-
ствуют спектральные суммарно-разностные ча-
стоты fQ ± fm. Соответственно этим спектраль-
ным составляющим поле дифрагированного
света расщепляется в пространстве на три луча,
частоты которых отличаются от частоты пада-
ющего света у0, и составляют у0 +Уо и v0 +/о ±Л-
Преимуществом М. а. перед электронно-опти-
ческим является более высокая контрастность,
меньшая управляющая мощность, низковольт-
ный вход, более простая оптическая схема и
высокая температурная стабильность.
26.2. АКУСТОЭЛЕКТРОНИКА — об-
ласть функциональной элекроники, в которой
используются акустические и электроакусти-
ческие явления в пьезоэлектриках (прямой и
обратный пьезоэффекты, магнитострикция)
для создания функциональных элементов ра-
диоэлектронных систем. По характеру акусти-
ческих колебаний различают акустоэлектрон-
ные устройства с использованием объемных и
поверхностных акустических волн, линейные
и нелинейные. К линейным устройствам отно-
778
РАДИОТЕХНИКА
26.2. АКУСТОЭЛЕКТРОНИКА
сятся резонаторы, фильтры, трансформаторы,
линии задержки и др. Нелинейные явления ис-
пользуются для создания электронно-управля-
емых устройств свертки (акустических кон-
вольверов) и корреляторов. Акустоэлектрон-
ные устройства работают в диапазоне частот
1О2...1ОТц [2—4].
Апертура — длина перекрытия штырей
встречно-штыревого преобразователя или дли-
на дифракционных штырей. Часто выбирается
по формуле W = V£B ш п Ха, где £в ш.п. — рассто-
яние между передающим и приемным встреч-
но-штыревыми преобразователями, Ха — дли-
на акустической волны.
Аподизация — неравномерность перекры-
тия штырей встречно-штыревого электроакус-
тического преобразователя (Рис. 26.1), созда-
ваемая для получения заданных амплитудно- и
фазочастотных характеристик. Поскольку ско-
рость распространения электрического сигна-
ла в сотни тысяч раз превышает скорость рас-
пространения акустического сигнала va, счита-
ют, что в каждый момент времени по коорди-
нате х (вдоль направления распространения
акустического сигнала) преобразователем фор-
мируется пространственный сигнал, значение
которого в области перекрытия штырей про-
порционально перекрытию, а амплитуда изме-
няется во времени в соответствии с мгновен-
ным значением напряжения, приложенного к
преобразователю. Частотная характеристика
такого преобразователя определяется преобра-
зованием Фурье пространственного сигнала
5(х) как
S(J(dx) = $S(x)exp(jcnxx)dx,
где сох — пространственная частота, сох = co/va.
Волна поверхностная акустическая —
акустическая волна, распространяющаяся в
тонком приповерхностнсм слое акустической
среды. При этом амплитуда механического
смещения упруго затухает в глубь последней.
Энергия такой волны концентрируется в при-
поверхностном слое толщиной около двух
длин акустической волны, что позволяет полу-
чить большую плотность акустической мощ-
ности, которая передается, что приводит к не-
линейным акустическим явлениям. От распро-
странения В. п. а. на поверхности пьезоэлект-
рика в результате прямого и обратного пьезо-
эффектов возникает волна электрического за-
ряда, синхронизированного с акустической
волной, — электроакустическая волна, ско-
рость распространения которой зависит от ме-
ханических и пьезоэлектрических свойств ма-
териала, а также от ориентации направления
распространения относительно кристаллогра-
фических осей. Скорость распространения
В. п. а. лежит в пределах от 1.6 до 6 км/с для
различных акустоэлектрических материалов.
Встречно-штыревой преобразователь
(ВШП) — планарная структура, состоящая из
двух проводящих гребенок, штыри которых
входят друг в друга, образуя решетку, на кото-
рую подается возбуждающее напряжение (см.
Рис. 26.1). Предназначен для возбуждения по-
верхностных акустических волн на поверхнос-
ти пьезоэлектрика. Расстояние между штырями
d выбирают исходя из условия электроакустиче-
ского синхронизма — согласования времени
пробега акустической волны между соседними
штырями и полупериода изменения напряже-
ния между ними на центральной частоте f0. Рас-
четная формула имеет вид d = vj(2fo), где va —
скорость акустической волны.
Конструкция ВШП и, особенно, число шты-
рей в значительной степени определяют его ча-
стотные свойства. По равномерности распреде-
ления штырей различают эквидистантные (с
равномерным распределением) и неэквидис-
тантные ВШП. В первых для получения нуж-
ной частотной характеристики используется
аподизация, определяемая как обратное прост-
ранственное преобразование Фурье от требуе-
мой нормируемой к va частотной характеристи-
ки фильтра. В случае реализации полосового
фильтра на ПАВ для получения оптимизиро-
ванных по определенным параметрам фильтров
используют специальные функции аподизации.
Линия задержки акустическая — устрой-
ство задержки сигнала, продолжительность кото-
Глава 26 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
779
26.2. АКУСТОЭЛЕКТРОНИКА
рой определяется временем распространения
акустической волны от возбуждающего до при-
емного преобразователя. Применение Л. з. а. —
см. ст. 31.6.
Линия задержки на ПАВ — устройство
задержки, в котором носителем сигнала явля-
ется ПАВ. Позволяет (в силу поверхностного
характера электроакустической волны) легко
реализовать многоотводные линии задержки.
Линия задержки на ПАВ дисперсионная
— устройство, в котором время задержки зави-
сит от частоты сигнала. Состоит из широкопо-
лосного излучающего и неэквидистантного
приемного преобразователей. Расстояние меж-
ду штырями последнего растет в направлении
распространения волны обратно закону час-
тотной модуляции сигнала. Используется для
сжатия сигналов с линейной частотной моду-
ляцией.
Резонатор пьезоэлектрический — уст-
ройство накопления энергии механических ко-
лебаний, связанных с электрическими, благо-
даря использованию прямого и обратного пье-
зоэффектов в пьезоэлектриках. Достоинствами
Р. п. являются высокие добротность, достигаю-
щая 107, температурная и временная стабиль-
ность. Минимальная рабочая частота опреде-
ляется размерами пьезоэлектрика, его формой
и типом используемых колебаний. Примене-
ние Р. п. — см. ст. 24.8, 17.29.
Резонатор электромеханический — уст-
ройство накопления энергии механических ко-
лебаний, связанных с использованием подмаг-
ниченных магнитострикционных материалов.
Достоинствами Р. э. являются высокие доброт-
ность (до 106) и температурная стабильность.
Р. э. используется для реализации многока-
нальных систем. Применение Р. э. — см. ст.
24.8, 17.29.
Трансформатор пьезоэлектрический —
устройство для преобразования напряжения
(тока) или согласования, в нем осуществляет-
ся преобразование механических колебаний
пьезоэлектрика, возбуждаемого электричес-
ким напряжением, с последующей регенераци-
ей напряжения на выходных электродах. Элек-
трические поля приложенного и трансформи-
рованного сигнала всегда направлены вдоль
активной оси пьезоэлектрика, совпадающей с
вектором поляризации. Все разнообразие ти-
пов Т. п. можно разделить на соосные и орто-
гональные. В первом случае векторы поляриза-
ции области возбуждения и трансформации со-
осны (первичные и вторичные электроды па-,
раллельны), а во втором — ортогональны. В
последнем случае трансформация амплитуды
механических колебаний происходит за счет
эффектов поперечного растяжения-сжатия, оп-
ределяемых коэффициентом Пуассона. Работа-
ют Т. п., как правило,.в режиме механического
резонанса как на основном, так и на высших
типах механических колебаний. Используется
пьезокерамика с высокой механической доб-
ротностью (от 200 до 2000), что обеспечивает
высокий КПД: 85...95%. Резонансную частоту
выбирают в диапазоне 100 кГц...3 МГц. Коэф-
фициент трансформации зависит от нагрузки и
достигает 100... 1000. Предел удельной мощно-
сти Т. п. составляет 0.15... 1 Вт/см3 при макси-
мальных уровнях мощности до 10 Вт. Т. п. ис-
пользуют как вторичные источники питания
(высоковольтные). По сравнению с электромаг-
нитными Т. п. имеют лучшие массогабаритные
характеристики и технологичность; для них ха-
рактерными являются отсутствие обмоточных
проводов, пожароустойчивость.
Фильтр пьезокерамический — фильтр,
основу которого составляют связанные между
собой пьезокерамические резонаторы. По кон-
структивному исполнению различают дис-
кретные, гибридные* интегральные и моно-
литные Ф. п. В дискретных Ф* п. резонаторы и
элементы связи являются отдельными компо-
нентами, электрически соединенными между
собой. Гибридные Ф. п. содержат как дискрет-
ные, так и интегральные компоненты.
Основой монолитных Ф. п. являются акус-
тически связанные пьезорезонаторы. При
этом резонатор и элемент акустической связи
имеют разные акустические сопротивления. В
планарных монолитных Ф. п. различные акус-
тические сопротивления создаются';металли-
зацией поверхности. Используются объемные
колебания сдвига или кручения по толщине.
Подэлектродные области с меньшим акусти-
ческим сопротивлением и более низкой резо-
нансной частотой концентрируют энергию
акустических колебаний и являются резонато-
рами, а внеэлектродные области, у которых ре-
зонансная частота выше и акустические коле-
бания упруго затухают, служат электродами
связи. Таким образом, акустическая связь оп-
ределяется расстоянием между резонаторами.
Такая конструкция позволяет создавать фильт-
ры фотолитографией металлизированной по-
верхности пьезоэлектрика. Чаще всего ис-
780
РАДИОТЕХНИКА
26.3. ГОЛОГРАФИЯ
пользуется пьезокварц, пластинку которого
вырезают так, чтобы обеспечить возбуждение
колебаний сдвига или кручения по толщине.
Кроме акустической связи может дополни-
тельно использоваться и емкостная связь.
Ф. п. на частотах от 3 до 30 МГц используют
на основной резонансной частоте, а на часто-
тах 200 МГц и выше — на гармониках. Приме-
нение Ф. п. — см. ст. 24.8, 17.29.
Фильтры на ПАВ — фильтры, принцип
действия которых основан на пространствен-
но-временнбй обработке электроакустическо-
го сигнала, создаваемого поверхностной элек-
троакустической волной с помощью опреде-
ленной конфигурации проводников, нанесен-
ных на поверхность пьезоэлектрика, или дру-
гих неоднородностей, создающих отражаю-
щую структуру. Избирательность таких филь-
тров обеспечивается достаточно большой про-
странственной протяженностью носителя сиг-
нала вследствие большого (около 105 раз) за-
медления скорости распространения акусти-
ческого сигнала по сравнению с электромаг-
нитным. Необходимая амплитудно-частотная
характеристика достигается применением
аподизации приемного и передающего преоб-
разователей. Наибольшее распространение
получили прямые методы аподизации с непо-
средственным взвешиванием (изменением пе-
рекрытия штырей). Кроме того, существуют и
другие методы взвешивания: емкостное, фазо-
вое, выборочного удаления электродов и др.
Фильтры на ПАВ характеризуются простотой,
технологичностью, воспроизводимостью ха-
рактеристик, что обеспечивает возможность
их массового производства. Эти фильтры ис-
пользуют в качестве полосовых, заграждаю-
щих и согласующих. Типичные характеристи-
ки фильтров на ПАВ указаны в Табл. 26.1.
Применение Ф. ПАВ — см. ст. 24.8, 17.29.
Таблица 26.1
Тип фильтра Средняя частота [МГц) Полоса пропускания [МГц) Вносимые потери [ДБ) Затухание вне полосы пропускания [ДБ)
Полосовой 5...2000 0.01...500 0.5...30 40...70
Заграждающий 20...1500 0.01...10 , , 0.5...40 50...80
Согласованный:
дисперсионный 50...1500 10...700 20...50 20...50
фазокодовый 5...1800 10...500 20...60 20...40
Электромеханический фильтр —
фильтр, в котором используются механические
колебания упругосвязанных систем — механи-
ческих резонаторов. Возбуждение системы и
съем сигналов в электрической форме осуще-
ствляется соответственно магнитострикцион-
ными и магнитоупругими преобразователями.
Поскольку магнитострикционный эффект ква-
дратичен относительно приложенного магнит-
ного поля, для линеаризации преобразователей
используют постоянное магнитное поле сме-
щения. Э. ф. применяют для выделения отно-
сительно узкой полосы частот [2—5].
26.3. ГОЛОГРАФИЯ — метод записи, вос-
произведения и преобразования волновых по-
лей различной физической природы (электро-
магнитных от радиодиапазона до оптического,
акустических, электронных и др.). Г. позволяет
записать не только амплитуду, но и фазу волны,
благодаря чему можно создавать объемные изо-
бражения. При этом волна, несущая информа-
цию о предмете (предметная волна), интерфе-
рирует (складывается с учетом фазы) с другой
волной, называемой референтной, или опорной.
Возникшее в результате поле стоячей волны не-
сет в себе информацию о предмете, которая за-
ключена в пространственном распределении
интенсивности интерференционных полос и
легко регистрируется способом экспонирования
чувствительных к интенсивности колебаний
сред. Волновое поле объекта воспроизводится
благодаря дифракции волны, совпадающей по
частоте с опорной, на предварительно получен-
ной интерференционной картине в регистриру-
ющей среде. В зависимости от взаимного рас-
положения объекта, источников излучения и ре-
гистрирующей среды различают одно- и двух-
лучевую голограммы [6—8].
Двухлучевая голограмма Лейта—Упат-
ниекса — голограмма, при которой когерент-
ный, наклоненный относительно предметного,
опорный пучок формируется отдельно с помо-
щью зеркала.
Однолучевая голограмма Габора — го-
лограмма, основанная на использовании одно-
го пучка света, часть которого рассеивается
объектом и образует предметную волну, а дру-
гая часть — опорную. При этом предметная и
опорная волны следуют почти в одном направ-
лении, образуя интерференционную решетку с
малой пространственной частотой (большим
периодом). Если предметная и опорная волны
следуют навстречу друг другу (схема Денисю-
Глава 26. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
781
26.3. ГОЛОГРАФИЯ
ка), то возникают интерференционные полосы
с максимальной пространственной частотой
(минимальным пространственным периодом),
расположенные перпендикулярно направлению
пучков, которые записываются в толще регист-
рирующей среды (объемная голограмма).
Методы голографии применяются для ви-
зуализации акустических и электромагнитных
(в радиодиапазоне) полей.
26.4. ДИФРАКЦИОННОЕ УСТРОЙСТ-
ВО — устройство, в котором управление пара-
метрами волны осуществляется за счет взаи-
модействия с большим числом слабовозмуща-
ющих неоднородностей, расположенных по
определенному закону. Используют Д. у. для
обработки сигналов со сравнительно малой
длиной волны относительно возможной протя-
женности неоднородностей [9].
Дифракционная решетка — структура, со-
стоящая из достаточно большого числа равноот-
стоящих друг от друга (эквидистантная
Д. р.) или расположенных по определеннону за-
кону (неэквидистантная Д. р.) слабовозмущаю-
щих неоднородностей. Различают плоские и объ-
емные Д. р. Примером объемной Д. р. является
монокристаллическое вещество. По конструк-
тивному исполнению различают управляемые и
неуправляемые Д. р. В последних параметры не-
однородностей остаются постоянными, а в пер-
вых — изменяются под влиянием управляющих
сигналов (например, при изменении полосовой
доменной структуры под влиянием магнитного
поля или при изменении оптической плотности
среды под действием акустических колебаний).
По режиму работы Д. р. делятся на отра-
жающие и прозрачные. Основным свойством
Д. р. является способность изменять направле-
ние распространения волны в зависимости от
соотношения ее длины X и периода решетки d.
Причем решеткой образуется ряд направлений
— дифракционных максимумов, определяе-
мых уравнением sina + sinp = mkld, где a —
угол падения; £ — угол дифракционного мак-
симума; d — период дифракции структуры (ре-
шетки); т = 0, 1,2,... — порядок дифракцион-
ного максимума.
Основными характеристиками Д. р. являют-
ся угловая дисперсия и разрешающая способ-
ность. Угловая дисперсия определяет угловую
ширину спектра и зависит только от углов а, р.
Разрешающая способность определяется отно-
шением длины волны к интервалу длин волн АХ,
который может разделить Д. р.: R = Х/АХ =
= (sina + sinp)07X, где W= mN — ширина Д. р.,
а У— число штырей. Д. р. применяют для опре-
деления спектров, создания антенных решеток,
а также как поляризаторы и фильтры.
Ответвитель многополосный акустичес-
кий — акустоэлектронное устройство прост-
ранственного разделения мощности акустичес-
кой волны путем переизлучения ее за счет элек-
троакустической связи. Возможно переизлуче-
ние как почти всей энергии волны, так и ее не-
большой части. О. м. а. состоит из большого
числа проводящих штырей, расстояние между
которыми меньше половины длины акустичес-
кой волны. При возбуждении части такой струк-
туры электроакустической волной, движущейся
со скоростью у, происходят переизлучение пло-
ской (синфазной) части волны всей структурой
за счет электрической связи, а также возбужде-
ние и задержка противофазной части волны Av
за счет частичного шунтирования ее электриче-
ского поля проводящими штырями (Av/v — воз-
действие). В результате наложения этих волн
осуществляется перераспределение энергии
первоначальной возбуждающей волны в прост-
ранстве. Длина структуры, при которой мощ-
ность полностью передается в другой канал, оп-
ределяется выражением £п = 2ХД2, где к—коэф-
фициент электромеханической связи пьезоэлек-
трической подложки. О. м. а. используют также
для подавления паразитных связей между вхо-
дом и выходом преобразователя, уменьшения
влияния объемных паразитных волн, выравни-
вания фазового фронта акустической волны [3].
Резонатор Фабри—Перо — резонатор, об-
разованный двумя отражающими структурами,
в частном случае — дифракционными решет-
ками (ДР). Условием резонанса является равен-
ство Фо + Фн = тл, где Фо — фаза отраженной
от ДР волны; Фн — набег фазы при распростра-
нении между решетками. Добротность резона-
тора определяется как Q = 2л£экв/ [Х(1 - |Г|2)],
где £экв = £р + 2£п — эквивалентная длина резо-
натора; Lp— расстояние между ДР; Ln—глуби-
на погружения акустической волны в ДР; Г —
модуль коэффициента отражения волны ДР. Су-
ществуют двух- и четырехполюсные резонато-
ры. В первых используют один встречно-шты-
ревой преобразователь, во вторых — два. Ис-
пользуют их в диапазонах КВ и УКВ, где до-
стигают добротностей до десятка тысяч.
Фильтр дифракционный — полосовой
фильтр, в котором фильтрующим элементом
является дифракционная решетка (ДР). При
782
РАДИОТЕХНИКА
26.5. ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОПТИКА
падении на нее акустической волны в плоско-
сти, нормальной к дифракционным полосам,
нанесенным с периодом d, происходит после-
довательное отражение волн от каждого эле-
мента решетки. Общий коэффициент отраже-
ния волны ДР определяется выражением:
r(co)y(JV-1)fa/ (-1)" sin[Wn((o- ctfa) / «ь ]
U ’ Sin[7t(co-cq,)/^]
где г(со) — коэффициент отражения волны от
одного элемента решетки; N— число штырей;
d — период решетки; к = 2л/Х — волновое чис-
ло; X — длина акустической волны; со — кру-
говая частота; соо = nvald — круговая частота
акустоэлектрического синхронизма; va— ско-
рость акустической волны.
При достаточно большом числе штырей
можно получить близкий к единице коэффици-
ент отражения на частоте акустоэлектрическо-
го синхронизма.
Ф. д. используют для разделения каналов в
многоканальных системах связи.
26.5. ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОПТИКА — об-
ласть оптоэлектроники, связанная с созданием
оптических волноводов, элементов оптического
тракта и устройств преобразования электричес-
кого и оптического сигналов, формируемых на
единой подложке; используется в волоконно-оп-
тических линиях связи и других устройствах для
обработки сигналов. Основным элементом И. о.
является оптический волновод — тонкий (диа-
метром, приблизительно равным длине волны,
1...5 мкм) светопроводящий слой, созданный
наращиванием или изменением оптических па-
раметров приповерхностного слоя подложки
так, что его показатель преломления (диэлектри-
ческая проницаемость) становится больше, чем
у подложки. В И. о. широко применяют оптоэле-
ктронные элементы (гетеролазеры, фототирис-
торы, фотодиоды и др.). В качестве подложки
используют полупроводники (GaAs, ZnS,
PbSnTe), акусто- и магнитооптические (LiNbO3,
LiTaO3, ТеО2), а также прозрачные оптические
(кварц, стекло и др.) материалы [10].
Дефлектор электрооптический интег-
ральный — устройство для отклонения опти-
ческого излучения, в котором используется ди-
фракция Брэгга, а дифракционная решетка со-
здается изменением оптических свойств среды
за счет электрического поля встречных прово-
дящих штырей. В таком дефлекторе луч откло-
няется на постоянный угол.
Модулятор оптический — устройство,
изменяющее во времени один или несколько
параметров оптического сигнала: амплитуду,
фазу, частоту или поляризацию. Если модуля-
ция происходит одновременно с генерацией
сигнала непосредственно в самом источнике,
то ее называют внутренней (прямой). Такой
является, например, модуляция лазерного из-
лучения током светодиода. Внешняя модуля-
ция связана с преобразованием уже предва-
рительно сформированного сигнала. Ампли-
тудную модуляцию осуществляют изменени-
ем поляризации линейно поляризованного
оптического сигнала, прошедшего через оп-
тически активную среду, параметры которой
зависят от внешнего воздействия. При этом
оптический сигнал последовательно пропус-
кают через поляризатор, выделяющий линей-
но поляризованный сигнал, оптически актив-
ную (модулирующую) среду, изменяющую
поляризацию сигналов, и анализатор, в кото-
ром происходит преобразование изменения
поляризации в изменение амплитуды. В М. о.
используют как электрооптические эффекты
Керра и Поккельса, так и магнитооптические
эффекты Коттона—Мутона и Фарадея.
Ответвитель направленный оптический
— устройство, обеспечивающее направленное
ответвление оптического сигнала из одного оп-
тического волновода в другой. Конструктивно
состоит из двух волноводов, имеющих одинако-
вую постоянную распространения (8 = 0) и све-
денных на достаточно близкое расстояние (~1
мкм), причем для полной передачи сигнала из од-
ного волновода в другой участок сближения дол-
жен иметь определенную длину L = 2Tdkcw где кса
— постоянная связи между волноводами. Для
увеличения этой постоянной оптическую пере-
мычку между волноводами протравливают не на
полную глубину. Если постоянные распростране-
ния 8 0, то максимально возможная передача
сигнала определяется отношением k?cJ(ldca + 82).
О. н. о. используют в интегрально-оптических ус-
тройствах для деления мощности, а также модуля-
ции, переключения, частотной и поляризацион-
ной селекции оптических сигналов.
Переключатель оптический — устройст-
во, используемое для изменения направления
распространения оптических сигналов как в
пространстве (дефлектор), так и в оптических
линиях передачи (переключатель).
Разветвитель оптический — устройство,
предназначенное для деления оптического сиг-
Глава 26. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
783
26.5. ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОПТИКА
нала между каналами. Малое отражение опти-
ческого сигнала от разветвителя обеспечивает-
ся небольшими углами расхождения каналов.
26.6. КРИОЭЛЕКТРОНИКА — область
функциональной электроники, связанная с
изучением и использованием эффектов, возни-
кающих при охлаждении материалов. Сущест-
вуют два основных направления К.: улучше-
ние параметров устройств при охлаждении, в
частности увеличение отношения сигнал/шум,
и использование эффектов, связанных со
сверхпроводимостью. Большое внимание уде-
ляется разработке элементов с использованием
высокотемпературной сверхпроводимости
(температура фазового перехода выше 77 К—
температуры кипения жидкого азота). К. ис-
пользуется для создания сверхмалошумящих
приемных устройств, сверхчувствительных
магнетометров, сверхчувствительных Ирием-
ников инфракрасного излучения, в системах
хранения и обработки информации[11—14].
Криотронный усилитель СВЧ — см. ст.
11.6, 17.30.
Одноэлектронное устройство (sirigle-elec-
tron device) — устройство, в котором использу-
ется локализация и перемещение единствен-
ного электрона. Это достигается использова-
нием трехмерных структур с квантующим эле-
ктроны объемом с линейными размерами по-
рядка десятка нанометров, соединенным ^ис-
током и стоком электронов более узкими пере-
шейками. В такой структуре из-за кулоновской
блокировки в объеме с заданными критичес-
кими размерами может находиться одновре-
менно только один электрон. Это обстоятель-
ство и обеспечивает квантование электронов в
электрической цепи. Следует отметить, что
критические размеры в значительной степени
зависят от температуры. Используются также
двухмерные структуры с критическим разме-
ром по толщине (пленки), на поверхность ко-
торых нанесены встречные электроды, к кото-
рым прикладываются необходимые потенциа-
лы. Расстояние между электродами, их шири-
на и напряжение между ними выбираются так,
чтобы потенциальный рельеф между электро-
дами образовывал квантующий объем, где мо-
жет находиться только один электрон. Решаю-
щим преимуществом таких устройств является
предельно низкая потребляемая мощность.
О. у. работают при напряжениях, равных деся-
тым долям войьта, и токах, составляющих еди-
ницы наноампер. Используются для создания
йЙфрбвдй элементной базы' со сверхнизким
уровнем потребляемой мощности.
сквид — сверхпроводящее квантовое ин-
терференционное устройство, действие которо-
го основывается на эффекте Джозефсона и явле-
нии квантования магнитного потока в односвя-
занных сверхпроводниках. Это — сверхпрово-
дящее кольцо с одним (высокочастотный
СКВИД) или двумя (СКВИД на постоянном то-
ке) контактами Джозефсона. СКВИД с одним
переходом возбуждается за счет магнитной свя-
зи с ВЧ контуром, обеспечивающим в кольце пе-
ременный Ток, амплитуда которого должна быть
меньше критического значения. Через СКВИД с
двумя параллельно включенными переходами
пропускают постоянный ток немного ниже кри-
тического. Когда кольцо помещается в магнит-
ное поле, в нем возникает дополнительный ток,
препятствующий проникновению поля в кольцо.
При достижении критического значения тока
контакт переходит в резистивное состояние (на-
пряжение на переходе ненулевое) с излучением
кванта электромагнитной энергии и соответст-
вующим проникновением кванта магнитного
потока Фо= 2.07-10-15Вб в кольцо и возвращени-
ем системы в исходное состояние (но на новом
квантовом уровне, когда в кольце существует до-
полнительный квант магнитного потока).
Для повышения чувствительности; схемы
применяют сверхпроводящие трансформаторы
постоянного магнитного потока. При этом уст-
ройство может быть использовано как кванто-
ватель с подсчетом числа квантов (гистерезис-
ный режим), а также как нуль-индикатор с ре-
гистрацией компенсирующего поля, создавае-
мого уравновешивающим током компенсирую-
щей катушки (безгистерезисный режим). В по-
следнем случае достигается большая чувстви-
тельность. Такие устройства используют как
сверхчувствительные магнитометры.
Фильтр на высокотемпературных сверх-
проводниках (ВТС) — фильтр, в котором ис-
пользуются сверхпроводящие тонкопленочные
резонаторы, обладающие сверхвысокой доброт-
ностью Q > 105 при температуре 77 К. Для по-
лучения высокой добротности и повышения
критического уровня пропускаемой фильтром
мощности, при которой начинается деградация
сверхпроводимости и проявляется интермоду-
ляция как следствие нелинейности, используют
высококачественные эпитаксиальные керамиче-
ские пленки составов Tl2Ba2CaCu2O (ТВССО)
или YBa2Cu3O7 (YBCO), нанесенные на соот-
784
РАДИОТЕХНИКА
26.8. МАГНИТОЭЛЕКТРОНИКА
ветствующие монокристаллические подложки
LaA103 и MgO. В таких фильтрах наблюдается
небольшое смещение частоты при изменении
температуры, что связано с изменением собст-
венной индуктивности полосковых резонаторов
вследствие изменения глубины скин-слоя. Ис-
следован 19-резонаторный фильтр для сотовой
связи с критической мощностью 100 Вт. В бли-
жайшем будущем ожидается повышение кри-
тической мощности до 10 кВт.
Эффект Джозефсона — проявление сверх-
проводимости в системе двух сверхпроводников,
связанных тонким (около десятка нанометров)
слоем диэлектрика, полупроводника или сужен-
ным перешейком одного сверхпроводника (сла-
бое звено). Различают эффект Джозефсона на по-
стоянном и переменном токах. Э. Д. на постоян-
ном токе — явление сверхпроводимости контак-
тов Джозефсона при токах, меньших некоторого
критического значения. В случае превышения
последнего появляется неустойчивость движе-
ния электронов в сверхпроводящей электродина-
мической системе, приводящая к возбуждению
электромагнитных колебаний — эффект Джо-
зефсона на переменном токе. При этом на сверх-
проводящем переходе возникает постоянная раз-
ность потенциалов U (резистивное состояние),
связанная с частотой излучения фундаменталь-
ным соотношением U - hv/(2e), где h — постоян-
ная Планка, v — частота излучения, е — заряд
электрона. Соотношение 2e/h носит название
постоянной Джозефсона. Существует также об-
ратный эффект: при возбуждении перехода элек-
тромагнитным излучением в нем протекает ток,
скачки которого соответствуют достижению на-
пряжения на переходе некоторого значения со-
гласно соотношениям Джозефсона.
26.7. МАГНИТООПТИКА — область
функциональной электроники, связанная с об-
работкой оптических и магнитных сигналов за
счет взаимодействия оптического излучения с
намагниченной средой, которая характеризует-
ся как высокой оптической прозрачностью, так
и выразительностью магнитооптических эф-
фектов в видимом и ближнем инфракрасном
диапазонах оптического излучения. Для созда-
ния быстродействующих магнитооптических
дисков, управляемых оптических транспаран-
тов, дефлекторов, переключателей и других ус-
тройств чаще всего используют феррит-грдна-
ты, содержащие висмут [15].
Магнитооптический диск — устройство
накопления информации с использованием ци-
линдрических магнитных доменов. Для записи
и чтения используют оптические сигналы раз-
ной интенсивности. При записи перемагничи-
вание высококоэрцитивной пленки в направле-
нии внешнего поля происходит за счет локаль-
ного нагрева пленки выше точки Кюри лазер-
ным импульсом достаточно большой мощнос-
ти; при чтении используется непрерывное из-
лучение малой мощности. М. д. имеют плот-
ность записи около 107 бит/см2 и высокое быс-
тродействие. При изготовлении М. д. применя-
ют аморфные пленки интерметаллических со-
единений (ТЬ—Fe, Gd—Со, Мп—Bi и др.).
Транспаранты магнитооптические —
двухмерные магнитооптические устройства, в
которых для модуляции оптического сигнала
используются домены, выборка и перемагни-
чивание которых осуществляются токами, про-
текающими в ортогональной решетке провод-
ников. Т. м. применяют для обработки оптиче-
ских сигналов.
Эффект Коттона—Мутона — магнитооп-
тический эффект, связанный с распространени-
ем оптической (электромагнитной) волны в по-
перечно намагниченном веществе. Приводит к
появлению двойного лучепреломления из-за
различия коэффициентов преломления обычно-
го (с поляризацией поперечно намагничиваю-
щему полю) и необычного (с продольной поля-
ризацией) лучей, причем разность коэффициен-
тов преломления пропорциональна квадрату
напряженности намагничивающего поля. В ре-
зультате возникает эллиптическая поляризация
линейно поляризованной волны, прошедшей
намагниченную среду. Эффект — взаимный.
Эффект Фарадея — см. ст. 1.21.
26.8. МАГНИТОЭЛЕКТРОНИКА — об-
ласть функциональной электроники, в которой
исцользуется обработка магнитных сигналов.
Существуют два основных направления М.: с
использованием доменных структур или маг-
нитных колебаний и волн. Первое направление
связано с созданием элементов магнитной и
магнитооптической памяти, управляемых маг-
нитооптических транспарантов (пространст-
венно-временных модуляторов) и дифракцион-
ных решеток, второе — с созданием линейных
и нелинейных, взаимных и невзаимных пере-
страиваемых устройств фильтрации, генериро-
вания и ограничения электромагнитных сигна-
лов диапазона СВЧ [16, 17].
Генератор ферритовый — перестраивае-
мый магнитным полем генератор, задающим
Глава 26. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
785
26.8. МАГНИТОЭЛЕКТРОНИКА
элементом которого является ферритовый, ча-
ще всего на основе железо-иттриевого грана-
та, резонатор или магнитостатическая линия
задержки. Обычно непосредственно перест-
раиваемые ЖИГ-генераторы конструируют в
диапазоне 0.5...5 ГГц и они имеют феррито-
вые резонаторы, индуктивно связанные с ак-
тивным элементом (транзистором, лавинно-
пролетным диодом) и нагрузкой. На высших
частотах используют гармоники сигнала, об-
разующиеся после его усиления и ограниче-
ния. Выделение гармоник проводится син-
хронно перестраиваемым ЖИГ-фильтром.
Магнитостатические колебания и волны
(МСВ) — неоднородное движение намагничен-
ности. Наблюдается в намагниченных средах,
магнитная проницаемость которых зависит от
частоты. Дисперсия и структура поля МСВ за-
висят от направления их распространения отно-
сительно направления подмагничивающего по-
ля. При этом не учитываются запаздывание эле-
ктромагнитных возмущений (условие квазиста-
тики) и обменное взаимодействие. В бесконеч-
ной среде область частот, где существуют МСВ,
лежит в пределах <о„ < cd > + ©J, в кото-
рых действительная часть комплексной магнит-
ной проницаемости феррита — отрицательная
величина (здесь сон = Цоу77о; юш = ЦоТМь
Цо = 4л-10-7 Г/м — магнитная постоянная;
у = 1.76-1011 Кл/кг — гиромагнитное отношение
электрона; HQ — напряженность магнитного по-
ля; Мо— намагниченность насыщения). Условия
магнитостатики справедливы для МСВ с волно-
вым числом к < 107 м"1. В намагниченных телах
ограниченного объема существует дискретный
спектр собственных магнитостических колеба-
ний, зависящий от формы и граничных условий
тела, но не зависящий от его размеров. Эти коле-
бания приводят к появлению паразитных полос
пропускания в ферритовых фильтрах. Основной
способ борьбы — формирование возможно бо-
лее однородной намагниченности и однородного
возбуждающего СВЧ поля. МСВ используют для
создания управляемых СВЧ линий задержки, ус-
тройств свертки СВЧ сигналов, фильтров.
Ограничитель ферритовый — пороговое
устройство, в котором ограничение сигнала вы-
ше порогового уровня происходит за счет нели-
нейных явлений при ферромагнитном резонан-
се. В отличие от диодных ограничителей, фер-
ритовые в меньшей степени искажают спектр
сигнала. Это связано с тем, что нелинейность
при ферромагнитном резонансе проявляется
вследствие дополнительного возбуждения спек-
тра спиновых волн (волн спиновых моментов
магнитных атомов, образуемых из-за обменного
взаимодействия и отличающихся от магнито-
статических волн большим волновым числом,
к > 108 м-1) как на основной частоте резонанса,
так и на половинной возбуждающей частоте за
счет параметрического возбуждения. Последнее
эффективно передает энергию кристаллической
решетке, тем самым уменьшая добротность ре-
зонатора и ограничивая передачу энергии через
резонатор или ферритовую среду. При парамет-
рическом возбуждении кроме основного резо-
нанса появляется пик дополнительного погло-
щения в магнитных полях выше поля основно-
го резонанса. Минимальное значение ограни-
ченной СВЧ мощности (около 10... 100 мкВт)
достигается в случае совпадения основного ре-
зонанса с дополнительным.
Поверхностная магнитостатическая вол-
на существует на поверхности намагниченного
тела и упруго затухает в глубь вещества. В отли-
чие от объемных магнитостатических волн, ко-
торых на данной частоте может возбуждаться
бесконечное множество, П. м. в. — только одна
и она может распространяться в определенном
секторе углов относительно направления, пер-
пендикулярного намагничивающему полю. Час-
тотная область существования поверхностных
волн отличается от объемных и для свободной
поверхности лежит в пределах сон + 0.5cow < со <
сон + юш, где сон, cow — см. ранее. Поверхностная
волна является невзаимной, т.е. условия распро-
странения ее различны для противоположных
направлений распространения. Возбуждается
она СВЧ магнитным полем микрополосковых
линий передачи, расположенных над феррито-
вой подложкой или ферритовой пленкой. Груп-
повая скорость распространения магнитостати-
ческих волн может быть как положительной,
так и отрицательной, и ее значение зависит от
напряженности подмагничивающего поля. Это
позволяет создать ряд управляемых устройств
— линий задержки, перестраиваемых фильт-
ров, циркуляторов, фазовращателей и др.
Резонатор ферритовый — резонатор, дей-
ствие которого основано на явлении ферромаг-
нитного резонанса в намагниченных до насыще-
ния ферритовых образцах. Частота ферромаг-
нитного резонанса Р. ф. зависит от напряженно-
сти постоянного магнитного поля и формы об-
разца и не зависит от его размеров. Нижняя час-
тотная граница работы Р. ф. определяется усло-
786
РАДИОТЕХНИКА
26.9. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
виями полного намагничивания резонатора. Ча-
ще всего используют резонаторы железоиттрие-
вого граната сферической формы, резонансная
частота которых С0р = ЦюуН0, а нижняя рабочая
частота comin = роУМ/Э (обозначения см. ранее).
Поэтому для работы в низкочастотной области
СВЧ диапазона используют ферриты с понижен-
ной намагниченностью насыщения. Для умень-
шения температурной зависимости резонансной
частоты Р. ф. ориентируют в магнитном поле в
направлении тепловой оси. Добротность Р. ф.
достигает 104 в диапазоне частот 0.5...40ГТц.
Фильтр ферритовый (ЖИГ-фильтр) —
устройство, в котором избирательную систему
создают каскадно-связанные ферритовые резо-
наторы, перестраиваемые одним электромаг-
нитом. Основными достоинствами таких
фильтров являются возможность быстрой эле-
ктронной перестройки в широком диапазоне
частот, относительно малые габаритные разме-
ры. В зависимости от необходимой избира-
тельности в фильтрах используют 2—4 ферри-
товых резонатора. Как элементы связи чаше
всего применяют индуктивные петли. При
этом кроме обычных параметров фильтров
учитывают дополнительно: уровень паразит-
ных магнитостатических резонансов в рабочей
полосе частот; затухание на частотах магнито-
статических колебаний вне полосы пропуска-
ния; пороговую мощность (определяется по
уровню отклонения от линейности коэффици-
ента передачи в пределах нескольких децибел).
Цилиндрический магнитный домен —
область цилиндрической формы, намагничен-
ность которой направлена антипараллельно на-
магниченности остальной пленки и перпенди-
кулярно к ее плоскости. ЦМД существуют в ма-
териалах, у которых перпендикулярно к плоско-
сти пленки имеется ось легкого намагничива-
ния — направление, в котором необходимая для
намагничивания энергия имеет минимальное
значение. Эти домены устойчиво существуют в
определенном диапазоне полей подмагничива-
ния, направленных против намагниченности
домена. При уменьшении поля структура пере-
ходит из цилиндрической в лабиринтную, когда
домены приобретают извилистую форму, а при
увеличении поля стремится к их исчезновению
(коллапсу). Размеры ЦМД могут достигать де-
сятых долей микрометра. Перемещение и лока-
лизация ЦМД осуществляются градиентными
магнитными полями. Скорость движения до-
стигает 1... 10 м/с. Используют ЦМД для созда-
ния элементов магнитной и магнитооптической
памяти, цифровых устройств обработки двоич-
ных сигналов. Для потактового перемещения
цепочки ЦМД применяют различные магнит-
ные аппликации (накладки), нанесенные на по-
верхность феррита, и вращающееся ВЧ магнит-
ное поле, период которого соответствует одно-
му такту. Считывание информации производит-
ся магниторезистивными или оптическими дат-
чиками, действие которых основывается на эф-
фекте Фарадея. Разработаны устройства с емко-
стью от 256 Кбит до 16 Мбит.
ЦМД-устройство — магнитоэлектронное
устройство на основе ЦМД в пленках ортофер-
ритов и ферритов-гранатов.
26.9. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРО-
НИКА — область электроники, в которой свой-
ства молекулярных комплексов и отдельных мо-
лекул используются для создания устройств об-
работки информации, а также исследуются воз-
можности использования материалов на основе
органических молекул (молекулярных кристал-
лов, полимерных пленок и пр.) в электронике.
Перспективность этого направления основыва-
ется на уникальности свойств биоорганических
материалов, таких например, как внутримолеку-
лярное резонансное туннелирование электронов,
нелинейное электронно-конформационное взаи-
модействие и пр. Основные преимущества мо-
лекулярно-электронных устройств обработки
информации по сравнению с полупроводнико-
выми приборами следующие: большая плот-
ность элементов обработки за счет того, что каж-
дая молекула может считаться процессорным
элементом; естественный параллелизм обработ-
ки и за счет этого высокая производительность и
надежность систем; относительно низкое энер-
гопотребление. Кроме того, биологические
принципы обработки информации делают моле-
кулярно-электронные устройства наиболее есте-
ственными для решения особенно сложных
проблем, таких, как обработка изображений,
распознавание образов. Биосенсоры используют
в экологии, медицине; они обладают возможно-
стью распознавать присутствие некоторых ве-
ществ (люциферазы, метаболитов) в сверхма-
лых концентрациях. Гибридные полупроводни-
ково-молекулярные устройства (транзисторы,
фотодиоды) используют вместе с аналогичными
полупроводниковыми; их основное преимуще-
ство — меньшее время переключения благодаря
сверхтонким органическим диэлектрикам. Уст-
ройства памяти на основе фотохромного эффек-
Глава 26 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
787
26.9. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
та имеют огромную плотность записи информа-
ции (108... 1012 бит/см2) и сверхмалое время за-
писи (до 10’8 с). Автоволновые алгоритмы обра-
ботки изображений и распознавания образов ис-
пользуют при трассировке плат и автоматичес-
ком распознавании чертежей, автоматическом
контроле за производством проката, при обра-
ботке изображений, полученных со спутников, и
т.п. Они позволяют на 1...3 порядка сократить
время обработки на современных ЭВМ и еще
больше — на специализированных микросхемах
и устройствах функциональной электроники. Но
наиболее перспективным считается направление
разработки мощных молекулярных устройств
обработки информации, ибо их информационная
производительность принципиально выше, чем у
любых полупроводниковых приборов. Эта зада-
ча включает в себя исследование алгоритмов об-
работки информации, создание молекулярной
элементной базы, интерфейса обмена информа-
цией и их объединение в действующие устройст-
ва. Далее очень кратко рассмотрены некоторые
физические процессы, технологии, материалы и
устройства, используемые уже сейчас в молеку-
лярной электронике и перспективные для ис-
пользования в будущем [18—22].
* Автовол новой процесс — пространственно
неподвижное или распространяющееся (авто-
волна) стойкое возмущение в нелинейных нерав-
новесных диссипативных дисперсных средах
(активных средах), однородных или неоднород-
ных. А. п. возникают благодаря высвобождению
потенциальной энергии, запасенной в активных
средах, имеют волновые свойства и, как правило,
могут быть описаны нелинейными дифференци-
альными уравнениями в частных производных
[18]. Этот эффект — принципиально коллектив-
ный, что очень важно для решения проблемы ин-
терфейса молекулярно-электронных устройств.
Это, а также устойчивость, параллельность, раз-
нообразие видов, форм и свойств А. п. (Рис. 26.2
— пример автоволновой зарядовой плотности
типа «ревербератор» в пленках по технологии
Ленгмюра—Блоджетт) делает их наиболее пер-
спективными для создания мощных молекуляр-
но-электронных процессоров и биосенсоров. Ав-
товолновые алгоритмы обработки информации
уже используются в современных ЭВМ и специ-
ализированных микросхемах.
Биосенсор — аналитическое устройство,
состоящее из биоматрицы (детектирующего
слоя биоматериала — ферментов, антител и
Рис. 26.2
788
РАДИОТЕХНИКА
26.9. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
пр.) и преобразователя. Последний порождает
электрический или оптический сигнал в ответ
на возмущение физико-химических свойств би-
оматрицы, индуцируемое входным сигналом,
несущим информацию о характере и интенсив-
ности внешних процессов, подлежащих анали-
зу. Работу биосенсора можно разделить на три
этапа: распознавание внешнего сигнала, возму-
щение физико-химических свойств биоматри-
цы и преобразование этого возмущения в элек-
трический сигнал. Различают моносенсоры — с
одним типом биоматрицы и мультисенсоры —
с биоматрицами различных типов [19].
Взаимодействие конформационное (де-
формационное) — смещение участков моле-
кулы (молекулярного комплекса) при возбуж-
дении атома или при наличии дополнительно-
го электрона (или вакансии) в оболочке (элек-
тронно-конформационное взаимодействие)
или вблизи иона (ион-конформационное взаи-
модействие). Эффект обусловлен перестрой-
кой сил межмолекулярного взаимодействия,
часто нелинейного; возможна его коллективи-
зация [20]. Эффект может использоваться в
ависторах и интеллектуальных биосенсорах.
Вычислитель молекулярный (процессор
молекулярный, компьютер молекулярный)
— перспективное сверхвысокопроизводитель-
ное устройство, в котором обработка информа-
ции происходит с помощью отдельных молекул
(молекулярных комплексов) или их ансамблей.
Вычислитель Фейнмана молекулярный —
теоретическая модель обратимого квантово-ме-
ханического вычислительного устройства, реа-
лизующего булевскую логику. Устройство осно-
вано на трех обратимых выходных логических
элементах: НЕ, управляемое НЕ и дважды уп-
равляемое НЕ, составляющих полный базис, ко-
торый описывает квантово-механическую мо-
дель этих операторов. Р. Фейнман доказал прин-
ципиальную возможность реализации вычисли-
тельных функций на квантовом уровне [21].
Вычислитель Картера солитонный — пер-
спективное устройство, реализующее обработку
информации за счет возбуждения и уничтоже-
ния солитонов и их взаимодействия с квазиодно-
мерной молекулярной системой (молекулярной
цепочкой), в которой они возбуждаются. Соли-
тонная логика базируется на свойстве системы
после прохождения солитона по цепочке заме-
нять двойные связи на одинарные и наоборот,
что препятствует фотоизомеризации и может
быть индикатором прохождения солитонов; ре-
акция изомеризации, инициированная прохож-
дением солитона, изменяет электронную струк-
туру не только основной цепочки, но и прилега-
ющего фрагмента, разрывает цепь сопряжения и
делает невозможным следующее прохождение
солитона. Плотность элементов обработки тео-
ретически может достигать 1017 см"3, но устрой-
ство исключительно сложно для технологичес-
кого воплощения [21].
Процессор автоволновой молекулярный —
устройство, реализующее обработку информа-
ции за счет взаимодействия, возбуждения,
уничтожения или изменения параметров авто-
волнового процесса в активных средах. Послед-
ние представляют собой молекулярные структу-
ры, например химические реагенты, поддержи-
вающие реакции с автоволновыми свойствами.
На основе автоволнового молекулярного про-
цессора создан авистор (Рис. 26.3). Пленки 1,
выполненные по технологии Ленгмюра — Бло-
джетт из молекул с нелинейным электронно-
конформационным взаимодействием в доноре
или в акцепторе, туннельным внутримолекуляр-
Глава 26. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
789
26.9. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
ным и диффузным межмолекулярным транс-
портом электронов, осаждаются на легирован-
ную полупроводниковую подложку 2 и контакт-
но покрываются прозрачной металлической
пленкой 3. Пленки 1 находятся под внешним
электрическим напряжением U, приложенным
между пленкой 3 и управляющим электродом 4,
управляются ЭМП и регистрируются в блоке
регистрации состояний 5. Процесс обработки
— принципиально коллективный, различимой
информационной единицей нужно считать не
одну молекулу, а участок автоволнового процес-
са; теоретически можно достичь плотности ус-
ловных элементов обработки — 1О10... 1011 см-3
при производительности 1013... 1017 CUPS (con-
nection updates per second — изменений в связях
за секунду).
Моноэлектроника — область электрони-
ки, в которой используют свойства отдельных
молекул для создания устройств обработки ин-
формации, причем носителями информации
выступают отдельные частицы (квазичасти-
цы), как-то электроны, солитоны [21].
Выпрямитель молекулярный (диод молеку-
лярный) — моноэлектронное устройство,
представляющее собой биологическую моле-
кулу (молекулярный комплекс), состоящую из
молекулы.донора, молекулы акцептора и моле-
кул (медиаторов), размещенных между като-
дом (возле акцептора) и анодом (возле донора).
Устройство имеет свойство однонаправленной
электронной проводимости (катод—> акцептор
донор —> анод) по туннельному механизму
за счет перекрытия катодного и акцепторного,
основного донорного и анодного уровней при
приложении напряжения одной полярности и
неперекрытия при другой.
Ключ молекулярный — моноэлектронное
устройство, представляющее собой молекулу
(молекулярный комплекс), которое под управ-
лением внешнего сигнала может проводить
или блокировать электрический ток или энер-
гию в заданном направлении. Возможные ме-
ханизмы проводимости и управления: резо-
нансное туннелирование электронов, управля-
емое внешним ЭМП, сдвигом напряжения и
другими воздействиями, за счет сдвига уров-
ней в потенциальных ямах между барьерами;
перенесение заряда по молекулярному провод-
нику со встроенными управляющими группи-
ровками, изменяющими свою электронную
структуру под влиянием внешнего поля или
внутримолекулярного фотопереноса заряда;
солитонный механизм передачи сигнала по це-
почке сопряжения со встроенными в цепочку
молекулами, претерпевающими фототранс-
формации; ионные каналы в биомембранах,
управляемые концентрациями растворов и пр.
Усилитель молекулярный (квантовый) —
моноэлектронное устройство в виде молекулы
(молекулярного комплекса), проводящее элект-
рический ток и имеющее усилительные свой-
ства. Возможный механизм реализации — не-
линейное резонансное туннелирование элек-
тронов при высокой плотности потока падаю-
щих на барьеры электронов на границе с бис-
табильным состоянием системы.
Проводник молекулярный — моноэлек-
тронное устройство, представляющее собой
протяженный молекулярный комплекс, кото-
рый обеспечивает перенос носителя заряда с
одного конца на другой. Возможные материа-
лы — белковые или полимерные молекулы;
возможные механизмы переноса заряда по це-
пи комплекса — солитонный, туннельный,
над барьерный.
Триггер молекулярный — молекула, имею-
щая два (или больше) внешне различимых ус-
тойчивых состояния, переводящаяся из одного в
другое контролируемыми внешними сигналами
или сигналами от связанных с триггером эле-
ментов системы. Возможные механизмы би- или
мультистабильности: изометрия полимеров, эле-
ктронная бистабильность в результате нелиней-
ного электронно-конформационного взаимодей-
ствия или нелинейного резонансного туннели-
рования и пр. Наряду со статической возможна
динамическая бистабильность аналогично ос-
циллятору с жестким возбуждением. Возможна
взаимная синхронизация (коллективизация) со-
стояний молекул, связанных между собой. Ней-
рон молекулярный — молекулярный триггер,
связанный со многими аналогичными элемента-
ми системы на входах и выходах, может пере-
ключаться в зависимости от совокупности со-
стояний связанных с ним элементов системы.
Возможны молекулярные нейроны с неодинако-
во устойчивыми различимыми состояниями.
Солитон (кинк) — устойчивое возмуще-
ние, распространяющееся в нелинейных кон-
сервативных дисперсных средах. Возникает за
счет внешнего влияния и имеет волновые (ква-
зикорпускулярные) свойства. Как правило, мо-
жет быть описан так называемыми солитонны-
ми уравнениями — нелинейными дифференци-
альными уравнениями, допускающими точное
790
РАДИОТЕХНИКА
26.9. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
решение в радикалах [20, 21]. Используется в
световодах и устройствах обработки информа-
ции как ее носитель.
Кинк в сопряженных полимерах — коллек-
тивный эффект перемещения со скоростью,
превышающей скорость звука в среде, тополо-
гического дефекта полимерной цепочки, что
обусловлено вырождением основного элек-
тронного состояния. Может быть как электри-
чески нейтральным, так и заряженным. Устой-
чивость кинка прямо зависит от его топологи-
ческого заряда — величины, характеризующей
вид и степень деформации цепочки.
Протон-солитон — эффект перемещения
протона в структуре льда, обусловленный не-
линейным ион-конформационным взаимодей-
ствием.
Солитон давыдовский — устойчивое кол-
лективное возбужденное состояние молеку-
лярной структуры, состоящей из периодичес-
ки повторяющихся и относительно слабо друг
с другом взаимодействующих групп атомов.
Эффект возникает за счет внешнего воздейст-
вия и заключается в перемещении энергии
возбуждения молекул (или электрона — элек-
тросолитон) по цепочке с постоянной скоро-
стью, меньшей, чем скорость звука в среде, и
без диссипации, что обусловлено нелиней-
ным деформационным взаимодействием и
дисперсией; связано с резонансным взаимо-
действием внутримолекулярных возбужде-
ний (нелинейным электронно-конформацион-
ным взаимодействием для электросолитонов).
Технология Ленгмюра—Блоджетт (Шеф-
фера) — способ создания многослойных моле-
кулярных пленок (пленок Ленгмюра—Блод-
жетт и пленок Шеффера соответственно), со-
стоящих из мономолекулярных пластов амфи-
фильных (плавающих на поверхности и частич-
но погруженных в воду) молекул. Технология
состоит в осаждении последних на подложку,
опускаемую в воду и поднимаемую из воды
перпендикулярно (параллельно) поверхности.
Туннелирование резонансное — кванто-
вый эффект, заключающийся в повышении ве-
роятности прохождения частиц определенной
(совпадающей с собственной энергией систе-
мы) энергии через систему с двумя и больше
барьерами, обусловленный интерференцией
проходящих и отраженных волн [21]. Туннели-
рование резонансное нелинейное — эффект не-
линейного изменения вероятности прохожде-
ния частиц в такой системе, что можно исполь-
зовать для получения усиления или бистабиль-
ности (мультистабильности).
Устройства молекулярные оптические —
класс специальных оптических устройств, в ко-
торых применены молекулярные вещества и
технологии, а также использованы их свойства
[20,21].
Устройства памяти молекулярные оптиче-
ские — фотохромные пленки на основе спиро-
пропанов, бактериородопсина или хлорофилла,
которые регистрируют облучение светом опре-
деленной длины волны (запись стирается либо
светом с длиной волны, отличающейся от запи-
сывающей, либо нагреванием). Оценочные па-
раметры: разрешение — до 108... 1012 мм-2; чув-
ствительность — до 10-3...10-2 Дж/см2; число
циклов перезаписи — больше 106.
Лазер молекулярный — устройство, пред-
ставляющее собой комплекс ориентированных
хромофоров, в которых после накачки можно
инициировать вынужденное когеррентное из-
лучение. Хромофор — вещество, молекулы ко-
торого после возбуждения релаксируют с излу-
чением, в том числе направленным.
Волновод (световод) молекулярный оптиче-
ский формируется из биоорганических молекул
или с покрытием из биоорганических молекул.
Устройство молекулярно-полупроводни-
ковое гибридное — устройство, созданное с
использованием как традиционной полупровод-
никовой технологии, так и биотехнологии [21].
Биосенсор гибридный — биосенсор, в кото-
ром возмущение электрических свойств биома-
трицы регистрируется, преобразуется или уси-
ливается с помощью полупроводниковых уст-
ройств, чаще всего — полевого транзистора.
Контакт джозефсоновский гибридный —
структура, в которой между двумя сверхпро-
водниками находится сверхтонкий слой орга-
нического диэлектрика (например, пленка по
технологии Ленгмюра—Блоджетт). Достигну-
тое время релаксации — 20 пс.
Структура МДП гибридная — структура,
в которой в качестве сверхтонкого диэлектрика
используется органическая пленка (например,
по технологии Ленгмюра—Блоджетт). Приме-
няется как электролюминесцентный источник
света, фотодиод, МДП-транзистор, бистабиль-
ный ключ, диод с барьером Шоттки и пр.
Фотосинтез — процесс трансформации
электромагнитной (световой) энергии в энер-
гию химических связей. Реакционный центр
фотосинтеза — молекулярный комплекс, со-
Глава26. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
791
26.9. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
стоящий из молекулы-сенсибилизатора (погло-
щающей свет) и молекул — реагентов фото-
синтеза. Возбуждение светом фотоактивного
пигмента приводит к отрыву от него электрона
и восстановлению первичного акцептора, пе-
редающего потом электрон следующему ак-
цептору и дальше в электронно-транспортную
цепь [22]. Эффект может использоваться в ави-
сторах и биосенсорах.
26.10. ОПТОЭЛЕКТРОНИКА — область
функциональной электроники, использующая
взаимодействие оптического излучения с веще-
ством для обработки, хранения и формирова-
ния сигналов. Различают два основных направ-
ления оптоэлектроники: оптическое и элек-
тронно-оптическое. Первое связано с переда-
чей, хранением и обработкой собственно опти-
ческих сигналов. Сюда входят: волоконная оп-
тика, оптические процессоры, голография. Раз-
личают волоконно-оптические линии для пере-
дачи оптических сигналов и волоконно-оптиче-
ские пучки для передачи света и изображения.
Основным элементом волоконной оптики явля-
ется световод. Электронно-оптическое направ-
ление связано с преобразованием электричес-
ких сигналов в оптические, их обработкой и об-
ратным преобразованием. Основными элемен-
тами этого направления являются оптроны и
оптические каналы связи [5, 10, 23—25].
Возбуждение — процесс перевода микро-
систем на высший энергетический уровень с
последующим переходом на один из низших
уровней, сопровождающимся излучением. Мо-
жет осуществляться любым нетепловым спо-
собом: облучением фотонами, воздействием
электрического поля (электролюминесценция)
и др. При этом спектр излучения значительно
уже, чем у собственно тепловых источников.
Волоконно-оптическая линия связи
(ВОЛС) — линия связи, в которой осуществля-
ется генерация и модуляция оптического сигна-
ла, его передача по волоконному световоду,
промежуточное усиление (ретрансляция) для
компенсации потерь и последующее детекти-
рование. В основном используют импульсно-
модулированные оптические сигналы. В отли-
чие от кабельных и волноводных линий, ВОЛС
обладают большей широкополосностью — по-
тенциально до сотен гигагерц, меньшей мас-
сой, лучшей помехоустойчивостью и большей
скрытностью передачи сигналов. В зависимос-
ти от назначения ВОЛС подразделяют следую-
щим образом: волоконно-оптические кабели
длиной 10...30 м; локальные линии со скоро-
стью передачи до 10 Мбит/с и длиной до 10 км;
магистральные линии связи со скоростью пере-
дачи до 100 Мбит/с при длине до 200...300 км;
трансконтинентальные линии со скоростью пе-
редачи до 1 Гбит/с при длине более 300 км. По-
тери при распространении, в зависимости от
типа линии и длины оптической волны, лежат в
пределах 0.2... 10 дБ/км. По ВОЛС чаще всего
передают оптические сигналы с длиной волны
0.85, 1.3, 1.55 мкм.
Волоконно-оптический пучок — гибкий
световод, состоящий из большого числа опти-
ческих волокон малого (около 10 ... 20 мкм)
диаметра, торцы которых оплавлены, обреза-
ны, отполированы и являются входом и выхо-
дом канала связи. В. о. п. делятся на нерегуляр-
ные и регулярные. Нерегулярные оптические
пучки имеют произвольное пространственное
распределение концов волокон на входном и
выходном торцах. Служат они для передачи
энергии оптического излучения. Регулярные
оптические пучки отличаются тем, что концы
волокон на входном и выходном торцах соот-
ветствуют друг другу или распределены со-
гласно определенному закону. В первом случае
В. о. п. используются для передачи оптических
изображений, во втором — для их преобразо-
вания (кодирования).
Источник света (излучения) — устройство,
преобразующее энергию электрического сигна-
ла или другую форму энергии в оптическое из-
лучение. Различают два основных типа источ-
ников излучения: тепловые и люминесцентные.
У первых излучение создается нагретым телом;
его интенсивность и спектральный состав опре-
деляются формулой Планка. При этом длина
волны максимального излучения ^^обратно
пропорциональна температуре, а ширина спект-
ра, на которую приходится 90% энергии излуче-
ния, составляет (0.5...3)Хтах. Основным источ-
ником теплового излучения является лампа на-
каливания. В люминесцентных источниках све-
товое излучение, преобладает над тепловым,
причем оно продолжается после окончания воз-
буждения в течение времени, превышающего
период колебаний этого излучения.
Оптический изолятор — устройство,
обеспечивающее развязку оптических элемен-
тов, например полупроводникового лазера и
торца световода, для того, чтобы отраженный
сигнал не влиял на работу лазера. Использует-
ся эффект Фарадея, который обеспечивает не-
792
РАДИОТЕХНИКА
26.10. ОПТОЭЛЕКТРОНИКА
взаимное вращение плоскости поляризации ли-
нейно поляризованной оптической волны. Это
значит, что поляризация волны вращается в од-
ном и том же направлении для волн, распрост-
раняющихся в прямом и в обратном направле-
ниях. О. и. состоит из двух ориентированных
под 45° поляризаторов, между которыми нахо-
дится гирооптическая среда; продольный раз-
мер последней выбран таким образом, чтобы
обеспечивалось вращение плоскости поляриза-
ции на 45°. При этом падающая линейно поля-
ризованная волна, поворачиваясь на 45°, сво-
бодно проходит через выходной поляризатор, в
то время как отраженная волна, дополнительно
поворачиваясь на 45°, задерживается входным
поляризатором в силу ортогональности поляри-
зации волны и оси входного поляризатора.
Оптический фильтр — устройство, пред-
назначенное для изменения спектральной ха-
рактеристики временных и(или) пространствен-
ных оптических воздействий. Различают О. ф.
нижних и верхних частот, полосовые, режектор-
ные, а также согласованные фильтры. Для опти-
ческих сигналов в качестве О. ф. используют ре-
зонаторы Фабри—Перо, дифракционные решет-
ки и многослойные структуры, состоящие из ди-
электриков с различными коэффициентами пре-
ломления, которые чередуются.
Оптическая фильтрация пространствен-
ных сигналов осуществляется с помощью оп-
тического транспаранта — пластины, в кото-
рой по заданному закону изменяются прозрач-
ность, а также электрическая (оптическая) дли-
на участков. При размещении такого транспа-
ранта в плоскости пространственных частот оп-
тического Фурье-процессора изменяются амп-
литуды и фазы пространственных гармоник
двухмерного оптического сигнала, а результат
проявляется после обратного пространственно-
го преобразования Фурьё. В этом случае фильтр
нижних пространственных частот — это непро-
зрачная пластина с малым отверстием на оси
линзы. Фильтр верхних пространственных час-
тот — обратная структура, представляющая со-
бой прозрачную пластину с непрозрачным дис-
ком. Согласованный с сигналом фильтр имеет
транспарант, пространственный спектр которого
комплексно сопряжен со спектром выделяемого
сигнала. Такие фильтры используют для обнару-
жения и идентификации оптических сигналов.
Оптрон — оптоэлектронное устройство, в
котором конструктивно связаны источник све-
та, его приемник и оптический канал.
Переключатель электрооптический — ус-
тройство для смещения оптического луча, в ко-
тором используется пластина с двойным луче-
преломлением, а также электрооптическая ячей-
ка, изменяющая плоскость поляризации света на
тс/2 при приложении управляющего напряжения.
При этом луч через пластину проходит, как
обычный или как необычный, что и приводит к
его смещению. При помощи ди-каскадного де-
флектора можно получить 2т положений свето-
вого луча. Для непрерывного отклонения (ска-
нирования) луча используется призма из элект-
рооптического материала с нанесенными на ее
торцевую часть электродами. К ним приклады-
вают управляющее напряжение, изменяющее
показатель преломления, что и приводит к изме-
нению угла выхода луча из призмы.
Световод волоконный — пространственно
изолированный оптический канал на основе оп-
тически прозрачных материалов, обеспечиваю-
щих распространение оптического сигнала внут-
ри канала. Состоит из сердцевины и оболочки,
которая обладает меньшим (на 0.5... 1%) коэф-
фициентом преломления, что обеспечивает рас-
пространение сигнала в волокне за счет много-
кратного полного внутреннего отражения. Ос-
новным параметром является числовая апертура
Na = п\/2А, где п — средний показатель преломле-
ния сердцевины и оболочки, Д — их относитель-
ная разность. Обычно Na» 0.12.. .0.15. Различают
одно- и многомодовые волоконные световоды.
Одномодовые световоды — ступенчатые
световоды с малым (диаметром 8... 10 мкм)
сердечником, определяющим прохождение
волны преимущественно одного основного ти-
па и обеспечивающим полосу пропускания
свыше 200 ГГц/км.
Световод многомодовый волоконный —
оптический канал, в котором кроме основной
волны распространяются другие высшие типы
волн, имеющие меньшую, по отношению к ос-
новной волне, скорость распространения (мо-
довая дисперсия), что существенно ограничи-
вает полосу пропускания из-за размывания
формы оптического импульса. Существуют
многомодовые ступенчатые волоконные све-
товоды, в них коэффициент преломления в за-
висимости от радиуса изменяется скачком. Со-
стоят они из сердцевины диаметром 50 мкм и
оболочки с наружным диаметром 125 мкм. Эти
размеры соответствуют международному стан-
дарту. Полоса пропускания таких волноводов
не превышает десятков мегагерц на километр.
Глава 26. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
793
26.10. ОПТОЭЛЕКТРОНИКА
Световод многомодовый градиентный —
оптический канал, у которого показатель пре-
ломления плавно уменьшается от центра к пери-
ферии по параболическому закону. Это приво-
дит к увеличению плотности энергии основной
моды за счет самофокусировки (такие световоды
еще называют селфоками, от англ, self-focusing),
а также к выравниванию скоростей основной
моды, теснее связывающейся с центральной об-
ластью сердцевины и тем самым снижающей
свою скорость. Одновременно появляются выс-
шие типы волн, которые имеют большую связь с
периферией и, следовательно, увеличивают
свою скорость. Такие световоды имеют боль-
шую полосу пропускания (около 1 ГГц/км).
Фурье-процессор оптический — устрой-
ство, осуществляющее Фурье-преобразование
двухмерных оптических сигналов. Простей-
шим Фурье-процессором является сферичес-
кая линза. Если в ее передней фокусной плос-
кости расположить, например, монохромати-
ческое оптическое изображение, то в задней
фокусной плоскости распределение амплитуд
и фаз оптического сигнала будет соответство-
вать пространственному двухмерному Фурье-
преобразованию исходного сигнала, причем
нулевая пространственная гармоника будет
располагаться на оси в точке фокуса, а высшие
гармоники — на соответствующих расстояни-
ях от оси. Эта плоскость называется плоско-
стью Аббе или частотной плоскостью. Если за
первой линзой поместить соосно вторую так,
чтобы их фокусы совпадали, то в результате
повторного преобразования Фурье мы полу-
чим исходное оптическое изображение. Воз-
действуя на спектральные составляющие про-
странственного сигнала с помощью транспа-
рантов, можно производить пространственную
обработку изображения.
Эффект Керра — см. ст. 1.21.
Эффект Покельса — линейный электро-
оптический эффект, связанный с появлением
или изменением двойного лучепреломления
под действием электрического поля.
Эффект Саньяка — изменение времени
прохождения оптических сигналов, которые
двигаются в противоположных направлениях
замкнутого оптического канала, вращающего-
ся в своей плоскости. Эта разность определя-
ется как AZ = Ш/с, где Q — угловая скорость
вращения; S — площадь, охватываемая лучем;
с — скорость света в канале. Э. С. использует-
ся в оптических гироскопах, в которых для
увеличения площади при сравнительно малых
размерах применяют многовитковые катушки
из оптического волокна. Чувствительность та-
ких гироскопов составляет около 5 град/ч.
26.11. ПАВ-УСТРОЙСТВА НЕЛИНЕЙ-
НЫЕ — устройства, основанные на нелинейных
электроакустических явлениях в пьезоэлектри-
ках. При этом используют решетчатую нелиней-
ность, обусловленную нелинейностью связи де-
формации и механических напряжений в твер-
дом теле, и концентрационную нелинейность,
связанную с пространственным перераспределе-
нием свободных зарядов в пьезополупроводни-
ках при наличии деформаций. ПАВ-у. н. приме-
няют для создания устройств свертки, обраще-
ния сигналов во времени и корреляции [26].
Корреляционное устройство — акустоэ-
лектронное устройство, определяющее корре-
ляционную функцию двух сигналов
S(t) = |51(т)52(т-2/)б/т.
Для этого используются устройства свертки
двух сигналов, один из которых обращен во вре-
мени. После подачи сигнала, который необходи-
мо обратить во времени, на преобразователь
второго конвольвера и запоминания его в виде
акустического пространственного сигнала на
поверхности пьезоэлектрика подается импульс
на параметрический электрод, под которым в
данный момент находится акустический сигнал.
В результате нелинейного взаимодействия сиг-
налов образуется акустическая волна, распрост-
раняющаяся в обратном направлении. При этом
с указанного преобразователя снимается сигнал,
обращенный во времени, который подается на
один из преобразователей первого устройства
свертки. Одновременно подается второй сигнал
на другой электрод. Благодаря встречному рас-
пространению этих сигналов длина сигнала кор-
реляции во времени сокращается вдвое.
Используют также устройства со статичес-
ким запоминанием акустического сигнала на
пластине полупроводника или в диодной мат-
рице с расстоянием между диодами около по-
ловины минимальной длины волны запомина-
емого акустического сигнала. При этом сигнал
запоминается в виде заряда, поле которого со-
здает рельеф статического напряжения на по-
верхности пьезоэлектрика.
Свертки устройство акустоэлектронное
(акустоэлектронный конвольвер) — электро-
акустическое устройство, предназначенное для
794
РАДИОТЕХНИКА
26.12. ЭЛЕКТРОТЕПЛОЭЛЕКТРОНИКА
получения интеграла свертки двух электричес-
ких сигналов
5(0 = |5,(т)52(2г-т)</т
Для этого два электрических сигнала с несу-
щей частотой со подают на два встречно располо-
женных преобразователя, благодаря чему они
преобразуются в две поверхностные электроаку-
стические волны, распространяющиеся навстре-
чу друг другу В результате нелинейного взаимо-
действия, из-за достаточно высокой плотности
мощности поверхностной акустической волны,
дополнительно образуется неподвижное прост-
ранственное распределение заряда, которое из-
меняется с удвоенной частотой 2(0. Интегрирова-
ние сигнала по времени заменяется интегрирова-
нием в пространстве с помощью емкостного па-
раметрического электрода, находящегося на по-
верхности пьезоэлектрика в области взаимодей-
ствия встречных волн. Время интегрирования
пропорционально длине электрода и обратно
пропорционально скорости распространения
акустических сигналов. В результате встречного
движения исходных сигналов сигнал свертки со-
кращается во времени вдвое. Если один из сигна-
лов (опорный) прикладывается с заданной мощ-
ностью, то выходной сигнал будет пропорциона-
лен входному. Такие устройства называются би-
линейными. Используют их для обработки сиг-
налов с линейной частотной модуляцией, что
позволяет эффективно обнаруживать сигналы на
фоне шумов при их временном сжатии.
Основными параметрами билинейных уст-
ройств являются: информационная емкость —
произведение полосы частот Af на время интег-
рирования Г, достигающая нескольких тысяч;
внешний коэффициент преобразования Св п (как
правило, в пределах минус 60.. .95 дБм) — пара-
метр, характеризующий потери на нелинейные
преобразования, причем Свп= 10 lg[/V(PiP2)L
где Р3 — мощность выходного сигнала; Р} и Р2
— мощности входных сигналов (все — в милли-
ваттах); динамический диапазон — отношение
уровней обрабатываемых сигналов, нижнее зна-
чение которых определяется уровнем шумов на
выходе конвольвера, а верхнее — насыщением;
достигает 40.. .60 дБ .
26.12. ЭЛЕКТРОТЕПЛОЭЛЕКТРОНИКА
— направление функциональной электроники,
которое основывается на преобразовании элект-
рической энергии сигнала в тепловую энергию,
удобную для обработки, с последующим обрат-
ным преобразованием. Для прямого преобразо-
вания используется эффект Джоуля—Ленца, со-
гласно которому мощность теплового источника
пропорциональна квадрату тока, протекающего
по сопротивлению. При этом температура нагре-
ва (как правило, не более 200°С) пропорциональ-
на квадрату тока в широком динамическом диа-
пазоне. Преобразование может производиться в
чрезвычайно широкой полосе частот. Кроме ква-
дратичного используется и линейное преобразо-
вание тока в тепловую энергию (повышение тем-
пературы тела) — эффект Пельтье.
Для обратного преобразования использу-
ют эффект Зеебека — появление ЭДС при на-
греве места спая материалов с различными
электрохимическими потенциалами, а также
пироэлектрический эффект — изменение за-
рядов на поверхности пироэлектрика при из-
менении его температуры, что является след-
ствием изменения модуля вектора поляриза-
ции. Используют также изменение параметров
элементов при изменении температуры (тер-
морезисторы, позисторы, сопротивления об-
ратносмещенных р-п-переходов и др.). Тепло-
электронные элементы применяют при созда-
нии фильтров, квадратичных преобразовате-
лей, смесителей, линий задержки, колебатель-
ных контуров низких и сверхнизких частот
(теплоемкостных контуров).
Пироэлектрический преобразователь —
устройство, в котором обратное преобразова-
ние теплового сигнала в электрический осу-
ществляется с использованием пироэффекта.
Так как ток в нагрузке пироэлектрического
преобразователя пропорционален производ-
ной по времени от температуры (скорости из-
менения заряда), этот эффект в значительной
степени уменьшает тепловую постоянную вре-
мени, что повышает полосу рабочих частот
преобразователя до единиц мегагерц.
Распределенный электротепловой эле-
мент — устройство с разнесенными в прост-
ранстве источником и приемником тепла.
Р. э. э. — полупроводниковая пластина, на ко-
торой сформированы два транзистора, один
из них, открытый, работает в линейном режи-
ме преобразования электрического сигнала в
тепловой, а другой, закрытый, — в режиме
датчика температуры. Используют для созда-
ния генераторов сверхнизких частот, а также
в цепи обратной связи широкополосных уси-
лителей с малым дрейфом нуля.
Глава 26. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
795
26.12. ЭЛЕКТРОТЕПЛОЭЛЕКТРОНИКА
Сосредоточенный электротепловой эле-
мент — устройство, в котором источник и при-
емник тепла совмещены или расположены на
близком расстоянии. Амплитудно-частотная ха-
рактеристика такого элемента определяется
тепловой постоянной времени и температур-
ным коэффициентом сопротивления источника
тепла. Для уменьшения нелинейных искажений
используется линеаризация элемента за счет
смещения рабочей точки нагревателя постоян-
ным током в линейную область. Работает в диа-
пазоне от долей герца до десятков килогерц.
Список использованной УХ
и рекомендованной литературы
1. Магдич Л.Н., Молчанов В.Я. Акустооптические устройства и их применение. — М.: Сов.
радио, 1978. —112 с.
2. Хорунжий В.А., Долбня Е.В., Богатов П.Н. Акустоэлектроника. — К.: Техшка, 1984. —152 с.
3. Интегральные пьезоэлектрические устройства фильтрации и обработки сигналов / Под
ред. Б.Ф. Высоцкого, В.В. Дмитриева. — М.: Радио и связь, 1985. —176 с.
4. Ерофеев А.А., Данов Г.А., Фролов В.Н. Пьезокерамические трансформаторы и их приме-
нение в радиоэлектронике. — М.: Радио и связь, 1988. —128 с.
5. Свечников С.В. Оптоэлектроника. — К.: Техшка, 1968. — 170 с.
6. Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография — М.: Мир, 1973. — 686 с.
7. Мил ер. М. Голография. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979. — 207 с.
8. Федоров Б.Ф., Цибулькин Л.М. Голография. — М.: Радио и связь, 1989. — 138 с.
9. Ваганов Р.Б., Канцеленбаум Б.З. Основы теории дифракции. — М.: Наука, 1982. — 272 с.
10. Оосоки Т. Оптоэлектроника и оптическая связь. — М.: Мир, 1988. — 96 с.
11. Вендик О.Г., Горин Ю.Н. Криогенная электроника. — М.: Знание, 1977. —.63 с.
12. Интегральные схемы и микроэлектронные устройства на сверхпроводниках / Алферов
В.П., Бахтин П.А., Ваенков А.А. и др. — М.: Радио и связь, 1985. —231 с.
13. Лихарев К.К. Введение в динамику джозефсоновских переходов. — М.: Наука, 1985. — 320 с.
14. Мнеян М.Г. Сверхпроводники в современном мире. — М.: Просвещение, 1991. — 159 с.
15. Рандошкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. — М.: Энергоатомиздат,
1990. —320 с.
16. Гуревич А.Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках. — М.: Наука,
1973. —573 с.
17. Лакс Б., Баттон К. Сверхвысокочастотные ферриты и ферромагнетики. — М.: Мир, 1965.
— 675 с.
18. Васильев В.А., Романовский Ю.М., Яхно В.Г. Автоволновые процессы / Под ред. Д.С.
Чернавского. — М.: Наука, 1987. — 240 с.
19. Биотехника — новое направление компьютеризации / Ю.К. Ахапкин, С.И. Барцев, Н.И.
Всеволодов и др. — М.: Наука, 1990. —144 с.
20. Давыдов А.С. Биология и квантовая механика. — К.: Наук, думка, 1979. — 296 с.
21. Молекулярная элементная база перспективных информационно-логических устройств /
Н.Г. Рамбиди, В.М. Замалин, Ю.М. Сандлер и др. // Итоги науки и техники. Сер. Электроника.
Т. 22 — М.: ВИНИТИ, 1987. — 170 с.
22. Рубин А.Б. Биофизика в 2 кн. — М.: Высш, шк., 1987. —520 с.
23. Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах. — М.: Мир, 1987. —616 с.
24. Верещагин И.К., Косяченко Л.А., Кокин С. М. Введение в оптоэлектронику. — М.: Высш,
шк., 1991. —191 с.
25. Основы оптоэлектроники / Суэмацу Я., Катаока С., Кисино К. и др. — М.: Мир, 1988. —
285 с.
26. Бондаренко В.С., Бочков Б.Г., Громашевский В.Л. Нелинейные акустоэлектронные уст-
ройства и их применение. — М.: Радио и связь, 1985. —160 с.
796
РАДИОТЕХНИКА
ГЛАВА 27
ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ
И ЗВУКОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
• Электроакустика дает возможность
превратить неживой язык
электрических колебаний в живой
мир звуков, музыки, речи.
• В 1876 г. А. Белл (США) впервые
осуществил передачу
звуков речи на расстояние.
При этом использовался
изобретенный им же телефон
электромагнитного типа.
• Звуковому вещанию в России —
свыше 100 лет!
• 17 марта 1888 г. в Москве на квартире
доктора Богословского двенадцать
человек слушали с помощью
телефонных трубок оперу
Джузеппе Верди «Риголетто»,
передаваемую по проводам
, из Большого театра.
• 1 мая 1921 г. в Казани через усилитель
и рупоры, установленные на площадях,
впервые читалась устная газета.
22 июня 1921 г., в день открытия конгресса
Коминтерна, в Москве заработала Сеть
проводного вещания с рупорами,
установленными на шести площадях.
• 17 сентября 1922 г. начала регулярную
работу радиостанция им. Коминтерна.
• 8 декабря 1922 г. впервые передана по
радио программа, записанная на
грампластинки.
Электроакустические устройства — это
начальные и конечные звенья систем радиове-
щательной связи, обработки разнообразной
звуковой информации, записи и воспроизведе-
ния звуковых сообщений.
К звукотехническим относят системы и ус-
тройства озвучивания помещений и открытых
воздушных пространств, звукоусиления и фор-
мирования акустических свойств помещений и
студий, приборы для озвучания кинофильмов и
т.п. Начальные звенья тракта передачи звуковых
сообщений — это совокупность источников
звука (музыкальные инструменты, голоса пев-
цов, дикторов, актеров и др.), воздушная среда
студии, зала (см. ст. 27.5), микрофоны (см. ст.
27.4). Оконечное звено — электроакустический
преобразователь: телефон, громкоговоритель.
Последний в быту называют акустической сис-
темой (АС), но целесообразно так называть ми-
нимум два громкоговорителя, представляющих
собой стереофоническую базу для воспроизве-
дения звука. Поскольку АС работает в помеще-
нии озвучивания, то и свойства конкретного по-
мещения (см. ст. 27.5) существенным образом
влияют на качество воспроизведения и воспри-
ятия программы. Слушатель воспринимает зву-
ковые колебания барабанной перепонкой орга-
на слуха — анализатора спектра акустических
сигналов (см. ст. 27.6). Совокупность звеньев
определяет качество восстановления первично-
го звукового сообщения, поэтому при расчетах,
проектировании и аппаратурной реализации си-
стем обработки звуковых сигналов нужно учи-
тывать свойства и особенности каждого звена
тракта звукопередачи.
Ознакомление целесообразно начать со ст.
27.2 и 27.11, а дальше изучать материал произ-
вольно, учитывая ссылки и рекомендации в
тексте.
27.1. АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
(АС) — два (или больше) громкоговорителя.
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
797
27.1. АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Каждый из них содержит излучатель звуковой
энергии, который принято называть головкой
прямого излучения (например, динамическая
головка, см. ст. 27.3), и ее акустическое
оформление — корпус. Именно он является ос-
новным элементом конструкции, формирую-
щим характеристики громкоговорителя в диа-
пазоне низких частот вследствие влияния его
акустической нагрузки на головку и подавле-
ния (либо использования) колебаний тыловой
стороны диффузора. Длинные волны низких
частот от фронтальной и тыловой сторон диф-
фузора бескорпусной головки, сдвинутые по
фазе на л, компенсируют одна другую и не вос-
принимаются на слух в большинстве точек по-
мещения прослушивания (эффект акустичес-
кого короткого замыкания). По этой причине
бескорпусные громкоговорители не изготавли-
ваются. Корпус очень существенно влияет на
КПД, АЧХ, ФЧХ, характеристику направлен-
ности (см. ст. 3.1), коэффициент гармоник
громкоговорителя во всем звуковом диапазоне
частот — из-за упругости воздуха во внутрен-
нем объеме, колебаний стенок, а также ди-
фракции звуковых волн.
В зависимости от исполнения корпуса раз-
личают громкоговорители: с условно беско-
нечным экраном (с открытым корпусом); за-
крытые; с фазоинвертором; с пассивным излу-
чателем; со свернутым рупором (лабиринтом,
трансмиссионной линией) и др.
Громкоговоритель с открытым корпусом
— громкоговоритель без задней стенки корпу-
са, поэтому влияние упругости воздуха в его
объеме на низкочастотную головку отсутству-
ет и её нижняя рабочая частота не повышается,
что полезно. Однако излучения фронтальной и
тыловой ее сторонами не изолированы друг от
друга, и возможность акустического короткого
замыкания в помещении не устранена.
В закрытом громкоговорителе упругость
воздуха в его объеме сравнима с упругостью
подвижной системы головки, а излучение ты-
ловой стороной диффузора полностью изоли-
ровано корпусом от внешнего пространства и
тем самым подавлено.
Громкоговоритель с фазоинвертором име-
ет отверстие или трубку с отверстием на перед-
ней стенке корпуса. Это позволяет использо-
вать колебания внутреннего объема воздуха от
тыловой стороны диффузора для переизлуче-
ния вперед с фазовым сдвигом 2л относитель-
но колебаний от фронтальной поверхности
диффузора. Коэффициент полезного действия
фазоинверторного громкоговорителя вдвое вы-
ше, чем КПД закрытого громкоговорителя.
Громкоговоритель с пассивным излучате-
лем — разновидность предыдущего варианта с
переизлучением энергии. Здесь вместо трубки
фазоинвертора установлен пассивный излуча-
тель (ПИ) — электродинамическая низкочастот-
ная головка с подвижной системой, но без маг-
нита и звуковой катушки. Пассивный излуча-
тель возбуждается колебаниями воздуха внутри
корпуса от тыловой поверхности диффузора ак-
тивной НЧ головки. Достоинства: высокие КПД
и линейность ФЧХ. Последнее важно для до-
стоверного воспроизведения «атаки» звука (му-
зыкальный термин) — синфазного возникнове-
ния на выходе громкоговорителя всех компо-
нентов спектра единичного включения или ко-
роткого звукового импульса. Благодаря линей-
ности ФЧХ громкоговоритель с пассивным из-
лучателем в настоящее время вытесняет с рын-
ка иные виды громкоговорителей категории Hi-
Fi, несмотря на его высокую стоимость. Осталь-
ные перечисленные ранее исполнения корпусов
являются модификацией громкоговорителя с
использованием эффекта переизлучения.
Для создания плоской и гладкой АЧХ во
всем диапазоне звуковых частот целесообраз-
но применять корпуса обтекаемой формы: при
этом благоприятно сказываются дифракцион-
ные явления внутри корпуса и на нем. Для
уменьшения нежелательных, неприятных на
слух колебаний стенок громкоговорителя его
корпус заполняют упругопористым волокнис-
тым материалом, стенки изготавливают из
плотного упругого материала, применяют реб-
ра жесткости и вибропоглощающие покрытия.
Электронные цепи громкоговорителя со-
держат разделительные фильтры (для распре-
деления спектра звуковых частот между голо-
вками), фильтры-корректоры (для демпфиро-
вания снижающих надежность диффузора ко-
лебаний на нерабочих низких частотах), цепи
электромеханической отрицательной обратной
связи, цепи защиты от перегрузок, регуляторы
АЧХ. Все они повышают неискаженную акус-
тическую мощность АС [1,2].
27. 2. АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ — про-
странство распространения акустических
волн, иначе — переменного возбуждения упру-
гой среды, воздушной или водной (см. гл. 3).
Частицы среды взаимодействуют лишь при
нормальном (перпендикулярном) к фронту
волны смещении, т.е. колеблются только вдоль
направления распространения энергии. Поэто-
798
РАДИОТЕХНИКА
27.3. ГОЛОВКА ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ
му акустическая волна — продольная, не име-
ет тангенциальной составляющей [3], в отли-
чие от электромагнитной волны. Различают
пространственные (линейные) и энергетичес-
кие характеристики акустического поля.
К линейным характеристикам А. п. отно-
сятся: звуковое давление р — разность между
полным (мгновенным) и постоянным (атмо-
сферным или гидростатическим) звуковыми
давлениями; колебательная скорость v движе-
ния частиц среды; акустическое сопротивле-
ние za = plv. Связь между звуковым давлением
и колебательной скоростью установлена вол-
новым уравнением Вебстера [4]. Фронт волны
— поверхность, содержащая смежные точки
поля с одинаковой фазой колебаний.
К энергетическим характеристикам А. п.
принадлежат: интенсивность звука (среднее
значение потока акустической энергии от источ-
ника через единицу площади) и плотность энер-
гии (среднее ее значение на единицу объема).
Известны три основные модели акустичес-
ких волн. Сферическая волна действует в сво-
бодном пространстве независимо от расстояния
до источника звука (например, воздушная волна
в поле или над морем, гидроакустическая волна
в глубоком море). Имеет сферический фронт,
звуковые лучи — радиусы сферы с источником в
ее центре. Интенсивность I = /72cos(p/(pc), где
р — плотность среды; с — скорость распростра-
нения звука (не путать с колебательной скоро-
стью частиц v); (р — сдвиг фазы между р и v. Ин-
тенсивность уменьшается пропорционально
квадрату расстояния от источника, а звуковое
давление — пропорционально расстоянию бла-
годаря расширению фронта волны, даже без уче-
та поглощения (см. ст. 3.12). Акустическое со-
противление za = pccoscp. Сферическая волна —
это наиболее сложный, общий вид волн.
Плоская волна существует на большом уда-
лении от источника, имеет плоский фронт, лу-
чи параллельны, энергия не расходится в сто-
роны, интенсивность звука I = /?2/(рс), так как
cos(p I <p=o = 1, т.е. она не зависит от расстояния,
без учета поглощения (см. ст. 3.12), акустичес-
кое сопротивление za = plv = pc.
Цилиндрическую волну создает боковая по-
верхность пульсирующего цилиндра: источник
звука размещен на его оси, способ распростра-
нения энергии подобен увеличению радиусов
круглого цилиндра, являющихся лучами; поток
энергии не расходится вдоль образующей ци-
линдра, а распространяется так, как, например,
при излучении звука звуковыми колонками в
ограниченных по объему помещениях (см. ст.
27.3) или гидроакустическими антеннами (см.
ст. 3.1) в условиях берегового клина в мелком
море. Имеет свойства, занимающие промежу-
точное положение между свойствами сфериче-
ской и плоской волн: интенсивность уменьша-
ется пропорционально расстоянию, а звуковое
давление — пропорционально квадратному
корню из расстояния, т.е. значительно медлен-
нее, чем в сферической волне [4].
273. ГОЛОВКА ГРОМКОГОВОРИТЕ-
ЛЯ или телефона — излучатель, преобразова-
тель электрических сигналов в акустические.
Промышленностью выпускаются низкочастот-
ные, среднечастотные, высокочастотные и ши-
рокополосные головки громкоговорителей. По
типу преобразования энергии различают голо-
вки электродинамические (катушечные, лен-
точные, изодинамические), электростатичес-
кие (с поляризацией и без нее — электретные),
на основе пьезоэффекта (пленочные, керами-
ческие) и нетрадиционные (магнепланары,
плазменные, ионизационные).
В электродинамических Г. г. взаимодейству-
ют проводник подвижной катушки и поле по-
стоянного магнита, а также диффузор-диа-
фрагма и воздух (термин диафрагма соответ-
ствует синфазному излучению всеми точками
поверхности, в отличие от мембраны). Форма
у диффузоров Г. г. бывает плоской, конусной и
купольной.
В изодинамических Г. г. (варианты — орто-
динамические, излучатели Гейла) на тонкую
диэлектрическую диафрагму способом травле-
ния или напыления наносят проводник опреде-
ленной геометрической формы.
У электростатических Г. г. диафрагма
выполнена в виде тонкой металлизированной
пленки и размещена между перфорированны-
ми электродами, к которым приложено по-
стоянное поляризационное напряжение и (че-
рез трансформатор) — сигнальное, на звуко-
вой частоте.
Ленточные Г. г. объединяют принципы по-
строения электродинамических и электроста-
тических преобразователей: гофрированная
лента из алюминиевой фольги расположена в
поле постоянного магнита.
По способу трансформации при передаче
акустической энергии различают Г. г. прямого
излучения и рупорные (в последних для согла-
сования акустических сопротивлений излуче-
ния и воздушной среды диафрагму размещают
в передрупорной камере).
Глава 27. ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ И ЗВУКОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
799
27.3. ГОЛОВКА ГРОМКОГОВОРИТЕЛЯ
Приведем, восемь из пятнадцати важней-
ших параметров головок громкоговорителей.
Характеристическая чувствительность
(ХЧ) [ПамА/Вт] — усредненное в рабочем
диапазоне частот звуковое давление на рассто-
янии 1 м вдоль оси диаграммы направленнос-
ти (см. ст. 3.1), создаваемое электрической
мощностью 1 Вт, подведенной к излучателю.
Номинальная электрическая мощность [Вт]
— мощность при нормированном (заданном)
значении коэффициента гармоник акустическо-
го сигнала.
Паспортная электрическая мощность
[Вт] — предельная максимальная мощность
шумового сигнала с нормированным спект-
ральным распределением (так называемый
«розовый» шум), обеспечивающая продолжи-
тельную (более 100 ч) работу головки громко-
говорителя без механических и тепловых по-
вреждений.
Модуль полного входного электрического
сопротивления на частоте f — zBX(J) [Ом].
Частота основного резонанса f0 [Гц] —
частота, соответствующая первому максимуму
зависимости zBX(/) при возрастании частоты.
Добротность (полная, электромеханичес-
кая) — мера затухания свободного или возрас-
тания вынужденного колебаний подвижной
системы головки (катушки с диффузором).
Эквивалентный объем головки [м3] - за-
крытый объем воздуха с гибкостью на площа-
ди излучающего отверстия, равной гибкости
подвижной системы головки.
КПД — отношение акустической мощнос-
ти к потребляемой электрической [2, 4].
Групповой излучатель — устройство, со-
стоящее из нескольких однородных головок
громкоговорителей, для повышения интенсив-
ности или регулирования направленности из-
лучения звука. При последовательном соеди-
нении головок возбуждение механических сис-
тем синфазное и вероятность получения коге-
рентного звукового потока наибольшая. Одна-
ко параллельное включение обеспечивает
большую надежность Г. и., по сравнению с по-
следовательным соединением, при выходе из
строя одной из головок.
Звуковая колонка — Г. и. из трех—восьми
идентичных головок, размещенных в корпусе
вертикально, благодаря чему ДН в вертикаль-
ной плоскости пропорциональна отношению
высоты колонки к длине волны. Для расшире-
ния угла ДН в горизонтальной плоскости до
90° применяют две колонки с разворотом их на
60°. АЧХ колонки равномернее, чем каждой из
отдельных головок из-за эффекта усреднения
на средних и высоких частотах, а также благо-
даря акустическому взаимодействию низкочас-
тотных головок (см. ст. 3.1). Взаимодействие
увеличивает акустическое сопротивление из-
лучения и мощность, а также способствует
сглаживанию АЧХ и расширению вниз рабоче-
го диапазона частот.
Радиальный Г. и. составляют из четырех—
шести одинаковых головок громкоговорите-
лей, которые размещают по кругу и с наклоном
вниз на 45° (для типичной высоты 7 м от пола)
с целью мощного ненаправленного озвучива-
ния помещений.
Звуковые люстры и веера компонуют из голо-
вок или из колонок, также размещаемых по кругу.
27.4. МИКРОФОН — акустоэлектричес-
кий преобразователь колебаний воздушной
среды в переменный электрический сигнал.
Основные параметры М.: чувствительность
— отношение напряжения ненагруженного
М. к звуковому давлению на его диафрагму
[B/Па]; отношение чувствительностей по
фронту и тылу диафрагмы; зависимость
чувствительности от частоты и направле-
ния звуковой волны; модуль полного электри-
ческого сопротивления [Ом].
По способу приема звуковых колебаний
механической колебательной системой разли-
чают микрофоны — приемники давления и
микрофоны — приемники градиента давления,
а также комбинированные.
Диафрагма приемника давления открыта
для звуковых волн лишь с одной стороны, вол-
ны огибают ее, поэтому звуковое давление воз-
ле микрофона соответствует давлению в сво-
бодном поле и такой микрофон — ненаправ-
ленный. В приемнике градиента давления по-
движная система открыта для волн; с обеих
сторон, разность давлений действует на фрон-
тальную и тыловую стороны диафрагмы с вза-
имным фазовым сдвигом, и возникает направ-
ленность приема.
По форме ДН различают микрофоны сим-
метричные и асимметричные, причем оба ви-
да обладают потенциальной помехоустойчи-
востью к диффузному (рассеянному и нена-
правленному) шуму. Приемник градиента дав-
ления второго порядка (со сдвоенной диафраг-
мой) реагирует на разность звуковых давле-
ний у каждой диафрагмы, его ДН — квадрат
косинусоиды, а направленность и помехоус-
тойчивость выше, чем у приемника давления.
800
РАДИОТЕХНИКА
27.5. ОЗВУЧИВАНИЕ ПОМЕЩЕНИЙ И ОТКРЫТЫХ ПРОСТРАНСТВ
Для создания диаграммы направленности с
заданными остротой и ориентацией применяют
линейные группы микрофонов и трубчатые М.
Основной их характеристикой является индекс
направленности — отношение квадрата осевой
чувствительности в свободном поле к усреднен-
ному по всем радиальным направлениям квадра-
ту чувствительности в заданной полосе частот.
В случае слабого сигнала учитывают уро-
вень собственного шума М. или группы М. от-
носительно порога чувствительности (см. ст.
27.6) — уровня звукового давления 210-5 Па,
условно принятого за 0 дБ [1, 5].
По способу преобразования акустомеханиче-
ских колебаний в электрические классификация
микрофонов та же, что и головок громкоговорите-
лей (см. ст. 27.3). Наиболее распространены элек-
тродинамические (ленточные, катушечные) и эле-
ктростатические (конденсаторные, электретные)
М. Для художественного телерадиовещания выс-
шей категории качества пригодны лишь конден-
саторные М., для первой категории — ленточные
динамические, а для связи — угольные и электро-
магнитные узкополосные М. [1, 5].
27.5. ОЗВУЧИВАНИЕ ПОМЕЩЕНИЙ И
ОТКРЫТЫХ ПРОСТРАНСТВ — обеспече-
ние громкоговорящего воспроизведения звуко-
вых сигналов (музыкального и речевого веща-
ния, звукозаписи, оповещения) с заданным ка-
чеством в местах размещения слушателей.
Основные показатели: динамический диа-
пазон и неравномерность уровней поля в объе-
ме помещения; уровень шумов; раздельность
звучания, или отсутствие эха — мешающего
рассеянного звука. По расположению громко-
говорителей в пространстве системы озвучива-
ния делят на три типа — сосредоточенные
(централизованные); зональные (децентрали-
зованные); распределенные.
В сосредоточенной системе дистанция меж-
ду крайними громкоговорителями меньше рас-
стояния от системы до слушателей. Если эта
дистанция соизмерима или больше максималь-
ной длины звуковой волны программы, то в лю-
бой точке прослушивания суммируются интен-
сивности поля, или квадраты звуковых давле-
ний от каждого громкоговорителя. При близко
(относительно длины волны) расположенных
громкоговорителях суммируются создаваемые
ими звуковые давления, т.е. программы звучат
тише. Для сосредоточенных систем используют
акустические системы, рупорные громкогово-
рители и звуковые колонки, редко — радиаль-
ные и одиночные излучатели из-за их невысо-
кой отдачи. Излучатели всех типов располагают
обычно вблизи первичных источников звука,
например, в концертных или театральных залах.
Зональной называют систему из нескольких
сосредоточенных групп громкоговорителей,
каждая из которых обслуживает свой участок
озвучивания открытых пространств, условно
разделенных на ряд зон. В каждой зоне звуко-
вое поле создается отдельными группами гром-
коговорителей. На стыках зон суммируются ин-
тенсивности от ближайших громкоговорите-
лей, и уровень звука возрастает на 3...6 дБ. Зо-
нальные системы бывают линейными и прост-
ранственными. Первые применяют на улицах,
вторые — на площадях и стадионах. Каждая
такая конструкция содержит радиальные или
веерные групповые излучатели.
Распределенной называют систему озвучи-
вания, в которой звук к слушателям поступает от
всех громкоговорителей с примерно одинаковы-
ми уровнями. Применяют одномерные линей-
ные цепочки или двухмерные поверхностные
потолочные решетки, а также множество гром-
коговорителей небольшой мощности, например,
громкоговорители размещают в креслах зала за-
седаний парламента. Во всех этих случаях сум-
мируются интенсивности и квадраты звуковых
давлений поля излучения, что дает существен-
ный выигрыш в громкости (см. ст .27.6).
Акустическая обработка помещения —
процесс получения заданных (в частности, опти-
мальных) акустических характеристик помеще-
ния, среди которых особую роль играет время
реверберации, связанное с другими характерис-
тиками помещений (см. далее). При акустичес-
кой обработке необходимо обеспечить АЧХ по-
глощения (см. ст. 3.12) звука в помещении, соот-
ветствующую заданной характеристике времени
реверберации. Это необходимо для благоприят-
ного звучания произведений определенного му-
зыкального жанра или для большей разборчиво-
сти речи. Полезного результата достигают ком-
бинацией поглощающих конструкций, умень-
шающих энергию звука преимущественно низ-
ких и средних частот. Поглощение тем больше,
чем меньше разность акустических сопротивле-
ний воздуха и материала конструкции. У сплош-
ных материалов акустическое сопротивление
больше, а у пористых меньше, чем у воздуха.
По физическому типу звукопоглощения
все материалы делят на пористые, резонанс-
ные и перфорированные. Первые поглощают
звук на высоких частотах, но неэффективны на
низких. Вторые бывают мембранными (напри-
Глава 27 ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ И ЗВУКОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
801
27.5. ОЗВУЧИВАНИЕ ПОМЕЩЕНИЙ И ОТКРЫТЫХ ПРОСТРАНСТВ
мер, щиты Бекеши с натянутым холстом) и ре-
зонаторными, поглощающими звуковую энер-
гию вблизи резонансной частоты, если в горло-
вине резонатора расположен вязкий материал с
высоким внутренним трением (например, ре-
зонатор Гельмгольца). При большом числе ре-
зонаторов получают третий тип — перфориро-
ванный резонансный поглотитель.
Акустическое отношение — это отноше-
ние плотностей звуковой энергии диффузного
(рассеянного) и прямого излучений. Расстояние
до источника звука, при котором А. о. равно еди-
нице, называют радиусом гулкости помещения.
На слух изменение А. о. воспринимают как из-
менение времени реверберации (см. далее). Для
музыкальных программ требуется А. о. в преде-
лах 6... 12, причем большее значение соответст-
вует и большему помещению (например, А. о.
равняется 12 в храме или в органном зале). При
А. о. меньше 2 звучание музыки чрезмерно сухо.
Проектирование залов с оптимальным А. о. —
большое искусство, поэтому выдающиеся музы-
канты и дирижеры считают архитекторов поме-
щений своими соисполнителями при озвучании
партитур музыкальных произведений.
Время реверберации (процесса затухания
колебаний в помещении) — время уменьшения
интенсивности звукового поля в 106 раз (или
звукового давления в 103 раз) после окончания
излучения звука. Кривая затухания вследствие
биений колебаний собственных частот не име-
ет монотонной формы. Время реверберации на
средних и на низких частотах оценивают по
формуле
Гр = ОЛбГ/ад,
где VnS — объем и площадь помещения соот-
ветственно; 0Ср — реверберационный коэффи-
циент поглощения энергии (0.2 < оср < 1.2).
Для высоких частот формула усложняется
из-за необходимости учета поглощения прямо-
го звука в воздухе.
Феноменологическую (упрощенную) модель
реверберации используют для инженерных
расчетов. При этом употребляют такие терми-
ны: диффузное поле (поле, в котором энергия
рассеянных волн преобладает над энергией
прямых волн); средняя длина свободного про-
бега Lcp = 4V/S для прямоугольного, в частнос-
ти, объема; полный коэффициент поглощения
^=Х5'а'’
/=1
где 5/, а, — элементы площади и
частные коэффициенты поглощения соответ-
ственно; средний коэффициент поглощения
аср = А/S', время t\ запаздывания первых отра-
жений (его отсутствие в партере — типичный
недостаток современных театров; в хорошем
зале обычно t\ ~ 20 мс, при меньшем t\ говорят
о звуковой «яме»).
Громкоговорящая связь — система связи
для непосредственного разговора или передачи
объявлений на небольшие расстояния, напри-
мер в условиях железнодорожной станции, ста-
диона. В зависимости от вида Г. с. аппаратур-
ный комплекс содержит радиомикрофон, радио-
телефонный односторонний или дуплексный
диспетчерский радиопередатчик, антенну, два
шумозащищенных (направленных) микрофона,
усилители, громкоговорители, электромегафон.
Дуплексная Г. с. может вызвать нежелательную
положительную акустическую обратную связь
(см. ст. 24.15); для ее устранения используют ав-
торегуляторы уровня с малой постоянной вре-
мени установления (5 мс), но с большим време-
нем удерживания уровня (до 5 с).
Звукоусиление — способ создания для
всех слушателей одинакового уровня звуково-
го поля, оптимального для определенного по-
мещения. Звукоусиление необходимо даже в
случае большой мощности первичного источ-
ника, если расстояние до отдаленного слуша-
теля превышает 25 м, а объем помещения бо-
лее 2000 м3. Система звукоусиления должна
обеспечить уровень поля £min ниже уровня
возле микрофона £м не более чем на 12 дБ (эти
12 дБ — усредненные потери уровня звука от
диктора до микрофона).
Индекс тракта Q — разность уровней по-
ля: минимального в зале и возле микрофона,
т.е. Q = £min - £м. Для музыкальных передач
Q = -16 дБ, для речевых Q = -10 дБ.
Амбиофоническая система звукоусиления
(искусственная реверберация) обеспечивает
АЧХ времени реверберации Тр, согласованную
с характером звукового сигнала. Например,
для музыкальных программ, в зависимости от
жанра, 7Р.ОПТ = 1.3...2.1 с, для речевых про-
грамм Тр опт = 0.5.. .0.7 с. Архитектура помеще-
ния не позволяет оперативно изменять время
Тр. В залах многоцелевого назначения стерео-
фонические и амбиофонические системы ра-
ботают совместно: система озвучивания с мик-
рофоном, находящимся в звуковом поле гром-
коговорителя, обеспечивает положительную
акустическую обратную связь для прямого и
диффузного звуков с коэффициентом
Рос = МРи +Рг),
802
РАДИОТЕХНИКА
27.6. ОРГАН СЛУХА
где ри и рт — звуковые давления от источника
и от громкоговорителя соответственно. Это яв-
ление называют также регенеративной ревер-
берацией.
27.6. ОРГАН СЛУХА — преобразователь
переменного звукового давления воздуха в
слуховое восприятие, приемник-анализатор
акустических сигналов (см. ст. 14.1). Состоит
из трех функциональных частей — внешнего,
среднего и внутреннего уха.
Внешнее ухо имеет раковину и слуховой
ход, они формируют направленность приема
акустических сообщений. Среднее ухо содер-
жит барабанную перепонку, а также три мини-
атюрные кости: молоточек, наковаленку, стре-
мечко; вместе взятые, они образуют акустоме-
ханический трансформатор. Он превращает
воздушные волны, обладающие большой ско-
ростью, но сравнительно малым звуковым дав-
лением, в колебания плотной лимфы внутрен-
него уха с большим давлением, но меньшей
скоростью, что повышает чувствительность
слуха и КПД. Это — результат согласования
сопротивлений органа слуха и среды.
Внутреннее ухо (улитка, завиток) содержит
вестибулярный и барабанный ходы, геликотре-
му (овальное окно), базилярную мембрану По-
следняя является амплитудно-частотным ана-
лизатором и состоит из многих тысяч волокон,
натянутых поперек завитка и направления рас-
пространения звуковой волны в лимфе. Волок-
на взаимосвязаны слабо, колеблются независи-
мо друг от друга, подобно струнам арфы. Орган
Корти (имя исследователя), расположенный
вдоль базилярной мембраны, содержит более
22 тыс. нервных окончаний — волосковых кле-
ток. Резонансную частоту fB волокна определя-
ют гибкость С и масса т эквивалентной натя-
нутой струны вместе с присоединенной массой
тпр лимфы. Масса тпр зависит от расстояния
до овального окна: длинные волокна располо-
жены дальше, и на низких частотах участвует
большая, а на высоких частотах — меньшая
масса лимфы. Согласно формуле Томсона для
акустической цепи частота резонанса волокна
определяется выражением [4, 5]:
2п^С(т + тпр)
Восприятие уровней звука. Согласно за-
кону Вебера—Фехнера одинаковые относи-
тельные изменения раздражения (например,
звука или света) обусловливают одинаковые
абсолютные изменения ощущения, которые
пропорциональны логарифму раздражения.
Конкретно: каждому десятикратному скачку
интенсивности звука соответствует один ска-
чок слухового ощущения.
Единица уровня ощущения — Бел [Б] — де-
сятичный логарифм десятикратного отноше-
ния интенсивностей поля в разных его точках
или (для сравнения) интенсивностей разных
звуковых полей в заданных точках, т.е.
lg(Z2/Z!) = lg(10) = 1Б.
На практике применяют более мелкую еди-
ницу — децибел [дБ], которая близка к порогу
различения уровней слухового ощущения.
Уровень слухового ощущения — это уровень
превышения звуком интенсивности L/F с час-
тотой F порогового уровня слышимости LnF на
той же частоте:
£[дБ] = L/F-Ь^= 10 IgZ- 10 lgZn =
= 20 Igp - 20 lgpn = 10 lg(Z/Zn) = 20 Igfc/pn),
где I — интенсивность, p — соответствующее
ей давление звукового поля на частоте F возле
ушной раковины; Zn = 10“12 Вт/м2 — порог слы-
шимости и соответственно рп = 2-10~5 Па — по-
роговое звуковое давление, принятые за 0 дБ.
Следовательно, уровень Е учитывает час-
тотную зависимость порога слышимости In(F).
Для более точного описания субъективного
ощущения введено понятие уровня громкости.
За эталон уровня громкости Lg (фон) принят
уровень (в децибелах относительно 0 дБ) ин-
тенсивности чистого тона с частотой 1 кГц.
Чтобы определить уровень громкости какого-
нибудь звука LgyX, берут эталонный тон и изме-
няют его уровень до тех пор, пока его гром-
кость не станет одинаковой с громкостью из-
меряемого звука. Тогда уровень громкости из-
меряемого неизвестного (х) звука в фонах ра-
вен градуированному в децибелах уровню ин-
тенсивности эталонного тона:
Z,g Д фон] = Lj, юоогц [дБ] при Gx = Сюоогц-
Подстановка LgfX = Z/дооогц в выражение
для Е связывает величины LgfX и Е.
Стандартный болевой порог (порог осяза-
ния) на частоте 800 Гц имеет наибольшее зна-
чение 1б = 1Вт/м2, или рб = 20 Па, а по уровню
громкости Lg 8оо.б = 120 фон.
Динамический диапазон уровней органа
слуха человека на частоте максимальной чув-
ствительности 3000 Гц составляет 130 дБ.
Громкость — субъективная мера ощуще-
ния звука, пропорциональная звуковому давле-
нию. Единица громкости — сон; 1 сон — это
Глава 27 ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ И ЗВУКОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
803
27.6. ОРГАН СЛУХА
громкость звука с уровнем громкости 40 фон.
Зависимость громкости G (в сонах) от ее уров-
ня Lg (в фонах) выражается принятой в между-
народных стандартах формулой Флетчера:
Q = 2° 1(Л£-40)
справедливой для больших уровней Lg> 40 фон.
Очевидно, что масштабы громкости и ее уров-
ней — разные. Согласно субъективным оцен-
кам, увеличение уровня громкости на 10 фон
соответствует возрастанию громкости вдвое.
Кривые равной громкости, изофоны
(см. ст. 24.21 и Рис. 24.82, а) — это зависимос-
ти от частоты уровней интенсивности звука, не-
обходимых для достижения желаемых уровней
громкости. Их получают сравнением громкос-
тей тонов различных частот с громкостью эта-
лонного тона 1 кГц. Так, для достижения жела-
емого уровня громкости 30 фон на частоте 20 Гц
требуемый уровень интенсивности звука дол-
жен быть на 20 дБ больше, чем на частоте 2 кГц,
потому что ухо наименее чувствительно к низ-
кочастотным тихим звукам. Этот феномен полу-
чил название псофометрического эффекта. С
целью выравнивания АЧХ восприятия слушате-
лем звука в электронный усилитель вводят тон-
компенсированные регуляторы громкости (см.
Рис. 24.82, б).
Восприятие частоты звука. Порог разли-
чения по частоте — минимальное восприни-
маемое абсолютное отклонение частоты (деви-
ация) AF от частоты F тонального сигнала при
его модуляции другим тоном. Так, при частоте
модуляции 4 Гц и уровне звукового давления
70 дБ минимальная ощутимая девиация лежит
в пределах 1.5...50 Гц, в зависимости от вы-
бранной частоты испытательного тона
50...5000 Гц соответственно.
Высота звука — субъективная оценка его вос-
приятия по частоте. Условились абсолютную вы-
соту звука с частотой 1000 Гц и уровнем ощуще-
ния 40 дБ считать равной 1000 мел, или 10 барк
(1 барк = 100 мел). Высоте звука соответствует
одна критическая полоска слуха (так называемая
частотная группа), примерно равная ширине
третьоктавной полосы частот Д/’ = 0.25/о (здесь f0
— центральная частота полоски). Кривая избира-
тельности слухового аппарата насчитывает око-
ло 24 частотных групп; ими пользуются при рас-
чете разборчивости речи и при определении до-
пустимой громкости шума. Субъективный мас-
штаб восприятия по частоте близок к логариф-
мическому. Экспериментальная частотная зави-
симость субъективной высоты звука (в мелах или
в барках) имеет характер линейного нарастания
от 16 до 1000 Гц и медленный логарифмический
характер выше частоты 1000 Гц.
За объективную единицу относительной
высоты звука принята октава — отношение
частот f2/f\ = 2. Октаву делят на полуокгавы,
третьокгавы (терции), полутоны и центы. На-
пример, терция — это 2к = 1.26; полутон —
это 21/Ь= 1.06; цент — это21/,200= 1.0006.Дм-
апазон частотного восприятия звука челове-
ком составляет примерно 10 октав (16 Гц... 16
кГц). Высоту сложного по спектру звука не
оценивают [3, 4].
Временные и пространственные свойст-
ва слуха. Как и любая механическая или элек-
трическая система, слух инерционен.
Постоянная времени слуха — времени 6й
интервал, в течение которого ощущение уров-
ня громкости уменьшается на 10 фон (см. ра-
нее). Его усредненное значение составляет
150...200 мс.
Время адаптации — длительность уста-
новления стабильного ощущения высоты зву-
ка при ее определении. Оно зависит от часто-
ты: на низких частотах (менее 30 Гц) это вре-
мя составляет 30 мс, а на высоких частотах
(выше 7 кГц) — только доли миллисекунды.
Инерционность слуха помогает также ощу-
тить биения двух тонов, которые следуют
один за другим, и благодаря сравнению оце-
нить очень малую разность частот (0.3%).
Иными словами, инерционность позволяет
улучшить невысокую (примерно третьокгав-
ную) частотную избирательность слуха.
Эхом слуха условно называют способность
раздельного различения двух звуковых им-
пульсов, поступающих через 50 мс один за
другим.
Локализацию источника звука определяют
бинауральными (двуухими) временной Д/б и ин-
тенсивностной А/б разностями сигналов, одно-
временно воздействующих на левое и правое
ухо слушателя. На низких частотах преобладает
влияние временной разности, и на частотах ни-
же 150 Гц локализация вообще невозможна из-
за дифракциии звука на голове. На высоких час-
тотах действует интенсивностная разность сиг-
налов и локализация точнее из-за возрастания
направленных свойств внешнего уха (см. ранее).
Разрешающая способность в горизонтальной
плоскости (азимут) равна 3°, в вертикальной
(угол места) — 10°. Глубинная локализация
(оценка расстояния г от слушателя до источника
804
РАДИОТЕХНИКА
27.8. СТЕРЕОФОНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПОВЫШЕННОГО КАЧЕСТВА
звука) возможна лишь при г < 10 м, причем
г = ,
где с — скорость звука; /ср — среднее значение
интенсивности звука у левого (7Л) и у правого
(7пр) ушей, а Д/б = 7Л - /пр — их разность.
Нелинейные свойства слуха — способ-
ность человека ощущать частоты звукового спе-
ктра, не излучаемые источником и не порожден-
ные пространством озвучивания. Ощущение
возникает и возможно в случае перегрузки
большим уровнем звука звеньев среднего уха и
появления вихревых явлений в завитке-улитке
(см. ранее). Во время действия на уши двух
громких чистых тонов с частотами, которые не
попадают в одну и ту же критическую полоску
слуха (см. ранее), человек ощущает звуки сум-
марной, разностной и иных комбинационных
частот^ = af\± bf2 (а, b — целые числа), т.е. гар-
моники и субгармоники излученных звуков. В
отдельных случаях, благодаря нелинейным яв-
лениям, человек может ощущать также и фазо-
вый сдвиг сигнала, хотя органа для непосредст-
венного ощущения фазы звукового сигнала в
его слуховом аппарате пока не обнаружено.
27.7. РАЗБОРЧИВОСТЬ РЕЧИ — относи-
тельное число правильно принятых трениро-
ванными слушателями-артикулянтами отдель-
ных элементов речи: слогов, звуков, слов, цифр,
фраз. Самая высокая разборчивость речи при ее
оценке та, при которой удалось разобрать, раз-
личить, назвать отдельные слоги, так как слог
— это группа звуков, не связанных смыслом.
Речь — первичный акустический импульс-
ный сигнал с частотой основного тона голоса,
обусловленной степенью напряжения голосо-
вых связок. Для всех голосов (мужских, жен-
ских, детских) частота основного тона изменя-
ется в пределах 70...450 Гц. Спектр речи —
дискретный, с числом гармоник до 40. Огиба-
ющая спектра имеет крутизну спада 6 дБ/окг
при повышении частоты.
Речевой сигнал — сигнал на несущей часто-
те основного тона голоса, модулированный то-
нально-шумовым звуковым спектром:
где S(f0) — амплитудный спектр импульсов ос-
новного тона (или шума); F(f) — фильтровая,
модуляционная функция речевого тракта.
Такую модуляцию называют спектральной
[4]. Собственно несущая частота под влияни-
ем эмоционального состояния человека изме-
няется примерно на три октавы: это интонаци-
онная окраска речи, заключенная в импульс-
ном сигнале со спектром S(f0). Форму огибаю-
щей спектра определяет выраженная функци-
ей F(J) модуляция спектра S(fo) органами речи:
носоглоткой, губами, языком, зубами. Вся ин-
формация о звуках речи сосредоточена во вре-
менном изменении огибающей и в переходах
от тонального спектра к шумовому и наоборот
(звуки: гласные — звонкие согласные — глас-
ные — глухие согласные — и т.д.).
Фонема — простейшая единица звука голоса
минимальной сложности и длительности. Каж-
дая фонема отвечает определенному размещению
речевых органов для произнесения вслух мыс-
ленно подготовленного звука и, далее, — речи.
Речевой тракт — сложный акустический
фильтр с несколькими резонансами полости
рта и носоглотки. После прохождения через
фильтр тонально-шумовой спектр голоса с мо-
нотонной огибающей превращается в спектр с
рядом максимумов (формант) и минимумов
(антиформант).
Формантный метод определения разбор-
чивости речи связывает разборчивость с ха-
рактеристиками электронных трактов (см. ст.
27.10). Весь диапазон формант (70...7000 Гц)
условно делят на 20 полос равной разборчиво-
сти. Вероятность появления формант в каждой
такой полосе одинаковая для языка конкретно-
го народа — русского, английского и др.
Повышение разборчивости речи достига-
ется снижением шумов тракта и помех поме-
щения; компрессией динамического диапазо-
на речи (тихие звуки усиливают, громкие — не
ослабляют); применением специальных уст-
ройств — вокодеров. Вокодер состоит из пере-
дающей и приемной частей. В передающей ча-
сти из речевых сигналов выделяют информа-
тивные параметры: огибающую спектра F(j) и
частоту основного тона голоса f0. В приемни-
ке частотой местного генератора основного
тона голоса управляет сигнал с частотой f0 от
передатчика, а фильтром, имитирующим акус-
тические свойства речевого тракта, — сигнал
F(f). Для увеличения разборчивости речи сиг-
налы передают и принимают в телеграфном
(манипулированном) режиме (см. ст. 16.9,
16.12 и 17.22). Существуют полосовые, фор-
мантные, гармонические и фонемные вокоде-
ры, в зависимости от выделяемых параметров.
Формантное кодирование выполняют на ИМС
цифровыми методами анализа и синтеза речи.
27.8. СТЕРЕОФОНИЧЕСКАЯ СИСТЕ-
МА ПОВЫШЕННОГО КАЧЕСТВА — вид
стереосистемы, в которой число микрофонов и
громкоговорителей 7V> 2, независимо от числа ка-
Глава 27 ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ И ЗВУКОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
805
27.8. СТЕРЕОФОНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПОВЫШЕННОГО КАЧЕСТВА
налов связи п. На сегодня известно три их вариан-
та: бинауральная, матричная и многоканальная.
Бинауральная система предназначена для
приема звука на стереонаушники или громкого-
ворители, расположенные в определенном месте
зала прослушивания программ, где мешающее
действие перекрестных звуков и реверберации
скомпенсировано бифоническим процессором.
На передающей стороне установлен бинаураль-
ный регулятор направления в виде искусствен-
ной головы с двумя микрофонами вместо ушей.
Пространственный фильтр с совокупностью пар
каналов однозначно определяет место z-ro источ-
ника звука. Множество пар коэффициентов пере-
дачи этого фильтра создает матрицу пространст-
венного кодирования с разделением многих пар
сигналов всего лишь для двух каналов связи.
Матричная система с адаптацией каналов
воспроизведения пригодна как для комнаты,
так и для большого концертного зала. Адапта-
ция состоит в оперативном изменении коэффи-
циентов передачи каналов воспроизведения по
нескольким критериям, в зависимости от теку-
щего состояния сигналов стереопары.
Многоканальная система обеспечивает
предельно достижимое качество звучания.
Для каждого числа выделенных каналов связи
п существует оптимальное размещение N мик-
рофонов в студии, где находятся первичные
источники звука, и N громкоговорителей в за-
ле, где происходит воспроизведение програм-
мы после ее прохождения по каналам связи,
демодуляции и излучения акустической систе-
мой громкоговорителей. Причем (п = N) > 2.
Качество звучания тем выше, чем больше про-
странство, обеспечивающее независимое вос-
приятие звуков с различных направлений. Со-
гласно экспертным оценкам, увеличение чис-
ла связных каналов п повышает качество зву-
чания: ясность, прозрачность, полноту, глуби-
ну, т.е. создает эффект присутствия в первич-
ном помещении. Однако это возможно лишь
при равенстве количества первичных сигна-
лов и каналов связи, что очень дорого [5].
27.9. УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ
АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ — радио-
электронное средство для преобразования ра-
диовещательных электрических сигналов с це-
лью коррекции спектра сообщений, изменения
тембра, снижения шумов, сжатия динамическо-
го диапазона реальных акустических сигналов
в соответствии с возможностями канала связи,
а также с целью достижения спецэффектов.
Эти устройства способствуют естественности
звучания музыкальных программ и обеспечи-
вают высокую разборчивость речи в системах
художественного радио- и телевещания.
Динамическая обработка — комплекс ме-
роприятий и способов, связанных с изменением
динамического диапазона (ДД) акустических
сигналов. Обработку реализуют автоматическим
и ручным регулированием уровней. Например,
входные необработанные сигналы симфоничес-
кого оркестра имеют динамический диапазон
свыше 80 дБ, а прослушивание в домашних ус-
ловиях, с учетом санитарных норм громкости, с
одной стороны, и действия шумов в помещении,
с другой, допускает ДД не выше 50 дБ. Ограни-
чение оказывает и сам канал связи (его ДД менее
50 дБ). Регулировку ДД осуществляют перед вы-
пуском сигнала в эфир или на запись.
Автоматические регуляторы уровня быва-
ют безынерционными и инерционными; первые
просты, но искажают форму сигнала. Коэффи-
циент передачи инерционных регуляторов авто-
матически изменяется в зависимости от уровня
входного сигнала, обеспечивает работу без не-
линейных искажений. К инерционным регуля-
торам относятся: ограничители квазимакси-
мальных уровней; автостабилизаторы; компрес-
соры (сжиматели) и экспандеры (расширители)
динамического диапазона; компандерные и по-
роговые шумоподавители; устройства сложного
преобразования ДД — авторегуляторы громкос-
ти радиовещательных сигналов .
В ограничителе уровня сигнала выходное
напряжение не изменится, если входное пре-
высит свое номинальное значение не более
чем на 20 дБ. При изменении же входных сиг-
налов от нуля до их номинального значения ус-
тройство работает как обычный усилитель.
Автостабилизатор уровня дает на выходе
сигнал на 5...6 дБ меньше его номинального
выходного уровня, принятого, как и в ограни-
чителе, за 0 дБ.
Компрессор — устройство, коэффициент пере-
дачи которого уменьшается при возрастании амп-
литуды входного сигнала. Из-за очевидного со-
кращения динамического диапазона компрессор
позволяет увеличить среднюю выходную мощ-
ность громкоговорителя и громкость звучания.
Экспоненциальная амплитудная характеристика
экспандера (расширителя) обратна логарифмиче-
ской амплитудной характеристике компрессора.
Электрическую цепь, составленную из последо-
вательно включенных компрессора и экспандера,
называют компандером. Его широко применяют в
аудио- и видеомагнитофонных устройствах.
806
РАДИОТЕХНИКА
27.9. УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Система сложного преобразования динами-
ческого диапазона — авторегулятор громкос-
ти содержит большинство перечисленных ус-
тройств: ограничитель, автостабилизатор, экс-
пандер, шумоподавитель. Авторегулятор гром-
кости стабилизирует громкость звучания фраг-
ментов музыкальной программы, выдерживает
заданные уровни, подавляет шумы в паузах [5].
Стереогониометр (стереофазометр) —
прибор для оценки стереофонического балан-
са, совместимости стереофонической програм-
мы с ее монофоническим воспроизведением.
Прибор подключают параллельно входам из-
мерителя уровня. В стереогониометре индика-
тором служит ЭЛТ, показатели оценивают ка-
чественно, по фигурам Лиссажу; фазометр же
имеет на выходе измерительный прибор, поз-
воляющий оценить разность фаз сигналов сте-
реопары (см. ст. 14.14).
Устройства спецэффектов — реверберато-
ры (см. ст. 27.5), линии задержки сигналов, гар-
монайзеры (генераторы узкополосного шума) —
применяют при временной обработке сигналов.
Естественную реверберацию получают в эхо-ка-
мере. Приборы для создания искусственной (ап-
паратурной) реверберации могут быть электрон-
ными (например, магнитофонными, цифровы-
ми) или электромеханическими — листовыми,
пластинчатыми, пружинными. Все они создают
звуковые эффекты эха, хора, «космоса» и др.
Эхо-камера — закрытое помещение объе-
мом свыше 120 м3 неправильной формы со
многими жесткими клиновидными рассеивате-
лями звука, т.е. помещение с большим време-
нем реверберации.
Магнитофонный ревербератор имеет коль-
цевую магнитную ленту и несколько головок
воспроизведения; время искусственной ревер-
берации
Гр = (3£/v)/(-lg^),
где L — длина ленты между головками; v —
скорость ее движения; q — коэффициент акус-
тической обратной связи по амплитуде; отно-
шение Ыу — время задержки. Акустическая
модель этого ревербератора — простая, одно-
мерная, «плоская».
Механический листовой ревербератор —
тонкий стальной лист с размерами 1 х 2 м и
толщиной до 0.5 мм, подвешенный на аморти-
зированной раме. Электродинамический излу-
чатель, коническим острием приваренный к ли-
сту, возбуждает его изгибные колебания. Виб-
роснимателем служит пьезодатчик из титаната
бария, который воспринимает бегущую волну
изгиба и серию затухающих волн, отраженных
от границ листа. Акустическая модель листово-
го ревербератора — двухмерная, приближенная
к естественному восприятию затухания звука в
пространстве. Время реверберации Тр изменя-
ют приближением листа к микропористому по-
глотителю, вносящему при этом затухание:
Тр = 6.9/8 = 13.8m/r,
где S = г/2т — показатель затухания; т — мас-
са единицы поверхности; г — активное сопро-
тивление излучения листа.
В механическом пружинном реверберато-
ре временная задержка создается пружиной, к
одному концу которой прикреплен излучатель,
а к другому — датчик.
Ручной регулятор уровня, смеситель, час-
тотный корректор, регулятор стереобазы и
направления — устройства, входящие в состав
микшерного пульта управления звукорежиссе-
ра. Они применяются для подготовки, формиро-
вания и выпуска вещательных программ. Вы-
полняются на базе операционных усилителей;
примеры схемотехники — см. ст. 24.21 и [2, 4].
Цифровое устройство обработки акусти-
ческих сигналов — специализированная ЭВМ,
в состав которой входят АЦП, ЦАП, арифмети-
ческий логический процессор, накопители на
гибких и жестких магнитных дисках, панели уп-
равления и индикации. Высокое качество про-
грамм дают цифровые генераторы специальных
эффектов с цифровыми линиями задержки сиг-
нала и регистрами сдвига. Общее время задерж-
ки Т3 = N/fr (N— число триггеров в регистре,/^
— тактовая частота) достигает десятков секунд
и может принимать любое значение, необходи-
мое для осуществления творческого решения
звукорежиссера с помощью звукотехнических
систем. Чаще других применяют цифровые ис-
кусственные ревербераторы с регуляторами
АЧХ и изменением тембра, имитаторы эха, ими-
таторы эффекта хора. В последних время за-
держки и коэффициент передачи зависят от
уровня шума в очень узкой полосе (5 Гц), что со-
ответствует естественным разбросам частот не-
скольких певческих голосов, хотя первичный ис-
точник звука — голос единственного певца.
Шумоподавитель — устройство для повы-
шения отношения сигнал/шум на выходе веща-
тельного канала передачи сообщений или на вы-
ходе магнитофона. Различают Ш. статические
(неадаптивные) и динамические (адаптивные).
Параметры первых от уровня входного сигнала
не зависят; вторые изменяют свои параметры в
зависимости от длительности и уровня сигнала.
Глава 27 ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ И ЗВУКОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
807
27.9. УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Примером статических шумоподавителей яв-
ляются устройства предыскажений спектра, при-
мерами динамических— компандерные цепи, по-
лосовые шумоподавители типа Долби. Большин-
ство Ш. состоит из двух частей: на передающей
(записывающей) стороне создаются предыскаже-
ния, а в приемо-воспроизводящем устройстве
осуществляется компенсация искажений [2, 5].
Устройство «Долби Л» применяют в про-
фессиональной аппаратуре. Оно состоит из че-
тырех компандеров, каждый из которых работа-
ет в определенной полосе частот. При выборе
полос учитываются психофизиологические
особенности восприятия шумов. Например, ВЧ
шум магнитной ленты хорошо слышен на фоне
контрабаса, но не слышен на фоне солирующей
скрипки. Разделение общего спектра на четыре
части осуществляют фильтры, включенные на
входе компрессоров, с полосами пропускания
30...80, 80...3000, 3000...9000 и 9000... 20000 Гц.
В устройстве «Долби В», широко применя-
емом в массовой аппаратуре, деление на поло-
сы для простоты не используется, а шумопо-
давление осуществляется только на частотах
выше 1 кГц. Однако именно эти составляющие
спектра наиболее заметны на слух.
Устройство DNL (Dynamic Noise Limiter)
учитывает зависимость спектра музыкальных
сигналов от их уровня. С одной стороны, с
уменьшением громкости при исполнении про-
изведений в сигнале становится меньше ВЧ
компонентов, с другой стороны, спектральная
чувствительность слуха на ВЧ тоже уменьша-
ется. Поэтому ограничение полосы на ВЧ во
время тихих пассажей не повлияет на качество
воспроизведения, а ВЧ шум будет подавлен.
При передаче громких звуков полоса расширя-
ется, но шум при этом маскируется сигналом и
шумоподавление не требуется. Отношение
сигнал/шум на частоте 6 кГц улучшается на 5
дБ, а на частоте 10 кГц на 20 дБ.
27.10. УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ
АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ — средст-
во воспроизведения вторичного акустичес-
кого сигнала с максимальным приближением
к первичному, полученному от реальных ис-
точников звука. Канал связи и устройства пе-
редачи нарушают точность полученного со-
общения: вносят потерю акустической пер-
спективы из-за одноканальной передачи;
производят смещение уровней из-за невоз-
можности сообщить слушателю средний
уровень первичного акустического сигнала;
накладывают технико-экономические огра-
ничения на спектр сигнала и его динамичес-
кий диапазон; порождают собственные шу-
мы и высшие гармоники; вносят нелинейные
искажения. Нормы допустимых погрешнос-
тей указываются в технических условиях на
комплекс устройств передачи акустических
сигналов.
27.11. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ
АНАЛОГИЯ — метод, дающий возможность
при решении задач акустики пользоваться мо-
делями и математическим аппаратом теории
электрических цепей. Например, напряжению
U соответствует сила F, току I — скорость v,
электрическому заряду q — сдвиг, или смеще-
ние х, индуктивности L — масса М, емкости С
— гибкость С, активному сопротивлению R —
механическое сопротивление 7?м, полному эле-
ктрическому сопротивлению Z— полное меха-
ническое (или акустическое) сопротивление
Za. Еще об этом см. ст. 7.5 и [4].
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Бытовая электроакустическая аппаратура: Справочник / И.А. Алдошина, В.Б. Бревдо, Г.Н.
Веселов и др. — М.: Радио и связь, 1992. — 320 с.
2. Терещук Р.М., Седов С.А., Терещук К.М. Полупроводниковые приемно-усилительные ус-
тройства: Справочник. — К.: Наук, думка, 1989.— 800 с.
3. Вахитов Я.Ш. Теоретические основы электроакустики и электроакустическая аппаратура.
— М.: Искусство, 1982. — 415 с.
4. Акустика: Справочник / Под ред. М.А. Сапожкова. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио
и связь, 1989. — 336 с.
5. Радиовещание и электроакустика / Под ред. М.В. Гитлица. — М: Радио и связь, 1989.'— 432 с.
808
РАДИОТЕХНИКА
ГЛАВА 28
ЭЛ ЕКТРОДИ НАМ И КА
И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
• Образованное однажды электромагнитное
поле (радиоволна) существует
самостоятельно, действует
и изменяется в соответствии с
уравнениями Максвелла (1873 г.).
Формулировка этих уравнений
является самым важным событием в
науке со времен Ньютона.
А. Эйнштейн, Л. Инфельд
• Невозможно изучать уравнения Максвелла,
не испытывая такого ощущения,
что в этих математических формулах
есть самостоятельная жизнь,
собственный ум.
Г. Герц
• Экспериментальные исследования
электромагнитного поля
впервые осуществил Г. Герц в 1886 г.
• Бросая в воду камушки, смотри на круги,
ими образуемые — иначе
такое бросание
будет пустой забавой.
К. Прутков
Электродинамика исследует фундамен-
тальные законы электромагнитных явлений,
основные свойства и характеристики ЭМП, ус-
ловия излучения и распространения электро-
магнитных волн в различных средах. Основ-
ными задачами электродинамики являются:
анализ — по заданному распределению элект-
рических и магнитных токов, конфигурации,
геометрическим размерам и характеристикам
среды электродинамической системы найти
распределение ЭМП; синтез — по заданному
распределению ЭМП синтезировать конфигу-
рацию, геометрические размеры и параметры
среды электродинамической системы. Задачи
анализа, в свою очередь, разделяются на внут-
ренние — найти распределение ЭМП в закры-
той электродинамической системе по заданно-
му распределению сторонних токов и внешние
— найти распределение ЭМП во всем беско-
нечном пространстве открытой электродина-
мической системы по заданному распределе-
нию сторонних токов в ограниченной области.
Методы решения указанных задач опре-
деляются соотношением между размерами L
исследуемой системы и длиной волны X. При
L « 1 (квазистационарная область) решение
ищут в виде суперпозиции нескольких реше-
ний квазистационарных задач (например,
электрическая цепь со сосредоточенными па-
раметрами). При L = X (резонансная область)
решают уравнения электродинамики или
волновые уравнения с граничными условия-
ми (например, линии с распределенными па-
раметрами, волноводы, резонаторы). При L
» X (квазиоптическая область) используют
методы геометрической, физической оптики,
различные эвристические методы (например,
распространение радиоволн в природной
среде от декаметрового до субмиллиметрово-
го диапазонов, приборы инфракрасного и оп-
тического диапазонов).
Глава 28. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
809
ГЛАВА 28
Во время проработки материала главы ре-
комендуется такой порядок изучения основ-
ных статей: 28.34, 28.28, 28.10, 28.33, 28.17,
28.7, 28.5, 28.20, 28.27, 28.26, 28.1, 28.29, 28.19,
28.11, 28.32, 28.18, 28.25 (остальные в произ-
вольном порядке).
28.1. ВЕКТОР ВОЛНОВОЙ — комплекс-
ный параметр, который описывает направле-
ние распространения и характеристики элект-
ромагнитной волны. Обозначается как к=ёкк,
где ёк — единичный вектор; к — волновое
число (коэффициент распространения) элект-
ромагнитной волны. В. в. определяется через
первичные эквивалентные комплексные пара-
метры среды — диэлектрическую проницае-
мость е = е' -уе" и магнитную проницаемость
|1 = ц' - уц" по формулам к =
= (со/с)Vql = Р -у а, где со = 2 л/— круговая ча-
стота; / — частота; Р — фазовая постоянная
(коэффициент фазы), характеризующая фазу
электромагнитной волны при распростране-
нии по закону [3z (Рис. 28.1, а); а — постоян-
ная затухания, характеризующая изменение
амплитуды электромагнитной волны при рас-
пространении по закону Е = £oexp(-az); £0 —
напряженность ЭМП в начале координат (Рис.
28.1, б). При произвольном направлении рас-
пространения электромагнитной волны вектор
к можно разложить по координатным осям в
любой системе координат, например, декарто-
вой (Рис. 28.2). Каждая его составляющая ха-
рактеризует парциальную волну, распростра-
няющуюся в направлении соответствующей
оси.
28.2. ВЕКТОР ПОЙНТИНГА—УМОВА
— параметр, характеризующий плотность пото-
ка мощности ЭМП и определяемый как вектор-
ное произведение векторов электрического Ё и
магнитного Й полей:/? =Ё ХЙ. Для комплексных
амплитуд среднее за период значение В. П. У
т
Пср = (1 / Т) j fl dt = (1 / 4) Re(i х Н* + Е* х н)=
о
= (l/2)Re(ixH’)=(l/2)Re(£*xw).
В. П. У. используют для расчета мощности,
передаваемой волноводом р = J fids , где S —
s
площадь поперечного сечения волновода, а так-
же для расчета мощности излучения антенны
Pfi = j)/7ds, где S — площадь замкнутой по-
верхности вокруг антенны.
28.3. ВИДЫ КОЛЕБАНИЙ РЕЗОНАТО-
РА — характеристика ЭМП в резонаторе, кото-
рая состоит из комплексной резонансной час-
тоты С0р = со'р - усо"р и функции распределения
электрических и магнитных полей в объеме ре-
зонатора. Резонансную частоту и функцию
распределения ЭМП находят из решения вол-
нового уравнения с соответствующими гра-
ничными условиями на внутренних стенках
резонатора. Задача имеет аналитическое реше-
ние только для простых геометрических форм
резонатора (например, для сферы, цилиндра,
параллелепипеда). Для сложных форм приме-
няют различные числовые методы решения
волновых уравнеий. Виды колебаний некото-
рых резонаторов можно рассматривать как ти-
пы стоячих волн в волноводах, закороченных с
обеих сторон. В этом случае обозначения ви-
дов колебаний резонатора отвечают обозначе-
ниям типов волн волновода с добавлением тре-
тьего индекса. Например, волне типа Emn в
прямоугольном волноводе отвечает колебание
810
РАДИОТЕХНИКА
28.3. ВИДЫ КОЛЕБАНИЙ РЕЗОНАТОРА
Рис. 28.3
вида Етпр в призматическом резонаторе, где
буква Е означает, что продольные составляю-
щие ЭМП Ez Ф 0 и Hz = 0; т, п, р — число сто-
ячих полуволн вдоль стенок a, b, I соответст-
венно (Рис. 28.3).
Для колебаний вида Нтпр в призматичес-
ком резонаторе буква Н означает, что Hz Ф 0 и
Ez = 0, а т, п, р имеют указанный ранее смысл.
Для цилиндрического резонатора (Рис. 28.4) в
обозначениях видов колебаний Етпр и Нтпр
т — число стоячих или бегущих волн по ази-
муту (номер функции Бесселя); п — число ва-
риаций поля вдоль радиуса (номер корня функ-
ции Бесселя для колебаний типа Е или номер
корня производной функции Бесселя для коле-
баний типа Н); р — число стоячих полуволн
вдоль образующей Z резонатора.
Действительная часть резонансной часто-
ты определяется через критическую длину
волны Хкр соответствующего волновода:
w р — 2я/р — 2л .—
где fp и Хр — резонансные частота и длина вол-
ны резонатора; с = 3108 м/с — константа; е,
|1 — параметры диэлектрика.
Для призматического резонатора с колеба-
ниями видов Етпр и Нтпр
, О г 2ЛС
Шр7с/р=^р
Для цилиндрического резонатора с колеба-
нием вида Етпр
®р —2^/р 2тс I—
ТфХр
где vmn — п-й корень т-й функции Бесселя, а
для того же резонатора с колебанием вида Нтпр
®р — 2^/р — ,—
ТфХр
где — п-й корень производной от т-й
функции Бесселя.
Мнимая часть резонансной частоты зави-
сит от собственной добротности резонатора
Qo = со'р/(2со"р). На Рис. 28.5 показаны структу-
ры ЭМП для некоторых низших видов колеба-
ний призматического (левая сторона рисунка)
и цилиндрического (правая сторона рисунка)
резонаторов.
Глава 28 ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
811
28.4. ВОЗБУЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
28.4. ВОЗБУЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГ-
НИТНЫХ ВОЛН — процесс создания ЭМП в
среде или в волноводах системой элементар-
ных электрических и магнитных излучателей.
Электрический излучатель — проводник с эле-
ктрическим током, размещенный в среде или в
волноводе параллельно линиям электрическо-
го поля необходимого типа волны. Магнитный
излучатель — рамка с электрическим током
или узкая щель, прорезанная в стенках волно-
вода. Плоскость рамки располагают перпенди-
кулярно к линиям магнитной составляющей
ЭМП необходимого типа волны, а щель проре-
зают в стенках волновода перпендикулярно к
линиям электрического тока.
28.5. ВОЛНА ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ
— частный случай ЭМП, параметры которого
изменяются в пространстве и во времени по
периодическому закону. При гармоническом
законе В. э. характеризуется фронтом, длиной
X, фазовой скоростью уф, групповой скоростью
Угр распространения в свободном пространст-
ве, неоднородной среде и в волноводах.
Волна электромагнитная бегущая — эле-
ктромагнитная волна, параметры которой изме-
няются в пространстве и во времени по закону
E(z,t) = Ewcos[co(r - z/уф) + ф] =
= Ewcos(cor - pz + ф),
где р — волновое число; z — координата; ф —
начальная фаза; уф — фазовая скорость распро-
странения волны.
На Рис. 28.6 показаны два мгновенных по-
ложения бегущей электромагнитной волны. У
такой волны среднее за период значение векто-
ра Пойнтинга не равно нулю. Пространствен-
ный период бегущей волны равен длине волны
X = уф// = 2луф/со = 2л/р. Период электромаг-
нитной волны Т= Х/Уф — время, за которое бе-
гущая волна проходит расстояние, равное ее
длине. Распространение бегущей волны отоб-
ражается смещением графика E(z, f) вдоль оси
z с скоростью уф.
Волны электромагнитные вырожден-
ные — волноводные типы волн, имеющие оди-
наковые фазовые постоянные, фазовые скоро-
сти и критические длины. Например, в прямо-
угольном волноводе вырожденными являются
волны Етп и Нтп прит^0ип/0, в круглом
волноводе — некоторые типы волн, например
Е}т и HQm, в частности Еи и Но1.
Волна электромагнитная медленная —
В. э., фазовая скорость которой меньше, чем
скорость света. Применяется в электровакуум-
ных приборах СВЧ и линейных ускорителях
заряженных частиц. В этих приборах фазовая
скорость волны должна быть близкой к скоро-
сти электронов, которая всегда меньше*скоро-
сти света в вакууме. Уменьшают фазовую ско-
рость электромагнитной волны с помощью за-
медляющей системы.
Волна электромагнитная плоская —
В. э., фазовый фронт которой лежит в плоско-
сти. Если при этом амплитуда колебаний ЭМП
по фронту не меняется, то электромагнитная
волна является однородной. В дальней зоне в
ограниченном объеме фазовый фронт любой
волны можно считать локально плоским.
Волна электромагнитная поверхностная
— В. э., распространяющаяся вдоль границы
раздела двух сред. Возникает, например, при
полном отражении электромагнитной волны от
границы раздела двух диэлектриков. При этом в
диэлектрике с большим значением коэффициен-
та преломления в направлении нормали к грани-
це раздела существует стоячая электромагнит-
ная волна, а во втором диэлектрике — В. э. п.,
амплитуда которой уменьшается по экспоненте
в направлении нормали к границе раздела.
Волна электромагнитная стоячая—В.э.,
возникающая в пространстве прй интерферен-
ции двух бегущих электромагнитных волн с
одинаковыми амплитудами, которые распрост-
раняются навстречу друг другу и изменяются
во времени и в пространстве по закону
E(z,r) = 2E,„cos(pz) cos(cor + ф),
где р — фазовая постоянная; z — координата;
ф — начальная фаза колебаний; со — круговая
частота.
На Рис. 28.7 изображены графики В. э. с.
Как видно из рисунка, с течением времени гра-
фики не смещаются вдоль оси z. При этом
812
РАДИОТЕХНИКА
28.7. ВОЛНОВОЕ УРАВНЕНИЕ
У2Ё + к2Ё = 0, У2Н + к2Н=0,
среднее за период значение вектора Пойнтин-
га—Умова равно нулю.
28.6. ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
— параметр линии передачи, определяющий
соотношение между напряжением и током
в произвольном сечении линии в режиме
бегущей волны. В. с. можно найти по таким
формулам: ZB(w, i) = u/i; ZB(P, i) = 2P/(n*);
Z3(P, u) = uu/2P9 где и, i, P — напряжение, ток
и мощность в линии передачи. Для волн типа Т
все три определения В. с. идентичны. Напри-
мер, для коаксиальной линии передачи
ZB = Z/(2n) \n(D/d) = 60Vp/Eln(£)/d), где Z — ха-
рактеристическое сопротивление среды; D —
внутренний диаметр внешнего проводника; d
— диаметр внутреннего проводника; е, ц — от-
носительные диэлектрическая и магнитная
проницаемости. Для волн типаЕиНможно по-
лучить три различных значения В. с. Например,
для волны типа Я10в прямоугольном волноводе
ZB(u, i) = Z„7t6/(2a); ZB(P, i) = Zw7t2Z>/(8a); ZB(P,
u) = ZH2bl&, где ZH — характеристическое со-
противление для волн типа Н (см. ст. 28.37); а,
b — размеры широкой и узкой стенок волно-
вода; i — суммарный продольный ток в широ-
кой стенке волновода; и — максимальное на-
пряжение между широкими стенками волно-
вода. Для нормированных амплитуд напряже-
ние падающей волны ип = y/Pexp(-j^u), где
ф—фаза напряжения; Р = (1/2)|[ЕхЯ*]^5 —
5
мощность, которая проходит по волноводу.
В. с. эквивалентной длинной линии безразмер-
но и равно 1.
28.7. ВОЛНОВОЕ УРАВНЕНИЕ описы-
вает процесс распространения электромагнит-
ной волны в пространстве. Для комплексных
амплитуд
где ЁЧН — напряженность электрического и
магнитного полей; к — волновое число; V2 —
оператор Лапласа. Решением В. у. являются
напряженности полей
Ё = En ехр(- jkr) и Н = HQ exp(-jkr) ,
которые существуют в каждой точке простран-
ства в виде электромагнитной волны (Рис.
28.8), где Ео, Яо — напряженности полей в на-
чале координат; к — волновой вектор, показы-
вающий направление распространения элект-
ромагнитной волны в свободном пространстве.
В заданной системе координат вектор к мож-
но разложить по координатным осям. Тогда ре-
шение волнового уравнения в декартовой сис-
теме координат дает плоские электромагнит-
ные волны, распространяющиеся вдоль коор-
динатных осей, а в цилиндрической и сфериче-
ской системах координат — цилиндрические
(радиальные, азимутальные, плоские) и сфери-
ческие волны, распространяющиеся вдоль со-
ответствующих осей координат.
Глава 28. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
813
28.8. ГАРМОНИКА ПРОСТРАНСТВЕННАЯ
28.8. ГАРМОНИКА ПРОСТРАНСТВЕН-
НАЯ — компонент разложения в ряд Фурье
периодической функции распределения ЭМП в
пространстве. В прямоугольном волноводе при
зеркальном отображении картины распределе-
ния ЭМП период определяется как двойное
расстояние между стенками волновода. Волны
типа Етп и Нтп можно трактовать как прост-
ранственные гармоники вдоль поперечных ко-
ординат функции распределения ЭМП в вол-
новоде. В замедляющей системе период опре-
деляется ее геометрией и расстоянием между
двумя соседними неоднородностями вдоль оси
системы.
28.9. ГЛУБИНА ПРОНИКНОВЕНИЯ
ПОЛЯ — расстояние, на котором амплитуда
затухающего ЭМП при распространении в
среде уменьшается в е - 2.718 раза. В проводя-
щей среде Г. п. п. определяется по формуле
d = V2/(oxj|ioH)> гДе Н — магнитная проница-
емость среды; G — электрическая проводи-
мость среды; Цо = 4 л-107 Г/м — константа.
При падении электромагнитной волны на по-
верхность проводника ЭМП и токи ВЧ сосре-
доточиваются в основном в тонком припо-
верхностном слое (поверхностный эффект,
скин-эффект). Через Г. п. п. примерно опреде-
ляются другие параметры электромагнитной
волны в проводниках: фазовая постоянная и
постоянная затухания р ~ а ~ \/d; фазовая ско-
рость Г/ф = cod; длина волны k = 2nd. Через
плотность тока на поверхности проводника J и
Г. п. п. d определяется плотность полного тока
в проводящей ленте шириной 1 м с эквива-
лентной толщиной d по формуле Js = Jd. Экви-
валентное поверхностное сопротивление про-
водника этому току Rs = l/((5d).
28.10. ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ
ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ — условия, которым
удовлетворяет ЭМП на границе раздела двух
сред, они вытекают непосредственно из урав-
нений Максвелла. На границе раздела двух
сред (Рис. 28.9) в общем случае граничные ус-
ловия в векторной форме имеют вид:
пх(Нх-H2) = J3S; пх(Ёх-E2) = -J";
«•(В1-В2) = р5м;й(51-52) = р5э,
где п — единичный вектор, направленный из
второй среды в первую перпендикулярно к гра-
нице раздела двух сред; Ё,Н — векторы напря-
женности электрического и магнитного полей;
Ь,В — векторы электрической и магнитной
индукции; рэ,р“ — плотности электрического
и магнитного зарядов; — плотности
электрического и магнитного токов.
При отсутствии магнитных зарядов и токов
лх(Я1-Я2) = 75э; «х(Е!-Е2) = 0;
й (51-52) = 0; и (Д-52) = р’.
На границе раздела двух диэлектриков при
ps = 0 и Js = 0 в скалярной форме имеем:
ЯТ1 = Нх2; ЕТ1 = Ет2 ; НпХ /Нп2 = ц2 /pj;
Еп\ !Еп2 =е2 /£1 ’
где е,р — диэлектрическая и магнитная прони-
цаемости сред.
На границе раздела идеальный диэлектрик
— идеальный проводник
пхНj = 7S; пхЕх =0; п-Вх =0; п-Dx =р5.
28.11. ДИСПЕРСИЯ ЭЛЕКТРОМАГ-
НИТНЫХ ВОЛН — зависимость фазовой ско-
рости электромагнитной волны от частоты. Фа-
зовая скорость Уф = сА/Ёц, где с = 3108 м/с —
константа; е,ц — диэлектрическая и магнитная
проницаемости среды (дисперсия обусловлена
зависимостью от частоты именно этих парамет-
ров). При нормальной дисперсии в случае увели-
чения частоты фазовая скорость уменьшается,
при аномальной — увеличивается. В волноводе
даже без диэлектрического его заполнения су-
ществуют волны типов Е и Н. Волна типа Т не
имеет дисперсии, если параметры Е и ц среды в
волноводе не зависят от частоты. Для волн ти-
пов ЕнН фазовая скорость
Уф = с /[7ф д/1 - /(ец>-кр) ] >
814
РАДИОТЕХНИКА
28.15. ДОБРОТНОСТЬ РЕЗОНАТОРА
где Хо — длина электромагнитной волны в ва-
кууме; Хкр — критическая длина волны. Фазо-
вая скорость в волноводе больше скорости све-
та в среде, при увеличении частоты она умень-
шается (нормальная дисперсия). Фазовая ско-
рость представляет собой геометрическое по-
нятие и не связана с перенесением энергии
ЭМП или информации, она может быть боль-
ше скорости света в вакууме.
28.12. ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГ-
НИТНЫХ ВОЛН — в широком смысле это
поведение электромагнитной волны в некото-
рой области неоднородного пространства, в уз-
ком (первичном) смысле — обход преград при
распространении радиоволн. К дифракцион-
ным задачам относятся внешние краевые зада-
чи электродинамики. Постанрвка их такова:
известно первичное поле Ёп иНп, возбужден-
ное сторонними источниками в неограничен-
ном пространстве при отсутствии объекта ди-
фракции. При внесении последнего в первич-
ное поле возникает вторичное (рассеянное) по-
ле Ёв и Йв как функция геометрической фор-
мы, размеров и параметров е, ц, о объекта ди-
фракции. Полное поле определяется векторны-
ми суммами Е = Е п + Ев, Н =Нп + Нв.
Точное решение в аналитической форме
известно для ограниченного числа дифракци-
онных задач: дифракция на бесконечной пло-
скости раздела двух сред, на идеально прово-
дящих бесконечных круговом и эллиптичес-
ком цилиндрах, клине и сфере. Точные реше-
ния применяют как эталонные во время разра-
ботки приближенных аналитических или чис-
ленных методов решения задач дифракции
для условий, приближенных к реальной физи-
ческой картине. Если расстояние между объ-
ектом дифракции и точкой наблюдения отве-
чает критерию промежуточной зоны, то рас-
сеянное ЭМП характеризует дифракцию Фре-
неля. В дальней зоне от объекта дифракции
рассеянное ЭМП отображает дифракцию
Фраунгофера и имеет почти сферический
фронт.
28.13. ДЛИНА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ
ВОЛНЫ — кратчайшее расстояние между дву-
мя фронтами электромагнитной волны с разно-
стью фаз, равной 2л рад. В свободном прост-
ранстве и для волн типа Т в волноводах без ди-
электрика Хо = c/f где с — скорость света; f—
частота электромагнитной волны. В среде с па-
раметрами Е — диэлектрическая проницае-
мость, ц — магнитная проницаемость X =
Xo/V^jl. Для волн типа Е и Н в волноводах
к = х0 /[7ф ^1-х20/(£цк2кр)],
где Хкр — критическая длина волны опреде-
ленного типа в волноводе.
28.14. ДЛИНА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ
ВОЛНЫ КРИТИЧЕСКАЯ — максимальная
длина волны, которая обуславливает возмож-
ность ее распространения в волноводах. Д. э. в. к.
Хкр для каждого типа волны зависит от геометри-
ческой формы и размеров волновода. При усло-
вии X = ХоА/Ёц < Хкр (где X, Хо, е и ц — см. ст.
28.13) электромагнитная волна распространяется
в волноводе по закону exp(ypz), где р — фазовая
постоянная; z — координата. При условии
X = Ао/Л/еЦ> Хкр волновой процесс в волноводе
отсутствует и ЭМП вдоль оси волновода умень-
шаются по закону exp(-pz). При к = Xo/VEp=
амплитуда поля в волноводе без потерь возраста-
ет до бесконечности (резонанс между боковыми
стенками волновода). Для прямоугольного вол-
новода с волнами типов Етп и Нтп Хкр =
= 2^(т/а)2 +(п/Ь)2, где а — размер широкой стен-
ки волновода; b — размер его узкой стенки; т, п
— комбинации чисел натурального ряда. Для
круглого волновода с волной типа Етп А^р =
= 2tcE/vw„, где R — радиус волновода; vmn — п-й
корень т-й функции Бесселя; для того же волно-
вода с волной типа Нтп А^ = 2лЕ/цт„, где —
п-й корень производной от т-й функции Бесселя.
28.15. ДОБРОТНОСТЬ РЕЗОНАТОРА
— величина, характеризующая потери запаса-
емой в резонаторе электромагнитной энергии,
Q = сорИ7Е, где сор — резонансная частота ко-
лебаний резонатора при отсутствии потерь; JV
— энергия, запасенная во время резонанса; Р
— мощность потерь. Для любой энергетичес-
ки изолированной системы уравнение баланса
энергии имеет вид dWIdt = Р, откуда
dW/dt = (bpW/Q. Решение этого уравнения
W(t) = FE(O)exp(-copZ/0 показывает, что запас
энергии собственных колебаний резонатора
экспоненциально уменьшается тем быстрее,
чем меньше его добротность. Для комплекс-
ных амплитуд ЭМП собственная частота резо-
натора является комплексной величиной
С0с= WP + ju\№Q)- Собственная частота резо-
натора С0с = СОр Vl+l/(202 при Q » 1 при-
ближенно равна резонансной частоте резона-
тора. При расчете добротности отдельные ви-
ды потерь учитывают в парциальних доброт-
ностях: 2д = сорИ7Ед, где Ед — потери в диэле-
ктрике; QM = сорИ7Ем, где Ем — потери в стен-
ках резонатора; Q„ = (£>pW/Pw где Еи — потери
Глава 28. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
815
28.15. ДОБРОТНОСТЬ РЕЗОНАТОРА
на излучение сквозь отверстие связи резонато-
ра с волноводом. При этом нагруженная доб-
ротность резонатора Q = 1/(1/0д + 1/£?м +
+ 1/0и); собственная добротность резонато-
ра е0 = 1/(1/ед+1/2м).
28.16. ЗОНЫ ФРЕНЕЛЯ — область прост-
ранства, в которой распространяется опреде-
ленная часть электромагнитной энергии между
излучателем q и приемником р (Рис. 28.10).
О. Ж. Френель дал геометрическое толкование
принципа Гюйгенса, согласно которому каждая
точка фронта волны является источником вто-
ричных сферических волн. ЭМП в точке приема
р определяется суперпозицией полей от каждой
точки на поверхности 5. Разобьем эту поверх-
ность на круги радиусом Rn так, чтобы электри-
ческая длина пути между точками q и р на кра-
ях соседних зон отличалась на Х/2. При этом
(г\+г\)~(г!у + г') = Х/2, (г2 + <)-(го + го) =
= 2Х/2,, (г' + г') -(г0' + г0*) = иХ/2.
Части поверхности между соседними круга-
ми являются 3. Ф. Суперпозиция ЭМП от каждой
точки 3. Ф. дает суммарное поле, которое отлича-
ется от суммарного поля соседних
3. Ф. на л рад. ЭМП в точке приема от всех 3. Ф.
может быть записано в виде знакопеременного
ряда, сумма которого равна половине амплитуды
ЭМП от первой 3. Ф. Исследуя ряд, приходим к
заключению, что большая часть энергии ЭМП
передается от излучателя к приемнику через 3.
Ф. нескольких первых номеров. Область прост-
ранства, существенная при распространении ра-
диоволн, является эллипсоидом вращения радиу-
сом R с фокусами в точках qnp. Радиус п-й 3. Ф.
ками q и р (геометрическая оптика). С помо-
щью 3. Ф. приближенно исследуют дифрак-
цию электромагнитной волны на препятствиях
(физическая оптика).
28.17. ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГ-
НИТНЫХ ВОЛН — процесс создания ЭМП в
пространстве заданными (сторонними) элект-
рическими и магнитными токами. Электричес-
кие и магнитные поля находят через векторные
электродинамические потенциалы. Различают
ближнюю (кг « 1, г « X), промежуточную и
дальнюю (кг » 1, г » X) зоны излучения, где
к = (co/c)Vqi — волновое число; с = 3-108 м/с —
константа; е,|1 — диэлектрическая и магнитная
проницаемости среды; г — координата точки
наблюдения. ЭМП в дальней зоне для элемен-
тарного электрического излучателя (Z« X,
где Z — длина излучателя) изображено на Рис.
28.11. Составляющие этого ЭМП:
//ф = j(Z3/2)(Z/X)sin0[exp(-#r)]/r;
Ее = jZ(/3/2)(Z/X)sin0[exp(-jA:r)]/r,
где
/э = J J3 ds — электрический ток;
5
J3 — его плотность; Z = 120лл/Ё|1— волновое
сопротивление среды.
Составляющие ЭМП элементарного
магнитного излучателя:
Еф = 7/(/M/2)(Z/X)sin0[exp(-y^r)]r;
HQ =j[r/(2Z)](Z/X)sin0[exp(-»]r,
Rn = ^го%Ш(го + го").
При X 0 R„ 0 эллипсоиды вращения вы-
рождаются в прямую линию (луч) между точ-
где
— магнитный ток:
816
РАДИОТЕХНИКА
28.18. ИОНОСФЕРА
Рис. 28.11
Рис. 28.12
уМ --- его ПЛ0ТН0СТЬ<
ДН элементарных излучателей F(0,<p)=sin0
показана на Рис. 28.12. Интенсивность излуче-
ния вдоль оси излучателей (0 = 0) равна нулю;
максимум излучения лежит в плоскости, пер-
пендикулярной к оси излучателя (0 = 90°).
Комбинация взаимно перпендикулярных элек-
трического и магнитного излучателей модели-
рует элемент Гюйгенса (Рис. 28.13) с ДН
£(0,<р) = (1 +cos0)/2.
Максимум излучения лежит вдоль оси z
(0 = 0), а минимум — вдоль оси -z при 0 = 180°.
Индукция электрическая — см. ст. 1.20.
Индукция магнитная — см. ст. 1.20.
28.18. ИОНОСФЕРА — часть атмосферы,
ионизированная под воздействием солнечной
или космической радиации. При этом нейт-
ральные атомы разделяются на свободные эле-
ктроны и ионы, которые входят в состав квази-
нейтральной плазмы. И. простирается от 60 км
над уровнем моря к верхней границе атмосфе-
ры. На Рис. 28.14 изображено изменение плот-
ности № свободных электронов в И. по высоте
h. В И., в отличие от тропосферы, газы не пе-
ремешиваются и расположены слоями соглас-
но их молекулярной массе, что приводит к по-
явлению нескольких слоев ионизации — D, Е,
F. Максимум ионизации N этах летом больше,
чем зимой, а днем больше, чем ночью. Слой D
существует только днем. Концентрация элек-
тронов в И. существенно зависит от процессов
на Солнце и влияет на распространение радио-
волн. Кроме регулярных слоев в И. на высоте
90...ПО км время от времени появляется спо-
радичный (нерегулярный) слой £5, который
имеет большую плотность электронов, чем
слой Е. Часть И., расположенная ниже макси-
Рис. 28.13
Глава 28. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
817
28.18. ИОНОСФЕРА
h [км]
50» । । । । ।------►
102Ю3 104 105 Л/Э[см'3]
мума ионизации, называется внутренней, ис-
следуется она наземными ионосферными стан-
циями. Часть И., расположенная выше макси-
мума ионизации, называется внешней и иссле-
дуется спутниковыми ионосферными станция-
ми. Диэлектрическая проницаемость И. умень-
шается с высотой, достигает минимума на вы-
соте максимума ионизации и возрастает до 1 у
внешней границы И. Поглощение электромаг-
нитной волны максимально в слое D в диапазо-
не СВ. Вследствие отражения от И. радиовол-
ны распространяются на большие расстояния.
28.19. ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРО-
МАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ — система для на-
правленной передачи потока электромагнит-
ной энергии. Существует очень много конст-
рукций Л. п. э. э.: двух- и многопроводная, ко-
аксиальная, ленточная симметричная и несим-
метричная, микрополосковая; волноводы пря-
моугольные, круглые, эллиптические, П- и Н-
образные, диэлектрические; лучевые волново-
ды линзовые, зеркальные; пассивные ретранс-
ляторы. Тот или иной тип Л. п. э. э. выбирают
в зависимости от частоты, ширины спектра
сигнала, уровня мощности. Волноводом в ши-
роком смысле называют Л. п. э. э., в которой по
крайней мере один размер имеет порядок дли-
ны волны. Волновод называется закрытым,
если вся электромагнитная энергия сосредото-
чена в пространстве, ограниченном внешним
проводником, и открытым, если электромаг-
нитная энергия существует за его границами.
Волновод считается однородным, если параме-
тры диэлектрика не зависят от поперечных ко-
ординат, и неоднородным, если есть такая за-
висимость. Волновод является регулярным, ес-
ли его конфигурация, геометрические размеры
и параметры диэлектрика и проводника не за-
висят от продольной координаты, и нерегуляр-
ным — в противном случае.
Напряженность электрического поля —
см. ст. 1.20.
Напряженность магнитного поля — см.
ст. 1.20.
28.20. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРО-
МАГНИТНЫХ ВОЛН — характеристика,
которая определяет направление векторов
ЭМП в пространстве. Электромагнитная вол-
на не поляризована при неопределенном на-
правлении этих векторов в пространстве.
Плоскость, проведенную через вектор напря-
женности электрического поля Ё и волновой
вектор к , совпадающий с направлением рас-
пространения электромагнитной волны, на-
зывают плоскостью поляризации. Угол между
нею и горизонтальной плоскостью называют
углом поляризации. В общем случае для гар-
монических колебаний годограф вектора Ё
(траектория его конца при закрепленном на-
чале) в пространстве представляет собой эл-
липс - такую поляризацию называют эллип-
тической. В отдельных случаях, если годо-
граф вектора Ё — прямая линия, поляриза-
ция называется линейной, а если годограф
вектора Ё — окружность, — круговой. В за-
висимости от угла поляризации линейная по-
ляризация может быть вертикальной, гори-
зонтальной или наклонной. В зависимости от
направления вращения круговую поляриза-
цию называют правой, если при распростра-
нении электромагнитной волны конец вектора
Ё описывает в пространстве правовинтовую
спираль, и левой, если спираль левовинтовая.
В линейных средах сумма двух электромаг-
нитных волн с линейной поляризацией дает
электромагнитную волну с круговой поляри-
зацией, если их векторы поля взаимно пер-
пендикулярны в пространстве, одинаковые по
амплитуде и имеют разность фаз л/2 рад. При
разности фаз 0 или л рад суммарная электро-
магнитная волна имеет линейную поляриза-
цию с углом поляризации, зависящим от соот-
ношения между амплитудами электромагнит-
ных волн. В остальных случаях поляризация
суммарной электромагнитной волны будет эл-
липтической. При суперпозиции двух элект-
ромагнитных волн с круговой поляризацией
правого и левого вращений суммарная элект-
818
РАДИОТЕХНИКА
28.25. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
ромагнитная волна имеет линейную поляри-
зацию при одинаковых амплитудах и эллип-
тическую — при различных амплитудах поля.
От разности фаз зависит наклон в пространст-
ве эллипса поляризации. Отношение малой
полуоси эллипса поляризации к большой на-
зывают коэффициентом эллиптичности.
28.21. ПОТЕНЦИАЛЫ ЭЛЕКТРОДИНА-
МИЧЕСКИЕ ВЕКТОРНЫЕ — вспомогатель-
ные функции: А3 —электрический, Ам —маг-
нитный векторные потенциалы, которые вводят
для упрощения решения электродинамических
задач. При этом вместо системы уравнений
Максвелла для комплексных амплитуд решают
два независимых уравнения Гельмгольца (см.
ст. 28.33). Электрическое Ё и магнитное Й по-
ля находят через векторные электродинамичес-
кие потенциалы по формулам:
Ё=- усоц оцЛэ + grad div Аэ /(у сое 0£) ~ rot Лм;
Н=- j(№огАм + grad div AM /(ycop оц)+rot A3,
где co — круговая частота; e — диэлектричес-
кая проницаемость; ц — магнитная проницае-
мость; е0 = 10-9/(36л) Ф/м — константа;
Цо = 4л10-7Г/м — константа.
28.22. ПОТЕНЦИАЛЫ ЭЛЕКТРОДИ-
НАМИЧЕСКИЕ СКАЛЯРНЫЕ — вспомо-
гательные функции: фэ - электрический, фм —
магнитный скалярные потенциалы, которые
вводят для упрощения решения задач электро-
динамики при наличии сторонних электричес-
ких рэст и магнитных рмст зарядов. Для ком-
плексных амплитуд П. э. с. находят решением
скалярных уравнений Гельмгольца
vV + = -рст /(£ое);
V2<pM + *2<pM =-p“/(HoU),
где к — волновое число; е, ц, Ео, Цо — см. ст.
28.21.
Скалярные потенциалы связаны с вектор-
ными электродинамическими потенциалами
условием Лоренца
div А3 + усо£0£(рэ = 0; div Ам + усоЕ0£фм = 0.
Для статических полей к = 0 и уравнения
Гельмгольца переходят в уравнения Пуассона:
v2<p3 = -Pct/(£o£);
V2<pM = -p"/(PoP).
Решение этих уравнений является прямой
задачей электро- и магнитостатики.
28.23. ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА — в ши-
роком смысле выражает введение эквивалент-
ных поверхностных источников ЭМП вместо
соответствующих действительных. В соответ-
ствии с этим принципом каждая точка фронта
волны является источником локальной сфери-
ческой волны. Поле в каждой точке простран-
ства находят как суперпозицию полей, излуча-
емых элементами Гюйгенса с эквивалентными
поверхностными токами: электрическими
J3s=Hxn и магнитными где п —
внешняя нормаль к поверхности фронта (на-
правленная в сторону излучения ЭМП); Ё,
Н — касательные составляющие векторов
электрических и магнитных полей на поверх-
ности фронта волны.
28.24. ПРИНЦИП ПЕРЕСТАНОВОЧ-
НОЙ ДВОЙСТВЕННОСТИ дает возмож-
ность из первого уравнения Максвелла
rot/Z = 7СОЕое/ + J ст получить второе урав-
нение Максвелла rot/ = -у(ОЦ0цЙ - / ст заме-
ной Й -> /, Е -> -Д Е0Е <=> ЦоЦ, /ст - /?т,
где Ё и Й — напряженности электрического и
магнитного полей; е, ц — параметры среды; со
— круговая частота. Применение этого принци-
па упрощает решение парных задач электроди-
намики, в которых поля Ё и Н меняются свои-
ми ролями. Если одну из этих задач решить, то
для решения парной задачи достаточно сделать
в готовом решении указанную замену
Проницаемость диэлектрическая — см.
ст. 1.20.
Проницаемость магнитная — см. ст. 1.20.
28.25. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИО-
ВОЛН — процесс передачи энергии перемен-
ным ЭМП из одной области пространства в
другую. В гипотетическом свободном прост-
ранстве радиоволны распространяются пря-
молинейно со скоростью света с = 3-108 м/с.
Влияние среды проявляется в изменении амп-
литуды поля, направления распространения,
фазовой и групповой скоростей, поляризации
электромагнитной волны и в искажении сиг-
налов.
Распространение радиоволн в ионосфе-
ре — процесс передачи энергии ЭМП вблизи
Земли благодаря преломлению радиоволн в
ионосфере. Диэлектрическая проницаемость
ионосферы связана с концентрацией электро-
нов N3 [см-3] и частотой /[кГц] сигналов соот-
ношением е = 1-80.87V7/2. Частота, при кото-
рой е = 0, называется собственной частотой
ионизированного газа/0 = V80.87V9 « 9V/V7
При / ^ Уо электромагнитная волна в ионо-
Глава 28 ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
819
28.25. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
сфере не распространяется и амплитуда поля
уменьшается по экспоненте. При вертикаль-
ном падении радиоволны на слой ионосферы
возникает отражение от того ее слоя, где/=/>,
и радиоволна возвращается на Землю. При
/>/кр = 9\/Д,Дах, где А^тах — максимальная
концентрация электронов, радиоволна прохо-
дит сквозь ионосферу. При наклонном паде-
нии радиоволны условие возвращения ее к
Земле запишется в виде:со80о < Су-
ществует самый большой угол падения радио-
волны на ионосферу 0Н (Рис. 28.15), обуслов-
ленный радиусом Земли Ro и высотой h0 слоя
ионосферы с максимальной концентрацией
электронов: cos0H = V27^Ao+/^/(^o + ^o) ==
« y/2hoRQ. Наибольшая частота, при которой
радиоволна может вернуться на Землю,
/max = 9VW’ax /(7?о + Йо)/ VIRoho+ho. Эта час-
тота составляет примерно 30 МГц. На Рис.
28.16 показаны возможные траектории радио-
волн при/кр < / < /тах.
Распространение радиоволн в неодно-
родной среде — процесс передачи энергии
ЭМП в среде, параметры которой зависят от
координат. При монотонной зависимости пара-
метров среды от координат траектория радио-
волн криволинейная. На границе раздела двух
сред (Рис. 28.17) кроме первичной радиоволны
существуют отраженная и прошедшая во вто-
рую среду. Соотношение между углами паде-
ния 0, отражения 0' и прохождения 0" легко ус-
тановить из условия равенства фазовых скоро-
стей электромагнитных волн вдоль границы
раздела: 0' - 0, sin0'7sin0 = Уе^щ/Уе^. При
0" = 90° имеем 0кр = arcsin(yЕ2р2/У£ 1И1) —
угол полного отражения электромагнитной
волны. Амплитуды отраженной и прошедшей
электромагнитной волн можно найти через ко-
эффициент отражения R = Е°/Е\ и Т= Е2/Е\ по
формулам Френеля. При поляризации в плос-
кости падения
R - (Z2 cos0" - Zj cos0) /(Z2 cos0" + Zj cos0);
T = 1 + R = 2Z2 cos0" /(Z2 cos0" + Zj cos0),
где Z;, Z2 — характеристические сопротивле-
ния первой и второй среды.
Полное прохождение радиоволны отвечает
условию sin20 = (р2/р j ~ e2/ei )/(е i/вг - £2^1 )♦ Для
диэлектриков (ц2 = Pi = 1) 0 = arctgy£2/£i —
угол Брюстера. При поляризации в плоскости,
перпендикулярной к плоскости падения,
R - (Z2 cos0- Zj cos0")/(Z2 cos0 + Zx cos0");
T = 1 + R = 2Z2 cos0 /(Z2 cos0 + Zx cos0").
Полное прохождение радиоволны в этом
случае отвечает условию sin20 = (e2/£i -
- р2/ц 1 )/(р 1 /р2 - p2/pi). Относительно такой
поляризации для двух диэлектриков (ц2 = Pi =
1) угла Брюстера не существует.
Распространение радиоволн в однород-
ной анизотропной среде — процесс передачи
энергии в среде, параметры которой зависят от
820
РАДИОТЕХНИКА
28.28. ТЕОРЕМЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ
направления векторов ЭМП. Примеры анизот-
ропных сред: природные и искусственные мо-
нокристаллы, искусственные анизотропные
диэлектрики, гиротропные среды (феррит или
плазма в магнитном поле). При распростране-
нии электромагнитной волны в анизотропной
среде кроме изменения амплитуды и фазы из-
меняется также поляризация электромагнит-
ной волны (например, электромагнитная волна
с линейной поляризацией превращается в эле-
ктромагнитную волну с круговой поляризаци-
ей и наоборот). В гиротропных средах при рас-
пространении электромагнитной волны с ли-
нейной поляризацией вдоль внешнего магнит-
ного поля наблюдается вращение плоскости
поляризации {эффект Фарадея); при распро-
странении в направлении, перпендикулярном к
внешнему магнитному полю, электромагнит-
ная волна распадается на две волны: обыкно-
венную поперечную и необыкновенную с про-
дольной составляющей поля — магнитного
для гиромагнитной среды или электрического
для гироэлектрической среды {эффект Кот-
тона—Мутона).
Распространение радиоволн в однород-
ной изотропной среде — процесс передачи
энергии ЭМП в среде, параметры которой не за-
висят от направления векторов ЭМП. При рас-
пространении радиоволн в изотропной среде
амплитуда ЭМП уменьшается по закону
exp(-az), фаза — по закону -pz (где a - постоян-
ная затухания; р— фазовая постоянная; z — ко-
ордината), а поляризация ЭМП не изменяется.
Распространение радиоволн поверхност-
ное — процесс передачи энергии ЭМП вдоль
границы раздела двух сред с различными пара-
метрами (см. ст. 28.5).
Распространение радиоволн в тропосфе-
ре — процесс передачи энергии ЭМП в слое
атмосферы высотой 10... 15 км над уровнем
моря. Параметры тропосферы с высотой h ме-
няются, поэтому траектория радиоволн в тро-
посфере искривляется {рефракция радиоволн).
Радиус кривизны находят по формуле
р = -п/{dn/dh sinO), где п - коэффициент пре-
ломления тропосферы. При dn/dh > 0 {отрица-
тельная рефракция) радиолуч отклоняется от
земной поверхности, уменьшая тем самым
пределы прямой видимости. При dn/dh < 0 {по-
ложительная рефракция) радиолуч отклоняет-
ся в сторону земной поверхности, увеличивая
тем самым границы прямой видимости. При
dn/dh = -4 • 10-5 км-1 {нормальная рефракция)
границы прямой видимости увеличиваются на
15%. При dn/dh = -15.7 • 10 4 км1 {критичес-
кая рефракция) радиолуч распространяется па-
раллельно поверхности Земли на большое рас-
стояние. При dn/dh < -15.7 • 10 4 км-1 {сверхре-
фракция) возле поверхности Земли возникает
тропосферный волновод. Радиолуч, распрост-
раняясь вдоль траектории с радиусом кривиз-
ны меньшим радиуса Земли, отражается от
земной поверхности и снова возвращается на
Землю.
Фединг — эффект замирания электромаг-
нитной волны в точке приема в диапазоне
средних и коротких волн. Ф. возникает при ин-
терференции электромагнитных волн, которые
распространяются по различным траекториям,
например, земной и отраженной от ионосферы
пространственной или двух пространственных
электромагнитных волн. Во время флуктуаций
параметров ионосферы изменяется разность
фаз двух волн в точке приема и, как следствие,
напряженность ЭМП. Для борьбы с Ф. приме-
няют антенны с прижатой к земле ДН (антифе-
динговые антенны) в диапазоне СВ или осуще-
ствляют прием на разнесенные антенны в диа-
пазоне КВ.
28.26. СКОРОСТЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТ-
НЫХ ВОЛН ГРУППОВАЯ — скорость рас-
пространения информации и ее материального
носителя — энергии ЭМП в свободном прост-
ранстве или волноводе. Разложив функцию
распределения ЭМП сигнала в ряд Фурье по
времени и в пространстве, можно получить
группу монохроматических колебаний ЭМП.
Групповая скорость определяется через фазо-
вую скорость отдельных составляющих сигна-
ла: = Уф/( 1 - Уфб/Уф/б/со) При отсутствии дис-
персии электромагнитной волны dv$/d(ti = 0,
Угр = Уф; при нормальной дисперсии dv^/dw < 0,
Угр<Уф, а при аномальной дисперсии dv$/d(to> 0
И Угр > Уф.
28.27. СКОРОСТЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТ-
НЫХ ВОЛН ФАЗОВАЯ — скорость распро-
странения фронта волны. В свободном прост-
ранстве Уф = с = З Ю8 м/с. В материальной сре-
де и для волн типа Т в волноводах уф = с/Уф.
Для волн типов Е и Н в волноводах
Уф = c/[V^V 1 - Хо/(ерХкР)](см. ст. 28.11), где
е, ц — параметры среды, заполняющей волно-
вод; \q = с/f — длина волны в свободном про-
странстве; f — частота; Хкр — критическая
длина волны.
28.28. ТЕОРЕМЫ ЭЛЕКТРОДИНА-
МИКИ — теоремы, используемые при реше-
нии электродинамических задач.
Глава 28. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
821
28.28. ТЕОРЕМЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ
Лемма Лоренца — вспомогательное мате-
матическое выражение, устанавливающее
связь в изотропной среде между электромаг-
нитными полями Ё Ну и Ё 2, Н 2 двух раз-
личных источников со сторонними токами эле-
ктрическим J ^ст, 72ст И магнитным j 2ст-
Л. Л. в дифференциальной форме имеет вид:
div[£j х Н2 ] - div[Е2 х Нх ] =
= ^1Эст^2 -^1ст^2 -^2ст^1 +^2ст^1-
При интегрировании по области v, ограни-
ченной поверхностью s, получают Л. Л. в инте-
гральной форме
<({[£, хЯ2]-[£2хЯ|]}Л =
5 (1)
= J(J^„E2 - J^„H2 -J2cTEt + ) dv.
V
Это равенство используют во многих элек-
тродинамических задачах при составлении ин-
тегральных уравнений ЭМП.
Теорема взаимности — следствие леммы
Лоренца для бесконечного изотропного прост-
ранства. Пусть в области (Рис. 28.18) заданы
сторонние электрический и магнитный
J 7СТ токи частотой со, которые возбуждают по-
ля Е j и Н j. В области v2 заданы сторонние то-
ки ^2ст и J 2ст той самой частоты, которые
возбуждают поля Ё2,/72. Сторонние токи и
поля связаны между собою леммой Лоренца. В
неограниченном объеме v0 поверхность 5 нахо-
дится на бесконечности; поэтому, учитывая ус-
ловия излучения на бесконечности, поверхно-
стный интеграл в уравнении (1) равен нулю.
Тогда из равенства нулю правой части этого
уравнения следует такая запись Т. в. для беско-
нечного пространства:
J(J,’CTi2-j^H2)dv= J(J23CTi,-j^Hx)dv.
Vj v2
Симметрия этого уравнения не зависит от
характера изотропной среды. Т. в. использует-
ся, например, в теории излучения и приема
электромагнитных волн при установлении
принципа взаимозаменяемости передающих и
приемных антенн.
Теорема единственности определяет ус-
ловия, при которых граничная задача электро-
динамики имеет одно решение, отвечающее
физической определенности. Относительно
внутренних задач электродинамики Т. е. име-
ет такую формулировку: для объема у, огра-
ниченного поверхностью 5, решение уравне-
ний электродинамики единственно, если в на-
чальный момент времени ЭМП однозначно
задано в каждой точке объема v (начальные
условия), а на протяжении всего промежутка
времени от 0 до t заданы касательные состав-
ляющие электрического поля на части по-
верхности 5 и магнитного поля на другой час-
ти поверхности s (граничные условия). Для
внешних задач электродинамики ЭМП долж-
но также удовлетворять условию излучения
на бесконечности.
Теорема Умова—Пойнтинга — матема-
тическая формулировка закона сохранения
электромагнитной энергии в некотором объеме
у, ограниченном замкнутой поверхностью s.
Вытекает непосредственно из уравнений Мак-
свелла и в интегральной форме имеет вид:
<|[Ё х Н] ds + J(J2 / о) dv + j JE^dv+
S V V
+ j (HdB/dt + EdD/dt) dv = 0,
V
где Ё, H — напряженности электрического и
магнитного полей; .7 — плотность электричес-
кого тока проводимости; Ё ст — напряженность
стороннего электрического поля; Ь, В — элек-
трическая и магнитная индукции; G — прово-
димость среды.
Физическое содержание каждого члена
этого уравнения таково:
£[£ х Н] ds = £fkZs = Ри — мощность излу-
S S
чения, которая проходит сквозь поверхность s;
П = Е х Н — вектор Пойнтинга, плотность
822
РАДИОТЕХНИКА
28.29. ТИПЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
потока мощности; J(J2 /a)dv=P — мощность
V
тепловых потерь в объеме v; Jj£CTtZv=PCT —
V
мощность сторонних источников в объеме v;
^(НдВ /dt + EdD /dt) dv — изменение запаса
V
энергии ЭМП с течением времени.
При гармонических колебаниях для ком-
плексных амплитуд имеем:
f 1 г ~ , г 1 JJ* ,
Ь—[ЕхН ] ds + Hr-—dv +
J 2 J Z о
5 v
f 1 -.* _ fl —♦
+ J —J ECTdv + J —(H В-ED )dv = 0.
V V
Теорема Флоке выражает свойство пери-
одичности напряженностей электрического
Ё и магнитного Й полей в одномерных пери-
одических структурах (гребенчатых, спи-
ральных и т.п.). Если период структуры обо-
значить через £, то поле в точке z + L выража-
ется через комплексные амплитуды поля в
точке z, которое опаздывает по фазе на угол
ф, т.е.
£(x,y,z + L) = E(x,y,z)exp(-j4p);
H(x,y,z + L) = H(x,y,z)exp(-j9).
В соответствии с этой теоремой определен-
ный волновой процесс в периодической струк-
туре, имеющий задержку по фазе ф на периоде
£, можно представить в виде суперпозиции бес-
конечного множества плоских неоднородных
электромагнитных волн (пространственных гар-
моник) с различными фазовыми постоянными
Р„ = Р + n2n!L, где п = 0, ±1, ±2, ±3... , разными
фазовыми скоростями гф(и) = со/(р + п-Iti/L) и
одной общей групповой скоростью. Если фазо-
вая скорость пространственных гармоник совпа-
дает по направлению с групповой скоростью, то
электромагнитные волны называют прямыми, а
если нет — обратными.
Теорема эквивалентности устанавливает
эквивалентность соответствующих действи-
тельности и эквивалентных поверхностных ис-
точников ЭМП. Из граничных условий для ка-
сательных составляющих векторов нащэяжен-
ностей электрического Ё и магнитного Й полей
на некоторой поверхности 5 можно найти экви-
валентные поверхностные электрические и
магнитные токи J3 = [Й X й\, /м = [И X Ё],
где И — внутренняя нормаль к поверхности 5.
Эти токи относительно ЭМП в объеме у, огра-
ниченном поверхностью s, играют ту же роль,
что и сторонние токи, но, в отличие от послед-
них, не являются заданными. Исходя из этого,
теорема эквивалентности формулируется так:
ЭМП в свободной от источников области про-
странства объемом v, ограниченном поверхно-
стью 5, может быть создано эквивалентными
электрическими и магнитными токами, распре-
деленными по этой поверхности и заменяющи-
ми соответствующие действительности источ-
ники поля.
Условия излучения — условия, которые
накладывают на решения внешних задач элек-
тродинамики при отсутствии источников ЭМП
на бесконечности. Для каждой из поперечных
составляющих ЭМП условия излучения Зом-
мерфельда имеют вид:
lim (dE ldr + jkE) = 0 ,
г—>oo
где г — координата точки наблюдения; к —
волновое число. Согласно этому условию
ЭМП имеет вид бегущей в бесконечность сфе-
рической электромагнитной волны. Например,
функция Грина (см. ст. 28.36) для бесконечно-
го пространства G = ехр(-Дг)/(4лг) удовлетво-
ряет этому условию. Второе решение этого
уравнения, имеющее знак «+» в показателе
экспоненты, не удовлетворяет условию излу-
чения, поскольку имеет вид сферических элек-
тромагнитных волн, которые сходятся из бес-
конечности в точку излучения.
28.29. ТИПЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
ВОЛН — разновидности электромагнитных
волн в зависимости от структуры ЭМП. Зачас-
тую определяют типы волн по критерию нали-
чия или отсутствия продольной относительно
направления распространения составляющей
электрического и магнитного полей. При рас-
пространении электромагнитной волны в од-
нородной изотропной среде она имеют струк-
туру типа Г, в которой отсутствуют продоль-
ные составляющие электрического и магнит-
ного полей. В анизотропной, а именно гирот-
ропной, среде при распространении поперек
внешнего магнитного поля электромагнитная
волна распадается на обыкновенную волну ти-
па Г и необыкновенную волну, имеющую про-
дольную составляющую векторов поля элект-
рического (для гироэлектрической среды) и
магнитного (для гиромагнитной среды).
Глава 28. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
823
28.29. ТИПЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
В однородных волноводах с односвязным
сечением существуют волны типа Е (Рис.
28.19, а), в которых продольная составляющая
электрического поля не равна нулю, а продоль-
ная составляющая магнитного поля равна ну-
лю, и типа Н (Рис. 28.19, ^), в которых про-
дольная составляющаая магнитного поля не
равна нулю, а продольная составляющая элек-
трического поля равна нулю. Поперечные со-
ставляющие ЭМП могут быть найдены через
продольные. В однородных волноводах с мно-
госвязным сечением существуют волны как
типа Т (Рис. 28.19, в), так и типов £ и Я. В не-
однородных волноводах распространяются ги-
бридные волны типа ЕН, имеющие продоль-
ные составляющие векторов электрического и
магнитного полей.
28.30. ТОК ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ —
движение зарядов в пространстве под действи-
ем ЭМП. В электродинамике рассматривают
также ток смещения в вакууме, который не
связан с движением зарядов, но сопровождает-
ся магнитным полем, как и ток проводимости.
Ток вихревой — замкнутый ток электри-
ческой проводимости, возникающий в прово-
дящей среде под действием переменного маг-
нитного поля. Вредным следствием возникно-
вения В. т. является потеря мощности на на-
гревание проводящей среды. Например, Т. в. в
сердечнике трансформатора приводят к до-
полнительным потерям электромагнитной
энергии.
Ток смещения — см. ст. 1.20.
Ток смещения в вакууме — см. ст. 1.20.
Ток поляризации — см. ст. 1.20.
Ток проводимости электрический — см.
ст. 1.20.
Ток проводимости магнитный — фик-
тивный ток гипотетических магнитных заря-
дов. Вводится для симметрии уравнений элек-
тродинамики и их решений и выражается в
вольтах, плотность объемного Т. п. м. — в
вольтах на квадратный метр, а поверхностного
— в вольтах на метр. Например, малую рамку
с электрическим током или узкую щель в вол-
новоде можно заменить магнитным током,
проходящим перпендикулярно к плоскости
рамки и вдоль щели.
28.31. ТОКИ СТОРОННИЕ — заданные
токи сторонних источников, не зависящие от
возбужденного ими ЭМП. Т. с. в проводниках
возникают под действием стороннего поля и
входят в уравнения Максвелла (см. ст. 28.34).
Перенос свободных электронов обуславливает
появление сторонних конвекционных токов.
Эти токи задают в виде уравнений движения
зарядов, которые решаются совместно с урав-
нениями Максвелла.
2832. ТРОПОСФЕРА — часть атмосферы
высотой 10... 15 км над поверхностью Земли. Па-
раметры среднего состояния Т. такие: атмосфер-
ное давление возле поверхности Земли р = 0.01
МПа уменьшается с высотой со скоростью 12
кПа/км; температура возле поверхности Земли Т
= 288 К снижается с высотой на 5.5 К/км; отно-
сительная влажность 5 = 60% с высотой не меня-
ется. Во время турбулентного движения воздуха
его плотность на отдельных участках Т. отличает-
ся от средней, создавая неоднородности парамет-
ров с размерами единицы-десятки метров. Элект-
рические параметры Т.: ц = 1, е = 1 + 1.552 • 10-6
(р + 4810 р~/Г)/Т, где р — давление газов; рп —
парциальное давление водяного пара; Т — абсо-
лютная температура. Показатель преломления
Т. и = 1 + 0.776 • \&6(р + 4810рп/7)/7’. Индекс пре-
ломления Т. N= (п - 1) • 106. Возле поверхности
Земли N- 300 и уменьшается с высотой, флукту-
ируя на неоднородностях Т. Для нормальной
Т. dN/dh = -40 км-1. Неоднородность Т. обуслав-
ливает преломление и рассеяние электромагнит-
ной волны.
824
РАДИОТЕХНИКА
28.36. ФУНКЦИЯ ГРИНА
28.33. УРАВНЕНИЯ ГЕЛЬМГОЛЬЦА —
векторные неоднородные дифференциальные
уравнения для электродинамических потенци-
алов (электрического Яэ и магнитного Ям),
сторонних токов (электрического J3CT и маг-
нитного ^ст), заданных в точке q объема у:
У2ЛЭ +к2А3 =-7’т; У2ЛМ +Л2Л“ =-J“.
Решением этих уравнений являются элект-
родинамические потенциалы в произвольной
точке р:
A\p) = ^(q)G(p,q)dv,
V
V
где G(p, q) — функция Грина (см. ст. 28.36).
28.34. УРАВНЕНИЯ МАКСВЕЛЛА —
система уравнений макроскопической элект-
родинамики, которые связывают между собою
ЭМП и их источники и являются математиче-
ским обобщением экспериментальных фак-
тов. Первое У. М. для мгновенных значений
ЭМП rot/? = J + дб/dt является обобщением за-
кона полного тока, где dD/dt = JCM — плот-
ность тока смещения. Физический смысл
уравнения: вихревое магнитное поле порож-
дается токами проводимости и переменным во
времени электрическим полем. Второе У. М.
rot/? = -ЪЁ/dt представляет собой обобщение
закона Фарадея (см. ст. 1.9) на любой контур в
пространстве, а не только проводниковый.
Физический смысл уравнения: вихревое элек-
трическое поле порождается переменным во
времени магнитным полем. Третье и четвер-
тое У. М. являются следствием двух первых:
div/5 = р — векторные линии электрического
поля могут начинаться и заканчиваться на за-
рядах; div/? = 0 — векторные линии магнитно-
го поля всегда замкнуты. Обыкновенно У. М.
дополняются материальными уравнениями,
характеризующими влияние среды на ЭМП:
Г) = £оёД/?=ц0Ц?/, J=a(£+£CT). В электро-
динамике для симметрии вводят фиктивные
магнитные заряды рм и фиктивные магнитные
токи JM. Тогда систему уравнений для мгно-
венных значений в дифференциальной форме
можно записать как:
rot// = J3 + dD/dt, rot£ = -JM-d£/d/,
div/? = pM, div5 = p3,
В = D = eoe£,
J3 = бэ(£ + £CT); JM = + Яст),
где /?, Й — напряженности электрического и
магнитного полей; Д Ё — электрическая и маг-
нитная индукции; /э, JM — электрический и
магнитный токи; рэ,рм — электрический и маг-
нитный заряды; ё , Ц — тензоры диэлектричес-
кой и магнитной проницаемостей; б3,6м —
тензоры электрической и магнитной проводи-
мостей; Дт, Йст — электрическое и магнитное
сторонние поля; е0 = 10~9/(36л) Ф/м, ц0 =
= 4л10~7 Г/м — константы.
Для комплексных амплитуд
rot/7 =yco£0S£+Jc3T; rot£=-ycop0fl/?-JcMT,
где Ё ,Н — комплексные амплитуды электри-
ческого и магнитного полей; ё,р. — тензоры
комплексных диэлектрической и магнитной
проницаемостей; J3CT, J сТ — комплексные амп-
литуды сторонних электрического и магнитно-
го токов.
Решают У. М. с соответствующими гра-
ничными условиями. Из решения У. М. следу-
ет существование ЭМП в виде электромагнит-
ных волн, распространяющихся со скоростью
света в среде на большие расстояния.
28.35. ФРОНТ ЭЛЕКТРОМАГНИТ-
НОЙ ВОЛНЫ — совокупность точек в про-
странстве с» одинаковой фазой колебаний
ЭМП. Форма Ф. э. в. зависит от распределе-
ния источников ЭМП. Точечный источник из-
лучает сферические волны, бесконечная нить
синфазного тока — цилиндрические волны,
бесконечная плоскость с поверхностным син-
фазным током — плоские волны. В дальней
зоне на расстоянии намного большем, чем
размеры реальных антенн, Ф. э. в. можно счи-
тать сферическим. Ф. э. в. на ограниченной
поверхности с размерами намного меньшими,
чем расстояние до антенны, можно считать
примерно плоским.
28.36. ФУНКЦИЯ ГРИНА — вспомога-
тельная скалярная функция, которая применя-
ется в электродинамике для определения ЭМП
точечных источников. Ф. Г. является решением
неоднородного дифференциального уравнения
У2 G + к2 G = -Ъ(р - q), где к — волновое чис-
ло; S(p - q) — трехмерная дельта-функция;
р — точка наблюдения; q — точка расположе-
ния источника поля. Форма записи Ф. Г. зави-
сит от выбора системы координат. Для беско-
Глава 28. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
825
28.36. ФУНКЦИЯ ГРИНА
нечного пространства в общей форме решение
уравнения с учетом условий излучения (см. ст.
28.28) имеет вид С = ехр(-у'Лг)/(4тсг), где г —
расстояние между точками р к q.
28.37. ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЕ СО-
ПРОТИВЛЕНИЕ — вторичный параметр
среды, определяемый отношением напряжен-
ностей электрического и магнитного полей в
каждой точке среды с параметрами е = е' -уе"
— относительной комплексной электричес-
кой проницаемостью и ц = |Г -уц" — относи-
тельной комплексной магнитной проницае-
мостью:
где Е, Н — напряженности электрического и
магнитного полей; tgS3 — тангенс угла диэлек-
трических потерь; tgSM — тангенс угла магнит-
ных потерь; е0 = 1/(36л)ф/м,
Цо ~ 4л 10-7 Гн /м — константы.
Для волноводов X. с. определяется отноше-
нием поперечных составляющих векторов эле-
ктрического и магнитного полей. Для волн ти-
па Т ZT = Z, для волн типа Е
ZE = ^-(Ар//)2 = ,
а для волн типа Н
ZH = Z/y/l-(fKp/f)2 =Z/A/l-X20/(enX2Kp),
где Xq — длина волны в вакууме; Хкр — крити-
ческая длина волны: fKp — критическая часто-
та; f— частота.
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Марков Г.Т., Петров Б.М., Грудинская Г.П. Электродинамика и распространение радио-
волн. — М.: Сов. радио, 1979. — 376 с.
2. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. — М.: Наука, 1978. —
543 с.
3. Марков Г.Т., Чаплин А.Ф. Возбуждение электромагнитных волн. — М.: Радио и связь, 1983.
— 296 с.
4. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. — М.: Связь, 1972. — 336 с.
5. Кугушев А.М., Голубева Н.С. Основы радиоэлектроники. — М.: Энергия, 1969. — 880 с.
826
РАДИОТЕХНИКА
ГЛАВА 29
ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
• История развития радиотехники —
это в основном история развития
электронных приборов.
Если справедливо наше представление
о том, что прошлое является ключом
к будущему, то главные достижения
в радиотехнике завтрашнего дня
будут принадлежать тем, кто хорошо
знаком с электронными приборами —
решающей активной частью
радиотехнических систем.
• Вакуумный диод
(Д. Флеминг, Англия, 1904 г.).
• Вакуумный триод
(Лиде Форест, США, 1906 г.).
• Тетрод
(Е. У. Халл, США, 1923 г.).
• Пентод
(Г. Холст, Д.Х. Теллеген,
Нидерланды, 1929 г.).
• Приемная ТВ электронная
трубка(кинескоп)
(В. Зворыкин, США, 1929 г.).
• Передающая ТВ электронная
трубка(иконоскоп)
(В. Зворыкин, США, 1931 г.).
• Транзистор
(У. Шокли, У. Браттейн, Дж. Бардин,
США, 1948 г.).
• Полевой транзистор
(Д. Канг, М. Аталла, США, 1960 г.).
Электронные приборы — это приборы, ра-
бота которых основана на использовании элек-
трических, тепловых, оптических и акустичес-
ких явлений, возникающих при движении за-
ряженных частиц (электронов, ионов и др.) в
вакууме, газе или плазме, жидкости, твердом
теле. Содержание этой главы дополняется све-
дениями из глав 8, 10, 11.
Рекомендованный порядок изучения ста-
тей следующий: перед изучением полупровод-
никовых приборов (диодов, транзисторов и
др.) необходимо ознакомиться со статьями
29.8, 29.12, 29.14, 29.15, 10.10, газоразрядных
приборов — 29.2, электронных ламп — 29.6,
29.12, 29.14, 29.17.
29.1. БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР —
трехэлектродный полупроводниковый прибор
для усиления, генерирования и других преоб-
разований электрических сигналов с двумя
близкорасположенными р-и-переходами, на
один из которых подается напряжение смеще-
ния в обратном, а на другой — в прямом на-
правлениях. Усилительные свойства транзис-
тора обусловлены явлениями инжекции и экс-
тракции неосновных носителей заряда. Ин-
жекция (экстракция) — введение (выведение)
носителей заряда в область полупроводника,
где они являются неосновными с помощью
р-и-перехода при подаче на него прямого (об-
ратного) смещения (см. ст. 29.15).
БТ содержит три полупроводниковые обла-
сти, называемые эмиттером (Э), базой (Б) и
коллектором (К) с чередующимися типами
проводимости (п-р-п или р-п-р). Контакты с
этими областями — омические. Области разде-
лены двумя взаимодействующими электронно-
дырочными переходами: эмиттерным (ЭП) и
коллекторным (КП). Включение БТ обоих ти-
пов в схеме усилителя электрических колеба-
ний показано на Рис. 29.1. Режим работы БТ,
когда ЭП включен прямо, а КП — обратно, яв-
Глава 29. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
827
29.1. БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР
ляется основным для усилительных схем и на-
зывается активным. В инверсном режиме КЛ
включен прямо, а ЭП — обратно. В режиме от-
сечки оба перехода включаются в обратном на-
правлении, а в режиме насыщения — в прямом.
Большинство БТ выполняют на основе моно-
кристаллического кремния со структурой п-р-п.
Принцип действия п-р-п- и р-п-р БТ одина-
ков (Рис. 29.1). В активном режиме п-р-п БТ ин-
жектированные в базу электроны за счет диф-
фузии и дрейфа переходят к КП и под воздейст-
вием ускоряющего поля этого перехода — в об-
ласть К. Этим создается ток коллектора /к. Не-
большая часть электронов рекомбинирует с
дырками базы, образуя основную составляю-
щую тока базы /Б. Для уменьшения этого тока
ширину базы W делают малой (от 0.1 мкм до не-
скольких микрометров). В приведенной схеме
включения БТ вывод Б является общим для
входных и выходных цепей, и такое включение
называется схемой с общей базой. В этой схеме
в активном режиме усиление мощности дости-
гается благодаря усилению напряжения, так как
токи /э и /к и их приращения Д/э и Д/к почти
равны из-за малости тока базы и усиления тока
нет. Обратное смещение КП в активном режиме
обеспечивается тем, что напряжение источника
питания Ек выбирают больше, чем падение на-
пряжения, создаваемое током 1К на нагрузочном
резисторе ^кб = Ек - /КЯН > 0. Коллектор-
ный ток слабо зависит от напряжения КП. При
любом обратном напряжении все электроны,
дошедшие до перехода, перебрасываются его
ускоряющим полем в область К, дифференци-
альное сопротивление КП гк = dU^dl^ при
этом очень велико. Включение в цепь К резис-
тора Rn с достаточно большим сопротивлением
существенно не изменит ток К. Дифференци-
альное сопротивление открытого ЭП гэ =
= dU3^dI3 мало и намного меньше гк. Измене-
ние мощности, выделенной в нагрузке, ДРВЬ1Х =
= Д/^н много больше изменения входной мощ-
ности ДРВХ = Д/| гэ. В схеме с общей базой ко-
эффициент усиления мощности ДРВЫХ/ДРВХ =
= Д/кД{7кб/Д1эА(7эб — Д^Лсб/Д^эб — Схема
включения с общей базой усиливает мощность
и напряжение, но не усиливает ток. Она харак-
теризуется низким входным и высоким выход-
ным сопротивлениями, высоким значением на-
пряжения пробоя КП, лучшими частотными
свойствами по сравнению с другими схемами.
Схема включения БТ с общим эмиттером име-
ет наибольший коэффициент усиления мощнос-
ти, так как усиливает ток и напряжение, а схема
включения БТ с общим коллектором — наи-
меньший коэффициент усиления мощности,
высокое входное и низкое выходное сопротив-
ления. К основным параметрам БТ относятся:
малосигнальный коэффициент передачи базо-
вого тока (от нескольких единиц до сотен); гра-
ничная частота (от сотен килогерц до десятков
гигагерц); отдаваемая мощность (от милливатт
до сотен ватт); время переключения (от сотен
пикосекунд до десятков микросекунд) и др. Ос-
новные сферы применения БТ как дискретных
компонент, так и в составе ИС — усиление, ге-
нерирование, преобразование электрических
сигналов.
w
Э Б К
Рис. 29.1.
828
РАДИОТЕХНИКА
29.2. ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД
Гетеропереходный биполярный транзис-
тор — БТ СВЧ, у которого эмиттерный, реже и
коллекторный, переходы выполнены в виде ге-
теропереходов (см. ст. 29.15). У арсенид-гал-
лиевых (GaAs) Г. БТ СВЧ широкозонный эмит-
тер (AlGaAs) «-типа образует с узкозонной ба-
зой (GaAs) p-типа гетеропереход, что позволя-
ет легировать базу до 1019см~3 атомов примеси
и уменьшить ее ширину до 0.05...0.15 мкм, не
опасаясь смыкания эмиттерного и коллектор-
ного переходов (прокола базы). При субмикро-
метровой ширине базы движение электронов
через нее происходит без взаимодействия с
кристаллической решеткой полупроводника
(баллистическое движение) со скоростью на
порядок выше максимальной скорости дрейфа
в обычных условиях, что сокращает время
пролета электронов через базу. Граничная час-
тота Г. БТ достигает сотни гигагерц. Г. БТ при-
меняют в усилителях, генераторах, ПрЧ в диа-
пазоне СВЧ в качестве дискретных приборов и
активных элементов ИС.
Дрейфовый биполярный транзистор —
БТ, в котором перенос неосновных носителей
заряда через базовую область осуществляется,
в основном, посредством дрейфа под воздейст-
вием электрического поля неравномерно леги-
рованной базы. Дрейфовый характер движения
сокращает время пролета носителей через ба-
зу, что повышает граничную частоту усиления.
Д. БТ применяют в качестве дискретных при-
боров, а также и в составе ИС с максимальной
рабочей частотой около 20 ГГц.
Мощный биполярный транзистор — БТ
с допустимой мощностью рассеяния, превы-
шающей 1.5 Вт. У М. БТ эмиттерная область
состоит из нескольких сотен отдельных эмит-
теров для повышения отношения периметра
эмиттера к его площади, что компенсирует от-
теснение тока эмиттера к его периферийной
области. Наиболее распространены среди
М. БТ Si л-р-л-транзисторы, выполненные по
меза-планарной, планарной и планарно-эпи-
таксиальной технологиям (см. ст. 10.10). На ра-
бочих частотах до 100 МГц мощность, кото-
рую отдают М. БТ в нагрузку, составляет сотни
ватт, на рабочих частотах от 100 МГц до 2 ГГц
— 500... 100 Вт.
СВЧ биполярный транзистор — БТ,
предназначенный для работы на частотах свы-
ше 300 МГц. СВЧ БТ выполняют, в основном,
л-р-л-типа из Si и GaAs (гетеропереходный БТ)
по планарно-эпитаксиальной технологии (см.
ст. 10.10). Особенностями этих БТ являются
наличие узкой базы (около 0.1 мкм), много-
эмиттерной области, малоиндуктивных выво-
дов в виде коротких полосок и, как правило,
отсутствие внешнего корпуса. Отдаваемая
мощность СВЧ БТ составляет 5... 10 Вт на час-
тоте-5 ГГц и 1 Вт на частоте 10 ГГц при КПД
40...25%, коэффициент шума 2...6 дБ в диапа-
зоне 3... 12 ГГц. Маломощные и малошумящие
СВЧ БТ применяют в первых каскадах прием-
ных устройств, средней мощности — в выход-
ных каскадах передатчиков.
Фототранзистор биполярный — БТ, в ко-
тором управление током коллектора осуществ-
ляется световым сигналом с использованием
внутреннего фотоэффекта.
29.2. ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД — прохождение
электрического тока через газ, пары металлов
под действием электрического поля. Г. р., суще-
ствующий только при наличии внешнего иони-
затора, называют несамостоятельным, а продол-
Глава 29. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
829
29.2. ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД
жающийся и после прекращения действия
внешнего ионизатора — самостоятельным.
ВАХ Г. р. изображена на Рис. 29.2. Область ОА
— это область несамостоятельного Г. р. Участок
АБ соответствует начальной стадии самостоя-
тельного разряда — тихому разряду, переходя-
щему в нормальный тлеющий разряд (участок
ВГ). При нормальном тлеющем разряде вблизи
катода образуется положительный пространст-
венный заряд ионов и возникает резкое падение
потенциала, называемое катодным падением
потенциала. На участке ВГ разность потенциа-
лов остается почти неизменной, так как рост то-
ка обеспечивается благодаря увеличению по-
верхности катода, охваченной разрядом, при по-
стоянной плотности тока катода. Тлеющий раз-
ряд сопровождается интенсивным свечением
газа. После того, как вся поверхность катода
окажется охваченной разрядом, дальнейшее
увеличение тока достигается за счет роста плот-
ности тока катода путем повышения разности
потенциалов на разрядном промежутке. Такой
Г. р. называют аномальным тлеющим разрядом
(участок ГД). При этом разряде дополнительно
к вторичной эмиссии с поверхности катода воз-
никают термо- и электростатические эмиссии.
Положительный пространственный заряд ио-
нов у катода компенсируется пространствен-
ным зарядом электронов, и катодное падение
потенциала резко уменьшается (участок ДЕ).
Возникает самостоятельный дуговой разряд,
характеризующийся большим разрядным током
и малым падением напряжения. Самостоятель-
ный Г. р., существующий при атмосферном и
более высоком давлениях, называют коронным
разрядом. Электроды с большой крутизной по-
верхности окружены светящейся «короной», в
остальной темной части существует только пе-
ренос заряда. Повышение разрядного тока пере-
водит коронный разряд в тлеющий или дуговой.
Искровым разрядом называют прерывис-
тый во времени Г. р., возникающий между эле-
ктродами при высоком напряжении и давлении
газа, близком к атмосферному. Разряд прохо-
дит по тонким, извилистым, ярко светящимся
каналам. Вид Г. р., его характеристики зависят
от давления, состава газа, параметров газораз-
рядного промежутка, величины и частоты при-
ложенного напряжения.
29.3. ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ (ИОННЫЙ)
ПРИБОР — ЭВП, в котором электрические
характеристики определяются, в основном, ио-
низацией намеренно введенного в баллон газа
или пара. При газовом разряде пространствен-
ные заряды электронов и положительных ио-
нов частично взаимно компенсируются, и по-
этому Г. п. имеет внутреннее сопротивление
гораздо меньшее, чем вакуумный электронный
прибор, и способен пропускать большие токи.
Зажиганием газового разряда в Г. п. управляют
с помощью дополнительных электродов (се-
ток, поджигающих электродов). В Г. п. исполь-
зуют дуговой, тлеющий, коронный, искровой
разряды (см. ст. 29.2).
Газоразрядный прибор дугового разряда
характеризуется тем, что в нем используют ду-
говой разряд (ДгР). Различают Г. п. д. р. с неса-
мостоятельным ДгР, снабженные подогревным
катодом (газотроны, тиратроны и др.), и прибо-
ры с самостоятельным ДгР, имеющие металли-
ческий или самонакаливающийся катод (ртут-
ные вентили, игнитроны, аркотроны и др.).
Г. п. д. р. заполняют инертным газом, парами
ртути или водородом при давлении в десятые
доли — сотни паскалей. При прямом включе-
нии падение напряжения в Г. п. д. р. составляет
десятки вольт, при обратном — единицы-сотни
киловольт. Г. п. д. р. применяют в качестве вен-
тилей в выпрямителях, в схемах генерирования
коротких импульсов тока, в линейных ускори-
телях заряженных частиц, для накачки им-
пульсных лазеров и т.п. Газоразрядные прибо-
ры самостоятельного ДгР в значительной сте-
пени вытеснены тиристорами (см. ст. 29.10).
Газоразрядный прибор искрового разря-
да основан на использовании кратковременно-
го дугового или тлеющего разряда в виде элек-
трической искры между однотипными ненака-
ленными электродами из тугоплавкого метал-
ла. Искровой разрядник заполняют инертным
газом или смесью газов при давлении в сотни
паскалей. При разряде за доли наносекунды
внутреннее сопротивление прибора уменьша-
ется от сотен мегаом до долей ома. Такие при-
боры применяют для защиты радиоустройств и
линий связи от перенапряжений.
Газоразрядный прибор коронного разря-
да может иметь коаксиальную конструкцию. В
этом случае у анода меньшего диаметра, где
напряженность электрического поля намного
выше, чем у катода, возникают ионизация и ко-
ронный разряд (см. ст. 29.2). Такие приборы
чаще всего заполняют водородом при давле-
нии в сотни гектопаскалей. Напряжение между
электродами практически не зависит от изме-
нения тока в пределах от единиц до сотен мик-
роампер, что используют в высоковольтных
стабилитронах коронного разряда.
830
РАДИОТЕХНИКА
29.5. ИНДИКАТОР СРЕДСТВ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Газоразрядный прибор тлеющего разря-
да основан на использовании свойств тлеюще-
го разряда: постоянство падения напряжения
между электродами в широких пределах изме-
нения тока используется в стабилитронах тле-
ющего разряда, а катодное тлеющее свечение
или свечение положительного столба — в газо-
разрядных индикаторах. Малая мощность по-
требления тлеющего разряда является одной из
причин его широкого применения в разного ро-
да световых индикаторах. Г. п. т. р. имеют хо-
лодный катод и наполняются смесью инертных
газов при давлении десятки гектопаскалей, си-
ла их тока не превышает десятков миллиампер.
29.4. ЖИДКИЙ КРИСТАЛЛ — жид-
кость, обладающая анизотропией физических
свойств и упорядоченностью расположения
молекул, что характерно для твердых кристал-
лов. Ж. к. обладают текучестью, поверхност-
ным натяжением, вязкостью, присущими жид-
костям. Эти свойства Ж. к. сохраняются в ин-
тервале температур от -40 до 80°С. Анизотро-
пия физических свойств Ж. к. обуславливает
наличие в них электро-, термо-, акусто-, магни-
тооптических эффектов. Наиболее важными
являются электрооптические эффекты — изме-
нение коэффициентов отражения, поглощения,
рассеяния и показателя преломления тонкого
(толщиной 5...20 мкм) ориентированного слоя
Ж. к. из-за переориентации молекул во внеш-
нем электрическом поле. Эти эффекты исполь-
зуют в жидкокристаллических приборах отоб-
ражения информации, жидкокристаллических
модуляторах (см. ст. 29.5).
29.5. ИНДИКАТОР СРЕДСТВ ОТОБРА-
ЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ — оконечное уст-
ройство средств отображения информации,
осуществляющее преобразование электричес-
ких сигналов в видимое изображение. Сущест-
вуют активные и пассивные индикаторы. В ак-
тивных И. с. о. и. энергия преобразуется в све-
товую в результате низковольтной катодолю-
минесценции (катодолюминесцентный и элек-
тронно-лучевой индикаторы), свечения нака-
ленного тела в вакууме (вакуумные накаливае-
мые индикаторы), свечения газового разряда
(газоразрядные индикаторы), электролюми-
несценции (электролюминесцентные индика-
торы) и т.п. В пассивных И. с. о. и. электриче-
ский сигнал изменяет оптическую характерис-
тику среды, что приводит к изменению ампли-
туды, фазы, плоскости поляризации, направле-
ния распространения светового излучения
(жидкокристаллические индикаторы), цвета
вещества (элекгрохромные индикаторы), цвета
или коэффициента отражения вещества (элект-
рофоретические индикаторы).
Вакуумный накаливаемый индикатор —
И. с. о. и., в котором используют свечение в ва-
кууме нагретого электрическим током тела раз-
личной формы из вольфрама, рения, гафния или
полупроводника (например, SiC). Сегментные
В. н. и. позволяют отображать цифры, буквы с
яркостью свечения до 5000.. .6000 кд/м2. Напря-
жение питания составляет 2...5 В, потребляемая
мощность 50...60 мВт/сегмент, средний срок
службы 5 тыс. ч. Используют В. н. и. при высо-
ком уровне окружающей освещенности.
Газоразрядный индикатор — И. с. о. и., в
котором свечение газоразрядного промежутка
используют для визуальной индикации. Разли-
чают Г. и. знаковые, предназначенные для вос-
произведения изображений букв, цифр, симво-
лов с числом знакомест до 20, и шкальные,
обеспечивающие отсчет измеряемой величины
по положению светящейся области относи-
тельно начала шкалы. К Г. и. принадлежат ин-
дикаторные тиратроны тлеющего разряда —
миниатюрные газоразрядные приборы, имею-
щие холодный катод, анод и одну или две сет-
ки, помещенные в стеклянный баллон, запол-
ненный инертным газом при давлении около
103 Па. Эти тиратроны применяют как состав-
ные элементы И. с. о. и. коллективного пользо-
вания. К Г. и. относят также газоразрядные ин-
дикаторные панели (ГИП), предназначенные
для отображения больших массивов знаковой
информации, изображений с градациями ярко-
сти, цветных и графических изображений. В
большинстве ГИП светоизлучающие ячейки
образуются в местах пересечения ортогональ-
ных систем электродов — анодов и катодов,
т.е. строк и столбцов матрицы. Площадь ГИП
индивидуального пользования достигает 1 м2
при разрешении 10...20 ячеек на сантиметр.
Преимуществом Г. и. является малая потребля-
емая мощность — около 10 мВт на 1см2 светя-
щейся площади.
Жидкокристаллический индикатор — И.
с. о. и., действие которого основано на измене-
нии оптических свойств тонкого слоя жидкого
кристалла из-за его переориентации во внешнем
электрическом поле. Ж. и. — пассивный индика-
тор, в нем на основе использования электрооп-
тических эффектов осуществляется модуляция
светового потока. Конструктивно Ж. и. пред-
ставляет собой слой жидкого кристалла толщи-
ной 5...20 мкм, помещенный между стеклянны-
Глава 29. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
831
29.5. ИНДИКАТОР СРЕДСТВ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
ми пластинами, с внутренних сторон которых
выполнены системы прозрачных электродов.
Различают мозаичные и матричные Ж. и. В мо-
заичных Ж. и. вид отбражаемой информации оп-
ределяется формой прозрачных электродов.
Число знакомест обычно не превышает 16. В ма-
тричных Ж. и. элементарный индикатор образу-
ется на пересечении ортогональных электрод-
ных структур. Управляющие сигналы подают на
элементы по каждой строке последовательно, со
скважностью, равной числу строк. Ж. и. харак-
теризуются низкими управляющим напряжени-
ем (2... 15 В) и током потребления (несколько
микроампер на квадратный сантиметр). Конт-
раст в условиях яркой освещенности достигает
10:1. Время смены информации — от единиц
миллисекунд до нескольких секунд. Основным
преимуществом Ж. и. является малое энергопо-
требление (10-1... 10“3 мВт/см2), поэтому их при-
меняют в приборах с автономным питанием: ча-
сах, микрокалькуляторах, переносных ЭВМ, те-
левизорах.
Катодолюминесцентный индикатор —
И. с. о. и., в котором используют низковольт-
ную люминесценцию, возникающую в люми-
нофоре при бомбардировке его электронами.
Информация воспроизводится в виде сегмен-
тированных цифр, символов высотой 5... 15 мм
и яркостью свечения до 700кд/м2. Выпускают
одно- и многоразрядные, аналоговые и матрич-
ные К. и. Экраны матричных К. и. имеют яр-
кость свечения до 200 кд/м2 и число элементов
512x512. Преимуществами К. и. являются не-
высокие рабочие напряжения (20... 100 В), ма-
лая потребляемая мощность (50... 100 мВт на
1 см2 светящейся площади), большие долговеч-
ность и яркость свечения. Большинство
К. и. выполняют вместе со схемой управления.
К. и. применяют в часах, микрокалькуляторах,
пультах управления и т.д.
Электролюминесцентный индикатор —
И. с. о. и., действие которого основано на ис-
пользовании электролюминесценции — свече-
нии, возникающем в порошковых или пленоч-
ных электролюминофорах при напряженнос-
тях электрических полей, близких к пробив-
ным. По конструктивному исполнению Э. и.
делят на мозаичные и матричные. Первые со-
стоят из электролюминесцентных плоских из-
лучающих конденсаторов, образованных сло-
ем люминофора, с одной стороны которого на-
несен общий прозрачный электрод, с другой —
непрозрачные фигурные электроды. На элект-
роды подают переменное напряжение ампли-
тудой 200...400 В и частотой 50...200 Гц. Мо-
заичные Э. и. предназначены для отображения
малых объемов информации, размеры их до-
стигают ЗООхЗОО мм при толщине не более
10 мм. Яркость люминесценции лежит в пре-
делах 30...400 кд/м2 (желтый, зеленый, синий
цвета свечения) и 5...40 кд/м2 (красный). Мо-
заичные Э. и. применяют в пультах управления
сложными комплексами. Матричные Э. и.
предназначены для отображения больших объ-
емов информации, их используют как дисплеи
ПК и ТВ приемников. Недостатком Э. и. явля-
ется сложная система управления, так как не-
обходимо формировать сравнительно высокие
напряжения на входе индикатора.
Электронно-лучевой индикатор — прием-
ный электронно-лучевой прибор, предназначен-
ный для отображения информации в виде знаков,
графиков, полутонового изображения. По назна-
чению и принципу действия Э.-л. и. делят на ин-
дикаторы с памятью и без памяти, самосветящи-
еся и светоклапанные, монохромные и цветные,
индивидуального и коллективного пользования.
Цветные Э.-л. и. имеют большую информацион-
ную емкость благодаря цветному кодированию
отображаемой информации. Главные параметры
Э.-л. и.: минимальная ширина воспроизводимой
линии (0.2.. .0.4 мм), яркость свечения экрана (от
нескольких десятков до нескольких тысяч кан-
дел на квадратный метр). Э.-л. и. применяют в
системах автоматизированного проектирования,
информационного поиска, РЛС.
Электрофоретический индикатор —
И. с. о. и., в котором используют явление из-
менения цвета или коэффициента отражения
рабочей жидкости под действием приложен-
ного электрического поля. Эти явления про-
исходят в результате электрофореза — на-
правленного движения в жидкости дисперс-
ных частиц под воздействием электрического
поля. В Э. ф. и. движение взвешенных пиг-
ментных заряженных частиц происходит в ок-
рашенной безводной жидкости. Слой колло-
идной жидкости толщиной 0.025...0.1 мм по-
мещается между стеклянными пластинами,
на внутренних поверхностях которых распо-
ложены прозрачные электроды. Управляющие
напряжения, подаваемые на электроды, со-
ставляют десятки вольт, потребляемая мощ-
ность — единицы-десятки микроватт на квад-
ратный сантиметр.
Электрохромный индикатор — И. с. о. и.,
в котором используют явление изменения цве-
та под действием приложенного электрическо-
832
РАДИОТЕХНИКА
29.7. ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР
го поля, происходящее в результате образова-
ния окрашенных слоёв на электродах или про-
дуктов реакции в электролите. Слой электро-
лита толщиной 0.5.. .0.8 мм помещается между
стеклянными пластинами, на внутренних по-
верхностях которых выполнена система элект-
родов: общий сплошной на одной и фигурные
на другой. Вид и объем отображаемой инфор-
мации определяются геометрической формой
и числом электродов. Управление Э. х. и. осу-
ществляют постоянным напряжением 1...2 В,
подаваемым на электроды. Время переключе-
ния составляет от десятков миллисекунд до не-
скольких секунд. Э. х. и. работают в широком
диапазоне температур, потребляют малую
мощность, имеют большую контрастность. К
их недостаткам относят малый средний срок
службы, ограниченный выбор цветов, большое
время переключения.
29.6. КАТОД ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО
ПРИБОРА — электрод, служащий источни-
ком электронов. К. ЭВП делятся на термоэлек-
тронные, эмигрирующие электроны при нагре-
вании, и холодные, не имеющие специального
нагрева (фотокатоды, вторично-эмиссионные,
автоэлектронные катоды и др.). Наиболее рас-
пространены термоэлектронные катоды (ТК).
По способу нагрева различают ТК прямого и
косвенного накала и с электронным подогре-
вом. В зависимости от материала и технологии
изготовления ТК делят на металлические, пле-
ночные металлические, оксидные, металлопо-
ристые, боридные и металлосплавные. Из пе-
речисленных ТК наибольшую эмиссионнную
способность имеют оксидный катод и его раз-
новидности: металлогубчатый и прессованный
оксидно-никелевый катоды.
29.7. ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР — уни-
полярный полупроводниковый прибор, имею-
щий проводящий канал с управляемой элект-
рическим полем проводимостью. ПТ имеет уп-
равляющий электрод — затвор (3) и три полу-
проводниковые области одного типа электро-
проводности — исток (И), канал (К), сток (С).
Протекание рабочего тока в ПТ обусловлено
движением через К только электронов или ды-
рок. Носители выходят из И и через проводя-
щий К стекают в С под действием направлен-
ного вдоль К электрического поля, созданного
напряжением между С и И. Изменение тока че-
рез К происходит с изменением электропро-
водности К под действием управляющего эле-
ктрического поля, направленного перпендику-
лярно к движению носителей. Это поле возни-
кает при наличии напряжения между 3 и И. По
способу управления электропроводностью ка-
нала ПТ делят на ПТ с изолированным 3 и ПТ
с управляющим переходом.
Мощный полевой транзистор — ПТ, до-
пустимая мощность рассеяния которого превы-
шает 1.5 Вт. Наиболее распространены крем-
ниевые МДП ПТ с индуцированным каналом
и-типа в виде параллельно соединенных К, что
обеспечивает большие рабочие токи, малое со-
Рис. 29.3.
Глава 29 ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
833
27-2959
29.7. ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР
противление открытого транзистора и увеличе-
ние крутизны стоко-затворной характеристики.
Максимально допустимое напряжение у мощ-
ных ПТ достигает 500... 1000 В, а максималь-
ные рабочие токи 10...20 А. Время переключе-
ния мощных ПТ составляет 0.003...0.3 мкс. ВЧ
мощные ПТ обеспечивают сотни ватт мощнос-
ти на частотах до 100 МГц, СВЧ мощные ПТ
— 20 Вт на частотах 1... 10 ГГц и 1 Вт на час-
тоте 25 ГГц. Мощные ПТ используют для уси-
ления мощности, а также как ключевые эле-
менты в переключающих устройствах.
Полевой транзистор с изолированным
затвором — ПТ, содержащий один или не-
сколько 3, электрически изолированных от
проводящего канала, и имеющий структуру
металл — диэлектрик (окисел) — полупровод-
ник (поэтому такой ПТ называется МДП или
МОП полевым транзистором). МДП ПТ с ка-
налом л-типа в схеме усилителя электричес-
ких колебаний изображен на Рис. 29.3. Облас-
ти п+ являются истоком И и стоком С. Затвор 3
вместе со слоем диэлектрика Д и подложкой р-
типа образуют МДП-структуру. При нулевом
напряжении на затворе И и С разделены под-
ложкой р и проводящий канал отсутствует. Го-
ризонтальный проводящий канал л-типа воз-
никает между И и С при подаче на 3 положи-
тельного напряжения £3, больше порогового
напряжения £пор (при Е3 = Епор концентрация
электронов у поверхности полупроводника
равна концентрации акцепторов подложки,
что соответствует границе режимов слабой и
сильной инверсий) (см. ст. 29.15). К, И и С от-
делены от подложки обедненным слоем
(штриховая линия на Рис. 29.3). Под действи-
ем переменного напряжения t/BX подаваемого
в цепь 3, изменяется ток стока 1С в цепи на-
грузки, созданный внешним источником Ес. В
связи с практически отсутствующим током в
цепи затвора (3 отделен от К слоем диэлектри-
ка) мощность, потребляемая от источника сиг-
нала в цепи 3, очень мала; поэтому ПТ обеспе-
чивает усиление электрических сигналов по
напряжению, току и мощности. Такой ПТ на-
зывают транзистором с индуцированным ка-
налом. Если К в ПТ существует при нулевом
напряжении на 3, то такой ПТ называют тран-
зистором со встроенным каналом. Изменени-
ем напряжения на 3 можно изменять проводи-
мость канала, обогащая или обедняя его элек-
тронами. Существуют МДП ПТ и с вертикаль-
ным К, которые обеспечивают меньшее паде-
ние напряжения на открытом транзисторе.
МДП ПТ имеют входное сопротивление
постоянному току до 1016 Ом (на два-три по-
рядка выше, чем у остальных ПТ), максималь-
ную частоту усиления (около 10 ГГц), коэффи-
циент шума на частоте 2ГГц около 3.5 дБ. Они
широко применяются как дискретные прибо-
ры, входят в состав БИС и СБИС.
Полевой транзистор с управляющим пе-
реходом — ПТ, затвор которого изолирован от
канала выпрямляющим электрическим перехо-
дом. В качестве выпрямляющих переходов
применяют р-л-переход, гетеропереход или пе-
реход Шоттки.
При увеличении обратного напряжения на 3
обедненный слой управляющего перехода рас-
ширяется в область К, проводящее сечение его
уменьшается и ток С падает. Это — режим обед-
нения К, который является основным режимом
работы транзистора. При некотором напряжении
на 3 обедненный слой полностью перекрывает К
и ток С определяется только токами утечки.
ПТ с управляющим р-n-переходом имеют
малый уровень собственных шумов. Коэффи-
циент шума лучших ПТ меньше 0.1 дБ на час-
тоте 10 Гц и составляет около 2 дБ на частоте
400 МГц. ПТ с барьером Шоттки применяют, в
основном, в диапазоне СВЧ.
СВЧ полевой транзистор — ПТ, предназ-
наченный для работы в диапазоне СВЧ на час-
тотах свыше 300 МГц. В качестве СВЧ ПТ ис-
пользуют МДП ПТ, транзистор с управляю-
щим переходом металл—полупроводник
(МЕП-транзистор) и гетероструктурный
МЕП-транзистор (ГМЕП-транзистор). Общим
для них является наличие К л-типа длиной
0.2... 1 мкм с высокой скоростью переноса эле-
ктронов от И к С. Для изготовления СВЧ ПТ
применяют, в основном, Si и GaAs. Наиболее
распространенным является СВЧ ПТ из GaAs,
поскольку у него дрейфовая скорость и по-
движность электронов намного больше, чем у
кремниевого ПТ. Кремниевые МДП ПТ имеют
максимальную частоту усиления около 10 ГГц,
а МЕП-транзисторы — около 30 ГГц. Наиболь-
шее быстродействие достигнуто в ГМЕП-тран-
зисторах на основе GaAs. Гетеропереход воз-
никает при выращивании на слое GaAs слоя
л-AlGaAs толщиной 50...60 нм. Электроны из
слоя л-AlGaAs переходят в слой GaAs, по-
скольку у него работа выхода электронов боль-
ше, и накапливаются в тонком (10 нм) слое
около границы раздела полупроводника. Этот
слой и является К, соединяющим И и С. Элек-
троны в К называют двумерным электронным
834
РАДИОТЕХНИКА
29.9. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД
газом. В К нет ионов примесей, так как они ос-
тались в слое «-AlGaAs, и нет рассеяния на ио-
нах примесей во время движения электронов
вдоль К, что приводит к росту дрейфовой ско-
рости и уменьшению уровня шума транзисто-
ра. При Т = 300 К скорость движения электро-
нов в канале ГМЕП-транзистора почти вдвое
выше скорости электронов в канале GaAs
МЕП-транзистора, а при охлаждении до 77 К
возрастает в 1.5 раза (у МЕП-транзисторов от
снижения температуры она не зависит). Такие
ГМЕП-транзисторы называют транзисторами
с высокой подвижностью электронов (НЕМТ
— high electron mobility transistor). Управление
электропроводностью К осуществляют с помо-
щью перехода металл—полупроводник. Метал-
лический 3 напыляют на слой л-AlGaAs. Наи-
большее распространение ГМЕП-транзисторы
нашли в МШУ. Они имеют коэффициент шума
0.4.. .3 дБ на рабочих частотах 4.. .40 ГГц соот-
ветственно. Максимальная рабочая частота
ГМЕП-транзистора достигает 130... 150 ГГц.
29.8. ПОЛУПРОВОДНИКИ — вещества с
электронным механизмом электропроводности,
удельная проводимость которых при комнатной
температуре лежит в пределах 10 8...105 См/м.
П. характеризуются сильной зависимостью
электропроводности от температуры, напря-
женности внешних электрических и магнит-
ных полей и других факторов. К П. относят: хи-
мические элементы (Ge, Si, Se и др.); двойные
и тройные соединения элементов (например,
GaAs, CdS, InP, SiC, CdGeAs2); некристалличе-
ские аморфные материалы типа оксидных,
халькогенидных стекол и др. Элементы Ge, Si,
GaAs являются основными материалами совре-
менной полупроводниковой техники.
При Т = 0 К П. не имеют электропроводно-
сти, поскольку нет свободных носителей заря-
да, а валентные электроны находятся в связан-
ных состояниях. При энергетическом воздей-
ствии на П. появление свободных электронов
сопровождается возникновением незаполнен-
ных валентных связей — дырок. Дырки ведут
себя во внешнем электрическом поле как поло-
жительно заряженные частицы с зарядом элек-
трона и вместе со свободными электронами со-
здают электропроводность. Возникновение по-
движных носителей заряда — электронов про-
водимости (в отличие от связанных электро-
нов) и дырок как результат внешнего энергети-
ческого воздействия на П. называют генераци-
ей носителей заряда. Заполнение незаполнен-
ной валентной связи свободным электроном с
исчезновением пары электрон—дырка и выде-
лением энергии называют рекомбинацией но-
сителей заряда.
Электропроводность П., обусловленную
генерацией пар электрон—дырка, называют
собственной, а бездефектный, беспримесный
П. — собственным. Концентрации электронов
проводимости и дырок в собственном П. оди-
наковы. Внесение примесей в такой П. создает
преобладание одного вида носителей заряда.
Например, при внесении в четырехвалентный
Si пятивалентной донорной примеси пятый ва-
лентный электрон примеси слабо связан с ато-
мом примеси и при незначительном внешнем
энергетическом воздействии легко отрывается,
образуя неподвижный положительный ион до-
норной примеси и электрон проводимости. В
таком П. электропроводность определяется, в
основном, электронами проводимости, кон-
центрация которых больше, чем дырок. При-
месный П., в котором преобладают электроны
проводимости, называют электронным («-ти-
па), а электроны проводимости — основными
носителями заряда, дырки — неосновными.
Внесение в четырехвалентный Si трехва-
лентной акцепторной примеси создает преоб-
ладание дырок. Такой П. называют дырочным
(p-типа); в нем дырки являются основными но-
сителями заряда, а электроны — неосновными.
29.9. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД
— двухполюсный полупроводниковый прибор
с несимметричной ВАХ. Такую ВАХ имеют
П. д. с единичным выпрямляющим электриче-
ским переходом в виде р-и-перехода, перехода
металл—полупроводник. Несимметричная
ВАХ присуща и диоду с междолинным перехо-
дом электронов (диоду Ганна), у которого нет
выпрямляющего перехода.
Варикап — П. д., емкость которого управ-
ляется обратным напряжением. При измене-
нии обратного напряжения изменяются тол-
щина обедненного слоя, а также значение
пространственных зарядов, образованных ио-
нами примесей, в результате чего изменяется
барьерная емкость перехода. Параметры В.:
номинальная емкость — емкость между выво-
дами В. при номинальном значении обратно-
го напряжения; добротность — отношение
реактивной составляющей полного сопротив-
ления В. на заданной частоте к сопротивле-
нию потерь при заданном значении емкости
или обратного напряжения. В. с емкостью
единицы — десятки пикофарад применяют, в
основном, для электронной перестройки ре-
Глава 29 ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
835
29.9. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД
зонансной частоты колебательного контура,
преимущественно на УКВ.
Варактор — это варикап диапазона СВЧ с
емкостью единицы — десятые доли пикофа-
рад. Варакторы применяют на частотах, где
их добротность составляет несколько единиц,
как параметрические, умножительные и наст-
роечные диоды. Параметрический диод (ПД)
— варактор, предназначенный для использо-
вания в диапазоне СВЧ в параметрических
усилителях и смесителях слабых сигналов.
ПД применяют при обратных и малых пря-
мых напряжениях и токах, меньших 10-6 А.
ПД характеризуется малыми собственными
шумами, которые являются, в основном, теп-
ловыми шумами сопротивления потерь и
уменьшаются с охлаждением диода. Шумо-
вые температуры усилителя на ПД в 3-см ди-
апазоне волн достигают 70 К без охлаждения
и 10 К при охлаждении, в 8-мм диапазоне
волн — 200 и 50 К соответственно. ПД при-
меняют во входных каскадах приемников
спутниковой связи, радиолокаторов, радиоме-
тров и др. Умножительный диод — варактор,
предназначенный для умножения частоты, он
более мощный, чем ПД. При воздействии на
умножительный диод гармоническим сигна-
лом благодаря нелинейной зависимости емко-
сти от обратного напряжения диода появля-
ются гармоники, а при действии нескольких
колебаний — комбинационные частоты. В ди-
апазоне до 15 ГГц применяют кремниевые ди-
оды, на более высоких частотах — арсенид-
галлиевые диоды. Умножительные диоды ис-
пользуют для создания источников мощности
в диапазоне частот, где их осуществление на
основе транзисторов, ЛПД и диодов Ганна за-
труднено или невозможно.
Выпрямительный полупроводниковый
диод предназначен для преобразования пере-
менного тока в пульсирующий ток одной по-
лярности. В В. п. д. используют свойства од-
носторонней электропроводности электрон-
но-дырочного перехода или перехода ме-
талл—полупроводник. Основные параметры
В. п. д.: среднее за период значение допусти-
мого прямого тока; допустимое значение им-
пульсного обратного напряжения; максималь-
ная рабочая частота и др. В. п. д. изготавлива-
ют на основе Ge, Si, GaAs. Наиболее распро-
страненными являются кремниевые диоды
благодаря высоким значениям электрической
прочности, термостойкости, надежности.
Прямые токи у них лежат в пределах от деся-
тых долей ампера до нескольких килоампер,
обратные напряжения достигают 1кВ и более,
максимальная рабочая частота составляет от
единиц до сотен килогерц.
Детекторный полупроводниковый диод
предназначен для детектирования ВЧ или СВЧ
сигналов малой мощности. При детектирова-
нии используют выпрямительные свойства ди-
ода для выделения сообщения из модулирован-
ных по амплитуде ВЧ или СВЧ колебаний. На
СВЧ используют детекторные диоды с точеч-
ным прижимным или микросплавным контак-
том, в последнее время — диоды с барьером
Шоттки. Д. п. д. СВЧ применяют в широкопо-
лосных приемниках прямого усиления, в изме-
рительной технике и других устройствах. Как
Д. п. д. СВЧ часто используют смесительные
СВЧ диоды, предназначенные для преобразо-
вания СВЧ сигнала малой мощности в сигнал
ПЧ. Для этого на смесительный диод подают
колебания сигнала малой мощности и колеба-
ния гетеродина большей мощности. Из спектра
колебаний, который возникает при смешива-
нии, выделяют колебания ПЧ. В качестве сме-
сительных диодов чаще всего применяют дио-
ды с барьером Шоттки, вплоть до субмиллиме-
тровых длин волн. Смесительные СВЧ диоды
используют в радиолокации, радиорелейной и
спутниковой связи, в супергетеродинных при-
емниках и других устройствах.
Диод с междолинным переходом элек-
тронов (диод Ганна) — П. д., работа которого
основана на возникновении отрицательного
объемного сопротивления под действием силь-
ного электрического поля. Д. м. п. э. предназ-
начены для усиления и генерации СВЧ колеба-
ний. Как правило, их изготавливают на основе
эпитаксиальной структуры п+-п-п+ из GaAs, где
л-слой является активной областью, а слои п+
вместе с металлизацией образуют омические
контакты — анод и катод. ВАХ такого прибора
имеет А-образный вид. Возникновение отри-
цательного сопротивления обусловлено пере-
ходом электронов под действием электричес-
кого поля, превышающего некоторое порого-
вое значение, из основного энергетического
минимума (долины) зоны проводимости в бо-
ковые с большим уровнем энергии. При таком
переходе средняя плотность тока начинает па-
дать с увеличением напряженности электриче-
ского поля, так как подвижность электронов
резко уменьшается и на ВАХ появляется учас-
ток с отрицательным дифференциальным со-
противлением.
836
РАДИОТЕХНИКА
29.9. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД
В среде с отрицательным дифференциаль-
ным сопротивлением периодически формиру-
ются и перемещаются в направлении от като-
да к аноду либо электрические домены (слои с
повышенной и пониженной концентрацией
электронов), исчезающие у анода, либо нарас-
тающие волны избыточных электронов.
Включенный в резистивную цепь Д. м. п. э.
является генератором импульсов тока, а вклю-
ченный в резонатор работает как генератор,
перестраиваемый по частоте. Д. м. п. э. рабо-
тает и как усилитель СВЧ колебаний, когда
электронными процессами управляют с помо-
щью переменного напряжения. Д. м. п. э. ра-
ботают в диапазоне 1... 100 ГГц при напряже-
ниях питания от единиц до десятков вольт,
имеют КПД в непрерывном режиме до 10%, в
импульсном — до 30%, выходная мощность
составляет, соответственно, десятки ватт и
единицы киловатт. Достоинство Д. м. п. э. —
низкий уровень шумов. В диапазоне 20... 100
ГГц он является основным малошумящим ге-
нераторным полупроводниковым прибором.
Д. м. п. э. применяют в РЛС, телеметрических
и других системах.
Диод Шоттки — П. д., выпрямительные
свойства которого основаны на перенесении
заряда основными носителями через выпрями-
тельный контакт металл—полупроводник.
Главным преимуществом Д. Ш. по сравнению
с диодом с р-л-переходом является отсутствие
у него инжекции неосновных носителей заряда
при прямом смещении (нет накопления этих
носителей). Ток через переход обусловлен,
главным образом, основйыми носителями.
Инерционность Д. Ш. определяется значением
барьерной емкости выпрямляющего перехода.
Поскольку и последовательное сопротивление
Д. Ш. меньше, чем у диодов с р-и-переходом,
они могу!' работать на частотах др субмилли-
метрового диапазона длин волн. Д. Ш. имеют
значительную нелинейность ВАХ при малых
прямых смещениях, низкий уровень ВЧ шу-
мов, они просты в изготовлении. Д. Ш. исполь-
зуют в качестве детекторных, смесительных,
ЛПД, параметрических, умножительных, пере-
ключательных, свето- и фотодиодов, а также в
монолитных ИС.
Излучающий полупроводниковый диод
содержит электронно-дырочный переход или
переход Металл—полупроводник, в котором
при прохождении электрического тока генери-
руются некогерентные оптические излучения в
инфракрасной, видимой или ультрафиолето-
вой частях спектра. И. п. д. делят на инфра-
красные и светоизлучающие, или светодиоды.
Действие И. п. д. основано на спонтанном из-
лучении, возникающем в результате рекомби-
нации неосновных неравновесных (появляю-
щихся при внешнем энергетическом воздейст-
вии) носителей заряда, инжектированных че-
рез переход, в самом переходе и в прилегаю-
щем к нему слое полупроводника. КПД преоб-
разования электрической энергии И. п. д. в
энергию излучения составляет в инфракрасной
части спектра 1...5%, в видимой 0.8... 10%. Ос-
новными параметрами И. п. д. являются: яр-
кость и мощность излучения; длина волны из-
лучаемого света; инерционность и др. И. п. д.
применяют в технике связи, вычислительной,
измерительной, бытовой технике.
Импульсный полупроводниковый диод
имеет малую длительность переходных про-
цессов в импульсных режимах работы. Инер-
ционность диода определяют, в основном, ба-
рьерная емкость и накопленный заряд нерав-
новесных носителей вблизи электрического
перехода, поэтому И. п. д. имеет малые пло-
щадь перехода и время жизни неравновесных
носителей заряда в базе. Различают И. п. д. с
р-л-переходом и барьером Шоттки. Последние
по своим импульсным характеристикам лучше
других диодов, так как у них нет накопления
неосновных носителей заряда в базе. К И. п. д.
относят и диоды с накоплением (во время про-
текания прямого тока) заряда (ДНЗ), у которых
мала длительность спада обратного тока (ме-
нее 0.1 нс). Этот параметр обеспечивается на-
личием внутреннего электрического поля ба-
зы, созданного неравномерным легированием,
которое способствует при обратном включе-
нии выведению накопленных в базе носителей.
ДНЗ используют для формирования импульсов
пикосекундной длительности и умножения ча-
стоты в СВЧ диапазоне. К характерным пара-
метрам И. п. д. относят емкость диода, заряд
переключения, время установления прямого
сопротивления, время восстановления обрат-
ного сопротивления и др. И. п. д. применяют в
ЛЭ, ЗУ ЭВМ и других устройствах.
Лавинно-пролетный диод работает в ре-
жиме лавинного размножения носителей заря-
да при обратном смещении электрического пе-
рехода и предназначен для генерации СВЧ ко-
лебаний. При подаче на р+-п-переход обратно-
го напряжения, имеющего постоянную и пере-
менную составляющие, пробой перехода воз-
никает в тот момент периода СВЧ сигнала, ког-
Глава 29. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
837
29.9. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД
да суммарное обратное напряжение превыша-
ет напряжение лавинного пробоя. Рождение
пар электрон—дырка происходит в слое умно-
жения (СУ) — узкой части перехода вблизи
контакта р+- и «-слоев, где напряженность эле-
ктрического поля максимальна и достаточна
для ударной ионизации. Дырки выносятся из
СУ электрическим полем в р+-слой, а сгусток
электронов, образовавшийся при пробое, дрей-
фует через обедненную «-область к металличе-
скому контакту. В момент максимального об-
ратного напряжения в следующий период СВЧ
колебаний образуется новый сгусток электро-
нов и т.д. Из-за инерции развития лавины плот-
ность электронов в сгустке достигает максиму-
ма примерно на четверть периода позже отно-
сительно максимума переменного обратного
СВЧ напряжения, т.е. в момент, когда перемен-
ное СВЧ напряжение равно нулю.
В дальнейшем сгусток электронов дрейфу-
ет через «-область во время отрицательного по-
лупериода СВЧ напряжения и тормозится, осу-
ществляя преобразование энергии постоянного
тока в энергию СВЧ электрических колебаний.
Энергия взаимодействия максимальна, когда на
всем пути дрейфа в «-области сгусток электро-
нов тормозится СВЧ полем, т.е. время дрейфа
не превышает 772. Отрицательное сопротивле-
ние в ЛПД возникает в связи с конечным време-
нем как нарастания лавинного тока, так и про-
хождения носителями пролетной области, что
приводит к появлению фазового сдвига между
током и напряжением на выводах прибора. Рас-
смотренный режим работы ЛПД является ос-
новным и называется лавинно-пролетным ре-
жимом. ЛПД имеют высокий уровень шума,
присущий ударной ионизации, их применяют, в
основном, для генерации и усиления колебаний
в диапазоне частот 1.. .400 ГГц. В непрерывном
режиме ЛПД обеспечивают выходную мощ-
ность 10 Вт на частоте 10 ГГц, 2 Вт на частоте
40 ГГц, 1 Вт на частоте 100 ГГц, 50 мВт на ча-
стоте 220 ГГц с КПД, постепенно уменьшаю-
щимся от 30% до долей процента соответствен-
но. Для изготовления ЛПД используют также
структуры р+-п-п+, р+-р-п-п\ Ме-п-п+ на основе
Ge, Si, As, InP.
Переключательный полупроводниковый
диод характеризуется тем, что его действие ос-
новано на эффекте изменения импеданса в за-
висимости от направления напряжения смеще-
ния. П. п. д. предназначены для управления
уровнем мощности. В СВЧ диапазоне их ис-
пользуют для управления уровнем мощности
или фазой СВЧ сигнала в линиях передачи. При
прямом смещении (прямом токе в десятки мил-
лиампер) полное электрическое сопротивление
диода СВЧ сигналу активно и не превышает
1 Ом. При наличии обратного напряжения со-
противление диода СВЧ сигналу увеличивается
более, чем в 103 раз. При включении диода в
волноводную, коаксиальную или полосковую
линию передачи одно состояние П. п. д. обеспе-
чивает пропускание СВЧ энергии в нагрузку,
другое — нет. П. п. д. применяют в диапазоне
частот от сотен мегагерц до десятков гигагерц
при уровнях непрерывной СВЧ мощности на
нижних частотах до 1 кВт, а импульсной — до
1 МВт с временем переключения от нескольких
микросекунд до нескольких миллисекунд. Эти
диоды устанавливают в переключателях кана-
лов, дискретных фазовращателях, электричес-
ки управляемых аттенюаторах.
Полупроводниковый стабилитрон —
П. д., работающий в режиме обратного про-
боя и использующийся как источник опорно-
го напряжения. Рабочий участок П. с. нахо-
дится в узком интервале обратных напряже-
ний, соответствующих электрическому про-
бою его электронно-дырочного перехода. В
П. с. используют механизм лавинного или
туннельного пробоя перехода. П. с. изготав-
ливают, как правило, из кремния. Различают
П. с. общего назначения и прецизионные.
Первые применяют в стабилизаторах и огра-
ничителях уровня напряжения, импульсных и
других устройствах; они имеют номинальное
напряжение стабилизации 3...180 В и допус-
тимую мощность рассеяния 0.25...50 Вт.
Прецизионные П. с. имеют очень малый тем-
пературный коэффициент напряжения стаби-
лизации (около 10-5К-1), их применяют в ка-
честве источников опорного эталонного на-
пряжения в ЦАП, устройствах ввода-вывода
информации, ЭВМ, калибраторах тока и на-
пряжения.
Туннельный диод выполняется на основе
вырожденного полупроводника, в котором тун-
нельный эффект приводит к появлению на
ВАХ при прямом напряжении участка отрица-
тельного дифференциального сопротивления.
Наличие такого участка характеризует ТД как
активный прибор, способный усиливать и ге-
нерировать электрические колебания. Дейст-
вие ТД основано на туннельном эффекте —
прохождении микрочастицы (например, элек-
трона) сквозь потенциальный барьер, когда ее
полная энергия не превышает уровня барьера.
838
РАДИОТЕХНИКА
29.10. ТИРИСТОР
Для увеличения вероятности такого прохожде-
ния при изготовлении ТД используют вырож-
денные полупроводники с концентрацией при-
месей до 1025... 1027м 3, что обеспечивает обра-
зование р-л-переходов с очень малой шириной
обедненного слоя (5... 15 нм). Высокая концен-
трация примесей позволяет ТД работать при
высоких температурах: германиевым — до
200°С, арсенид-галлиевым — до 600°С. ТД ма-
ломощны, так как работают при прямых на-
пряжениях меньше 1 В. Их используют на час-
тотах до десятков гигагерц в усилителях и ге-
нераторах, быстродействующих переключате-
лях и других приборах.
Фотодиод — П. д. с р-я-переходом между
двумя типами полупроводников или между по-
лупроводником и металлом, в котором погло-
щение излучения вызывает фотогальваничес-
кий эффект (см. ст. 29.12). При поглощении
света в Ф. появляется фотоЭДС, по направле-
нию противоположная направлению контакт-
ной разности потенциалов перехода. При за-
мыкании внешней цепи Ф. в ней течет ток, зна-
чение которого пропорционально световому
потоку. Это — фотовольтаический (вентиль-
ный) режим работы Ф., когда его используют
как фотоэлемент. В фотодиодном режиме ра-
боты Ф. во внешней цепи содержится источ-
ник обратного смещения р-л-перехода. В этом
случае обратный ток возрастает на значение
фототока. Основными параметрами Ф. являют-
ся: спектральная чувствительность (отноше-
ние фототока к потоку падающего монохрома-
тического излучения, которое составляет
0.5... 1.0 A/Вт), темновой ток (не превышает
10"9А), время установления фототока (достига-
ет 10-1Ос). Ф. применяют в оптоэлектронике, в
устройствах автоматики, вычислительной и из-
мерительной техники.
29.10. ТИРИСТОР — полупроводнико-
вый прибор с двумя устойчивыми состояния-
ми, который имеет три или более электронно-
дырочных перехода и может переключаться
из закрытого состояния в открытое и наобо-
рот. Т. — это ключ, предназначенный для от-
носительно быстрого замыкания и размыка-
ния цепи нагрузки под воздействием кратко-
временного внешнего сигнала.
Диодный тиристор (динистор) имеет два
вывода. Переключение из закрытого состояния
в открытое достигается увеличением напряже-
ния на приборе, а из открытого в закрытое —
уменьшением напряжения, разрывом цепи пи-
тания, изменением полярности источника. Д. т.
составляют малую часть тиристоров.
Триодный тиристор (тринистор) имеет
три вывода: два основных и один управляющий.
Основой Т. т. является структура рх-пх-р2-п2.
Слои рх и п2 снабжены омическими контактами,
образующими анодный и катодный выводы, а
третий омический контакт, соединенный с базой
пх или р2, является управляющим электродом.
ВАХ Т. т., как и Д. т., имеет S-образный вид. При
подаче на анод положительного потенциала от-
носительно катода электронно-дырочный пе-
реход пх-р2 смещается в обратном направлении
и на нем падает практически все напряжение.
При этом в анодной цепи Т. т. течет малый ток,
поскольку сопротивление перехода большое и
прибор находится в режиме прямого запира-
ния. При увеличении напряжения на приборе
до значения, близкого к напряжению лавинно-
го пробоя перехода пх-р2, но несколько меньше
его, Т. т. скачком переходит в открытое состоя-
ние — режим прямой проводимости. В Т. т ус-
танавливается ток, определяемый практически
напряжением источника и сопротивлением на-
грузки в анодной цепи. Падение напряжения
на открытом Т. т. составляет 1.. .2 В.
В большинстве случаев стараются избегать
включения Т. т., когда ток в цепи управления
равен нулю, поскольку это снижает надеж-
ность прибора. Включение Т. т. осуществляют
в цепи управления. Т. т., у которого управляю-
щий электрод соединен с p-областью, ближай-
шей к катоду, и который переводится в откры-
тое состояние подачей на управляющий вывод
положительного относительно катода сигнала,
называют Т. т. с инжекционным управляющим
переходом p-типа. Существуют также Т. т. с
инжекционным управляющим переходом п-ти-
па. С увеличением тока в цепи управления
уменьшается напряжение переключения Т. т.
из закрытого состояния в открытое. КПД Т. т.
достигает 99%, коммутируемые токи лежат в
пределах от десятков миллиампер до десятков
килоампер, напряжение — от десятков вольт
до десятков киловольт, время включения — от
десятых долей микросекунды до десятков ми-
кросекунд, время выключения — от единиц до
сотен микросекунд. В зависимости от назначе-
ния и принципа действия Т. т. делят на запира-
емые (выключаемые по цепи управляющего
электрода), симметричные, импульсные, быст-
родействующие и др. Т. т. применяют в регули-
руемых источниках питания, генераторах мощ-
ных импульсов, системах автоматического уп-
равления и других устройствах.
Глава 29 ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
839
29.10. ТИРИСТОР
Фототиристор — Т., в котором использу-
ется фотоэлектронный эффект. Включение Ф.
осуществляют воздействием светового потока.
29.11. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИ-
ЕМНИК ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ —
устройство непосредственно преобразующее
электромагнитную энергию оптического диа-
пазона в электрическую. К Ф. п. о. и. относят
фотоэлектронные умножители, фоторезисто-
ры, фотодиоды, фототранзисторы, электронно-
оптические преобразователи и т.д.
29.12. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭФ-
ФЕКТЫ — явления, происходящие в веществе
под воздействием электромагнитного поля. К
Ф. э. относят фотоэлектронную эмиссию
(внешний фотоэффект), изменение электро-
проводности и возникновение ЭДС в полупро-
водниках и диэлектриках (внутренний фото-
эффект). Возникновение фото-ЭДС между
электродами освещенного кристаллического
полупроводника, обусловленное пространст-
венным разделением пар носителей зарядов,
называют фотовольтаическим эффектом. В
зависимости от механизма разделения фото-
вольтаический эффект носит название эффек-
та Дембера (разделение связано с различием
коэффициентов диффузии электронов и ды-
рок), фотопьезоэлектрического эффекта (раз-
деление связано с анизотропией электропро-
водности), вентильного эффекта (разделение
происходит под воздействием поля электричес-
кого перехода). Ф. Э. используют в фотоэлект-
рических приемниках оптического излучения.
29.13. ФОТОЭЛЕКТРОННЫЙ УМНО-
ЖИТЕЛЬ — ЭВП, преобразующий энергию
оптического излучения в электрическую бла-
годаря усилению тока фотоэлектронной эмис-
сии с помощью вторичной электронной эмис-
сии; предназначен для регистрации слабых
световых потоков. Ф. у. включает: фотокатод,
эмигрирующий электроны под воздействием
излучения; электронно-оптическую систему
входа, где электроны фокусируются и собира-
ются; динодную умножительную систему, в
которой электроны умножаются в результате
вторичной электронной эмиссии; анод — кол-
лектор вторичных электронов. Основными па-
раметрами Ф. у. являются: световая анодная
чувствительность (отношение анодного фото-
тока к световому потоку), составляет 1...104
А/лм; темновой ток (ток в анодной цепи в от-
сутствие светового потока), не превышает
10-9... 10-1оА; спектральная чувствительность
(определяется обычно в диапазоне длин волн
100... 1200 нм). Ф. у. применяют в ядерной фи-
зике, астрономии, ТВ и лазерной технике.
29.14. ШУМЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИ-
БОРОВ — случайные (в большинстве случаев
нежелательные) колебания (флуктуации) токов,
напряжений, напряженностей ЭМП, вызван-
ные различными физическими явлениями и от-
личающиеся сложной временной и спектраль-
ной структурами. Указанные Ш. э. п. относят к
электрическим шумам. Они сопровождают
процессы генерации, усиления и преобразова-
ния полезных сигналов и ограничивают мини-
мальное значение полезного сигнала, которое
можно обнаружить, усилить или измерить.
Электронные приборы при оценке шумов
рассматривают как линейные двух- и четырех-
полюсники. К шумовым параметрам двухпо-
люсников относятся: шумовая температура Тш
(см. ст. 17.32); относительная шумовая темпе-
ратура /ш — отношение мощности шума при-
бора к мощности шума согласованной нагруз-
ки при стандартной комнатной температуре То
(tlu = Гш/Го); эквивалентное шумовое сопротив-
ление Rlu и шумовая проводимость Сш — ак-
тивное сопротивление и проводимость, кото-
рые при стандартной температуре То имеют та-
кую же ЭДС шумов и шумовой ток, как и ре-
альный прибор на частоте f Шумовые свойст-
ва линейного четырехполюсника также оцени-
вают параметрами Тш, /ш, Rlu, Сш, но наиболее
часто коэффициентом шума Ш (см. ст. 17.32).
Значения шумовых параметров приборов раз-
личных типов — см. ст. 29.1, 29.7, 29.9.
Важное значение в радиотехнике имеют
собственные флуктуационные шумы, возни-
кающие в самом электронном приборе. Рас-
пространенными видами Ш. э. п. являются
тепловой, генерационно-рекомбинационный,
дробовой, низкочастотный (фликкерный, из-
быточный, l/y-шум), а также шумы токорас-
пределения, лавинного умножения, вторич-
ной эмиссии и др.
Генерационно-рекомбинационный шум
электронного прибора — флуктуации тока,
проходящего через полупроводниковый при-
бор, обусловленные статистическим характе-
ром процессов генерации и рекомбинации в
примесных полупроводниках. Когда свобод-
ный носитель заряда (электрон или дырка) за-
хватывается глубоким энергетическим уров-
нем (уровнем ловушки) в запрещенной зоне и
остается там некоторое время связанным, во
внешней цепи при исчезновении носителя воз-
никает элементарный импульс тока. Совокуп-
840
РАДИОТЕХНИКА
29.15. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПЕРЕХОД
ность таких импульсов создает ток рекомбина-
ции. При генерации свободного носителя
уровнем ловушки во внешней цепи также воз-
никает элементарный импульс тока, но проти-
воположной полярности. Сумма этих импуль-
сов создает ток генерации, который имеет
флуктуационную составляющую. На ВЧ мощ-
ность Г.-р. ш. э. п. составляет примерно 2/3
мощности дробового шума.
Дробовой шум электронного прибора —
флуктуации тока, связанные со статистичес-
ким характером процесса преодоления по-
движными носителями заряда потенциального
барьера. В полупроводниковых приборах барь-
ер возникает в электрических переходах, в эле-
ктронных лампах он образуется на границе ка-
тод—вакуум. В одинаковые промежутки вре-
мени число носителей заряда, преодолевших
барьер, оказывается различным, что обуслов-
лено случайным распределением скоростей,
энергий, моментов начала движения частиц и
приводит к флуктуации тока, проходящего че-
рез электронный прибор. Дробовой шум явля-
ется важнейшей составляющей шумов элек-
тронного прибора. Среднеквадратическое зна-
чение шумового тока, обусловленного дробо-
вым эффектом, определяется выражением:
/2Д ш = 2е/_ Af, где е — заряд электрона; 1_ —
постоянная составляющая тока; \f— полоса
частот.
Низкочастотный шум электронного
прибора — сравнительно медленные флуктуа-
ции тока, проходящего через прибор, обуслов-
ленные случайными изменениями физико-хи-
мического состояния отдельных областей -мате-
риалов электронного прибора. Этот шум на-
блюдается у всех электронных приборов. До
частот 105... 106 Гц он на один-два порядка пре-
вышает другие шумы (избыточный шум), а его
интенсивность уменьшается обратно пропор-
ционально частоте (1//Чпум) по закону A lf\ где
А — некоторая константа; а = 0.8... 1.4. В по-
лупроводниковых приборах НЧ шум определя-
ется случайным характером процессов генера-
ции и рекомбинации в поверхностных слоях и
спонтанной флуктуацией сопротивления по-
верхностной пленки.
Тепловой шум электронного прибора —
флуктуации напряжения на зажимах проводя-
щего двухполюсника, вызванные тепловым
движением свободных носителей заряда (см.
ст. 17.32). Основными способами снижения та-
ких шумов являются уменьшение активных
потерь прибора и его охлаждение.
Шум вторичной эмиссии электронного
прибора — флуктуации анодного тока, обус-
ловленные изменением числа вторичных элек-
тронов, выбиваемых из анода или других элек-
тродов ЭВП в определенный промежуток вре-
мени.
Шум лавинного умножения электронно-
го прибора —флуктуации тока, проходящего
через электронный прибор, обусловленные
статистическим разбросом числа подвижных
носителей заряда, возникающим при иониза-
ции атомов из-за статистического разброса
длины свободного пробега носителей заряда
между столкновениями.
Шум токораспределения электронного
прибора — флуктуации тока, связанные со
статистическим характером процесса распре-
деления носителей между электродами прибо-
ра. В многоэлектродных лампах флуктуации
анодного тока вызывает случайное распреде-
ление потока электронов между сетками и ано-
дом вследствие флуктуации поперечной со-
ставляющей скорости электронов.
29.15. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПЕРЕХОД —
переходный слой в полупроводниковом мате-
риале между двумя областями с различными
типами электропроводности или различными
значениями удельной проводимости. При ус-
ловии термодинамического равновесия в пере-
ходном слое появляется контактная разность
потенциалов, численно равная разности работ
выхода контактирующих тел, отнесенной к за-
ряду электрона. Э. п. возникают между двумя
полупроводниками, полупроводником и метал-
лом, полупроводником и диэлектриком, полу-
проводником и сверхпроводником. К Э. п. от-
носят также структуру металл—диэлектрик—
полупроводник (МДП).
Гетеропереход — Э. п., образованный кон-
тактом полупроводников с разной шириной за-
прещенных зон. Полупроводники должны
иметь кристаллические решетки, близкие по
типу ориентации и периоду. Например, Г. обра-
зуют контакты Ge-Si, AlGaAs-GaAs,
InGaAs-InP и др. Комбинируя различные Г.,
создают гетероструктуры. Основной способ
создания Г. — эпитаксия (см. ст. 10.10). Наибо-
лее распространенным является р-п Г., возни-
кающий при контакте двух полупроводников с
различной шириной запрещенных зон. Энерге-
тическая диаграмма такого Г. на границе разде-
ла имеет скачки в зоне проводимости и валент-
ной зоне, вследствие чего высота потенциаль-
ного барьера для электронов и дырок оказыва-
Глава 29. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
841
29.15. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПЕРЕХОД
ется различной. Эта особенность Г. обеспечи-
вает практически одностороннюю инжекцию
носителей заряда, в отличие от р-и-гомопере-
ходов, где односторонность инжекции дости-
гается разностью концентраций примесей в р-
и и-слоях. Г. применяют в диодах, БТ, ПТ и
других полупроводниковых приборах.
Изотипный переход — Э. п. между двумя
областями полупроводника одного типа, но с
различными значениями удельной проводимо-
сти. Различают электронно-электронные п+-п и
дырочно-дырочные р+-р переходы. Индекс «+»
обозначает область с более высокой концент-
рацией примесей. Характерной особенностью
И. п. является практическое отсутствие вы-
прямляющей способности, они имеют близ-
кую к линейной ВАХ. И. п. используют для
улучшения свойств омических контактов.
Контакт металл—полупроводник — Э. п.,
возникающий в области контакта металла и
полупроводника. Различают выпрямляющий
(контакт Шоттки) и невыпрямляющий (омиче-
ский) К. м.—п., что определяется разностью
работ выхода контактирующих тел и типом
электропроводности полупроводника.
Если в равновесном состоянии в переходе,
расположенном в полупроводнике, концентра-
ция основных носителей заряда ниже, чем в
остальном объеме полупроводника, то это вы-
прямляющий контакт. Удельное сопротивле-
ние перехода определяет сопротивление всей
системы. В зависимости от полярности прило-
женного внешнего напряжения изменяются
высота потенциального барьера (барьера
Шоттки) и сопротивление этого слоя. ВАХ
контакта Шоттки при прямом включении име-
ет экспоненциальный вид. Такие контакты ис-
пользуют в выпрямительных, ВЧ, импульсных,
СВЧ, фото- и других диодах, БТ, ПТ
Если в равновесном состоянии концент-
рация основных носителей заряда в переходе
выше, чем в остальном объеме полупровод-
ника, то это омический контакт. При любой
полярности внешнего напряжения сопротив-
ление перехода меньше, чем остальной части
полупроводника, и не определяет сопротив-
ление всей системы. Такие контакты приме-
няют для создания выводов от полупроводни-
ковых областей.
Металл—диэлектрик—полупроводник
структура — последовательное объединение
областей металла, диэлектрика, полупроводни-
ка в единой структуре. Наиболее распростра-
ненными являются структуры на подложках из
монокристаллического кремния, где в качестве
диэлектрика используется его двуокись (SiO2)
толщиной 0.03...0.2 мкм (МОП-структура).
Концентрация свободных носителей заряда в
поверхностном слое полупроводника на грани-
це с диэлектриком и удельное сопротивление
этого слоя изменяются под воздействием
внешнего электрического поля, направленного
по нормали к границе раздела. В зависимости
от направления и напряженности электричес-
кого поля различают режимы обогащения,
обеднения и инверсии (изменения типа элект-
ропроводности) поверхностного слоя полупро-
водника. Для подложки p-типа, например, с
концентрацией акцепторных (см. ст. 29.8) при-
месей 7Va, в режиме обогащения поверхностная
концентрация дырок рпов > 7Va, в режиме обед-
нения рпов < Аа, а в режиме инверсии поверхно-
стная концентрация электронов ипов > Na. На
реализацию режимов обогащения, обеднения,
инверсии сильно влияют значение и знак по-
верхностного заряда, возникающего на грани-
це диэлектрик—полупроводник и состоящего
из заряда поверхностных ловушек полупро-
водника и заряда ионов двуокиси кремния.
МДП-структуры используют в МДП ПТ, ИС и
других полупроводниковых приборах.
Электронно-дырочный переход (р-п пе-
реход) — Э. п. между двумя областями полу-
проводника, одна из которых имеет электро-
проводность и-типа, а другая — р-типа. При
контакте полупроводников через границу раз-
дела происходит диффузия — проникновение
электронов и дырок в области с меньшей кон-
центрацией. По обе стороны вблизи границы
раздела возникают слои, обедненные подвиж-
ными носителями заряда (ПИЗ), в которых ос-
таются одинаковые по значению, но противо-
положные по знаку некомпенсированные про-
странственные заряды, образованные непо-
движными ионами примесей: вр-слое — отри-
цательный заряд ионов акцепторов, а в и-слое
— положительный заряд ионов доноров. Кон-
тактное поле двойного электрического слоя
пространственных зарядов (обедненного слоя)
создает потенциальный барьер для диффузии
основных ПИЗ через переход. Под действием
этого электрического поля возникает дрейф не-
основных носителей заряда через переход. В
отсутствие внешнего электрического поля
диффузионный ток, обусловленный диффузи-
ей основных носителей заряда, равен дрейфо-
вому и противоположен по направлению. Пол-
ный ток через Э.-д. п. равен нулю.
842
РАДИОТЕХНИКА
29.16. ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАМПА
При прямом включении перехода, когда
внешнее электрическое поле направлено про-
тив контактного, а положительный потенциал
приложен к p-области, потенциальный барьер
снижается, при этом возрастает число ПНЗ,
преодолевших барьер и перешедших в сосед-
нюю область. Происходит инжекция дырок в
«-область, а электронов — в p-область. Пере-
ход насыщается ПНЗ, сопротивление его
уменьшается. Через Э.-д. п. проходит диффу-
зионный ток, который при увеличении прямо-
го напряжения экспоненциально возрастает.
При обратном включении перехода, когда
внешнее электрическое поле совпадает по на-
правлению с контактным и положительный по-
тенциал приложен к «-области, потенциаль-
ный барьер увеличивается. Дырки p-области и
электроны «-области оттесняются от границы
раздела, переход (обедненный слой) расширя-
ется и его сопротивление возрастает. Через пе-
реход проходит дрейфовый ток, созданный не-
основными носителями, возникающими вслед-
ствие тепловой генерации в слоях пир вблизи
перехода, а также генерации электронов и ды-
рок в обедненном слое. При обратном включе-
нии через Э.-д. п. течет малый ток (его называ-
ют током насыщения), он намного меньше тока,
протекающего при прямом включении перехо-
да. ВАХ Э.-д. п. оказывается существенно нели-
нейной, что используется в выпрямительных,
детекторных, смесительных и других диодах,
БТ. Аналитическое выражение ВАХ Э.-д. п.
имеет вид:
I=Io(expeU/kT- 1),
где /о — обратный ток насыщения перехода;
е — заряд электрона; U — напряжение, прило-
женное к переходу; к — постоянная Больцмана;
Т — абсолютная температура перехода.
29.16. ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАМПА — ЭВП,
действие которого основано на управлении дви-
жущимся в вакууме потоком электронов с помо-
щью электрического поля, сформированного
системой электродов. Э. л. предназначены для
усиления, генерирования, модуляции, преобра-
зования, детектирования, выпрямления элект-
рических колебаний на частотах до нескольких
гигагерц. В зависимости от числа электродов их
делят на диоды, триоды, тетроды, пентоды и др.
В зависимости от уровня выходной мощности
Э. л. делят на приемно-усилительные (выходная
мощность не превышает 10...20 Вт) и генера-
торные (выходная мощность от 10 Вт до не-
скольких мегаватт). Применение приемно-уси-
лительных Э. л. с развитием полупроводнико-
вой электроники резко сократилось, но они еще
используются в РЭА, работающей при повы-
шенных радиации и температуре. Сейчас ос-
новное применение находят генераторные лам-
пы, используемые в мощных усилителях, гене-
раторах, модуляторах, электротехнических и
энергетических высоковольтных устройствах.
Генераторная лампа предназначена для
генерирования и (или) усиления, а также умно-
жения частоты ВЧ колебаний. Г. л. характери-
зуются большой мощностью рассеяния на ано-
де и сетках, высокими коэффициентом усиле-
ния мощности и КПД, «правыми» (т.е. сдвину-
тыми в сторону положительных напряжений
управляющей сетки) анодно-сеточными харак-
теристиками. Г. л. применяют на частотах до
10 ГГц в непрерывном или импульсном режи-
ме работы. В качестве Г. л. используют триоды,
тетроды и пентоды. Наиболее распространен-
ной Г. л. для частот до 1 ГГц является металло-
керамический лучевой тетрод, на частотах
свыше 1 ГГц применяют триоды.
Диод электровакуумный — Э. л. с двумя
электродами: катодом (источником электро-
нов) и анодом (коллектором электронов). Име-
ет одностороннюю проводимость: высокую
для тока прямого и низкую для тока обратного
направлений. Д. э., предназначенные для вы-
прямления переменного тока, называются ке-
нотронами. Основными параметрами кено-
тронов являются: максимальная амплитуда об-
ратного напряжения; наибольший выпрямлен-
ный ток; наибольшая мощность, продолжи-
тельно рассеиваемая анодом. Основное приме-
нение Д. э. находят в высоковольтных выпря-
мителях, мощных электротехнических и энер-
гетических устройствах. Использование Д. э.
как преобразователей ВЧ и СВЧ колебаний
значительно сократилось с развитием полу-
проводниковой электроники.
Комбинированная лампа имеет в одном
баллоне две или более группы электродов и
один или несколько общих электродов. Приме-
нение К. л. (двойных диодов, триодов и тетро-
дов, а также диод-триодов, диод-пентодов,
триод-гексодов и др.) дает возможность упрос-
тить электрические цепи и улучшить характе-
ристики устройств.
Многоэлектродная лампа характеризует-
ся общим электронным потоком, имеет катод,
анод и несколько сеток. К М. л. относят тетро-
ды, пентоды и другие Э. л.
Глава 29. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
843
29.16. ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАМПА
Тетрод — четырехэлектродная Э. л.,
имеющая анод, катод, управляющую и экра-
нирующую сетки. Благодаря наличию по-
следней у тетрода проходная емкость (ем-
кость управляющий электрод — анод) в не-
сколько раз меньше, а коэффициент усиле-
ния в несколько десятков раз больше, чем у
триода. Как приемно-усилительные лампы
тетроды не нашли широкого распростране-
ния из-за динатронного эффекта (перехода
электронов вторичной эмиссии с анода на эк-
ранирующую сетку, когда напряжение на
аноде меньше напряжения экранирующей
сетки) и были заменены лучевыми тетрода-
ми или пентодами. В лучевых тетродах, бла-
годаря формированию плотных потоков пер-
вичных электронов в виде лучей, динатрон-
ный эффект проявляется слабо. Наиболее
распространенной генераторной лампой до
частоты 1 ГГц является лучевой тетрод.
Пентод — пятиэлектродная Э. л., имеющая
анод, катод, управляющую и две дополнитель-
ные сетки — экранирующую и антидинатрон-
ную. Последнюю соединяют с катодом или на
нее подают потенциал, близкий к катодному.
Вблизи анода создается тормозящее для вто-
ричных электронов электрическое поле, чем
подавляется динатронный эффект. Пентоды
применяют для усиления напряжения сигналь-
ной частоты и ПЧ, мощности НЧ, генерирова-
ния и модуляции электрических колебаний на
частотах до нескольких десятков мегагерц.
Модуляторная лампа предназначена для
усиления НЧ колебаний и коммутации энергии
в импульсных модуляторах. М. л. работают в
непрерывном или импульсном режиме. В не-
прерывном режиме используют модуляторные
триоды с «левыми» (сдвинутыми в сторону от-
рицательных напряжений управляющей сетки)
анодно-сеточными характеристиками и малым
(до 20) коэффициентом усиления. Импульсные
М. л. (как правило, лучевые тетроды) применя-
ют преимущественно в модуляторах радиоло-
кационных передатчиков для подачи импуль-
сов высокого напряжения на СВЧ генератор. В
открытом состоянии импульсная М. л. должна
обеспечивать необходимый анодный ток при
возможно меньшем анодном напряжении, а в
закрытом — выдерживать без искрений высо-
кое напряжение между анодом и катодом. Им-
пульсные М. л. работают при анодных напря-
жениях до 35 кВ с токами в импульсе до
100... 150 А и коммутируют импульсную мощ-
ность до нескольких мегаватт.
Триод — трехэлектродная Э. л., имеющая
анод, катод и управляющий электрод в виде
сетки. На анод подают положительный, а на
управляющую сетку как положительный, так и
отрицательный потенциалы относительно ка-
тода. Изменение потенциала сетки приводит к
изменению анодного тока, поскольку электри-
ческое поле у поверхности катода для эмитти-
рованных электронов может изменяться от тор-
мозящего до ускоряющего. Триоды используют
на частотах до 10 ГГц в качестве мощных уси-
лителей и генераторов в передающих устройст-
вах и промышленном оборудовании. Мало-
мощные триоды применяют в РЭА, работаю-
щей при повышенных температуре и радиации.
Частотопреобразовательная лампа —
многоэлектродная Э. л., предназначенная для
преобразования частоты ВЧ колебаний в коле-
бания более низкой ПЧ посредством смешения
их с колебаниями частоты гетеродина. К Ч. л.
относят гексоды, гептоды, октоды, комбиниро-
ванные лампы (триод-гексоды и др.). Ч. л. име-
ют две управляющие сетки, на которые подают
сигнальные и гетеродинные колебания, в ре-
зультате чего возникают составляющие анод-
ного тока с комбинационными частотами. Ч. л.
применяют в супергетеродинных приемниках
(см. ст. 17.15).
Широкополосная лампа — приемно-уси-
лительная Э. л., предназначенная для усиления
электрических сигналов с широким спектром
частот (до десятков мегагерц). Усиление в ши-
рокой полосе обеспечивают Э. л. с высоким
значением крутизны анодно-сеточной характе-
ристики и малыми входными и выходными
междуэлектродными емкостями. Крутизна ха-
рактеристики Ш. л. достигает нескольких де-
сятков миллиампер на вольт. Ш. л. используют
в устройствах радиолокации, ТВ, радиорелей-
ной связи и др.
29.17. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПРИ-
БОР — ЭВП, действие которого основано на
формировании одного или более электронных
пучков или лучей и управлении их интенсив-
ностью и положением. Формирование элек-
тронного луча и управление его интенсивнос-
тью осуществляется электронным прожекто-
ром, а изменение его положения на экране (ми-
шени) обеспечивается отклоняющей системой.
ЭЛП делят на приемные, передающие, преоб-
разователи электрических сигналов. Высокое
быстродействие и эффективность преобразо-
вания энергии, большая информационная ем-
кость обусловили широкое применение ЭЛП в
844
РАДИОТЕХНИКА
29.18. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПРИБОР ПЕРЕДАЮЩИЙ
ТВ, радиолокации, вычислительной технике,
системах отображения информации и других
устройствах.
29.18. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПРИ-
БОР ПЕРЕДАЮЩИЙ — ЭВП, предназна-
ченный для преобразования светового изобра-
жения в телевизионный видеосигнал. Дейст-
вие Э.-л. п. п. основывается на фотоэффекте и
состоит, как правило, в создании потенциаль-
ного рельефа на мишени в соответствии с пе-
редающимся световым изображением и ком-
мутации элементов этой мишени электронным
лучом. В зависимости от способа накопления
световой энергии в виде зарядов элементов ми-
шени различают Э.-л. п. п. с вторично-эмисси-
онным накопителем и с фотопроводящим (или
фотодиодным) накопителем.
Электронно-лучевой прибор передаю-
щим с вторично-эмиссионным накопителем
преобразует оптическое изображение в видео-
сигнал с помощью внешнего фотоэффекта (см.
ст. 29.12). К таким приборам относятся супер-
ортиконы. В них оптическое изображение про-
ецируется на фотокатод — полупрозрачную
полупроводниковую пленку, нанесенную на
внутреннюю торцевую поверхность стеклян-
ной оболочки прибора; там оно преобразуется
благодаря внешнему фотоэффекту в электрон-
ное изображение. Последнее с помощью сис-
темы ускоряющих электродов и фокусирую-
щей катушки, создающей однородное продоль-
ное магнитное поле, переносится на двухсто-
роннюю полупроводниковую мишень (вторич-
но-эмиссионный накопитель). На мишени воз-
никает потенциальный рельеф, соответствую-
щий распределению освещенности объекта,
поскольку число выбитых из элемента мишени
вторичных электронов пропорционально осве-
щенности соответствующей области изобра-
жения. Считывание потенциального рельефа
производится электронным лучом, перемеща-
ющимся по линиям со второй стороны мише-
ни. Часть электронов луча отражается и рассе-
ивается мишенью, создавая обратный луч, про-
модулированный потенциальным рельефом,
несущим сигнал изображения. Ток обратного
луча усиливается вторично-электронным ум-
ножителем в 103...104 раз. Выходной сигнал
снимается с коллекторной цепи умножителя.
Положительным качеством суперортикона яв-
ляется его высокая чувствительность. Разно-
видности суперортикона — изокон и антиизо-
кон, имеющие систему деления обратного эле-
ктронного луча, которая пропускает рассеян-
ные (изокон) или зеркально отраженные (анти-
изокон) электроны. Благодаря этому изокон
имеет более широкий динамический диапазон,
большую чувствительность, а антиизокон —
лучшие отношение С/Ш и контрастную чувст-
вительность, чем суперортикон. С развитием
цветного ТВ суперортиконы практически вы-
теснены видиконами.
Электронно-лучевой прибор передаю-
щий с фотодиодным накопителем преобра-
зует оптическое изображение в видеосигнал с
помощью внутреннего фотоэффекта (см. ст.
29.12). К таким приборам относятся видико-
ны. На фотопроводящую мишень, состоящую
из прозрачной проводящей пленки — сигналь-
ной пластины, нанесенной на внутреннюю
торцевую поверхность колбы и покрытой фо-
топроводящим слоем, проецируется оптичес-
кое изображение. При сканировании мишени
на протяжении длительности кадра тонким
электронным лучом диаметром 15...30 мкм с
током до единиц микроампер на поверхности
мишени образуется потенциальный рельеф.
Элемент мишени, равный площади сечения
пучка, в момент коммутации заряжается элек-
тронным лучом. В остальное время, до следу-
ющего прихода луча, элемент мишени разря-
жается. Чем больше освещенность, тем выше
фотопроводимость элемента и тем быстрее
происходит его разряд. В кадре каждый эле-
мент мишени заряжается в соответствии с его
освещенностью. При последующем сканиро-
вании электронным лучом мишени с потенци-
альным рельефом происходит перезаряд эле-
ментов мишени и в цепи сигнальной пласти-
ны проходит ток, значение которого однознач-
но связано с распределением освещенности
на поверхности мишени. К классу видиконов
принадлежат Э.-л. п. п. с фотодиодной мише-
нью, состоящей из последовательно нанесен-
ных на сигнальную пластину слоев полупро-
водника с электронной, собственной и дыроч-
ной проводимостями, которые образуют
структуру p-i-n. Время разряда элемента ми-
шени определяется свойствами p-i-n структу-
ры, обеспечивающими разделение световых
носителей и в связи с этим безынерционность,
линейность световой характеристики, высо-
кую чувствительность прибора. В зависимос-
ти от типа фотодиодной мишени рассматрива-
емые приборы делятся на плюмбиконы, кад-
миконы, кремниконы, ньювиконы и др. Они
применяются в оборудовании промышленного
и научного ТВ. В передающих камерах цвет-
Глава 29. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
845
29.18. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПРИБОР ПЕРЕДАЮЩИЙ
ного ТВ используют плюмбиконы, а в быто-
вых — ньювиконы. По сравнению с суперор-
тиконами видиконы имеют более простые
строение и настройку, лучшие фотоэлектриче-
ские и массогабаритные характеристики.
29.19. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПРИ-
БОР ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ предназна-
чен для преобразования последовательности
входных электрических сигналов в последова-
тельность выходных электрических сигналов,
необходимую для дальнейшей обработки. К
Э.-л. п. п. относят электронно-лучевые прибо-
ры памяти, способные запоминать электричес-
кий сигнал с последующим его многоразовым
воспроизведением. Представителями таких
приборов являются графеконы, преобразую-
щие одно изображение в другое (например, ра-
диолокационное в ТВ), вычитающие потенци-
алоскопы, предназначенные для сохранения
данных в вычислительных и информационных
системах и др.
29.20. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПРИ-
БОР ПРИЕМНЫЙ — ЭВП, в котором элек-
тронный луч, передвигающийся по экрану (ми-
шени) и вызывающий локальное свечение эк-
рана (изменение оптического свойства мишени
— светопропускание, отражение и др.), осуще-
ствляет преобразование последовательности
входных электрических сигналов в видимое
двухмерное изображение. К таким ЭВП принад-
лежат кинескопы, воспроизводящие ТВ сигна-
лы; индикаторные Э.-л. п. п., отображающие
данные в различных системах отображения ин-
формации; осциллографические Э.-л. п. п.,
отображающие электрические сигналы и про-
цессы в графической форме; светоклапанные
Э.-л. п. п., мишень которых играет роль свето-
вого клапана, пропускающего или не пропуска-
ющего световой поток от внешнего источника.
Кинескоп — приемный электронно-луче-
вой ЭВП для воспроизведения телевизионных
изображений. Различают К. черно-белого и
цветного ТВ. Устройство К. черно-белого ТВ
схематически изображено на Рис. 29.4, а.
В стеклянной колбе размещен электронный
прожектор (ЭП) 2, который формирует элек-
тронный луч, перемещающийся по люмино-
форному экрану 7 с помощью магнитного поля
отклоняющей системы 3. Слой люминофора по-
крыт тонкой пленкой алюминия 6, соединенной
с проводящим покрытием 5, нанесенным на
внутреннюю поверхность колбы, и со вторым
анодом 4 ЭП. Вывод второго анода осуществля-
ется через колбу, остальных электродов — через
цоколь 1. Алюминиевая пленка 6 толщиной
0.05...0.5 мкм прозрачна для электронов луча и
Рис. 29.4.
846
РАДИОТЕХНИКА
29.20. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПРИБОР ПРИЕМНЫЙ
обеспечивает отведение вторичных электронов
с экрана, усиливая яркость его свечения. Плен-
ка, как зеркало, отражает световое излучение
люминофора, повышая светоотдачу в 1.5 раза.
ЭП предназначен для формирования тонко-
го электронного луча диаметром в плоскости
экрана менее 0.5 мм с током несколько сот ми-
кроампер. Прожектор обеспечивает ускорение
электронов луча и управление током луча сиг-
налом изображения. В современных К. приме-
няют ЭП с электростатической фокусировкой:
электронный луч фокусируется с помощью
электростатических полей. Конструктивно ЭП
состоит из системы цилиндрических электро-
дов (Рис. 29.4, £), в которую входят: подогрева-
тель 1, термокатод 2, модулятор 3, первый ус-
коряющий электрод 4, второй ускоряющий
электрод 5, фокусирующий электрод (первый
анод) 6, второй анод 7. Фокусировка электрон-
ного луча осуществляется полями иммерсион-
ного объектива (термокатод 2, модулятор 3,
первый ускоряющий электрод 4) и главной
проекционной линзы (второй ускоряющий эле-
ктрод 5, фокусирующий электрод 6, второй
анод 7). Иммерсионный объектив собирает
эмиттируемые с термокатода электроны в пло-
скости своего фокуса в узкий пучок, сечение
которого называют кроссовером Кр. Оно зна-
чительно меньше поверхности катода, с кото-
рой собираются электроны. Кр является объек-
том для главной проекционной линзы, перено-
сящей его в плоскость экрана. Изменение тока
луча (для изменения яркости свечения экрана)
осуществляется изменением потенциала моду-
лятора UM по отношению к потенциалу катода,
UM = -(10.. .90) В. Потенциал первого ускоряю-
щего электрода лежит в пределах 200...800 В,
фокусирующего — до 500 В, второго ускоряю-
щего электрода и второго анода в пределах
12... 18 кВ. Для К. цветного ТВ потенциал вто-
рого анода составляет 25 кВ.
В К. цветного ТВ с помощью трех ЭП и
трех люминофорных групп формируются три
растра — красный, зеленый и синий. Попада-
ние каждого луча на соответствующий люми-
нофорный элемент обеспечивается с помощью
теневой маски, тонкой металлической пласти-
ны с отверстиями, расположенной на расстоя-
нии 12 мм от экрана. Различают дельта К., у
которых ЭП и люминофорные элементы разме-
щены в вершинах равностороннего треуголь-
ника, и планарные К. с расположением ЭП в
одной плоскости (на одной линии) и линейча-
тыми группами люминофоров. Мозаичный эк-
ран у дельта К образуют смежные триады эле-
ментов трех люминофоров, светящиеся крас-
ным, зеленым и синим цветами. Экран планар-
ного К. образуют узкие полосы красного, сине-
го и зеленого цветов, расположенные перпен-
дикулярно строкам ТВ изображения. Луч каж-
дого ЭП должен возбуждать свечение только
одного цвета при любом угле отклонения, для
этого все три луча должны пересекаться в точ-
ках, расположенных в плоскости теневой мас-
ки, т.е. в отверстиях теневой маски — это так
называемое сведение лучей. Отклонение всех
трех лучей по строкам осуществляется одно-
временно одной и той же магнитной системой.
По сравнению с черно-белым К. дельта К. со-
держит дополнительные внешние устройства:
системы сведения (статическую и динамичес-
кую) лучей, систему сведения «синего» луча,
магниты чистоты цвета. Дельта К. имеют су-
щественные недостатки: сложную систему
сведения лучей и малую прозрачность теневой
маски, которая задерживает более 80% тока
каждого луча.
В планарном К. ось «зеленого» прожектора
совпадает с осью К., а оси других ЭП наклоне-
ны к оси К. на 1.5°. Отверстия в теневой маске
выполнены в виде узких вертикальных щелей
с горизонтальными перемычками для механи-
ческой прочности. В планарном К. упрощен
механизм сведения лучей.
Растры, полученные от боковых «красно-
го» и «синего» лучей, совмещаются с цент-
ральным «зеленым» только в горизонтальном
направлении. Отсутствие необходимости све-
дения лучей в вертикальном направлении
улучшает чистоту цвета, повышает прозрач-
ность маски и, как следствие, яркость свечения
экрана. Существуют планарные К., у которых
нет устройств статического и динамического
сведения лучей. Динамическое самосведение
трех предварительно совмещенных в центре
экрана лучей обеспечивается автоматически
отклонением их в неравномерном магнитном
поле. Требуемое поле создается подбором фор-
мы и распределением плотности витков кату-
шек отклоняющей системы. В К. с самосведе-
нием лучей применяют прецизионно выпол-
ненный блок ЭП и фиксированную на горлови-
не отклоняющую систему, положение которой
тщательно юстируется для оптимизации чис-
тоты цвета и сведения лучей. В К. для цветно-
го ТВ токи электронных лучей модулируются
тремя видеосигналами, что соответствует трем
составляющим цветного изображения.
Глава 29 ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
847
ГЛАВА 29
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Гаркуша Ж.Н. Основы физики полупроводников. — М.: Высш, шк., 1982. — 2450 с.
2. Смит Р. Полупроводники. — М.: Мир, 1982. — 558 с.
3. Шалимова К.В. Физика полупроводников. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 391 с.
4. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984. — 455 с.
5. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Радио и связь,
1990.— 263 с.
6. Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. — М.: Физматгиз, 1963. —
494 с.
7. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов. — Л.: Энергоатомиздат,
1986. —246 с.
8. Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах. — М.: Мир, 1986. — 398 с.
9. Батушев В.А. Электронные приборы. — М.: Высш, шк., 1980. — 383 с.
10. Электронные приборы /Под ред. Г. Шишкина. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 495 с.
11. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. — М.: Высш, шк., 1987. —
479 с.
12. Жигарев А.А., Шамаева Г.Г. Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы. — М.:
Высш, шк., 1982. — 463 с.
13. Каганов И.Л. Ионные приборы. — М.: Энергия, 1972. — 526 с.
14. Яблонский Ф.М., Троицкий Ю.В. Средства отображения информации. — М.: Высш, шк.,
1985. —200 с.
15. Быстров Ю.А., Литвак И.И., Персианов Г.М. Электронные приборы отображения инфор-
мации. — М.: Радио и связь, 1985. — 240 с.
16. Электроника: Энцикл. словарь. — М.: Сов. энциклопедия, 1991. — 688 с.
848
РАДИОТЕХНИКА
ГПДВД 3D
ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ РЭС
• Мощность, которая потреблялась в странах
СНГ в 1995 г. лишь радиовещательными и
магнитофонными устройствами,
составляла около 10 ГВт,
что соответствует мощности
двух самых больших атомных
электростанций мира.
• Задачей любого радиотехнического
устройства, в конце концов, является
преобразование энергии питания
в энергию выходного сигнала.
• Источник питания космической
станции «Вояджер» (запущена в 1977 г.
для исследования внешних планет
Солнечной системы) — радиоизотопный
термоэлектронный генератор мощностью
400 Вт. До настоящего времени станция
поддерживает радиосвязь с Землей,
расчетное время работы — 30 лет.
• Батарея гальванических элементов
(А. Вольта, Италия, 1799 г.).
• Электрический свинцовый
кислотный аккумулятор
(Г. Планте, Франция, 1859 г.).
• Полупроводниковый выпрямитель
(Ф. Гейгер, Германия, 1924 г.).
• Солнечная батарея
(Д. Чаплин, К. Фуллер, Дж. Пирсон,
США, 1954 г.).
• Установка с непосредственным
преобразованием ядерной
энергии в электрическую
(М.Д. Миллионщиков, СССР, 1964 г.).
Электропитание — обеспечение РЭС эле-
ктрической энергией. Разнообразие РЭС, ши-
рокий диапазон значений мощности потребле-
ния, напряжения питания, различные требова-
ния к параметрам электроэнергии требуют та-
кого же разнообразия источников питания.
Первичные ИП превращают неэлектрические
виды энергии в электрическую. К ним принад-
лежат тепловые, атомные, гидроэлектростан-
ции. Электросеть является основным источни-
ком питания стационарных РЭС. В подвижных
и автономных системах, а также в труднодос-
тупных районах наиболее употребительным и
перспективным является преобразование сол-
нечной, ядерной, химической энергии в элект-
рическую с помощью соответствующих пер-
вичных преобразователей [1]. В большинстве
своем параметры электроэнергии первичных
источников питания не позволяют использо-
вать ее непосредственно, поэтому возникает
необходимость дальнейшего преобразования
энергии. Эти функции выполняют источники
вторичного электропитания [2], входящие в со-
став РЭС и определяющие в значительной ме-
ре их массогабаритные показатели, поскольку
тяжело поддаются миниатюризации.
Рекомендуемый порядок изучения статей:
30.3, 30.2, 30.8, 30.7; дальше изучать материал
можно в произвольном порядке.
30.1. АККУМУЛЯТОР — гальваничес-
кий элемент со свойством многоразового ис-
пользования благодаря восстановлению емкос-
ти путем заряда электрическим током. А. явля-
ется химическим источником тока (см. ст.
30.5). Разряд А. — процесс, во время которого
А. отдает электроэнергию во внешнюю цепь,
заряд А. — процесс преобразования электро-
энергии в химическую путем пропускания че-
рез А. электрического тока от внешнего источ-
ника в направлении, обратном разрядному то-
ку. Устройство А. аналогично устройству пер-
Глава 30. ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ РЭС
849
30.1. АККУМУЛЯТОР
вичного гальванического элемента (см. ст.
30.5). В кислотных А. электролитом служит
водный раствор серной кислоты, в щелочных
— раствор сильной щелочи (едкого калия или
натрия). А. классифицируют также по составу
активного вещества электродов. Широко при-
меняют щелочные никель-кадмиевые, никель-
железные, серебряно-цинковые и серебряно-
кадмиевые А. Электроды кислотных А. —
свинцовые. Во время заряда активное вещест-
во восстанавливается, а А. получает заряд,
близкий к начальному. Примером могут быть
реакции, протекающие в серебряно-цинковом
А. (здесь знак «+» под обозначением элемента
или окиси указывает на положительный элект-
род, а знак «-» — на отрицательный):
заряд
2Ag+ ZnO > Ag2O+ Zn .
+ _ < разряд +
Параметры А. — см. ст. 30.5. А. дополни-
тельно характеризуют числом циклов переза-
ряда, током и продолжительностью заряда,
коэффициентом отдачи (отношением количе-
ства электрической энергии, отданной А. при
полном разряде, к количеству, полученному
при заряде). Щелочные никель-кадмиевые А.
работают в широком интервале температур,
относительно дешевы и просты в эксплуата-
ции. Номинальное напряжение составляет
1.25 В. По удельным показателям (на единицу
массы и объема) значительно уступают сереб-
ряно-цинковым А. Для последних характер-
ными являются высокая стабильность напря-
жения (1.50... 1.51 В) на протяжении всего
цикла разряда, значительные токи разряда
(200...300 А). Высокая стоимость и зависи-
мость параметров от температуры ограничи-
вают их применение (в основном — это бор-
товая и прецизионная РЭА). Кислотные А. от-
носительно дешевые, работают в широком
интервале температур, но имеют низкие зна-
чения удельных параметров и малый ресурс.
Основное применение — электропитание
РЭА, расположенной на подвижных объектах.
Аккумуляторная батарея — электрически со-
единенные между собой А., оснащенные вы-
водами и расположенные, как правило, в од-
ном корпусе. Буферная батарея — батарея
А., включенная параллельно основному ис-
точнику постоянного тока для уменьшения
отклонения напряжения и тока в цепи потреб-
ления.
30.2. ВЫПРЯМИТЕЛЬ — устройство,
преобразующее переменный ток в ток одного
направления. Основными функциональными
узлами В. (Рис. 30.1) являются трансформатор
Т, выпрямительные элементы ВЭ и сглаживаю-
щий фильтр СФ (см. ст. 30.8). Выпрямитель-
ные элементы превращают переменное напря-
жение в пульсирующее, а фильтр уменьшает
амплитуду пульсаций до необходимого значе-
ния. При отсутствии требований к пульсациям
СФ может не применяться. Постоянная состав-
ляющая напряжения на выходе СФ является
выпрямленным напряжением Е, а переменная
составляющая — напряжением пульсации Un.
В регулируемых В. значение выходного тока
или напряжения можно устанавливать про-
граммно или вручную с помощью устройства
управления УУ. На постоянство напряжения Е
влияют изменения напряжения сети питания
Uс и нагрузки. Для уменьшения этого влияния
используют стабилизаторы (см. ст. 30.7, 32.5).
Выпрямительный блок — конструкторская ре-
ализация (сборка) выпрямителя.
Выпрямительный элемент — один или
несколько соединенных по определенной схе-
ме электронных приборов, имеющих однона-
правленную проводимость и предназначен-
ных для выпрямления переменного тока. Наи-
более часто применяют полупроводниковые
диоды и тиристоры, реже — транзисторы в
ключевом режиме, а в отдельных случаях —
вакуумные (кенотроны) и газоразрядные (иг-
нитроны, газотроны) электронные приборы
(см. ст. 29.16, 29.3). Полупроводниковые В. э.
могут иметь разное конструкторское исполне-
ние. Диодная сборка — конструктивно закон-
ченное устройство, содержащее несколько от-
дельных или соединенных между собой опре-
деленным образом полупроводниковых дио-
дов. Диодные сборки маломощных низко-
вольтных В. э. называют диодными матрица-
ми. Выпрямительный блок В. э. — сборка, в
которой полупроводниковые диоды соедине-
ны в мостовую одно- или трехфазную схему.
850
РАДИОТЕХНИКА
30.3. ИСТОЧНИК ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
довательно и выполненных в виде единой кон-
струкции с двумя выводами.
Параметры выпрямителя: номинальное
однополупериодную С. в. (Рис. 30.2, а) приме-
няют при малых токах и невысоких требовани-
ях к фильтрации выпрямленного напряжения.
значение и допуск выпрямленного напряже-
ния Е; номинальный ток нагрузки /н, пределы
отклонения и характер его изменения; номи-
нальное напряжение сети питания Uc; часто-
та fc и форма сетевого напряжения; напряже-
ние пульсаций Un или коэффициент пульса-
ции кп = Un/E\ частота пульсаций /п = mfc, где
т — параметр, зависящий от числа фаз и схе-
мы выпрямителя (Рис. 30.2); нестабильность
выпрямленного напряжения ДЕ или ДЕ/Е; вну-
треннее сопротивление = &Е/ЫН или нагру-
зочная характеристика Е = ф(/н); выходная
мощность Pq = Ely, КПД; мощность на едини-
цу массы или объема.
Схема выпрямителя зависит от его вы-
ходной мощности, вида нагрузки, типа сглажи-
вающего фильтра. В зависимости от числа фаз
входного напряжения различают одно- и мно-
гофазные С. в. С увеличением числа фаз пуль-
сации напряжения уменьшаются, частота их
увеличивается, фильтрация выпрямленного
напряжения улучшается. В однополупериодных
(двухполупериодных) С. в. ток через активную
нагрузку (без сглаживающего фильтра) проте-
кает в течение одного (двух) полупериодов на-
пряжения питания. Однополупериодные вы-
прямители имеют большее значение напряже-
Наличие постоянного подмагничивания ухуд-
шает параметры трансформатора. В однофаз-
ных двухполупериодных С. в. со средним вы-
водом трансформатора (Рис. 30.2, б) и в мос-
товой схеме Греца (Рис. 30.2, в) постоянное
подмагничивание отсутствует. В мостовой схе-
ме обратное напряжение на диодах меньше и
лучше используется трансформатор, но диодов
требуется вдвое больше. Трехфазная однопо-
лупериодная С. в. (Рис 30.2, г) по всем основ-
ным показателями уступает трехфазной мосто-
вой схеме Ларионова (Рис. 30.2, д), которая
широко применяется в выпрямителях средней
и большой мощности. Первичные обмотки
трансформатора питания могут быть соедине-
ны как звездой, так и треугольником. Если при
малых токах нагрузки нужно получить вы-
прямленное напряжение, значительно превы-
шающее входное, то используют С. в. с умно-
жением напряжения, примером которой явля-
ется схема удвоения напряжения — схема Ла-
тура (Рис. 30.2, е).
30.3. ИСТОЧНИК ВТОРИЧНОГО
ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ — устройство, обеспе-
чивающее вторичным электропитанием отдель-
ные приборы или части РЭА. И. в. э. превраща-
ет входную энергию источника энергоснабже-
Глава 30. ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ РЭС
851
30.3. ИСТОЧНИК ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
ния в электроэнергию нужного вида и качества.
Конструктивно автономный И. в. э. называют
блоком питания. В зависимости от значений
входных и выходных параметров И. в. э. подраз-
деляют на группы и категории (например, мик-
ромощные, малой, средней и большой мощнос-
ти; низко- и высоковольтные и т.п.). Устройства
управления, коммутации, защиты и контроля
обеспечивают определенный порядок включе-
ния и выключения, программное изменение и
контроль параметров, защиту РЭА и ИП в ава-
рийных ситуациях, при перенапряжениях, пере-
грузках в отдельных цепях и т.п.
30.4. ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ С БЕС-
ТРАНСФОРМАТОРНЫМ ВХОДОМ харак-
теризуется тем, что в нем отсутствует сетевой
трансформатор питания. В состав И. п. б. в.
(Рис. 30.3) входят каскадно соединенные сете-
вой выпрямитель В (см. ст. 30.2) и преобразо-
ватель напряжения ПН (см. ст. 30.6). Работа
трансформатора ПН на повышенных частотах
(по сравнению с частотой сети) позволяет су-
щественно улучшить массогабаритные показа-
тели ИП и фильтрацию выпрямленного напря-
жения, а импульсный режим работы ПН — зна-
чительно повысить КПД. И. п. б. в. широко ис-
пользуются как в специальной, так и в бытовой
РЭА. Недостатки И. п. б. в. — значительный
уровень создаваемых помех.
30.5. ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ПЕРВИЧ-
НЫЙ — устройство, преобразующее неэлект-
рическую энергию в электрическую. Основны-
ми показателями И. п. п. являются КПД и тех-
нологичность преобразования энергии. Воз-
можные способы прямого и косвенного полу-
чения электроэнергии и соответствующие им
преобразователи показаны на Рис. 30.4.
Батарея атомная (ядерная) — устройст-
во, непосредственно преобразующее энергию
радиоактивного распада вещества в электриче-
скую. Конструкция Б. а. (Рис. 30.5, а) состоит
из эмиттера 1, изготовленного из радиоактив-
ного вещества (топлива — 85Kr, 90Sr, 85Cm), яв-
ляющегося источником а- или Р-частиц, и кол-
лектора 2, который окружает эмиттер и заряжа-
ется этими частицами. Разрядный ток опреде-
ляется плотностью эмиссии и расстоянием
между электродами. Б. а. используют в качест-
ве малогабаритных маломощных источников
высокого напряжения (десятки киловольт) в
автономной и портативной РЭА.
Генератор магнитогидродинамический
— устройство, преобразующее тепловую
энергию в электрическую, принцип действия
которого основан на индуцировании ЭДС в
жидкостно-металлическом или газообразном
проводнике, движущемся в магнитном поле по
каналу, две стенки которого играют роль токо-
съемников. Для повышения электропроводно-
сти газов их нагревают до температуры
2000...3000 К и вводят присадки щелочных
металлов. Образованную таким образом плаз-
му разгоняют до почти звуковой скорости.
Г. м. являются энергоустановками большой
мощности (десятки мегаватт).
Генератор термоэлектрический — уст-
ройство, предназначенное для прямого преоб-
852
РАДИОТЕХНИКА
30.5. ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ПЕРВИЧНЫЙ
Рис. 30.5
разования тепловой энергии в электрическую.
Его действие основано на эффекте Зеебека (см.
ст 1.9). Электрическая цепь, состоящая из двух
последовательно включенных проводящих ма-
териалов А и В (Рис. 30.5, £), температура кон-
тактов (спаев) которых поддерживается различ-
ной, называется термоэлектрическим преобра-
зователем, или термоэлементом. Значение тер-
моЭДС определяется разностью температур
АГ = Тх - Т2 спаев: Е = аАВЬТ, где аАВ — коэф-
фициент термоЭДС Зеебека, зависящий от мате-
риалов А и В. ТермоЭДС металлов значительно
меньше, чем полупроводниковых материалов
на основе висмута, селена, теллура
(аЛд = 190.. .210 мкВ/K). Для повышения напря-
жения или мощности термоэлементы электри-
чески соединяют пластинами 2 в батареи (Рис.
30.5, в), которые совместно с системой теплооб-
мена образуют термоэлектрический генератор.
Источником тепла служат радиоизотопные, во-
до- и газонагревательные устройства, солнечная
энергия и т.п. Для подведения тепла Q и охлаж-
дения используют тепловые трубы 1 как охла-
дители — воздушные или водные теплообмен-
ники. КПД Г. т. достигает 15...20%, мощность
— сотен киловатт. Г. т. используют как автоном-
ные ИП с продолжительным периодом эксплуа-
тации в космической РЭА, метеостанциях, рет-
рансляторах и радиомаяках, расположенных в
труднодоступных районах.
Глава 30. ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ РЭС
853
30.5. ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ПЕРВИЧНЫЙ
Генератор электрический — см. ст. 32.3
Источник питания термоэмиссионный
(термоэлектронный) — устройство, непо-
средственно преобразующее тепловую энер-
гию в электрическую с использованием явле-
ния термоэлектронной эмиссии. Простейший
И. п. т. (Рис. 30.5, г) состоит из двух электро-
дов, расположенных в вакууме: термоэмисси-
онного катода 2, нагреваемого от внешних ис-
точников тепла 1 (ядерной, газонагреватель-
ной установок, гелиоустановки и т.п.) до тем-
пературы возникновения термоэмиссии, и
анода 3, который является коллектором элек-
тронов и охлаждается с помощью внешних
теплообменников 4 с радиатором 5. Расстоя-
ние между электродами таково, что часть эле-
ктронов, эмитированных катодом, достигает
анода и во внешней замкнутой цепи проходит
электрический ток, сила которого определяет-
ся эмиссионной способностью катода и его
температурой (1500...3000 К). Для компенса-
ции объемного пространственного заряда в
рабочее пространство вводят ионы цезия 6.
Основное применение И. п. т. — РЭА косми-
ческих аппаратов, автономные системы с ма-
лой (десятки ватт) мощностью потребления.
КЛД их достигает 20%.
Солнечная батарея — батарея электри-
чески соединенных между собой элементов,
непосредственно преобразующих энергию
солнечного излучения в электрическую. Сол-
нечный элемент — полупроводниковый фото-
электрический преобразователь на основе р-
и-перехода с внутренним фотоэффектом (см.
ст. 29.12). Самыми распространенными явля-
ются кремниевые фотопреобразователи, фото-
ЭДС которых составляет 0.55...0.59 В, фототок
— 0.14...0.15 А, КПД — 11...13%. Конструк-
тивно С. б. выполняют в виде плоских панелей
из солнечных элементов, покрытых прозрачны-
ми оптическими фильтрами. Это экологически
чистый ИП с высокой надежностью; макси-
мальное значение напряжения С. б. достигает
сотен вольт, мощность — сотен киловатт. С. б.
широко используют в автономных РТС, порта-
тивной РЭА, космических аппаратах.
Химический источник тока — устройст-
во, в котором энергия активных веществ пре-
вращается в электроэнергию во время электро-
химических реакций. Состоит из двух электро-
дов, расположенных в соответствующих элект-
ролитах (электролит — жидкое или твердое ве-
щество с ионной проводимостью, обеспечива-
ющее протекание окислительно-восстанови-
тельных реакций на поверхности электродов).
Активное вещество может входить в состав
как электродов, так и электролитов. X. и. т.
подразделяют на первичные и вторичные. В
первичных X. и. т. активное вещество во время
разряда расходуется и восстановлению не под-
лежит; вторичные X. и. т. (см. ст. 30.1) могут
многократно использоваться благодаря восста-
новлению во время заряда электрическим то-
ком. К X. и. т. относят гальванические элемен-
ты (ГЭ), а также топливные элементы.
Гальванический элемент — X. и. т, элект-
роды и электролит которого размещены в од-
ном сосуде. Принцип действия ГЭ основан на
использовании разности электрохимических
потенциалов электродов, изготовленных из раз-
личных материалов, каждый из которых распо-
ложен в соответствующем электролите. На од-
ном из электродов происходит восстановитель-
ная реакция типа М л+(водный раствор) +
+ пе~ —> М (твердое вещество), вследствие чего
ионы раствора Мп+ отбирают п электронов (е~)
у атомов электрода и переходят в атомарное М
(твердое) состояние. Этот электрод получает
положительный потенциал (р+, и его называют
катодом. На втором электроде, который назы-
вают анодом, протекает окислительная реак-
ция типа М (твердое вещество) —> Мл+(водный
раствор) + пе~, вследствие чего анод получает
отрицательный потенциал ф_ и растворяется в
электролите. Для предотвращения смешивания
электролитов между электродами размещают
ионопроницаемый сепаратор. Основные пара-
метры ГЭ: ЭДС Е = <р+ - <р_ (определяется мате-
риалом электродов и типом электролита); внут-
реннее сопротивление Е,; разрядное напряже-
ние Ер = Е - ТрЕ, при разряде током /р; емкость
С = 7р/р (определяется при разряде током /р на
протяжении времени /р); энергия W = ЕрС;
удельные емкость и энергия (на единицу массы
т и объема v) Cw, Cv, Wm, Wv и пр. Для увели-
чения Ер или /р ГЭ соединяют последовательно
или параллельно и размещают в общем корпу-
се. Такие устройства называют батареями.
Первичный ГЭ — это ГЭ, предназначен-
ный для разового непрерывного или прерыви-
стого разряда. Различают первичные ГЭ, гото-
вые к эксплуатации, и резервные ГЭ. Основ-
ные параметры первых определяются типом
электрохимической системы. Самыми распро-
страненными являются сухие марганцево-цин-
ковые элементы с водными растворами элект-
ролитов (Рис. 30.5, д). Так, в ГЭ с соляным
(NH4C1 + ZnCl2) электролитом 3 цинковый
854
РАДИОТЕХНИКА
30.6. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
анод 4 имеет форму стаканчика и является од-
новременно корпусом ГЭ; катод 2 — порошок
диоксида марганца, катодный вывод — уголь-
ный стержень 1. Такие ГЭ характеризуются от-
носительно низкими значениями параметров
(Wm = 30...60 Втч/кг; Wv = 60... 130 кВтч/м3),
существенным изменением Ер при разряде, ма-
лым сроком сохраняемости. Но это самые де-
шевые элементы с Ер = 1.5 В и они широко ис-
пользуются в бытовой РЭА, переносных изме-
рительных приборах. Несколько лучшие пока-
затели имеют первичные ГЭ со щелочным эле-
ктролитом и системой кислород воздуха —
цинк. Однако самыми лучшими удельными по-
казателями обладают первичные ГЭ с электро-
химической системой оксид ртути — цинк и
водным раствором щелочного электролита
(КОН): Wm = 90... 120 Втч/кг, Wv = 300...700
кВт ч/м3. Они обеспечивают высокую стабиль-
ность напряжения (Ер = 1.25 В ± 1%), большой
срок сохраняемости (до пяти лет), но имеют
более высокую стоимость и их параметры зна-
чительно ухудшаются при снижении темпера-
туры. Основное применение — портативная
РЭА, слуховые аппараты, вживляемые меди-
цинские устройства и стимуляторы. Первич-
ные ГЭ, в которых оксид ртути заменен окси-
дом серебра, имеют приблизительно такие же
характеристики, но работают в большем ин-
тервале температур (до -20°С). Рекордными
относительно ряда параметров являются лити-
евые ГЭ с неводными растворами электроли-
тов на основе органических соединений:
Wm< 500 Втч/кг; 1000 кВтч/м3, срок со-
храняемости — до 20 лет при 20°С (до двух
лет при 70°С); Ер = 2.5...3.5 В. Высокая стои-
мость и малый разрядный ток ограничивают
широкое применение этих ГЭ.
Топливный элемент — химический источ-
ник тока, в котором электроэнергия вырабаты-
вается во время электрохимических реакций
между активными веществами (топливом), не-
прерывно поступающими к электродам извне.
Простейший кислородно-водородный Т. э. (Рис.
30.5, ё) состоит из двух пористых угольных эле-
ктродов: анода 1 и катода 3, через которые про-
пускают топливо: кислород (окислитель) и во-
дород (восстановитель). Водный раствор щело-
чи 2 играет роль ионного проводника (электро-
лита). На развитой поверхности электродов
проходят реакции: 2Н2 + 4ОН —> 4Н2О + 4е“ —
на аноде и О2 + 2Н2О + 4е —> ОН- — на катоде.
Воду, выделяемую при этом, удаляют из элект-
ролита. Для ускорения прохождения реакций в
состав электродов вводят платиновый катализа-
тор. Т. э. соединяют в батареи, которые совмест-
но с устройствами, обеспечивающими их функ-
ционирование, образуют электрохимический
генератор. Такие генераторы широко использу-
ют как источники электроэнергии и воды в кос-
мических аппаратах. Мощность их достигает
десятков киловатт.
Резервный гальванический элемент — хи-
мический источник тока, предназначенный для
хранения в неактивированном состоянии. В
его состав входит устройство активации (при-
ведения в рабочее состояние). В вод о- и газоак-
тивированных элементах активация осуществ-
ляется подачей воды или газа, в тепловых —
расплавлением твердых кристаллов электроли-
та, подачей электролита из отдельных ампул
(ампульные резервные элементы). Основное
применение резервных ГЭ — ИП радиозондов,
управляемых снарядов, ракет и т.п.
30.6. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕ-
НИЯ — устройство, преобразующее постоян-
ное напряжение одного уровня в систему по-
стоянных напряжений других уровней. В об-
щем случае П. н. (Рис. 30.6, а) состоит из ин-
вертора И и одного или нескольких выпрямите-
лей В. Инвертор — преобразователь электро-
энергии, который преобразует ток одного на-
правления от ИП с напряжением Евх в систему
переменных токов /_ с частотой 20...200 кГц.
Выбор относительно высоких частот преобра-
зования дает возможность резко уменьшить га-
баритные размеры и массу трансформатора
(см. ст. 31.10), а также сглаживающего фильтра
СФ (см. ст. 30.8). Дальнейшее увеличение час-
тоты преобразования ведет к возрастанию по-
терь мощности в ферромагнитном сердечнике
трансформатора, оно ограничено также инер-
ционными свойствами мощных АЭ инвертора.
В П. н. с самовозбуждением инвертором явля-
ется автогенератор А, в П. н. с внешним воз-
буждением — усилитель мощности УсМ, уп-
равляемый внешним генератором ВГ (Рис.
30.6, б, в). По схемотехническим решениям и
использованию трансформатора П. н. подразде-
ляют на одно- и двухтактные; по принципу дей-
ствия — на П. н. непрерывного и импульсного
действия. АЭ последних работают в ключевом
режиме с большим (до 95%) КЛД преобразова-
ния и поэтому наиболее часто используются. В
нерегулируемых П. н. отношение Е0/Евх неиз-
менно, а в регулируемых изменяется при изме-
нении параметров импульсов под воздействием
регуляторов или управляющих сигналов.
Глава 30 ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ РЭС
855
30.6. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
30.7. СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
(ТОКА) — устройство, которое осуществляет
стабилизацию выходного напряжения (тока)
без изменения рода напряжения (тока). Каче-
ство С. определяют по относительному изме-
нению выходного напряжения (тока) АЕСТ/ЕСТ
(Д/ст//ст) при изменении входного напряжения
Евх, сопротивления нагрузки Ян, внешних фак-
торов. Для С. н. основным параметром являет-
ся коэффициент стабилизации напряжения
kcr = (ZLE'BX/£'BX)/(AE'CT/ECT). Ряд энергетических,
динамических и конструктивных параметров
С. (например, нестабильность выходного на-
пряжения, коэффициент пульсаций, внутрен-
нее сопротивление) определяют аналогично со-
ответствующим параметрам выпрямителя (см.
ст. 30.2 ). Различают С. н. параметрические и на
основе устройств автоматического регулирова-
ния. Для последних характерным является на-
личие регулирующего элемента РЭ (Рис. 30.7,
а) и ООС. Измерительный элемент ИЭ сравни-
вает выходное стабилизированное напряжение
Ест с опорным (эталонным) Еоп и формирует
сигнал ошибки, который после усиления (пре-
образования) в устройстве управления УУ воз-
действует на РЭ так, чтобы скомпенсировать
или уменьшить начальное отклонение Есг от но-
минального значения. Изменяя уровень опорно-
го напряжения, регулируют Ест в заданных пре-
делах. Стабилизаторы тока выполняют по та-
ким же схемам, но ИЭ сравнивает опорное на-
пряжение с напряжением на резисторе Rb кото-
рое пропорционально /ст (Рис. 30.7, б). В зави-
симости от режима работы регулирующего эле-
мента С. н. подразделяют на С. н. непрерывного
действия (компенсационные) и импульсные.
856
РАДИОТЕХНИКА
30.7. СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ (ТОКА)
Последние имеют более высокий (до 95%) КПД
и меньшие размеры радиаторов благодаря
уменьшению мощности рассеяния на РЭ, кото-
рый работает в ключевом режиме. Существен-
ный недостаток импульсных С. н. — значитель-
ный уровень создаваемых ими помех.
Стабилизатор напряжения (тока) им-
пульсный — стабилизатор постоянного напря-
жения (тока), регулирующий элемент которого
работает в ключевом (импульсном) режиме.
Принцип работы основан на преобразовании
постоянного входного напряжения в импульс-
ное с регулируемой скважностью и постоянной
амплитудой. Импульсные С. н. в зависимости
от соотношения значений выходного и входно-
го напряжений и их полярностей могут быть
повышающего, понижающего и инвертирую-
щего типов (Рис. 30.8). Измерительный эле-
мент ИЭ формирует последовательность им-
пульсов, временные параметры которых зави-
сят от сигнала ошибки и управляют регулиру-
ющим элементом РЭ, который по сути являет-
ся управляемым импульсным модулятором
входного напряжения Евх. В последовательном
С. н. и. понижающего типа (Рис. 30.8, а) им-
пульсное напряжение с размахом С/Имп ~ Евх
сглаживается £ С-фильтром. Выходное напря-
жение ЕСЛ~ С/Имп^имп/имп — ^имп^имп^имп всегда
меньше входного. Постоянство ЕСТ обеспечива-
ется управлением длительностью импульсов
тимп или их частотойу^п. В первом случае ста-
билизатор называют С. н. и. с ШИМ, во втором
— С. н. и. с ЧИМ. В простейших С. н. и. релей-
ного типа одновременно управляют обоими па-
раметрами импульсов. Диод VD обеспечивает
передачу в нагрузку энергии, накопленной в
дросселе L при закрытом РЭ. В параллельном
С. н. и. повышающего типа (Рис. 30.8, б) мож-
но получить напряжение Ест > Евх, поскольку
при открытом РЭ дроссель L накапливает энер-
гию от ИП, а при закрытом — отдает ее в на-
грузку, причем к нагрузке прикладывается сум-
ма напряжения ИП и ЭДС самоиндукции на
дросселе L. Диод VD предотвращает разряд
конденсатора С фильтра через РЭ. Аналогично
работает параллельный С. н. и. инвертирующе-
го типа (Рис. 30.8, в). Здесь при закрытом РЭ к
нагрузке прикладывается ЭДС самоиндукции
на дросселе £, знак которой противоположен
знаку Евх. В таком С. н. и. можно получить вы-
ходное напряжение Ест как меньше, так и боль-
ше входного. Наиболее часто применяют С. н.
и. понижающего типа с ШИМ. С. н. и. повыша-
ющие и инвертирующие используют при необ-
ходимости получения Ест > Евх или для изме-
нения полярности выходного напряжения.
Глава 30. ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ РЭС
857
30.7. СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ (ТОКА)
Стабилизатор напряжения (тока) компен-
сационный непрерывный — стабилизатор по-
стоянного напряжения (тока), регулирующий
элемент которого работает в непрерывном режи-
ме. С. н. к. выполняют по последовательной
(Рис. 30.9, а) или параллельной (Рис. 30.9, б) схе-
ме (ЯБ — балластный резистор). Наиболее часто
применяют последовательные С. н. к., имеющие
больший КПД. Промышленностью выпускается
широкая номенклатура С. н. к. в интегральном
исполнении. С. н. к. на дискретных ЭРЭ целесо-
образно разрабатывать при отсутствии серийных
с нужными параметрами. С. н. к. используют
также как сглаживающие фильтры (см. ст. 30.8 ).
Стабилизатор напряжения (тока) параме-
трический характеризуется тем, что в нем от-
сутствует цепь ОС, а стабилизация осуществля-
ется НЭ, который входит в его состав. Для ста-
билизации напряжения применяют стабилитро-
ны, стабисторы (см. ст. 29.9) — электронные
приборы, напряжение на которых сохраняет по-
стоянное значение с определенной точностью
при изменении в заданных пределах тока, проте-
кающего через них. Схема простейшего С. н. п.
и его ВАХ представлены на Рис. 30.10. Напря-
жение стабилизации Ест определяется типом
стабилитрона, а его нестабильность АЕСТ при
изменении входного напряжения на АЕВХ —
наклоном ВАХ. Коэффициент стабилизации
кст = (Ест/Евх)(Яб/Ян) относительно низкий. С. н.
п. используют как источники опорного напряже-
ния при малых токах нагрузки и невысоких тре-
бованиях к kCT. Последний можно повысить ус-
ложнением схемы: каскадным соединением не-
скольких С. н. п.; применением мостовых схем;
заменой балластного резистора ЯБ токостабили-
зирующим двухполюсником; введением термо-
стабилизирующих элементов. Для стабилизации
тока используют бареттеры.
Стабилизированный источник питания —
ИП, в состав которого входит стабилизатор на-
пряжения (тока). В С. и. п. регулирующий эле-
мент (РЭ) может быть включен в цепь постоян-
ного тока (С. и. п. со стабилизаторами импульс-
ными, компенсационными, параметрическими)
или в цепь переменного тока (Рис. 30.11, а).
В последнем случае это позволяет стабилизи-
ровать как постоянное, так и переменное на-
пряжение. При высоких требованиях к качест-
ву стабилизации регулирование осуществляет-
ся одновременно в обеих цепях. С. и. п. с регу-
лированием напряжения в цепях переменного
тока по типу РЭ подразделяют на С. и. п. на
магнитных усилителях, транзисторные с ком-
мутирующими диодами, с регулирующим
трансформатором, тиристорные.
На Рис. 30.11 цифрами обозначены точки
подключения РЭ к устройству управления УУ
и выходной цепи. В схеме с магнитным усили-
телем МУ (Рис. 30.11, б) регулирующим эле-
ментом является рабочая обмотка Wp усилите-
ля, индуктивность которой изменяется под
действием тока подмагничивания в управляю-
щей обмотке Wy. В транзисторных С. и. п.
(Рис. 30.11, в) регулирование напряжения осу-
ществляется изменением внутреннего сопро-
тивления регулирующего транзистора VT. Ком-
мутирующий мост VD\—VD4 обеспечивает од-
858
РАДИОТЕХНИКА
30.8. ФИЛЬТР СГЛАЖИВАЮЩИЙ
нонаправленное прохождение переменного
входного тока через транзистор. Аналогично
работает С. и. п. с регулирующим трансформа-
тором, который использован для гальваничес-
кой развязки входных цепей и РЭ со схемой уп-
равления. В группе тиристорных С. и. п. часто
применяют схемы с тиристорным регулируе-
мым выпрямителем (Рис. 30.12), в которых ти-
ристоры выполняют одновременно функции
выпрямления и регулирования напряжения
(СФ — сглаживающий фильтр). В низковольт-
ных С. и. п. более предпочтительны схемы с РЭ
в первичной обмотке трансформатора питания
(Рис. 30.11, г), имеющие больший КЛД.
30.8. ФИЛЬТР СГЛАЖИВАЮЩИЙ —
устройство, предназначенное для уменьшения
напряжения пульсаций на выходе выпрямите-
ля. Пульсации выпрямленного напряжения —
периодическое изменение этого напряжения
относительно среднего значения. Частота
пульсаций/п = mfc определяется частотой сети
питания/с и схемой выпрямителя. Ф. с. харак-
теризуют коэффициентом сглаживания пуль-
саций кСГЛ Un вх/^п.выхэ где С/п вх и L/n вых
напряжения пульсаций на входе и выходе
фильтра соответственно. Ф. с. по типу первого
входного элемента подразделяют на емкост-
ные, индуктивные, резистивные, комбиниро-
ванные (C-RC, C-LC, LC-RC и т.п.), активные.
Простейшие емкостные Ф. с. используют при
невысоких требованиях к качеству сглажива-
ния напряжения, при наличии стабилизатора
или активного фильтра на выходе выпрямите-
ля. Конденсатор С (Рис. 30.13, а) является на-
копителем энергии и его емкость определяет-
ся из условия CRH » где Ян — сопро-
тивление нагрузки. Заряд конденсатора проис-
ходит на протяжении той части полупериода,
когда мгновенное напряжение на входе выпря-
мителя превышает напряжение на конденсато-
ре. Вследствие этого амплитуда импульса тока
через диоды значительно превышает среднее
Глава 30 ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ РЭС
859
30.8. ФИЛЬТР СГЛАЖИВАЮЩИЙ
значение, а габаритная мощность трансфор-
матора должна быть больше, чем в выпрями-
теле с индуктивным фильтром (Рис. 30.13, б).
Для последнего характерным является также
постоянство отбора мощности в течение пе-
риода, слабая зависимость выпрямленного
напряжения от нагрузки и большее значение
£сгл = 2in2fLC - 1. Недостатки индуктивных
Ф. с. — большие габаритные размеры дроссе-
ля Z, значительные перенапряжения на элемен-
тах во время переходных процессов. АС-филь-
тры (Рис. 30.13, в) используют только при ма-
лых токах нагрузки, поскольку коэффициент
сглаживания ксгл = 2nmfcRC пропорционален
потерям мощности на резисторе фильтра:
Рф = URI„ В многокаскадных Ф. с.
п
^сгл J £^сгл/-
Z=1
При значительных токах нагрузки более эф-
фективными, хотя и более сложными, явля-
ются активные Ф. с. (Рис. 30.13, г). Подавле-
ние пульсаций осуществляет регулирующий
элемент ИГ, управляемый через цепь ООС
(РосСос) напряжением с выхода фильтра.
Управление реализует измерительный эле-
мент ИЭ, который сравнивает напряжение
ООС с напряжением на выходе вспомога-
тельного фильтра ЯфСф. Резисторы Roc и Яд
образуют делитель по постоянному току, оп-
ределяющий выходное напряжение.
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Кокорев Л.С., Харитонов В.В. Прямое преобразование энергии и термоядерные энергети-
ческие установки / Под ред. В.И. Субботина. — М.: Атомиздат, 1980. — 216 с.
2. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Под ред. Г.С.
Найвельта. — М.: Радио и связь, 1985. — 576 с.
3. Электротехнические устройства / Под ред. О.В. Алексеева. — М.: Энергоиздат, 1981. —
336 с.
4. Векслер Г.С., Пилинский В.В. Электропитающие устройства электроакустической и кино-
технической аппаратуры. — К.: Вища шк., 1986. — 383 с.
860
РАДИОТЕХНИКА
ГПДВА 31
ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТЫ
• Элементная база определяет
технический уровень
радиоэлектронной
аппаратуры.
• Любые электрорадиоэлементы,
даже простейшие, в зависимости
от условий работы оказываются
комплексными радиотехническими
цепями.
• Первый электрорадиоэлемент —
конденсатор (лейденская банка)
(Б. Клейст, П. Мушенбрук,
Голландия, 1745 г.).
• Первый проволочный резистор
(Г. Деви, Англия, 1821 г.).
• Первая катушка индуктивности
(Д. Генри, США, 1830 г.).
• Первый силовой трансформатор
(П.М. Яблочков, Россия, 1876 г.).
В этой главе рассматриваются ЭРЭ общего
применения малой мощности, используемые в
аппаратуре радиоприема и обработки информа-
ции. Для получения нужного эффекта исполь-
зуют определенные физические явления, на ба-
зе которых реализуют основной параметр ЭРЭ.
Например, электропроводимость материала
учитывают при конструировании резисторов,
явление самоиндукции при создании катушек
индуктивности. Кроме основных, каждому
ЭРЭ присущи паразитные параметры, опреде-
ляемые побочными физическими явлениями
(например, в резисторах это — индуктивность
выводов, в катушке индуктивности — собст-
венная емкость). Паразитные параметры зави-
сят от конструкции и материалов ЭРЭ и по
сравнению с основными менее стабильны. За
исключением ВЧ катушек индуктивности, поч-
ти все ЭРЭ выпускаются промышленностью
как изделия основного производства, парамет-
ры которых приводятся в нормативной доку-
ментации. Для резисторов и конденсаторов но-
миналы основного параметра систематизиро-
ваны в рядах Е6, Е12, Е24 и т.п. Ряды составле-
ны по правилу геометрической прогрессии с
обеспечением относительной точности 20, 10 и
5%. Так, ряд Е6 в диапазоне 1...10 состоит из
шести чисел (1; 1.5; 2.2; 3.3; 4.7; 6.8) со знаме-
нателем прогрессии 1.47.
Порядок изучения статей главы — произ-
вольный.
31.1. ДРОССЕЛЬ ПИТАНИЯ — индук-
тивный элемент сглаживающего фильтра в це-
пи питания. Назначение Д. п. — уменьшить
пульсации напряжения на выходе выпрямите-
ля. Эффект достигается благодаря разнице со-
противлений для постоянной (Ядр) и перемен-
ной (7др) составляющих тока. Для получения
высокого КПД ЯдР « Ян, где Ян — сопротив-
ление нагрузки, а для качественного сглажи-
вания пульсаций с частотой Q
Глава 31 ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТЫ
861
31.1. ДРОССЕЛЬ ПИТАНИЯ
^др “ д/(^др ) + ^др ^др >> *Н >
что и обусловливает использование в Д.п. сер-
дечника из стандартной трансформаторной
стали (см. ст. 31.10). Д.п. включают в Г- или 11-
образные фильтры последовательно с нагруз-
кой. Поскольку через обмотку Д. п. протекает
выпрямленный ток нагрузки /н, магнитопровод
намагничивается, и магнитная проницаемость
|1 уменьшается, снижая индуктивность Д. п.
ЛДр = |llZzk, где LK — индуктивность катушки без
сердечника. Введение немагнитного зазора 13 в
магнитном сердечнике уменьшает отрицатель-
ное влияние постоянного тока на £др. Зазор со-
здается прокладками из немагнитных материа-
лов (бумаги, картона) при сборке сердечника.
На Рис. 31.1, а изображены зависимости
ц(/н) при разной ширине немагнитного зазора
/3. Кривая 1 соответствует магнитопроводу без
зазора (/3 = 0), а кривые 2, 3, 4 — сердечнику с
зазорами /з2 < /з3 < /з4. Нагляднее связь ц, /3 и 1Н
демонстрирует Рис. 31.1, б, где /н0 = 0; /Н1 < /н2
< /н3. Начальный рост р при введении малого
зазора и 0 объясняется увеличением намаг-
ниченности стали, вследствие чего магнитное
сопротивление уменьшается. Дальнейшее уве-
личение /3 уменьшает суммарную магнитную
проводимость сердечника и зазора, поэтому р
падает. Из Рис. 31.1, б следует, что для фикси-
рованного тока /н существует оптимальный за-
зор, обеспечивающий максимальную индук-
тивность. При росте /н оптимальный зазор уве-
личивается, а оптимальная индуктивность
уменьшается. Промышленность выпускает
унифицированные Д. п. 26 типоразмеров [1].
31.2. КАБЕЛЬ — два и более токоведущих
провода, объединенных в единую конструк-
цию. По назначению различают К. сигнальные
и силовые, низко- и высокочастотные, с экра-
ном и без него. Простейший низкочастотный
К. скручивают из мягких монтажных прово-
дов, обматывают хлопковой лентой и помеща-
ют в экранирующую обмотку. Ленточный пло-
ский К. состоит из нескольких (до 32) тонких
многожильных проводов в полихлорвинило-
вой изоляции, опрессованных вместе. В ткане-
вом К. провода переплетают тонкой ниткой.
Гибкий печатный К. изготавливают способом
печати на тонкой гибкой основе из лавсана.
Основными параметрами К. на ВЧ являются
волновое сопротивление р, которое определяет-
ся конструкцией К., и затухание на единицу дли-
ны, зависящее от типа диэлектрика и частоты.
Стандартные ВЧ К. изготавливают двух типов:
открытые двухпроводные, запрессованные в по-
лихлорвинил; коаксиальные, выполненные в ви-
де центрального проводника — одно- или мно-
гожильного провода в изоляционном материале
с малыми диэлектрическими потерями, окру-
женного экранирующей оплеткой, на которую
нанесен защитный слой изоляции. Волновое со-
противление К. лежит в пределах 50.. .300 Ом.
31.3. КАТУШКА ИНДУКТИВНОСТИ ВЧ
—наматываемый или печатный ЭРЭ с индуктив-
ным характером сопротивления ZL ~ XL =j($L. К.
и. ВЧ используют в диапазоне от десятков кило-
герц до сотен мегагерц. В зависимости от назна-
чения К. и. разделяют на три группы: контурные
К. и., К. и. связи, дроссели ВЧ. Параметрами К.
и. ВЧ являются: индуктивность (см. ст. 1.20), со-
ставляющая в зависимости от частоты и назначе-
ния от долей микрогенри до десятков миллиген-
ри; добротность (см. ст. 1.20) Q = (лЬ/гит , где
гпот — сопротивление потерь, состоящее из со-
противления провода обмотки гпр току ВЧ и со-
противлений потерь в каркасе гк, сердечнике гсер,
экране гэ и окружающих элементах (на частотах
до 1 МГц гпот~ гпр); собственная емкость Со, ко-
торая характеризует суммарную энергию элект-
рического поля WE в пространстве вокруг К. и.,
обусловленную межвитковой разностью потен-
циалов WE = CqUl/2. Собственная емкость Со
вместе с емкостью монтажа входит в состав кон-
турной емкости, уменьшая характеристическое
сопротивление параллельного контура, его доб-
ротность и стабильность; поэтому она должна
быть минимизирована. Кроме того, может возни-
кать собственный резонанс отключенной катуш-
ки на частоте соо = ^LCq. В общем случае Со яв-
ляется распределенной емкостью, однако ниже
предельной частоты со1р = 0.3too ее можно счи-
тать сосредоточенной. Для уменьшения Со сле-
дует разносить в пространстве витки обмотки,
улучшать качество диэлектрика каркаса или же
использовать магнитный сердечник, позволяю-
щий уменьшить число витков. Минимальная ем-
862
РАДИОТЕХНИКА
31.3. КАТУШКА ИНДУКТИВНОСТИ вч
кость Со малогабаритных однослойных К. и. ВЧ
составляет единицы пикофарад, многослойных
(при заливке компаундом с диэлектрической по-
стоянной £ > 1) — более 50 пФ.
Стабильность параметров К. и. ВЧ зависит
от материала катушки и технологии ее изготов-
ления. Наиболее дестабилизирующим фактором
является температура, действие которой оцени-
вают ТКИ аг = Д£/(£ДГ), где AL — приращение
индуктивности при изменении температуры на
ДГ Обычные значения ат « 10^/град, наилуч-
шие— Ю^/град. Старение элементов конструк-
ции К. и. ВЧ и ее сердечника приводит к необра-
тимым изменениям индуктивности. Коэффици-
ент старения индуктивности at = AL/(LAt), где
Д/ — отрезок времени (число лет) [2].
Вариометр — К. и. ВЧ, индуктивность ко-
торой можно изменять во время эксплуатации.
В вариометре с переменным числом витков ин-
дуктивность регулируют при помощи ползун-
ка. В. с переменной взаимной индуктивностью
состоит из двух катушек: внутренней подвиж-
ной (ротора) и внешней неподвижной (стато-
ра), которые включаются последовательно или
параллельно; при этом индуктивность В. зави-
сит от угла поворота ротора. Индуктивность
ферровариометра изменяется вследствие пере-
мещения магнитного сердечника (см. «Катуш-
ка индуктивности с сердечником»); в диавари-
ометре, используемом на более высоких часто-
тах, перемещают диамагнитный сердечник.
Дроссель ВЧ — катушка индуктивности с
частотно-разделительными функциями: пропу-
стить постоянный ток благодаря малому актив-
ному сопротивлению катушки гдр и перекрыть
путь переменному току за счет большого со-
противления 7др ~ соАдр. Конструктивно Д. ВЧ
выполняют в виде одно- или многослойной ка-
тушки, как правило, с магнитным сердечником.
На частотах выше частоты собственного резо-
нанса соо = l/VZapCo Д. ВЧ становится систе-
мой с распределенными параметрами.
Катушка индуктивности без сердечника
— катушка, у которой применение сердечника
по причинам конструкторского или электриче-
ского характера нежелательно. В зависимости
от конструкции она может быть одно-, много-
слойной и плоскоспиральной.
Однослойные цилиндрические К. и. б. с.
изготовляют с гладкими каркасами (Рис. 31.2,
л), каркасами с канавкой для пошаговой на-
мотки, ребристыми каркасами (уменьшается
емкость Со) или бескаркасными. Последние
применяют при числе витков до десяти и тол-
щине провода 1... 1.5 мм. Для большей меха-
нической прочности катушки с бескаркасной
намоткой армируют полосками из оргстекла
(Рис. 31.2, б). Материалом каркасов служит
полистирол, в ответственных случаях — кера-
мика. Токопроводящим элементом является
медный провод, в особо стабильных катушках
— возжженное в керамику серебро. Одно-
слойные цилиндрические К. и. б. с. характе-
ризуются повышенными добротностью и ста-
бильностью, особенно при намотке с шагом,
однако из-за малой индуктивности (десятки
микрогенри) они используются только на час-
тотах выше нескольких мегагерц.
Диаметр провода для обмотки К. и. б. с.
выбирают с учетом поверхностного эффекта и
эффекта близости. Первый (см. ст. 1.20) состо-
ит в уменьшении эффективного сечения про-
вода из-за вытеснения тока на поверхность
проводника. На Рис. 31.2, д изображены зави-
симости сопротивлений прямого провода дли-
ной / от его диаметра dnp: постоянному току
г0 = 4р//(Лб/пр)5 где р — удельное сопротивле-
ние материала, и переменному току на ВЧ с
учетом поверхностного эффекта г0 + гп.э- При
скручивании провода в спираль вследствие эф-
фекта близости плотность тока дополнительно
увеличивается на поверхности провода, внеш-
него к оси спирали, и уменьшается внутри спи-
рали. Эта неравномерность дополнительно
уменьшает эффективное сечение проводника,
Глава 31. ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТЫ
863
31.3. КАТУШКА ИНДУКТИВНОСТИ ВЧ
что эквивалентно введению составляющей со-
противления г э б. Исходя из этого, можно опре-
делить оптимальный диаметр <7ОПТ, который за-
висит от частоты тока и конструкции катушки
и обеспечивает минимальное суммарное со-
противление потерь гпот = го + гп э. + г э б. и мак-
симальную добротность Q катушки [2].
Плоская печатная К. и. б. с. (Рис. 31.2, в)
имеет вид многовитковой спирали, изготовлен-
ной способом печати на диэлектрическом ос-
новании (плате). Ширину проводника выбира-
ют в границах 0.5... 1 мм, форму — круглую,
квадратную или овальную. Печатные К. и. б. с.
технологичны, имеют хорошую повторяе-
мость, но малую индуктивность (единицы ми-
крогенри) и низкие добротность и стабиль-
ность параметров.
Многослойная цилиндрическая К. и. б. с.
может быть выполнена на каркасе со щечками
рядовой намоткой или внавал, что немного
уменьшает емкость Со и индуктивность катуш-
ки. Секционная намотка (Рис. 31.2, г) умень-
шает емкость Со без проигрыша в индуктивно-
сти катушки. Добротность Q многослойных
цилиндрических К. и. б. с. небольшая (до 100).
Провод для их намотки выбирают, как прави-
ло, в шелковой или хлопковой изоляции. На
частотах до 1 МГц для уменьшения потерь ис-
пользуют специальный многожильный витой
провод — литцендрат, который дает выигрыш
в Q до 30% по сравнению с одножильным про-
водом эквивалентного сечения. На более высо-
ких частотах емкость между жилами литценд-
рата этот выигрыш сокращает.
Катушки индуктивности связанные
имеют общий магнитный поток. Коэффициент
связи ксв = М/\Т[Ц, где М — взаимоиндук-
тивность, зависящая от размеров, взаимного
положения катушек и расстояния между их
центрами. Значение ксв не зависит от числа
витков и типа намотки катушек. Максималь-
ную связь (£св = 0.9...0.95) обеспечивает би-
филярная намотка, при которой витки одной
катушки расположены между витками другой.
При бифилярной намотке с шагом, а также при
расположении одной катушки поверх другой
(особенно с зазором) ксв уменьшается до
0.6...0.8. Для разнесенных в пространстве К.
и. с. значение ксв становится еще меньше. Ис-
пользование общего сердечника в К. и. с., осо-
бенно с замкнутым магнитопроводом, увели-
чивает ксв до 0.95...0.99, и наоборот, примене-
ние отдельных сердечников в каждой из К. и. с.
уменьшает его.
Катушка индуктивности с сердечником
обеспечивает увеличение индуктивности и до-
бротности, а также позволяет плавно регули-
ровать индуктивность. Воздействие ферромаг-
нитного сердечника на индуктивность оцени-
вают эффективной магнитной проницаемос-
тью цэф = L/LOf где LhLq — индуктивность ка-
тушки с сердечником и без него. Значение цэф
зависит от магнитной проницаемости материа-
ла сердечника цм, зазора между намоткой и
сердечником и конструкции последнего: чем
ближе она к замкнутой, тем выше цэф. При то-
роидальном сердечнике (Рис. 31.3, а) цэф = цм,
при броневом (Рис. 31.3, б) цэф < цм из-за неиз-
бежных воздушных зазоров между чашками 1
(для регулирования цэф этот магнитопровод
имеет центральный резьбовой перемещаю-
щийся сердечник 2). Менее эффективным яв-
ляется цилиндрический сердечник (Рис. 313, в):
Цэф ~ 0.05 цм, однако благодаря простоте конст-
рукции, возможности регулировки индуктив-
ности и высокой стабильности катушки с ци-
линдрическим сердечником используются ча-
ще других. Зависимость индуктивности от по-
ложения сердечника называют регулировочной
характеристикой (Рис. 31.3, г), где / — смеще-
ние сердечника относительно положения, сим-
метричного по отношению к намотке. Контур-
ные К. и. с. рассчитывают при немного сме-
щенном (относительно положения максималь-
ной индуктивности) сердечнике, что обеспечи-
вает возможность двухстороннего подстраива-
ния. Как магнитные материалы применяют
магнитодиэлектрики (карбонильное железо с
цм = 10... 15, альсифер с цм5...25) и ферриты
(цм составляет от 5 -103 на частотах сотни кило-
герц до 5... 10 на частотах сотни мегагерц). Как
и любой материал с экстремальными свойства-
ми, феррит является низкостабильным матери-
ал б)
Рис. 31.3
864
РАДИОТЕХНИКА
31.4. КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО
алом (см. ст. 8.7 и [2, 3]). Кривая 1 на Рис. 31.3, г
выполнена для катушки индуктивности с фер-
ромагнитным сердечником.
На частотах выше 20 МГц для подстройки
индуктивности используют диамагнитный
сердечник из высокопроводящего материала
(латуни, меди). Наведенные в сердечнике вих-
ревые токи создают собственное магнитное
поле, направленное против магнитного поля
катушки. Вследствие этого индуктивность ка-
тушки уменьшается (Рис. 31.3, г, кривая 2),
при этом из-за неизбежных потерь в сердечни-
ке уменьшается и ее добротность Q. Главное
преимущество при применении такого сердеч-
ника — стабильность параметров.
31.4. КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙ-
СТВО предназначено для включения, вы-
ключения, переключения и разъемного со-
единения электрических цепей. Если элект-
рическое переключение цепей не сопровож-
дается их механическим разъединением, то
переключающее устройство может быть вы-
полнено в электронном варианте (см. далее),
однако такое устройство не является отдель-
ным ЭРЭ. В остальных случаях переключаю-
щая система является механической, основа
которой — контактная пара.
Механический переключатель коммутаци-
онный (ПрК) должен обеспечивать сопротив-
ление закороченных контактов не более сум-
марного сопротивления подводимых провод-
ников (меньше 0.1 Ом) и время срабатывания
— доли секунды. Механической контактной
паре свойственен ряд особенностей. Малое
(101... 10~3 Ом), но нестабильное переходное
сопротивление закороченных контактов зави-
сит от силы прижима контактов, их материала,
формы, чистоты обработки, температуры,
влажности, механических воздействий, харак-
тера движения контактов при переключении,
параметров переключаемых токов и напряже-
ний (при наличии полупроводниковых пленок
на поверхности это сопротивление может уве-
личиваться); при замыкании контактов вслед-
ствие отхода подвижной части от неподвижной
возможен дребезг ПрК; время срабатывания
составляет в среднем 0.1 с, минимальное —
0.01 с, а максимальная частота переключения
— сотни герц; возможность залипания или
сварки контактов ограничивает максимальный
ток коммутации; износостойкость контактов
составляет 1О3...1О6 циклов [1].
Переключатель механический — кон-
тактный переключатель коммутационный с
Глава 31. ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТЫ
механическим ручным управлением. Кнопка
— П. м с одним стабильным положением
вследствие пружинного устройства возврата и
с управлением нажимного типа. Тумблер име-
ет два стабильных положения и управление
перекидного типа. Кнопки и тумблеры пред-
назначены для коммутации постоянных и пе-
ременных НЧ напряжений до сотен вольт при
токах в единицы ампер. Они имеют специаль-
ное упругое устройство для прижима контак-
тов, которое ускоряет процесс переключения
и гасит дугу во время размыкания. Переклю-
чатель барабанный — П. м. поворотного ти-
па с подвижными планками-секциями, распо-
ложенными на поверхности барабана парал-
лельно его оси. На каждой планке имеются
все элементы переключаемой секции. Планки
устанавливают контактами наружу. Барабан-
ный переключатель используют для многопо-
зиционного переключения в ограниченном
объеме (например, переключатель диапазонов
в РПрУ или измерительной аппаратуре). Его
преимущества — минимальная длина соеди-
нений, недостаток — механическая слож-
ность. Переключатель галетный — П. м. по-
воротного типа с контактами, расположенны-
ми по кругу на фарфоровых или пластмассо-
вых дисках-галетах, закрепленных перпенди-
кулярно оси. Галетный переключатель являет-
ся конструктивно выделенным узлом и нуж-
дается в длинных соединительных проводах.
Галетная конструкция обеспечивает коммута-
цию цепей повышенной сложности с разры-
вом или без разрыва при их переключении.
Переключатель клавишный (кнопочный) —
П. м. с линейным перемещением подвижных
контактов и плоскопараллельным размещени-
ем контактных групп (линеек), которые уста-
навливают непосредственно на печатных пла-
тах, что уменьшает длину соединительных
проводов. Этот П. м. имеет наилучшие комму-
тационные возможности и высокую надеж-
ность, поскольку переключение контактов в
каждой секции независимое [1].
Переключатель электронный содержит
электронный коммутатор и схему управления
соответствующими кнопками. Используют, как
правило, два варианта управления: при неболь-
шом числе положений (до 10) число кнопок со-
ответствует числу положений; при большем —
используют две кнопки (на увеличение и умень-
шение номера положения) с обязательной визу-
альной индикацией номера переключения. П. э.
как отдельный ЭРЭ не выпускается.
865
28-2959
31.4. КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО
Реле (электромеханический переключатель)
— коммутационное устройство, осуществляю-
щее механическое переключение контактов бла-
годаря превращению электрической энергии в
механическую. По принципу действия Р. разде-
ляют на электромагнитные, магнитоэлектричес-
кие, магнитоиндукционные, электростатичес-
кие, тепловые; по коммутируемой мощности —
на Р. малой (до 50 Вт), средней (50...500 Вт) и
большой (контакторы — более 500 Вт) мощно-
сти; по потребляемой мощности — на высоко-
чувствительные (до 0.01 Вт), чувствительные
(до 0.1 Вт), нормальные (более 0.1 Вт); по време-
ни срабатывания tc и времени отпускания to—на
сверхбыстродействующие (tc to < 5 мс), быстро-
действующие (tc,to ~ 5...50 мс), нормальные
(tcto ~ 150 мс) и замедленные (tcto ~ 0.2... 1 с);
по назначению—на Р. автоматики, защиты, сиг-
нальные, режима, силовые и т.п.; по виду тока
управления — на Р. постоянного и переменного
тока. Кроме того, реле различают по типу и чис-
лу контактных групп, типу срабатывания — на
замыкание, размыкание, переключение. Элект-
ромагнитные Р. в зависимости от наличия до-
полнительного (поляризационного) поля разде-
ляют на нейтральные и поляризованные.
Реле электромагнитное нейтральное —
реле постоянного тока, в котором управляю-
щий магнитный поток создается током обмот-
ки. Срабатывание Р. зависит от силы тока и не
зависит от его полярности. В нерабочем состо-
янии под действием специальной пружины
или упругих контактов магнитопровод Р. всегда
разомкнут (Рис. 31.4, а). Зависимость переме-
щения Y контактов от тока I в обмотке Р. назы-
вают характеристикой управления (Рис. 31.4, б),
где /срб, /отп и /раб) — соответственно токи сраба-
тывания, отпускания и рабочий; при этом ко-
эффициент возврата £взв = /ОтП/4Рб = 0.2...0.8,
а коэффициент запаса кзп = /раб//срб = 1.1... 1.4.
Реле поляризованное — реле с двумя маг-
нитными потоками, из которых один — поля-
ризационный (как правило, от постоянного
магнита), другой — рабочий от тока обмотки.
Пружинное устройство отсутствует, прижим
контактов обеспечивается потоком поляриза-
ции. В нерабочем состоянии Р. имеет два ус-
тойчивых положения (иногда есть третье, ней-
тральное). Импульсы тока управления перево-
дят Р. в противоположное состояние, энергия
потребляется только при переключении. Регу-
лировкой подвижной части можно обеспечить
преобладание одного из состояний Р. По спосо-
бу включения двух магнитных потоков Р. раз-
деляют на последовательные, дифференциаль-
ные (Рис. 31.4, в) и мостовые.
Реле времени — устройство, обеспечиваю-
щее задержку коммутации контактов на опре-
деленный промежуток времени относительно
момента пуска. По принципу действия разли-
чают Р. в. электромеханические, механические,
тепловые и электронные. В электромеханичес-
ком Р. в. электродвигатель с редуктором мед-
ленно вращает кулачковый механизм, который
осуществляет необходимое переключение кон-
тактов. В механическом Р. в. аналогичный ре-
дуктор с переключателем приводится в дейст-
вие часовым механизмом с заводной пружи-
ной. Действие тепловых Р. в. основывается на
медленном нагревании биметаллической плас-
тины и ее деформации до замыкания (размыка-
ния) контактов. Электронные Р. в. могут быть
аналоговыми (ждущий мультивибратор с боль-
шой постоянной времени) и цифровыми с под-
счетом импульсов тактового генератора.
Реле язычковое — нейтральное или поля-
ризованное Р. на основе геркона, размещенно-
го внутри катушки (соленоида) управления.
Геркон (сокращение термина «герметичный
магнитоуправляемый контакт») конструктивно
выполнен в виде двух плоских лепестков-пру-
жин из электро- и магнитопроводящего мате-
риала, запаянных в тонкий стеклянный баллон.
Взаимодействие внешнего магнитного потока
с предварительно намагниченными лепестка-
ми геркона вызывает их замыкание. Преиму-
ществами геркона являются малое время сра-
батывания, высокая надежность, большой срок
службы, недостатком — небольшие значения
коммутируемых токов и напряжений.
Искатель шаговый — электромагнитное
реле с механическим переключением контак-
тов типа «одно направление на 10 положений»,
храповым механизмом и устройством сброса.
На обмотку шагового искателя (ШИ) поступа-
ет пачка импульсов тока числом от 0 до 9, при-
чем с каждым импульсом ШИ переключается в
следующее положение, так что конечное со-
866
РАДИОТЕХНИКА
31.5. КОНДЕНСАТОР
стояние ШИ определяется числом импульсов в
пачке. ШИ является основным коммутирую-
щим элементом электромеханических теле-
фонных станций.
Соединение электрическое разъемное —
электромеханический ЭРЭ, предназначенный
для электрического соединения составных час-
тей в единое устройство путем их сочленения.
Использование С. э. р. позволяет проводить ре-
гулирование, профилактику и ремонт типовых
элементов замены, функциональных узлов и
блоков, а также обеспечивает возможность бы-
строй замены узлов с низкой надежностью
(ламп, реле и др.). По характеру коммутируе-
мых цепей С. э. р. делят на группы: низкочас-
тотные, низковольтные, высокочастотные, вы-
соковольтные, специальные (герметичные и
теплостойкие). По типу подводимых провод-
ников объемного или печатного монтажа раз-
личают пары: провод — провод, печать — пе-
чать и провод — печать. Основные требования
к С. э. р.: надежность электрических контакт-
ных пар, скорость и легкость соединения и рас-
соединения при любом числе пар, исключение
неправильного соединения. Радиочастотные
соединители не должны увеличивать КСВ.
Каждая контактная пара состоит из штыревой
и гнездовой частей (вилки и розетки). Для на-
дежности контакта штырь или (и) гнездо дела-
ют подпружиненными. Гнездовая часть долж-
на быть со стороны подведения питающих на-
пряжений. При объемном варианте монтаж
осуществляется пайкой, обжимом, сваркой, на-
круткой [4], а в сильноточных цепях — винто-
вым соединением. При применении печатных
проводников хвостовик токоввода изготовляют
из упругого провода диаметром 0.4...0.8 мм.
Монтаж осуществляется пропаиванием хвос-
товых частей токовводов, продетых в отвер-
стия печатной платы. Все конструкции С. э. р.
имеют специальный ключ, который исключает
неправильную коммутацию цепей.
При централизованной компоновке РЭА
для внутренних и межблочных сочленений ис-
пользуют С. э. р. со специальными штырями-
улавливателями на штыревой части, которые
закрепляются неподвижно. Розеточная часть
имеет специальные отверстия для штырей, ее
делают подвижной в плоскости, перпендику-
лярной к штырям и подпружиненной в направ-
лении вдоль них. «Плавающая» конструкция
препятствует разрушению С. э. р. при монтаже
массивных блоков в шкафы или стойки.
При децентрализованной компоновке РЭА
для сочленения блоков используют С. э. р. с ка-
белями. Фиксация соединения может быть
резьбовой, байонетной или при помощи за-
щелки. Соединение радиочастотЦых кабелей
осуществляется коаксиальными соединителя-
ми с фиксаторами байонетного типа [4].
31.5. КОНДЕНСАТОР — дискретный
ЭРЭ, состоящий из металлических обкладок,
разделенных диэлектриком, и характеризую-
щийся сосредоточенной емкостью, т.е. способ-
ностью накапливать на своих обкладках заря-
ды при приложении напряжения. По характеру
изменения емкости различают К. постоянной,
переменной емкости и подстроечные; по типу
диэлектрика — воздушные, слюдяные, керами-
ческие, бумажные, металлобумажные, пленоч-
ные, электролитические и др.; по назначению
— контурные, блокировочные, накопительные,
фильтровые и специальные [1,2].
Электрическими параметрами К. являют-
ся: номинальная емкость (см. ст. 1.20), которая
лежит в диапазоне от единиц пикофарад до со-
тен тысяч микрофарад (для К. постоянной ем-
кости номинальные значения и точность обус-
ловлены стандартной шкалой — см. введение
к гл. 31; максимальная емкость К. переменной
емкости по конструкторским соображениям не
превышает нескольких сотен, а подстроечных
К. — десятков пикофарад); рабочее (номиналь-
ное) напряжение, при котором гарантируется
надежная работа К., в зависимости от типа ди-
электрика составляет десятки — сотни вольт,
для специальных конденсаторов — десятки
киловольт; стабильность, определяющая спо-
собность К. сохранять номинальные емкость и
добротность при воздействии дестабилизиру-
ющих факторов, в первую очередь температу-
ры и старения; ТКЕ ат = \С!(С\Т), где АС/С
— относительное приращение емкости; АГ —
изменение температуры. Специальные сорта
керамики позволяют получить как нулевой, так
и отрицательный коэффициент аЛ что исполь-
зуется для термокомпенсации частотозадаю-
щих цепей. Действие времени учитывают с по-
мощью коэффициента старения К. аст =
АС/(САг), где Аг — отрезок времени.
Эквивалентная схема К. показана на
Рис. 31.5. Сопротивление изоляции /?из харак-
теризует ток утечки (саморазряда К.). Потери
по переменному току, в основном потери в ди-
электрике, определяются сопротивлением 7?пот.
Они могут быть оценены также при помощи
тангенса угла потерь tg<5 = /?пог /Хс = ЯПот^С
или обратной величины — добротности К.
Глава 31 ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТЫ
867
31.5. КОНДЕНСАТОР
Q = l/(7?noTQQ. Паразитная индуктивность вы-
водов Lc определяется конструкцией обкладок
и выводов К. и ограничивает частотный диапа-
зон его использования.
Варикап — см. ст. 29.9.
Вариконд — конденсатор с диэлектриком
из сегнетокерамики, диэлектрическая прони-
цаемость £ которого зависит от приложенного
напряжения, благодаря чему можно изменять
емкость В. в десятки раз. В. имеют большие
значения максимальной емкости (десятки на-
нофарад), но значительную зависимость £ и tg8
от температуры, особенно в области точки
Кюри (см. ст. 8.21).
Конденсатор переменной емкости —
конденсатор, емкость которого изменяет поль-
зователь во время эксплуатации. Управлять ем-
костью можно двумя способами — механичес-
ким и электрическим. Конденсатор с электри-
ческим управлением — см. ст. 29.9 (варикап),
вариконд.
Среди механически перестраиваемых К. п. е.
самыми распространенными являются конден-
саторы, в которых при повороте оси ротора
группа его параллельных пластин входит в
промежутки между неподвижными пластина-
ми статора. Такие конденсаторы изготовляют в
двух вариантах: с воздушными зазорами или с
зазорами, заполненными твердым диэлектри-
ком. Первые характеризуются высокими точ-
ностью, стабильностью и малыми потерями.
Чтобы обеспечить стабильность конденсатора
при механических воздействиях, воздушные
зазоры делают не менее 0.1 мм, а толщину пла-
стин 0.6 ... 1 мм. Вторые выполняют с твердым
диэлектриком (как правило, пленочным),
обычно они имеют меньшие размеры за счет
большего значения диэлектрической проница-
емости твердого диэлектрика, но проигрывают
по стабильности и добротности.
По характеру изменения емкости от угла
вращения ротора различают логарифмические,
прямочастотные и прямоемкостные К. п. е.,
форма подвижных пластин которых изображе-
на на Рис. 31.6, а, б, в соответственно. В радио-
вещании и связных приемниках для перест-
ройки нескольких контуров одной ручкой ис-
пользуют блоки из двух, трех и более К. п. е.
Чтобы обеспечить заданный закон изменения
емкости от угла вращения, крайние пластины
роторных секций делают разрезными и подст-
раивают [2].
Конденсатор подстроечный — конденса-
тор, емкость которого во время эксплуатации
не изменяется, а регулируется при производст-
ве РЭА и выполнении регламентных работ. К. п.
отличаются простотой конструкции, малыми
размерами и небольшим значением макси-
мальной емкости. Самыми распространенны-
ми К. п. являются пластинчатые с воздушным
или керамическим диэлектриком. В керамиче-
ских К. п. обкладки образуют слои серебра, на-
несенные на керамику в виде полукруга.
Конденсатор постоянной емкости харак-
теризуется тем, что его емкость во время экс-
плуатации и регулировки не изменяется. Свой-
ства К. п. е. зависят от применяемого диэлект-
рика. Диэлектрики подразделяют на твердые
неорганические (слюда, стекло, керамика),
твердые органические (бумага, металлобумага,
пленки), а также оксидные, сформированные
вследствие взаимодействия материала обкла-
док с электролитом.
Слюдяные К. п. е. отличаются лучшими
электрическими свойствами, в том числе и вы-
сокочастотностью. Для защиты от влаги и тем-
пературы их пропитывают церезином и опрес-
совывают. В керамических К. п. е. используют
широкий ассортимент керамики, что дает воз-
можность получать конденсаторы с широким
диапазоном рабочих температур и различными
значениями временной нестабильности, диэле-
ктрических потерь и диэлектрической прони-
цаемости е (до 104 и больше). Керамические К.
п. е. условно разделяют на ВЧ (с малыми поте-
рями) и НЧ (с большими потерями). Первые
состоят из нескольких групп по ТКЕ (от
OCj = 120 10 6 до 0^= -2200* 10 6); вторые име-
ют большее отклонение емкости в диапазоне
температур, поскольку зависимость «ЯЛ в
них резко нелинейная. Типы керамических К.
п. е. определяются их конструкцией: трубча-
тые, дисковые, пластинчатые квадратные, мо-
нолитные, литые, секционные, таблеточные и
а) б) в)
Рис. 31.6
868
РАДИОТЕХНИКА
31.6. ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ
т.п. Особенностями стеклянных К. п. е. явля-
ются высокая рабочая температура, большая
электрическая прочность и дешевизна.
В бумажных К. п. е. обкладки с изоляцией
сворачивают в компактный рулон малого объе-
ма, части обкладок выступают с торцов, и к
ним припаивают выводы. Это позволяет избе-
жать увеличения паразитной индуктивности
выводов. Для защиты от влаги бумажные К. п.
е. пропитывают и герметизируют. В металло-
бумажных К. п. е. на бумагу распылением на-
носят тонкий слой металла (обкладки), благо-
даря чему уменьшаются размеры конденсато-
ра. Особенностью этих конденсаторов являет-
ся то, что при точечном пробое в дефектном
месте изолятора металл выгорает без замыка-
ния обкладок и конденсатор самовосстанавли-
вается. В пленочных и лакопленочных К. п. е.,
по конструкции близких к бумажным, в качест-
ве1 Диэлектрика используют синтетические
пленки. Они могут быть неполярными (поли-
этилен, полистирол, фторопласт) или полярны-
ми (ацетат целлюлозы, лавсан и др.). Пленоч-
ные диэлектрики позволяют получить некото-
рые параметры конденсатора, недостижимые в
К. п. е. других типов. Так, полистироловые К.
п. е. имеют очень малые токи утечки и потери,
фторопластовые — стойки к температуре и
влажности, лакопленочные — малогабаритны.
В электролитических К. п. е. диэлектри-
ком является пленка оксида, созданная элект-
рохимическим способом на поверхности алю-
миниевого или танталового электрода, кото-
рый используется как положительный вывод.
Отрицательным выводом является электролит.
Такие конденсаторы работают только при од-
ной полярности приложенного напряжения.
При любой толщине пленки рабочее напряже-
ние алюминиевого электролитического кон-
денсатора йё превышает 1000 В, а танталового
— 200 В. Электролитические К. п. е. обеспечи-
вают максимальную емкость, но у них боль-
шие потери и токи утечки, малая стабильность.
Термокомпенсация — метод компенсации
положительных значений температурных ко-
эффициентов элементов частотозадающих це-
пей с помощью керамики с противоположным
значением ТКЕ. Для фиксированной частоты
полная термокомпенсация возможна только в
узком диапазоне температур, где температур-
ные коэффициенты емкости и индуктивности
аТС и aTL линейно зависят от температуры, и
только при ее медленных изменениях, когда не
влияют различные постоянные времени нагре-
вания элементов цепи. Для контуров, перестра-
иваемых по частоте, расчет Т. проводят для
/тах, где абсолютная нестабильность частоты
максимальна.
31.6. ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ — четырехпо-
люсник, предназначенный для задержки элект-
рических сигналов без изменения их формы на
временной интервал, называемый временем за-
держки t3. Задержка сигналов обеспечивается
за счет конечной скорости Гр распространения
электрических, акустических (ультразвуковых)
или других колебаний вдоль ЛЗ длиной /: t3 = l!Vp.
Выпускают электрические и ультразвуковые
ЛЗ. Поскольку скорость распространения элек-
трических волн в кабелях Гр « 2108 м/с, для
увеличения t3 без наращивания размеров ЛЗ ис-
пользуют специальные типы колебаний и такие
среды, в которых скорость Гр значительно
меньше. ЛЗ характеризуются: временем за-
держки; относительной точностью задержки;
полосой пропускания; затуханием; входным и
выходным сопротивлениями; относительным
уровнем искажений сигналов из-за отражения
волн от неоднородностей [3].
Линия задержки ультразвуковая — ЛЗ,
в которой с относительно небольшой скоро-
стью распространяются акустические (ультра-
звуковые) колебания в звукопроводах. Для
преобразования колебаний из электрической
формы в акустическую и обратно применяют
пьезоэлектрические или магнитострикцион-
ные преобразователи (см. ст. 8.17, 8.7). Звуко-
проводом служат сплавы металлов или плав-
леный кварц (термостабильный), реже жидко-
сти (например, ртуть). В твердых звукопрово-
дах, где скорость Vp ~ (3...5)103 м/с, исполь-
зуют продольные, поперечные или поверхно-
стные волны. Диапазон частот Л. з. у. опреде-
ляется как свойствами преобразователей, так
и затуханием колебаний в зву ко проводе. Л. з.
у. на магниевых сплавах применяют в диапазо-
не 10...20 МГц, Л. з. у. на плавленом кварце —
в диапазоне 30...40 МГц. Специальная форма
звукопровода позволяет увеличивать длину
пути волн без увеличения размеров Л. з. у.
благодаря многократному отражению от шли-
фованных граней. Затухание Л. з. у. значитель-
ное (20...70 дБ). В ленточных Л. з. у. на по-
верхностных волнах звукопроводом является
свернутая в рулон тонкая лента из алюминия
или стальных сплавов, а преобразователи раз-
мещены на поверхности ленты. Максимальная
задержка сигналов такими Л. з. у. составляет
несколько десятков миллисекунд.
Глава 31 ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТЫ
869
31.6. ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ
Линия задержки электрическая — ЛЗ, в
которой используют электромагнитные коле-
бания. Для задержки сигналов на несколько
наносекунд при верхней частоте в сотни мега-
герц используют коаксиальный кабель. Чтобы
увеличить задержку, применяют специальные
(спиральные) коаксиальные кабели с централь-
ной жилой в виде спирали, которая уменьшает
скорость Ир до (0.3... 1)10 6 м/с, а полосу час-
тот суживает до десятков мегагерц. Макси-
мальная задержка сигналов в таком кабеле ме-
нее 100 мкс. Для задержки сигналов на не-
сколько десятков микросекунд используют ис-
кусственные Л. з. э. с сосредоточенными пара-
метрами, состоящие из звеньев электрических
фильтров НЧ типа М, L и К. Недостаток таких
ЛЗ — значительное искажение формы импульса.
31.7. ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ — устройство,
предназначенное для разрыва электрических
цепей при коротком замыкании или перегруз-
ке. Критерием перегрузки является превыше-
ние тока в цепи над током срабатывания /срб .
Обычно /срб = к /ном, где /ном — номинальный
ток; к = 1.1...2.5 в зависимости от назначения
цепи. Кроме тока /срб П. характеризуется вре-
менем срабатывания, которое должно быть со-
гласовано с параметрами цепи: оно должно
превышать длительность возможных переход-
ных процессов при включении цепи, но оста-
ваться меньше времени нагревания при пере-
грузке цепи. По принципу действия П. разде-
ляют на плавкие (одноразовые) и автоматичес-
кие (многократные).
Предохранитель автоматический — эле-
ктромеханическое реле постоянного или пере-
менного тока (см. ст. 31.4), совмещенное с руч-
ным управлением включения и выключения
цепи. Время срабатывания П. а. —доли секун-
ды, ток срабатывания — от доли ампера до со-
тен ампер.
Предохранитель плавкий — легкосъем-
ный ЭРЭ в виде отрезка тонкого легкоплавкого
провода, закрепленного или запаянного между
металлическими выводами, напрессованными
на стеклянную или керамическую трубку. П. п.
вставляется в специальный держатель, кото-
рый имеет подпружиненные контактные со-
единения.
Предохранитель электронный — разно-
видность автоматического П., является элек-
тронным стабилизатором, имеет свойства
триггера и выключает нагрузку при токах
I > /срб. П. э. используют для защиты электрон-
ных цепей при резких колебаниях тока. Для
повторного включения П. э. следует выклю-
чить и включить цепь питания.
31.8. ПРОВОД (ПРОВОЛОКА) — изде-
лие из металла или сплава, полученное его
протягиванием. П. используют при выполне-
нии монтажных или намоточных работ для
обеспечения минимального электрического со-
противления (материал П. — медь, изредка
алюминий) и изготовления шунтов, а также
для намотки проволочных резисторов, реоста-
тов, нагревательных элементов (материал П. —
сплавы с высоким сопротивлением).
Монтажный медный П. изготавливают од-
но- и многожильным с 6... 10 значениями диа-
метра (в зависимости от типа изоляции) и пло-
щадью сечения 0.1...2.5 мм2. Изоляцией явля-
ются синтетические материалы: полиэтилен и
полихлорвинил (чаще в комбинации с волок-
нистыми материалами — хлопковой пряжей,
шелком), фторопласт, резина и др.
Номенклатура диаметров медного обмо-
точного П. намного больше — более 60 значе-
ний диаметров в диапазоне 0.05...2.5 мм. Изо-
ляцией служат эмали, лаки и (или) шелк.
Для изготовления эталонных проволочных
резисторов используют П. из термостабильно-
го константана и манганина; для реостатов,
мощных резисторов — из никелина, констан-
тана, нихрома; для нагревательных элементов
— из термостойких нихрома, фехраля, хрома-
ля. Малогабаритные высокоомные резисторы
повышенной стабильности изготавливают из
П. диаметром от 6 мкм в стеклянной изоляции.
Характеристики материалов, из которых
изготавливают П., приведены в Табл. 31.1, где
ТКС — температурный коэффициент сопро-
тивления.
31.9. РЕЗИСТОР — дискретный ЭРЭ с за-
данным активным сопротивлением. По харак-
теру изменения сопротивления различают Р.
постоянного, переменного сопротивлений и
подстроечные; по материалу токоведущего
элемента — проволочные и непроволочные; по
назначению — общего, частного (высокоом-
ные, высоковольтные, высокочастотные, пре-
цизионные, миниатюрные Р.) и специального
(варисторы, термисторы, фото- и тензорезис-
торы) назначений.
Основными параметрами Р. общего назна-
чения являются: номинальное сопротивление,
которое лежит в границах 1... 107 Ом со стан-
дартными значениями рядов Е6, Е12 — Е96
(см. введение к настоящей главе) с точностью
от 1 до 20%; номинальная мощность постоян-
870
РАДИОТЕХНИКА
31.9. РЕЗИСТОР
Таблица 31.1
Материал Удельное сопротивление при температуре 20°С [Ом*мм2/м] ТКС |%/°С] Максимальная рабочая температура [°C]
Медь 0.0175 0.49 400
Алюминий 0 028 04 300
Константан 044 052 0.0005 500
Манганин 04 052 0.005 100
Нихром 1.0... 1.1 0.015 900
Никелин 0.39...0.45 0.002 150
Фехраль 1.1 1.3 0.01 900
Хромаль 145 0 005 1000
ного или переменного тока, которую Р. может
рассеивать во время гарантийного срока служ-
бы, не выходя за обусловленную точность
(стандартными значениями номинальной мощ-
ности являются 0.125, 0.25, 0.5, 1, 2 Вт); пре-
дельное рабочее напряжение (в зависимости от
номинала определяется допустимым нагревом
или электрической прочностью); температур-
ный коэффициент сопротивления и коэффици-
ент старения (характеризуют обратимые и нео-
братимые изменения сопротивления от темпе-
ратуры и времени — ат = А7?/(7?АГ),
аСт = Д/?/(/?Д0); собственные шумы, которые
имеют две составляющие — тепловую в соот-
ветствии с формулой Найквиста (см. ст. 17.32)
и токовую, обусловленную хаотическим изме-
нением сопротивления доменов токоведущего
материала Р. и зависящую от типа Р. (различа-
ют Р. групп А и Б с приведенной ЭДС шума
меньше 1 и 5 мкВ/B соответственно); собст-
венные индуктивность LR и емкость CR, влия-
ющие на полное сопротивление ZR = R + jX и
определяющие верхнюю рабочую частоту Р.
Непроволочные резисторы разделяют на
тонкопленочные, в которых проводящая плен-
ка из углерода, борорганических соединений,
композитов или металлических сплавов нано-
сится на цилиндрическую основу из керамики,
и объемные, изготовленные только из компо-
зитных материалов. В последних резистивный
элемент является смесью проводящих и изоля-
ционных компонентов. Проволочные резисто-
ры изготавливают намоткой проволоки из вы-
сокоомного материала (см. Табл. 31.1) на изо-
ляционное термостойкое основание. Эти Р.
обеспечивают большую мощность, высокую
точность и меньший уровень шумов, однако
они имеют значительную собственную индук-
тивность и, как следствие, их рабочий диапа-
зон ограничен сверху частотами 102...104 Гц.
Для расширения частотного диапазона прово-
лочных Р. применяют специальную безындук-
ционную намотку.
Обозначение Р. последних разработок со-
стоит из: букв С (постоянные Р.) или СП (пере-
менные Р); цифры, которая характеризует про-
водящий материал (1 — углеродистые Р., 2 —
металлодиэлектрические и металлооксидные Р,
3 — пленочные композитные Р, 4 — объемные
композитные Р., 5 — проволочные Р., 6 — тон-
кослойные металлизированные Р.), а также ци-
фро-буквенного кода номера разработки.
Резистор переменного сопротивления —
резистор, сопротивление которого изменяется
во время его эксплуатации. Р. п. с. имеет тре-
тий дополнительный вывод, соединенный с
подвижным контактом, который можно плавно
передвигать вдоль токопроводящего элемента
резистора. Такие резисторы используют как
переменные по сопротивлению (двухполюс-
ник) или как регулируемые делители напряже-
ния (трехполюсник), они называются потенци-
ометрами. Функциональная характеристика
Р. п. с.—зависимость коэффициента деления по-
тенциометра от относительного положения его
ползунка. Наиболее распространенными являют-
ся линейная (тип А), логарифмическая (тип Б),
обратнологарифмическая (тип В), тригономет-
рическая (синусная и др.) характеристики. По-
тенциометры типа А применяют для регулиро-
вания баланса, линейности АЧХ усилителей,
режимов АЭ; типа Б — в случаях, когда следу-
ет обеспечить постоянство отношения XRJR',
типа В — в цепях регулирования громкости,
тембра, яркости; тригонометрические — в уст-
ройствах автоматики. По технологическим и
конструкторским особенностям Р. п. с. разде-
ляют на проволочные и непроволочные, с по-
воротным или линейным перемещением по-
движного контакта (ползунковые), одинарные
Глава 31 ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТЫ
871
31.9. РЕЗИСТОР
и спаренные, с отводами от промежуточных
точек или без них. Р. п. с. должны иметь боль-
шую износостойкость (выдерживать более
5103 циклов регулирования).
Резистор подстроечный — резистор, со-
противление которого можно изменять при за-
водских и регламентных регулировках, а во
время эксплуатации оно должно быть постоян-
ным. Это упрощенный вариант резистора пе-
ременного соротивления, некоторые из этих
резисторов имеют стопор. Их износостойкость
мала (до 103 циклов).
Резистор постоянного сопротивления —
резистор, сопротивление которого во время экс-
плуатации и регулировки не изменяется. Выво-
ды делают торцевыми или радиальными, из
проволоки или ленты. В объемных композит-
ных резисторах выводы запрессовывают в про-
водящее тело, в остальных устанавливают на
краях керамического основания. Для защиты от
влажности используют защитные покрытия.
Высоковольтные резисторы рассчитаны на
высокие рабочие напряжения (до десятков ки-
ловольт) и используются в делителях напряже-
ния, искрогасителях, зарядных устройствах.
Высокомегаомные резисторы имеют номиналы
от 10 МОм до сотен тераом, их изготавливают
тонкопленочными из композиционных материа-
лов и применяют в измерительной технике.
Высокочастотные резисторы предназначе-
ны для работы на частотах в сотни мегагерц и
выше. Наименьшую реактивность имеют ме-
таллодиэлектрические и металлопленочные ре-
зисторы, их используют на частотах до 1000
МГц. На более высоких частотах резистор яв-
ляется составной частью конструкции прибо-
ра (волновода, поглотителя, аттенюатора), по-
этому он имеет форму диска, конуса, клина.
Для уменьшения паразитной емкости защит-
ное покрытие не используют.
Прецизионные резисторы отличаются по-
вышенной точностью изготовления и высокой
стабильностью параметров. Точность прецизи-
онных проволочных и непроволочных резисто-
ров составляет 2...0.1 %, а стабильных прово-
лочных и металлофольговых — 0.001 %. Диа-
пазон их номинальных сопротивлений шире,
чем у резисторов общего назначения. Из-за вы-
соких требований к стабильности мощность
рассеивания этих резисторов небольшая — до
2 Вт. Используются они в измерительных при-
борах, магазинах сопротивлений.
Резистор специальный — резистор, со-
противление которого изменяется под воздей-
ствием внешних факторов. Варистор — полу-
проводниковый резистор, сопротивление кото-
рого уменьшается при увеличении подведенно-
го напряжения. Такие резисторы применяют в
стабилизаторах и ограничителях напряжения.
Фоторезистор — резистор, сопротивление ко-
торого зависит от освещенности. Эти резисто-
ры используются как датчики освещенности в
системах автоматики и телеметрии. В паре со
светодиодом фоторезистор образует оптрон
(см. ст. 26.10). Тензорезистор — резистор, со-
противление которого изменяется при механи-
ческой деформации. Изготовляется из фольги
(или провода), накладываемой на гибкую осно-
ву, а также в виде полупроводниковых пласти-
нок или эпитаксиальных пленок. Такие резис-
торы применяются как датчики механических
воздействий. Терморезистор характеризуется
нелинейной зависимостью сопротивления от
температуры. Различают термисторы (темпе-
ратурный коэффициент сопротивления аг —
отрицательный) и позисторы (аг — положи-
тельный). Их используют в цепях термоком-
пенсации и как датчики температуры.
31.10. ТРАНСФОРМАТОР —электромаг-
нитное статическое (без подвижных частей)
устройство, изменяющее уровень переменного
напряжения (тока) без изменения мощности. В
основе действия Т. лежит явление электромаг-
нитной индукции (см. ст. 1.20). Основные эле-
менты Т. — магнитопровод (сердечник) и рас-
положенные на нем обмотки, индуктивно свя-
занные между собой: первичная, присоединен-
ная к ИП, и одна или несколько вторичных,
присоединенных к нагрузке.
По функциональным признакам Т. разделяют
на силовые (Т. питания), сигнальные (низко- и
радиочастотные), импульсные, измерительные.
Требования к Т. существенно зависят от их на-
значения. Несмотря на различие функций Т. ос-
новные протекающие в них физические процес-
сы одинаковы.
Пусть Т. без потерь присоединен к источнику
синусоидальной ЭДС (Рис. 31.7, а). При этом
связь между электрическими и магнитными ве-
личинами определяется выражением
Et = КГ8, (1)
где Ei — ЭДС на концах z-й обмотки с числом
витков Wi, f — частота сигнала; Вт — макси-
мальная индукция, 5СТ — площадь поперечного
сечения сердечника (преимущественно стали) —
Рис. 31.7, б.
872
РАДИОТЕХНИКА
31.10. ТРАНСФОРМАТОР
Если W\ и W2 — число витков соответст-
венно первичной и вторичной обмоток, то ко-
эффициент трансформации п = W2/Wx. При ак-
тивной нагрузке R2 в первичной и вторичной
обмотках протекают токи Ix = UX/RX,I2 = U2/R2,
где Ux, U2 — напряжения на обмотках; Rx —
эквивалентное сопротивление источника сиг-
нала, R2 — сопротивление нагрузки. Как сле-
дует из (1),
U2 = Е2 = Ex(W2/Wx) = Uxn; U2/Ux = и;
РХ=Р2 = UX7X = U2I2, 12/1х = Ux/U2 = \!п\
Rx = Ux/lx; R2 = U2/I2,
R}/R2 = UiI2/(U2Ii) = l/n2.
Таким образом, в нагруженном Т. происхо-
дит изменение напряжений в п, токов в 1/п, а
сопротивлений в 1/«2 раз.
Из (1) следует, что свойства, а следова-
тельно, и качество Т. при заданном материале
сердечника с максимально допустимой ин-
дукцией Вт определяются произведением
WSCT. Другими словами, одинаковое качество
Т. может быть обеспечено при различных со-
отношениях количества материалов обмоток
и сердечника: больше меди — меньше стали и
наоборот. В зависимости от критерия опти-
мальности различают Т. наименьшей стоимо-
сти, где больше дешевой стали и меньше до-
рогой меди, и наименьшей массы (габарит-
ных размеров), где приоритет отдан не стои-
мости, а меньшей массе материалов. Соответ-
ственно вычислены и стандартизованы опти-
мальные формы магнитопроводов. Поскольку
провод обмоток и изоляция должны заполнять
всю площадь окна So (см. Рис. 31.7, 0), магни-
топроводы Т. наименьшей стоимости характе-
ризуются суженным окном, а наименьшей
массы — расширенным.
Эквивалентная схема замещения Т.
(Рис. 31.7, в) отображает как основные, так и
паразитные процессы в нем. На ней показаны:
Lx — индуктивность первичной обмотки, опре-
деляемая магнитным потоком, общим для обе-
их обмоток Т.; Lsx — индуктивность рассеива-
ния первичной обмотки, определяемая пото-
ком рассеивания этой обмотки, не пересекаю-
щим витки вторичной обмотки; гх — активное
сопротивление проводов первичной обмотки;
Со — собственная емкость обмоток и емкость на-
грузки. Трансформирующее действие п = W2/Wx
учтено сведением параметров вторичной цепи
к первичной: г2 = г2/п; = L^/гг', R2 = R2/n2\
С/2 = С2/«2, где г2 — активное сопротивление
проводов вторичной обмотки; LS2 — индуктив-
ность рассеивания вторичной обмотки; R2 —
сопротивление нагрузки. Обычно Lx » Ls, а
rx ~ Р2 « R2. Пользуясь эквивалентной схемой Т,
можно рассчитать его основные характеристики,
такие, как АЧХ и КПД Т| = I(2I(R72 + гх + г^)-
Автотрансформатор — трансформатор, у
которого одна обмотка является частью дру-
гой. Поскольку в общей части обмоток ток
I = IX-I2 (Рис. 31.8), МОЩНОСТЬ РА = Р2(1 - п)
уменьшается по мере приближения п к 1. Это
дает выигрыш в массе и габаритных размерах
А. по сравнению с обычным трансформатором.
Магнитопровод трансформатора — сер-
дечник из магнитопроводящего материала, как
правило, замкнутый вдоль пути магнитного
потока Ф, общего для всех обмоток трансфор-
матора. Магнитный сердечник нужен для
уменьшения магнитного сопротивления Ям,
чтобы увеличить магнитный поток Ф = IW/RM
(см. ст. 1.20), а также создать нужную индук-
тивность первичной обмотки Т. в меньшем
объеме. Материал М. т. должен иметь малые
потери в сильных (Т. питания) или слабых и
средних (Т. сигнальные) полях, значительную
магнитопроводимость (т.е. высокое значение
магнитной проницаемости), большую индук-
цию насыщения.
Для уменьшения потерь на вихревые токи
стальной магнитопровод изготавливают из
изолированной ленты или из изолированных
Глава 31. ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТЫ
873
31.10. ТРАНСФОРМАТОР
друг от друга пластин, толщина которых с рос-
том рабочей частоты уменьшается до 0.08 мм.
Потери на гистерезис характеризуются площа-
дью петли гистерезиса материала сердечни-
ка(см. ст. 8.10).
Форма сердечника определяет форму
трансформатора. Используют броневые
(Рис. 31.9,«), стержневые (Рис. 31.9, б) и торо-
идальные (Рис. 31.9, в) сердечники, составлен-
ные из пластин, или витые ленточные
(Рис. 31.9, г, д, е). Последние обеспечивают
лучшие свойства магнитопровода. Трансфор-
маторы с одной многообмоточной катушкой,
расположенной на центральном стержне (Рис.
31.9, «, г), проще и дешевле. Стержневые
трансформаторы с двумя катушками, каждую
из которых размещают на своем стержне, обес-
печивают малое поле рассеивания, т.е. малые
наводки, а также лучшее охлаждение катушек,
благодаря чему их используют при повышен-
ных мощностях. Еще более высокие магнит-
ные свойства имеет тороидальный (неразрез-
ной) трансформатор, но из-за сложности его
намотки в массовой РЭА он не применяется.
Трансформаторные стали дешевы, отлича-
ются большой индукцией насыщения
(Вт ~ 1.8...2 Тл), высоким значением магнит-
ной проницаемости (ц > 102), их используют до
частот 10...20 кГц. Специальные никелевые
сплавы (например, пермаллой) с ц до 105 при-
меняют во входных трансформаторах, магнит-
ных головках и других устройствах. Их недо-
статком является высокая стоимость, малая ин-
дукция насыщения, чувствительность к под-
магничиванию и механическим воздействиям.
Для рабочих частот более 10 кГц используют
сплошные ферритовые сердечники (см. ст. 8.7).
Обмотка трансформатора, внутри кото-
рой размещен магнитопровод, выполняется из
электропроводящего изолированного провода.
По конструкции обмотки разделяют на цилин-
дрические и галетные. При цилиндрической
обмотке провод наматывают по всей ширине
каркаса. По способу выполнения различают
намотку внавал и рядовую; первая выполняет-
ся хаотически, но равномерно по ширине, вто-
рая — правильными рядами виток к витку до
заполнения слоя обмотки. Если при этом слои
изолировать прокладками, а витки фиксиро-
вать клеем или лаком, то каркас катушки мож-
но заменить дешевой гильзой без щечек. Такая
бескаркасная намотка используется при массо-
вом производстве. Галетная обмотка (см.
Рис. 31.2, г) сложнее и имеет секции, каждая из
которых занимает часть полной высоты обмот-
ки. Она позволяет повысить электрическую
прочность высоковольтных Т. и уменьшить их
собственную емкость.
Диаметр провода обмоток выбирают по
таким условиям: для Т. питания — по допус-
тимой плотности тока j (на частоте 50 Гц
У = 2...2.5 А/мм2, на частоте 400 Гц/ ~ 5 А/мм2,
на частотах более 1000 Гцу = 5... 10 А/мм2); для
сигнальных и импульсных Т., у которых тепло-
вой режим не критичен, — из условия малого
отношения r2/R2> которое определяет КПД и
спад напряжения под нагрузкой.
Трансформатор измерительный предназ-
начен для преобразования (уменьшения) боль-
ших переменных токов или напряжений с це-
лью их измерения. Первичную обмотку Т. и.
тока включают последовательно с нагрузкой, а
вторичную соединяют с измерителем.
Трансформатор импульсный предназна-
чен для преобразования напряжения импульс-
ных сигналов различной формы: прямоуголь-
ных, треугольных, пилообразных и др. Т. и.
должен как можно меньше искажать форму
выходного сигнала. По свойствам Т. и. близок
к сигнальному, но отличается от него двумя
особенностями: во-первых, однополярный им-
пульсный входной сигнал обуславливает
асимметричный режим намагничивания на бо-
лее пологом участке гистерезисной кривой
В(Н), вследствие чего средняя магнитная про-
ницаемость |1) = \В!\Н меньше проницаемос-
ти магнитопровода при симметричном режи-
ме работы; во-вторых, спектр коротких им-
пульсов широкополосен и простирается до бо-
лее высоких частот, чем спектр сигналов сиг-
нального трансформатора. Поэтому в Т. и. ис-
пользуют или ленточные стальные магнито-
проводы с минимальной толщиной листа (до
0.08 мм), или ферриты, а обмотки выполняют
с небольшим числом витков.
874
РАДИОТЕХНИКА
31.10. ТРАНСФОРМАТОР
Искажения формы выходных импульсов
исследуют, используя схему замещения транс-
форматора (см. Рис. 31.7, в). Так, во время пе-
редачи прямоугольного импульса формирова-
ние фронта определяется параметрами контура
Z/V2 и Со, зашунтированного нагрузкой R2. При
большой добротности этого контура длитель-
ность фронта Тфр уменьшается и увеличивает-
ся выброс на его вершине (см. ст. 17.20). При
значительном шунтировании контур становит-
ся апериодическим и тфр растет. Оптимальным
считается вариант
тфр =2.2a/lV2Co^2 •
При формировании плоской части выходного
импульса происходит скалывание — уменьше-
ние выходного напряжения (А(7ВЬ1Х) за счет то-
ка через L ।, которое определяется выражением
1п(А€7КЬ1Х/С7КЬ1Х) = где /?, — сопротивле-
ние эквивалентного источника в точках присо-
единения индуктивности первичной обмотки
L ।; ти — длительность импульса.
Трансформатор питания (силовой) пред-
назначен для повышения или понижения на-
пряжения сети в цепях питания электронной
аппаратуры. Размеры Т. п., как правило, выби-
рают минимальными по условиям допустимо-
го перегрева и потерь в магнитопроводе и об-
мотках. Из (1) следует, что с ростом частоты
сети / можно уменьшать площадь сечения маг-
нитопровода 5*С1 или число витков W, а следо-
вательно, размеры Т. п. На практике выигрыш
в габаритных размерах и массе не пропорцио-
нален росту частоты /, а немного меньше из-за
увеличения потерь в магнитопроводе с ростом
частоты. Стандартами установлены ряды ти-
поразмеров магнитопроводов, для которых оп-
ределены все основные характеристики для
средних условий теплоотдачи: зависимость
мощности от типоразмера магнитопровода при
различной частоте сети (50, 400, 1000 Гц и
др.); оптимальные толщина пластин, плот-
ность токов в обмотках, индукция Вт для раз-
личных магнитных материалов. Рекомендова-
ны оптимальные соотношения и параметры,
которые обеспечивают максимальный КПД.
Трансформатор сигнальный предназна-
чен для преобразования аналоговых сигналов с
частотно-фазовыми и нелинейными искажени-
ями, не превышающими заданных значений.
Основное назначение Т. с.: согласование со-
противлений нагрузки с источником, их галь-
ваническое разделение, симметрирование, ин-
версия фазы. По месту установки Т. с. разделя-
ют на входные, межкаскадные и выходные. Ди-
апазон мощностей достаточно широкий: от
микроватт во входном Т. с. до десятков и сотен
ватт в мощных выходных Т. с.
Размеры Т. с. больше, чем трансформато-
ров питания той же мощности, потому что оп-
ределяющими здесь являются требования к ча-
стотным и нелинейным искажениям. Частот-
ные искажения определяют по схеме замеще-
ния трансформатора — см. Рис. 31.7, в. На НЧ
неравномерность АЧХ оценивают коэффици-
ентом частотных искажений
Мн = Ко / К„ = 71+[/?/(«,Л, )]2,
где А?о и Кн —коэффициенты передачи на сред-
ней и нижней QH частотах; R3— параллельное
сопротивление ветвей (R{ + Г|) и (r'2 + R'2), Т.е.
сопротивление эквивалентного генератора в
точках присоединения индуктивности пер-
вичной обмотки — внутреннее сопротив-
ление источника сигнала; Г| — активное сопро-
тивление первичной обмотки; г'2 и R'2 — сопро-
тивления вторичной обмотки и нагрузки, пере-
считанные в цепь первичной обмотки. Индук-
тивность первичной обмотки определяется
выражением
Ь = 1.26цЭфИ75ст-108//сг, (2)
где цЭф — действующая магнитная проницае-
мость сердечника; Wx — число витков первич-
ной обмотки; 5СТ — площадь поперечного се-
чения сердечника (стали); /С1 — средняя длина
силовой магнитной линии (см. Рис. 31.7, б).
Как следует из (2), при выбранном матери-
але сердечника (|1эф) и диаметре провода об-
мотки для увеличения индуктивности тре-
буется наращивание типоразмера (объема) Т. с.
с соответствующим увеличением объема стали
(5СТ) или меди (IV).
Неравномерность АЧХ в области ВЧ (Л/в)
связана с индуктивным рассеиванием первичной
LS[ и вторичной Л'<£2 обмоток Т. с. (см. Рис. 31.7,
в). Если пренебречь собственной емкостью Со, то
коэффициент частотных искажений
Мв =КО/КВ =/+[£lBLs/(Ri + ri+ri + R^]2,
где Кв — коэффициент передачи на верхней
частоте QB; Ls~— общая индуктивность рассе-
яния, приведенная к первичной обмотке,
Ls = LS\ + L'S2, Lsx — индуктивность рассеяния
Глава 31 ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТЫ
875
31.10. ТРАНСФОРМАТОР
первичной обмотки; L'S2 — индуктивность
рассеяния вторичной обмотки, приведенная к
первичной обмотке. Для уменьшения Мв нужно
уменьшать Ls, что можно осуществить, сближая
обмотки или размещая одну внутри другой.
Нелинейные искажения Т. с., оценивают
коэффициентом гармоник кг, они связаны с не-
линейностью характеристик намагничивания
магнитопровода и растут с увеличением амп-
литуды переменной составляющей индукции
Вт. Исходя из этого, по зависимости коэффи-
циента гармоник от Вт определяют максималь-
но допустимое значение Втлоп, которое нельзя
превышать при максимальной мощности вход-
ного сигнала на нижней частоте диапазона
(QH). Уменьшение кг, как и снижение неравно-
мерности АЧХ, требует увеличения типоразме-
ра Т. с. Мощность Т. с., при которой искажения
достигают максимально допустимого значе-
ния, называется критической.
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА:
Справочник / Под ред. Н.Н. Акимова. — Минск: Беларусь, 1994. — 591 с.
2. Волгов В.А. Детали и узлы РЭА. — М.: Энергия, 1977. — 656 с.
3. Радиодетали, радиокомпоненты и их расчет / Под ред. А.В. Коваля. — М.: Сов. радио,
1977. —З68'с.
4. Практическое пособие по учебному конструированию РЭА / Под ред. К.Б. Круковского-
Синевича, Ю.Л. Мазора. — К.: Вища шк., 1992. — 494 с.
876
РАДИОТЕХНИКА
ГПД|111 32
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ И
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ
УСТРОЙСТВА
• Широкое применение
электромеханических устройств
обусловлено простотой передачи
электрической энергии к месту
потребления, легкостью ее
преобразования в другие виды
энергии и удобством эксплуатации.
• Вместе с тем, в течение
всей истории развития
радиотехники происходит
необратимый и целенаправленный
процесс вытеснения
электромеханических устройств
электронными как более
надежными, миниатюрными
и технологичными.
• Первая модель электродвигателя
(М. Фарадей, Англия,1821 г.).
• Первый электродвигатель
(Д. Генри, США, 1831 г.).
• Электродвигатель постоянного тока
с рабочим валом
(Б.С. Якоби, Россия, 1834 г.).
• Электрогенератор постоянного тока
(Б.С. Якоби, Россия, 1842 г.).
• Мощный двухфазный электрогенератор
переменного тока
(ТА. Эдисон, США, 1881 г.).
• Первая тепловая электростанция
(Т.А. Эдисон, США, 1882 г.).
• Двухфазный электродвигатель
(Н. Тесла, США, 1887 г.).
• Трехфазный электрогенератор и двигатель
(М.О. Доливо-Добровольский,
Россия, 1888—1890 гг.).
Электротехническое устройство основа-
но на использовании электрических и магнит-
ных явлений для получения, преобразования и
применения различных видов энергии, переда-
чи информации, энергетического обеспечения
РЭС. Электромеханическое устройство — это
электротехническое устройство, имеющее по-
движные составные части.
Одной из самых важных функций электро-
технических и электромеханических уст-
ройств является обеспечение РЭС электро-
энергией. В этом смысле рассмотренные в
гл. 30 источники питания представляют част-
ный случай электротехнических устройств, ко-
торые не всегда могут обеспечить требования
по электропитанию (прежде всего это касается
больших уровней мощности, повышенной
(400 и 1000 Гц) частоты бортовой сети пере-
менного тока). Эти проблемы и сегодня реша-
ются с помощью электромашинных источни-
ков питания и преобразователей напряжения.
Еще одно очень важное применение электро-
технических и электромеханических уст-
ройств в РЭС — электропривод антенных сис-
тем РЛС и космической связи, систем воздуш-
ного и водяного принудительного охлаждения,
механизмов дистанционной перестройки коле-
бательных контуров и пр. В большинстве сво-
ем мощным электродвигателям нет альтерна-
тивы. С мощными электронными усилителями
успешно конкурируют электромагнитные уси-
лители. Широкое применение в РЭС имеют
электромагнитные коммутационные устройст-
ва (см. ст. 31.4), как, например, реле, контакто-
ры, магнитоуправляемые контакты, а в измери-
тельных системах и АСУ — преобразователи
физических неэлектрических величин в элект-
рические (датчики) и пр. Для многих электро-
технических устройств характерным является
высокая стабильность параметров, но из-за
низких быстродействия и надежности, значи-
Глава 32. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
877
ГЛАВА 32
тельных габаритных размеров, массы, уровня
создаваемых шумов и электромагнитных по-
мех электротехнические и электромеханичес-
кие устройства с развитием электронной тех-
ники заменяются их электронными аналогами.
Изучение материала главы целесообразно
начать со статей 31.1, 32.3 и 32.8, а затем про-
должать в произвольном порядке.
32.1. ДАТЧИК — конструктивно закон-
ченное устройство, предназначенное для пре-
образования физических величин в электриче-
ские. Основу Д. составляют физико-электриче-
ские преобразователи (ФЭП) — устройства,
которые непосредственно преобразуют изме-
ряемую величину в электрическую. В состав
Д. могут входить также промежуточные преоб-
разователи. По виду выходной величины ЛВЬ1Х
ФЭП делят на генераторные (Лвых — ток или
ЭДС при ZBHyTp = const) и параметрические
(ЛыХ — функция параметров электрических
цепей, например R, L, С, Ми пр., при ЭДС = 0);
по виду измеряемых величин — на ФЭП тем-
пературы, скорости, линейных и угловых пере-
мещений, освещенности и пр.; по виду элект-
рофизических явлений, лежащих в основе их
работы, — на резистивные, пьезоэлектричес-
кие, электростатические, электромагнитные,
гальваномагнитные, тепловые, оптоэлектрон-
ные и пр. Диапазон использования Д. и ФЭП в
РЭС чрезвычайно широк: от элементов стаби-
лизации режимов работы АЭ до сложных из-
мерительных приборов и АСУ [1].
32.2. МАГНЕСИН — информационная
бесконтактная электрическая машина с торои-
дальным магнитопроводом статора 1 (Рис. 32.1),
на котором расположена однофазная кольцевая
обмотка, и легковращающимся постоянным
магнитом на роторе 2, предназначенная для
формирования электрических сигналов, про-
порциональных углу вращения ротора. Из-за
нелинейных свойств пермаллоевого статорно-
го сердечника между отводами статорной об-
мотки индуцируется ЭДС с удвоенной часто-
той 2/ сети питания, причем значение этой
ЭДС зависит от углового положения магнитно-
го ротора. При соединении двух М. в систему
синхронной связи, работающей в индикатор-
ном режиме, ротор М. приемника МПр занима-
ет такое же угловое положение, что и ротор М.
датчика МД, так как вследствие симметрии си-
стемы только в этом случае ЭДС в соответству-
ющих частях статорных обмоток будут уравно-
вешены. Благодаря малым габаритным разме-
рам и массе М. применяют в бортовых индика-
торных системах для передачи на расстояние
угловых перемещений механически не соеди-
ненных валов.
32.3. МАШИНА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ —
электрическое устройство вращающегося дейст-
вия, которое преобразует электрическую энер-
гию в механическую или обратно, или осуще-
ствляет преобразование параметров электросе-
ти. Принцип действия М. э. основан на исполь-
зовании явлений, описываемых законами Фара-
дея или Ампера (см. ст. 1.9). При вращении рам-
ки abed относительно полюсных наконечников
постоянного магнита такой преобразователь ра-
ботает в режиме электрического генератора пе-
ременного (Рис. 32.2, а) или постоянного (Рис.
32.2, б) тока, а при подключении к зажимам то-
Рис. 32.2.
878
РАДИОТЕХНИКА
32.3. МАШИНА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ
Рис. 32.3.
косъемников А и В источника электроэнергии —
в режиме электрического двигателя. Преобразо-
вание переменного тока в пульсирующий (по-
стоянного по направлению и переменного по си-
ле) осуществляется коллектором — устройст-
вом в виде цилиндра, состоящего из медных изо-
лированных пластин, к которым присоединена
рамка. Магнитное поле может создаваться также
электромагнитами, обмотки которых называют-
ся обмотками возбуждения. В общем случае М.
э. состоит из неподвижной части — статора и
вращающейся — ротора. Часть М. э., создаю-
щая магнитный поток, называется индуктором,
а часть, в которой индуцируется ЭДС или прохо-
дит рабочий ток, — якорем, причем в зависимо-
сти от типа М. э. индуктором и якорем могут
быть как статор, так и ротор. В синхронных М. э.
переменного тока отношение частоты вращения
ротора к частоте напряжения на зажимах посто-
янно и не зависит от нагрузки, тогда как в асин-
хронных М. э. оно изменяется. Для электродви-
гателей нагрузкой является внешний механичес-
кий момент на валу, а для генераторов — элект-
рическая мощность, отдаваемая во внешнюю
цепь. Одна из возможных конструкций М. э.
представлена на Рис. 32.2, в. Статорные обмотки
возбуждения 3 и сердечник 2, смонтированные
на стальной станине 1, вместе с полюсными на-
конечниками 5 образуют главные полюса индук-
тора, а многосекционная роторная обмотка 6 и
цилиндрический сердечник 4 — якорь. Токопод-
вод осуществляется через токосъемники или
коллектор 7 и графитовые щетки 8.
Наибольшее применение в РЭС находят ми-
кромашины автоматических устройств и прибо-
ров, классификация которых показана на Рис.
32.3, а также микродвигатели (микромашины
общего назначения). Основные параметры М.
э.: надежность, КПД, коэффициент мощности,
срок службы, стоимость, простота конструкции,
точность преобразования входных величин, бы-
стродействие, стабильность характеристик. М.
э. малой и средней мощности используют как
автономные источники питания, электроприво-
ды (антенных систем, исполнительных уст-
ройств бортовых систем регулирования и уп-
равления движением и пр.), электромашинные
усилители и преобразователи напряжения (вида
тока, частоты, числа фаз и т.п.) [2, 3].
Генератор электрический — М. э., преобра-
зующая механическую энергию в электричес-
кую. Синхронные Г. э. переменного тока промы-
шленной (50 Гц) и повышенной (400 и 1000 Гц)
частоты применяют в качестве автономных ис-
точников питания РЭС. Обмотки возбуждения
таких генераторов питаются постоянным то-
ком от маломощного генератора, расположен-
ного на одном валу с основным Г. э. Источни-
ками механической энергии являются двигате-
ли внутреннего сгорания, газовые турбины.
Микромощные Г. э. используют как генератор-
ные датчики механических величин (напри-
мер, тахогенераторы — см. ст. 32.6).
Гироскопическая электрическая маши-
на (гироскоп) — высокооборотная электриче-
ская машина (электродвигатель постоянного
Глава 32 ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
879
32.3. МАШИНА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ
Микродвигатели электрические : 1 л 1
Коллекторные Асинхронные Синхронные Бесконтактные постоянного тока
Постоянного тока Однофазные -► Однофазные
Универсальные Трехфазные Трехфазные
Переменного тока однофазные Рис. 32.4.
или переменного тока), ось вращения которой
может изменять свое пространственное поло-
жение. Это свойство обеспечивается тем, что
ротор электродвигателя (собственно свобод-
ный гироскоп) укреплен в кардановом подвесе
с тремя степенями свободы, причем внутрен-
ним кольцом подвеса является статор электро-
двигателя. Гироскоп, центр тяжести которого
совмещен с центром подвеса, называют аста-
тическим или уравновешенным. Зафиксиро-
ванная в определенном пространственном по-
ложении в Мировой системе координат (отно-
сительно звезд) ось вращения собственно ги-
роскопа после ее «раскрутки» и освобождения
стремится сохранить свое первоначальное по-
ложение в этой системе координат при любых
перемещениях, изменяя свою ориентацию от-
носительно земной поверхности подобно дет-
скому волчку. Это позволяет использовать ас-
татические гироскопы в качестве измерителей
угловых перемещений, для чего на рамках кар-
данова подвеса закрепляют датчики углов вра-
щения. Гироскопы с ограниченным числом
степеней свободы используют в качестве изме-
рителей угловых скоростей. Гироскопы и уст-
ройства на их основе чрезвычайно широко
применяются в измерительных и навигацион-
ных приборах (гирогоризонты, гировертикали,
гирокомпасы) и СУ воздушными и морскими
судами, ракетами и космическими летательны-
ми аппаратами (системы счисления путевой
скорости и пути, автопилоты, успокоители кач-
ки), системах стабилизации углового положе-
ния корпусов аппаратов различного назначе-
ния, антенн, оптических приборов и многих
других.
Двигатель электрический (электродви-
гатель) — М. э., преобразующая электричес-
кую энергию в механическую. Классификация
микродвигателей приведена на Рис. 32.4. Все
Д. э. постоянного тока являются коллекторны-
ми и применяются при необходимости регули-
рования в широких пределах угловой скорости
вращения, в бортовых РЭС с сетью постоян-
ного тока, как исполнительные устройства
АСУ, в лентопротяжных механизмах аппара-
тов магнитной записи, печатающих устройст-
вах и пр. При повышенных требованиях к
уровню создаваемых помех используют бес-
контактные (вентильные) Д. э., в которых роль
коллектора играют электронные коммутаци-
онные устройства на тиристорах или транзис-
торах, работающие в ключевом режиме. Наи-
более простыми и надежными являются асин-
хронные бесколлекторные Д. э. переменного
тока с короткозамкнутым ротором. Принцип
их действия основан на взаимодействии маг-
нитного поля статора с током, индуцируемым
в короткозамкнутой обмотке ротора, имеющей
форму беличьего колеса или тонкостенного
алюминиевого цилиндра. В синхронных Д. э.
переменного тока переменное магнитное поле
статора взаимодействует с постоянным маг-
нитным полем ротора, которое создается по-
стоянным магнитом или обмоткой Возбужде-
ния постоянного тока, поэтому ротор вращает-
ся синхронно с вращающимся полем статора
[2, 3]. Основные характеристики Д. э.: зависи-
мость подводимой мощности (тока в обмотке
якоря, частоты вращения, КПД) от полезной
мощности на валу; зависимость вращающего
момента от частоты вращения ротора. Указан-
ные характеристики определяются при неиз-
менных частоте и напряжении питания.
Машина информационная — М. э., пре-
образующая механические величины (угол
вращения, угловую скорость или ускорение) в
электрические.
880
РАДИОТЕХНИКА
32.4. СЕЛЬСИН
а)
Рис. 32.5.
Муфта электромагнитная — М. э., пред-
назначенная для передачи вращающего момен-
та с одного вала на другой с помощью электри-
ческих или магнитных средств. В зависимости
от вида связи между валами М. э. подразделяют
на фрикционные, порошковые и со связью че-
рез поле. Во фрикционных М. э. вращающий
момент передается благодаря силам механичес-
кого трения, возникающим во время соприкос-
новения ведущего и ведомого элементов (1 и 2
на Рис. 32.5, а) при подаче тока в обмотку 3 эле-
ктромагнита; в порошковых (ферромагнитных)
М. э. — через частички магнитного материала
4 (Рис. 32.5, б), который уплотняется в магнит-
ном поле между соединяемыми элементами; в
индукционных М. э. — вследствие взаимодей-
ствия магнитной системы, установленной на
первом валу, с токами, индуцированными в эле-
ментах второго вала. Основное применение —
электропривод АСУ, лентопротяжные механиз-
мы аппаратов магнитной записи и пр.
Преобразователь тока электромашин-
ный — электрическая машина, предназначен-
ная для преобразования электрического тока
по частоте, числу фаз, напряжению и т.п. Пре-
образователь частоты электромашинный —
электрическая машина, предназначенная для
изменения частоты электрического тока, на-
пример 50 Гц/400 Гц. В простейшем случае П.
ч. э. может быть образован механическим со-
единением роторов электродвигателя с пита-
нием от сети с частотой fj и электрического ге-
нератора с частотой выходного тока f2. Такие
П. ч. э. называют двухмашинными и использу-
ют в автономных энергосистемах мощностью
десятки — сотни киловатт. В одномашинных
преобразователях частоты электродвигатель и
генератор конструктивно объединены в одну
электрическую машину с общим якорем. Ана-
логичный принцип действия положен в основу
работы электромашинных преобразователей
числа фаз (например, однофазное/трехфазное,
или наоборот без изменения частоты входного
и выходного токов), преобразователей напря-
жения (умформеров) — для преобразования
постоянного тока одного напряжения в посто-
янный ток другого напряжения.
Усилитель электромашинный — элект-
рическая машина, предназначенная для усиле-
ния мощности входного сигнала с использова-
нием электрической энергии первичного элек-
тродвигателя. Конструктивно состоят из меха-
нически соединенных электродвигателя и эле-
ктрического генератора с внешним возбужде-
нием. Так как для управления значительной
выходной мощностью генератора требуется
сравнительно малая мощность электрического
тока в обмотке возбуждения, то в У. э. имеет
место усиление мощности (до 104... 105) вход-
ного сигнала, которым и является ток в обмот-
ке возбуждения. Серийные У. э. имеют выход-
ную мощность от долей ватт до десятков кило-
ватт и применяются в системах автоматическо-
го управления и регулирования. В настоящее
время У э. вытесняются электронными (стати-
ческими) усилителями.
Шаговый электродвигатель — электро-
двигатель с дискретным угловым перемещени-
ем ротора при воздействии импульсных сигна-
лов управления. Единичное угловое перемеще-
ние ротора называют шагом Ш. э. Его значение
(1... 10°) определяется конструкцией ротора и
статора и зависит от количества обмоток воз-
буждения, полюсов ротора и т.д. Ш. э. широко
применяют в дискретных системах управления.
32.4. СЕЛЬСИН — информационная элект-
рическая машина переменного тока (см. ст. 32.3),
предназначенная для получения напряжения,
Глава 32. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
881
32.4. СЕЛЬСИН
амплитуда и фаза которого определяются угло-
вым положением ротора. Соединение обмоток
и конструкция С. показаны на Рис. 32.6, «, б,
где: 1 — статор; 2 — обмотка синхронизации
ОС; 3 — ротор; 4 — обмотка возбуждения ОВ.
Основное применение С.: следящий электро-
привод, системы дистанционной синхронной
передачи угловых перемещений (Рис. 32.6, в).
При соединении двух С. — датчика СД и при-
емника СПр — такая система уравновешена,
если токи в обмотках синхронизации отсутст-
вуют, что возможно при одинаковых угловых
положениях роторов обоих С. Таким образом,
во время вращения ротора СД синхронно с ним
будет вращаться и ротор СПр при отсутствии
между ними механической связи. Такой режим
работы С. называется индикаторным. В транс-
форматорном режиме на ОВ СПр получают на-
пряжение С/вых, пропорциональное углу пово-
рота 0 ротора СД (Рис. 32.6, г) [2, 3].
32.5. СТАБИЛИЗАТОР ФЕРРОМАГ-
НИТНЫЙ — параметрический стабилизатор
переменного напряжения с нелинейным дрос-
селем (см. ст. 31.1). Принцип действия С. ф. та-
кой же, как у параметрического стабилизатора
постоянного напряжения (см. ст. 30.7). В про-
стейших С. ф. для повышения КПД балласт-
ный резистор заменяют линейным реактивным
элементом — дросселем Ьл (Рис. 32.7, а).
Амплитуда индукции в нелинейном дросселе
Лнэ доведена до насыщения, поэтому падение
напряжения Ucv на нем слабо зависит от изме-
нения тока /нэ, протекающего через дроссель
(Рис. 32.7, б). Значительный ток /нэ снижает
коэффициент мощности (см. ст. 1.20) С. ф., по-
этому чаще применяют С. феррорезонансные,
в которых дроссель вместе с конденсато-
ром С образует на частоте сети питания парал-
лельный резонансный контур (Рис. 32.7, в).
Это позволяет при одном и том же внутрикон-
турном токе /нэ уменьшить значение суммар-
ного тока, протекающего через этот контур.
Для повышения коэффициента стабилизации в
дроссель Lsl вводят дополнительную обмотку
WK, ЭДС которой частично компенсирует не-
стабильность амплитуды UC1. С. ф. широко ис-
пользуют для стабилизации напряжения сети
питания бытовой и профессиональной РЭА.
32.6. ТАХОГЕНЕРАТОР — информацион-
ная электрическая машина, работающая в гене-
раторном режиме (см. ст. 32.3) и предназначен-
ная для получения электрических сигналов,
пропорциональных частоте вращения ротора.
Основная характеристика Т. — зависимость
выходного напряжения (7ВЫХ от угловой скоро-
сти со: СВЬ1Х = 5со (где 5 — крутизна характери-
стики Т.). Т. постоянного тока имеют высокую
линейность выходной характеристики, большое
значение крутизны: 5 = 3...100 мВ/(об/мин).
Однако низкая надежность, высокий уровень
помех, обусловленных наличием скользящих
контактов, а также высокая стоимость ограни-
чивают их применение. Асинхронные Т. лише-
ны недостатков, присущих Т. постоянного тока,
но имеют меньшую крутизну и большую нели-
нейность выходной характеристики. В асин-
хронных Т. частоте вращения ротора пропор-
циональна амплитуда выходного напряжения, а
в синхронных Т. — не только амплитуда, но и
частота, что позволяет использовать при изме-
рениях как амплитудные, так и частотные ме-
тоды. Т. используют в качестве датчиков в из-
мерительных системах, АСУ, системах стаби-
лизации угловой скорости, а также в вычисли-
тельных устройствах [2, 3].
32.7. ТРАНСФОРМАТОР ВРАЩАЮ-
ЩИЙСЯ — информационная электрическая
машина, амплитуда выходного напряжения ко-
торой является функцией входного напряже-
ния и углового положения ротора. Конструк-
ция Т. в. аналогична конструкции асинхронно-
го двигателя, статор и ротор которого имеют по
две обмотки, сдвинутые между собой на 90° [2,
3]. Статорные обмотки (Рис. 32.8) возбужде-
ния OBi, ОВ2 (главная) и квадратурные ОВ3,
ОВ4 (вспомогательная) являются первичными,
а роторные синусные Сь С2 и косинусные Кн
К2 — вторичными (выходными). Конструк-
ция Т. в. такова, что взаимная индуктивность
между первичными и вторичными обмотками
882
РАДИОТЕХНИКА
32.9. УСТРОЙСТВО ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ
изменяется по синусоидальному закону в за-
висимости от угла поворота ротора; при этом
ЭДС, наведенная в выходных обмотках, изме-
няется по синусоидальному и косинусоидаль-
ному законам соответственно. Т. в. в таком
включении называют синусно-косинусным. В
линейных Т. в. в однофазной обмотке индуци-
руется ЭДС с амплитудой, линейно зависящей
от углового положения ротора. Точность Т. в.
(0.1...30') намного выше, чем сельсинов (см.
ст. 32.4), что позволяет успешно применять их
в системах дистанционной передачи угловых
перемещений, бортовых вычислительных уст-
ройствах, а также в качестве масштабирую-
щих устройств, фазовращателей, преобразова-
телей координат [2, 3].
Аналогичный принцип положен в основу
работы индуктосинов. Индуктосин — инфор-
мационная бесконтактная электрическая ма-
шина без магнитопровода с печатными первич-
ной и вторичной обмотками. Выходное напря-
жение вторичной обмотки является функцией
углового положения ротора. Индуктосины ис-
пользуют в качестве датчиков угловых переме-
щений в следящих системах, как прецизион-
ные преобразователи «угол поворота — код» и
«код — угол поворота» [2, 3].
32.8. УСИЛИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГ-
НИТНЫЙ (МАГНИТНЫЙ) — усилитель
мощности переменного тока, принцип дейст-
вия которого основан на управлении большой
мощностью переменного тока насыщаемым
дросселем (см. ст. 31.1), реактивное сопротив-
ление которого изменяется под действием ма-
лой мощности постоянного тока подмагничи-
вания. Простейший У. э. имеет две обмотки:
управления Wy (Рис. 32.9, а) и рабочую ин-
дуктивность L которой определяется магнит-
ной проницаемостью р сердечника (послед-
няя, в свою очередь, зависит от тока управле-
ния 1У): L = где
Ц-И>у ' k ’
Вт — амплитуда переменной составляющей
магнитной индукции; wp, wy — число витков
рабочей обмотки и обмотки управления; 5, /о —
площадь поперечного сечения и средняя длина
магнитной силовой линии сердечника соответ-
ственно. Источником питания такого усилителя
является напряжение U. Выбором параметров
дросселя достигается эффект усиления. Такому
У. э. присущ ряд недостатков: нечувствитель-
ность к полярности управляющего сигнала, на-
личие связи между входной и выходной состав-
ляющими переменного тока. Эти недостатки
отсутствуют в конструкции с раздельными об-
мотками Wp (Рис. 32.9, б). Выходная мощность
У. э. достигает сотен киловатт, а коэффициент
усиления больше, чем электронных усилите-
лей. У. э. нечувствительны к электрическим пе-
регрузкам и механическим воздействиям, име-
ют большой срок службы, просты в эксплуата-
ции и широко применяются в АСУ [4].
Модулятор магнитный — У. э. напряже-
ния, предназначенный для преобразования
слабых сигналов постоянного тока в сигналы
переменного тока. М. м. используют в УПТ,
построенных по схеме: модулятор — усили-
тель переменного тока — демодулятор.
32.9. УСТРОЙСТВО ИСПОЛНИТЕЛЬ-
НОЕ — устройство АСУ, осуществляющее
при поступлении на его вход управляющих
сигналов определенное воздействие на объект
регулирования. К У. и. принадлежат электро-
двигатели, муфты, тяговые электромагниты,
реле и т.п.
Глава 32 ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
883
ГЛАВА 32
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Левшина Е.С., Новицкий В.П. Электрические измерения физических величин: Измери-
тельные преобразователи. — Л.: Энергоатомиздат, 1983. — 320 с.
2. Армейский Е.В., Фалк Г.Б. Электрические микромашины. — М.: Высш, шк., 1985. —
231 с.
3. Волков Н.И., Миловзоров В.П. Электромашинные устройства автоматики. — М.: Высш,
шк., 1986. — 336 с.
4. Миловзоров В.П. Электромагнитные устройства автоматики. — М.: Высш, шк., 1983. —
408 с.
884
РАДИОТЕХНИКА
ГПДВД 33
ЭЛЕМЕНТЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ
• Хорошая программа —
это программа, написанная так,
что она понятна другим людям.
Д. Прайс
• Математика — тоже язык.
Дж. Гиббс
• Научиться программировать
на компьютере —все равно,
что научиться ходить.
Как только вы сможете
самостоятельно держаться
на ногах, так начинается
настоящая работа.
Том Сван
• Каждая последняя ошибка
в программе — предпоследняя.
Из аксиом программирования
• Hominis est erare — человеку
свойственно ошибаться,
но все окончательно запутать
может лишь машина.
Пятый закон ненадежности Джилби
• Программа для аналитической машины
Ч. Беббиджа — леди Ада Лавлейс,
(Англия, 1843 г.).
• Первая версия алгоритмического
языка Фортран
(IBM, США, 1956 г.).
• Алгоритмический язык Алгол —
международный стандарт (1958 г.).
• Алгоритмический язык Кобол —
(США, 1960 г.).
Программирование — это совокупность
действий, необходимых для создания програм-
мы, включая анализ требований и все стадии
ее разработки и реализации. Порядок изучения
статей главы — произвольный.
33.1. АДРЕС — символ или группа симво-
лов, указывающих на место нахождения или
назначения данных (см. ст. 9.1).
Адрес абсолютный — А., который в ходе
вычисления физического А. не может быть да-
лее уточнен программными средствами; в каж-
дый данный момент в вычислительной маши-
не устанавливается однозначное отображение
используемых абсолютных А. на физические
А. Употребляется в противопоставление поня-
тию перемещаемый А.
Адрес исполнительный — прямой А., ко-
торый получают соответственно какому-либо
способу адресации (см. ст. 9.1).
Адрес логический — А., определяемый
машинной программой; подлежит возмож-
ным модификациям при редактировании свя-
зей, динамической переадресации, префик-
сации и т.п.
Адрес перемещаемый — А., подлежащий
модификации в перемещаемой программе.
Адрес прямой — А., указанный непо-
средственно в команде ЭВМ; является физи-
ческим А.
Адрес символический — А., определяе-
мый средствами символьного языка низкого
уровня — ассемблера, авто- или мнемокода.
Адрес физический (машинный) — А.,
соответствие которого некоторому устройст-
ву или его части закреплено организацией
технических средств ЭВМ; физический А. в
ходе локализации элемента данных воспри-
нимается непосредственно аппаратными или
микропрограммными средствами исходя из
соответствия между абсолютными и физиче-
скими А. в данный момент.
Глава 33. ЭЛЕМЕНТЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ
885
33.1. АДРЕС
Пространство адресное — совокупность
ячеек, к которым можно обращаться с исполь-
зованием машинного А. (см. ст. 9.2).
33.2. АЛГОРИТМ — конечный набор ин-
струкций, определяющий решение задачи с по-
мощью конечного числа операций. Пример:
полное формулирование последовательности
арифметических операций, с помощью кото-
рых осуществляется вычисление синуса с за-
данной точностью (см. ст. 1.1).
33.3. АССЕМБЛЕР — программа или тех-
ническое средство, выполняющие ассемблиро-
вание — трансляцию программы (см. ст. 33.34),
изложенной языком ассемблера, в язык машин-
ных кодов (команд, адресов и пр.), и, если есть
необходимость, установление связи со стан-
дартными программами. Ассемблирование,
как правило, заканчивается заменой кодов опе-
раций языка ассемблера кодами операций ма-
шинного языка, а символических адресов —
исполнительными.
Язык ассемблера — система обозначе-
ний, используемая для представления в удобо-
читаемой форме программ, записанных в ма-
шинном коде, т.е. на машинно-ориентирован-
ном языке программирования. Язык ассембле-
ра позволяет программисту пользоваться ал-
фавитными мнемоническими кодами опера-
ций (например, мнемоника LDA соответству-
ет операции загрузки аккумулятора load accu-
mulator), по своему усмотрению присваивать
символические имена регистрам ЭВМ и памя-
ти, а также задавать удобные для себя схемы
адресации. Кроме того, он дает возможность
использовать разные системы счисления (на-
пример, десятичную или шестнадцатеричную)
для представления числовых констант и поме-
чать специальными метками строки програм-
мы для того, чтобы к ним могли обращаться по
символическим именам другие части про-
граммы, например, в случае передачи управ-
ления или при переходах.
33.4. БИБЛИОТЕКА ПРОГРАММ — со
вокупность отдельных программ или про-
граммных пакетов, предназначенных для об-
щего использования в определенной среде.
Компоненты Б. п. не обязательно должны быть
связанными. Типовая Б. п. может содержать
трансляторы, обслуживающие программы, па-
кеты программ для математических расчетов,
машинной графики и пр.
33.5. БЛОК (в языках программирования)
— составной оператор, область действия кото-
рого совпадает с областью действия по край-
ней мере одного из входящих в него описаний.
В некоторых языках программирования (на-
пример, Алгол-60, Паскаль) для ограничения
области действия блока применяют оператор-
ные скобки begin и end.
33.6. ГЕНЕРАЦИЯ ПРОГРАММНЫХ
СРЕДСТВ — автоматизированная настройка
программных средств. В результате генерации
состав и логическая структура программ при-
водятся в соответствие с конфигурацией вы-
числительной системы, режимом работы и
классом решаемых задач.
Генерация системы — компоновка
средств операционной системы. Любая боль-
шая система почти всегда состоит из опреде-
ленного числа отдельных программных моду-
лей, каждый из которых касается отдельных
аспектов функционирования системы или оп-
ределенных типов устройств. Когда известно,
что какие-либо функциональные возможности
или устройства не будут использоваться, мож-
но выключить соответствующий модуль и так
сгенерировать конкретный вариант системы,
что она будет содержать лишь те модули, кото-
рые обязательно понадобятся.
33.7. ДАННЫЕ — информация, представ-
ленная в виде, пригодном для использования
автоматизированными средствами с возмож-
ным участием человека.
База Д. — совокупность Д., организован-
ная по определенным правилам, предусмат-
ривающим общие принципы описания, хране-
ния и манипулирования Д., независимые от
прикладных программ. Создание и управле-
ние Б. д. осуществляют зачастую с помощью
специальных систем управления.
33.8. КОММЕНТАРИЙ — языковая кон-
струкция, позволяющая включать в программу
определенные тексты, не влияя на ее выполне-
ние. К. служит для пояснения особенностей
программы, описания реализованного алго-
ритма и пр. Для выделения К. могут приме-
няться служебные (зарезервированные) слова
(comment, rem и пр.), фигурные скобки {}, раз-
делители типа «(*», «/*», «*)», «*/», «*» и т.п.
В К. разрешается использовать символы, не
входящие в алфавит языка (буквы кириллицы,
специальные символы и пр.). Основное назна-
чение К. — сделать программу понятной и об-
легчить работу с нею пользователю, в том чис-
ле самому программисту. Удачно спланирован-
ная система К. значительно облегчает понима-
ние программы. Рекомендуется сопровождать
К. заголовок программы для пояснения ее на-
886
РАДИОТЕХНИКА
33.13. МОНИТОР
значения и использованного алгоритма, назна-
чение констант и переменных; использовать К.
для разграничения разделов программы и вза-
имосвязанных операторов; в конце концов, для
пояснения непривычных или неочевидних ас-
пектов использованного алгоритма.
33.9. МАКРОСРЕДСТВА — комплекс
программных средств, обеспечивающих про-
граммирование на более высоком уровне, чем
уровень отдельных машинных команд (в ас-
семблерах) или операций обработки текста (в
текстовых редакторах).
Макрогенератор — машинная программа,
которая заменяет макрокоманды на выходном
языке определенной последовательностью ко-
манд (преобразование макрокоманд в макро-
расширения).
Макрокоманда — предложение языка про-
граммирования, вместо которого макрогенера-
тор подставляет его макрорасширение. Макро-
команда в ассемблере обеспечивает механизм
размещения определенного текста в различных
местах программы с подстановкой фактичес-
ких параметров в указанные точки в теле мак-
рокоманды. Макрокоманда в текстовом редак-
торе обеспечивает выполнение определенной
(описанной в теле макрокоманды) последова-
тельности действий над текстом — перемеще-
ния курсора, выделение текста (блока), переме-
щение или замену элементов текста и пр.
Макроопределение — программа, под уп-
равлением которой макрогенератор создает ма-
крорасширение макрокоманды. Например, в
языке ассемблера для ПК IBM PC макроопре-
деление имеет три части:
— заголовок — псевдооператор MACRO, в
поле метки которого указывают имя макро-
определения, а в поле операнда — необяза-
тельный список формальных параметров. В
последнем задают переменные — входные па-
раметры, которые можно изменять во время
каждого вызова макроопределения;
— тело — последовательность операторов
ассемблера (команд и псевдооператоров), кото-
рые задают действия, выполняемые макро-
определением;
— концевик — псевдооператор ENDM,
указывающий на конец макроопределения.
Макрорасширение — последователь-
ность предложений, которые создаются макро-
генератором во время обработки макрокоман-
ды под управлением макроопределения и
вставляются в программу вместо макрокоман-
ды. В определенном смысле М. аналогично
подпрограмме, в которой на место формаль-
ных подставлены фактические параметры.
Макроязык — язык программирования,
предназначенный для представления макро-
определений.
33.10. МАССИВ ДАННЫХ — конструк-
ция данных, компоненты которой идентичны
по своим характеристикам и перечисляются
как значения функции фиксированного числа
целочисленных аргументов (каждый компо-
нент конструкции описывается одинаковыми
атрибутами и может быть однозначно пред-
ставлен с помощью индексации).
Размерность массива — число аргумен-
тов, определяющих размер массива.
33.11. МЕТКА — языковая конструкция,
устанавливающая имя оператору и являющаяся
идентификатором — строкой символов, кото-
рая помечает или именует объект программы
или вычислительной системы. Область дейст-
вия М. ограничивается объемом программного
модуля, в котором она описана в разделе меток
(Паскаль) или использована (Си, Фортран).
33.12. МОДУЛЬ — языковая конструкция,
состоящая из процедур и описаний данных и
допускающая сочетание с иными конструкция-
ми аналогичного типа.
Загрузочный М. — программная единица,
пригодная для загрузки в основную память
ЭВМ для последующего выполнения; является
результатом работы редактора связей. Зачас-
тую существует в виде файла с расширениями
COM, EXE (см. ст. 33.35).
Объектный М. — программная единица,
являющаяся результатом трансляции (см. ст.
33.34) первичного М. и пригодная для обработ-
ки редактором связей. Файлы, содержащие
объектные М., получают расширение OBJ.
Первичный М. — записанная первичным
языком программа, которая обрабатывается
транслятором и предъявляется в наборе дан-
ных как целое. Как правило, файлам, содержа-
щим тексты первичных М., присваивают рас-
ширения, созвучные названиям языков про-
граммирования, например PAS, СРР, FOR и т.п.
Программный М. — программа, которая
рассматривается как целое с позиций сохране-
ния в наборе данных, трансляции, объедине-
ния с другими такими М. и загрузки в опера-
тивную память для выполнения.
33.13. МОНИТОР — машинная програм-
ма, наблюдающая, регулирующая, контролиру-
ющая или проверяющая операции в системе
обработки данных.
Глава 33 ЭЛЕМЕНТЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ
887
33.14. ОВЕРЛЕЙ
33.14. ОВЕРЛЕЙ (перекрытие) — часть
(сегмент) машинной программы, которая не
находится постоянно во внутренней памяти.
Во время выполнения машинной программы с
перекрытием ее сегменты поочередно загружа-
ются в область памяти, которая ранее была за-
нята частями машинной программы, не нуж-
ными в данный момент времени.
33.15. ОПЕРАТОР — языковая конструк-
ция, составляющая одну законченную последо-
вательность действий вычислительной системы.
Оператор выбора — О., являющийся
обобщением условного О. и дающий возмож-
ность выполнить один из нескольких О. в зави-
симости от значения определенного выраже-
ния, называемого селектором (Паскаль), клю-
чом (Алгол), назначенным или вычисленным
О. GO ТО (Фортран).
Оператор перехода безусловный — О.,
вызывающий единственно возможное измене-
ние естественного порядка выполнения инст-
рукций программы и имеющий вид go to М,
где М — метка О., которому передается управ-
ление программой. Одним из признаков пра-
вильно разработанной программы является
минимальное число (или полное отсутствие)
О. п. б.
Оператор перехода условный (О. услов-
ного перехода) — О., реализующий структуру
выбора и дающий возможность выполнить
один из двух О., которые входят в него, в зави-
симости от значения определенного логичес-
кого выражения. Общий вид О. п. у.:
if (логическое выражение) then (О. 1)
else (О. 2).
Если значением логического выражения яв-
ляется TRUE (истина), то выполняется О. 1, а
О. 2 пропускается. Если значением логического
выражения является FALSE (ложь), то выпол-
няется О. 2, а О. 1 пропускается. О. 1 и О. 2, в
свою очередь, могут быть О. п. у, что позволя-
ет описывать сколь угодно сложную процедуру
поиска одного из возможных выходов.
Сокращенная форма О. п. у. имеет вид:
if (логическое выражение) then (О.).
Здесь О. выполняется только тогда, когда
значением логического выражения является
TRUE. В некоторых языках (Си, Фортран) сло-
во then не используется.
Оператор присваивания — О., устанав-
ливающий значение переменной, полученное в
результате вычисления выражения. Общий вид
О. п.:
переменная : = выражение (Паскаль);
переменная = выражение (Си, Фортран,
Бейсик).
Оператор цикла — последовательность
команд (О.), которые повторяются до тех пор,
пока не будет выполнено предусмотренное ус-
ловие, например, по согласованию с элементом
данных или по заполнению счетчика. Последо-
вательность команд (О.) составляет тело цикла,
а условие завершения входит в его заголовок.
Оператор цикла с параметром — О., ис-
пользуемый при заранее известном числе по-
вторений тела цикла, что определяется значе-
нием специальной переменной — параметра
цикла, изменяющейся с постоянным шагом во
время каждой итерации. В языках Си, Фортран
О. ц. п. является наиболее общей формой пост-
роения циклического процесса, в отличие от
языка Паскаль, где параметрами цикла могут
быть только целые переменные, изменяющие-
ся на +1 или -1. О. ц. п. записывают в виде:
for (выражение 1; выражение 2; выраже-
ние 3) (О.) — Си;
DO (метка) (переменная = выражение 1,
выражение 2, выражение 3) (О.) — Фортран;
for (переменная: = выражение) to [down to]
(выражение) do (О.) — Паскаль,
где to отвечает изменению переменной на +1,
a downto — на -1.
Оператор цикла с предусловием — О.,
задающий повторное выполнение размещен-
ного в нем О. (тела цикла) в зависимости от ус-
ловия, которое проверяется каждый раз перед
выполнением очередной итерации; поэтому
возможна ситуация, когда при обращении тело
цикла не выполнится ни разу. Общий вид это-
го О.:
while (логическое выражение) do (О.) —
Паскаль;
while (условное выражение) do (О.) — Си.
Оператор цикла с послеусловием — О.,
задающий повторное выполнение размещен-
ного в нем О. (тела цикла) в зависимости от ус-
ловия, которое проверяется каждый раз после
выполнения очередной итерации. Отсюда сле-
дует, что в данной конструкции тело цикла
должно выполниться хотя бы один раз. О. ц. п.
записывают в виде:
repeat (О.) until (логическое выражение)
— Паскаль;
do (О.) while (условное выражение) — Си.
Следует отметить особенность реализации
О. ц. п. в языке Паскаль (для трансляторов
фирмы Borland): слово until интерпретируется
не как “пока”, а как “пока не станет”.
888
РАДИОТЕХНИКА
33.22. ПРОГРАММИРОВАНИЕ
33.16. ОТЛАДКА ПРОГРАММЫ — вы-
явление, локализация и устранение ошибок в
программе вычислительной машины. Выявле-
ние и локализация синтаксических ошибок вы-
полняются автоматически транслятором; для
поиска и устранения логических ошибок, свя-
занных с выполнением запрограммированного
алгоритма, используют различные программы,
предназначенные для анализа поведения нала-
живаемой программы, которые обеспечивают
пошаговое выполнение, приостановление в
указанных точках или, при выполнении ука-
занных условий, обзор и изменение содержи-
мого ячеек памяти, регистров процессора и ко-
манд программы.
33.17. ПАМЯТЬ ВИРТУАЛЬНАЯ — па-
мять, которая может рассматриваться пользо-
вателем вычислительной системы как основ-
ная, потенциально доступная системе адреса-
ции; в процессе обмена данными виртуальные
адреса превращаются в реальные. Размер П. в.
ограничен схемой адресации вычислительной
системы и объемом имеющейся вспомогатель-
ной памяти.
33.18. ПАРАМЕТР ФАКТИЧЕСКИЙ —
выражение, задающее объект или значение при
обращении к процедуре, функции или макро-
команде.
33.19. ПАРАМЕТР ФОРМАЛЬНЫЙ —
параметр, определенный в заголовке процеду-
ры, функции или макрокоманды. При обраще-
нии к ней заменяется фактическим парамет-
ром.
33.20. ПЕРЕМЕННАЯ — программный
объект, имеющий имя (идентификатор) и зна-
чение, которое может быть получено и измене-
но программой. Диапазон возможных значе-
ний П. определяется ее типом, который может
задаваться в неявном виде, например, INTE-
GER (целое число), REAL (число с плавающей
точкой), STRING (строка) или в явном виде,
например, языком Паскаль: Type color = (red,
green, blue).
Глобальная переменная — переменная,
описанная в охватывающем блоке или на верх-
нем уровне программного модуля и доступная
во всех охватываемых блоках или на нижних
уровнях программного модуля.
Локальная переменная — переменная,
описанная в данном блоке или модуле и недо-
ступная йне его (локализованная в блоке).
33.21. ПОДПРОГРАММА (процедура) —
программа, являющаяся частью иной програм-
мы и удовлетворяющая требованиям, которые
язык программирования предъявляет к струк-
туре программы. В описании подпрограммы
обязательно наличие трех компонентов:
— интерфейсной части, содержащей ин-
формацию, необходимую для вызова подпро-
граммы;
— совокупности описаний объектов, над
которыми осуществляются действия (простые
переменные, массивы, процедуры и пр.);
— собственно действий (операторов), пред-
ставляющих суть подпрограммы.
Интерфейсная часть подпрограммы сосре-
доточена в ее заголовке, содержащем имя под-
программы и список формальных параметров.
Совокупность описаний объектов и операто-
ров составляет тело подпрограммы. Обмен
данными между подпрограммой и програм-
мой, ее вызывающей, осуществляется или че-
рез механизм формальных/фактических пара-
метров, или через области общей памяти (гло-
бальные переменные, COMMON-блоки и пр.).
Подпрограмма рекурсивная — подпро-
грамма, в теле которой имеется обращение к
самой себе. Некоторые языки программирова-
ния (например, Фортран) не допускают ис-
пользования подобной конструкции.
Подпрограмма-функция (функция) —
подпрограмма, передающая в точку вызова
только одно элементарное значение (например,
значение тригонометрической функции).
33.22. ПРОГРАММИРОВАНИЕ — теоре-
тическая и практическая деятельность по обес-
печению программного управления обработкой
данных, включающая создание программ, а
также выбор структуры и кодирования данных.
Программа — совокупность операторов,
которая может рассматриваться как единое це-
лое в вычислительной системе и используется
для управления ею.
Программирование объектно-ориенти-
рованное (ООП) — П., использующее при-
родные способности человеческого мышления
к классификации и абстрагированию. Термин
ООП появился впервые в начале 80-х годов и
был связан с семейством языков Smalltalk, в
котором, в свою очередь, использовались неко-
торые понятия языка Simula—67.
В осцове ООП лежат три понятия — ин-
капсуляция, наследование и полиморфизм. Ин-
капсуляция (encapsulation) — это слияние дан-
ных и функций, работающих с этими данными,
порождающее абстрактные типы данных, оп-
ределяемые пользователем и описывающие
признаки и способы поведения ряда очень по-
Глава 33. ЭЛЕМЕНТЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ
889
33.22. ПРОГРАММИРОВАНИЕ
хожих объектов. В терминологии ООП эти аб-
страктные типы данных называют классами,
отдельные объекты — экземплярами класса.
Например, такой объект, как точка на экране
дисплея, может включать в себя набор параме-
тров в виде ее координат, цвета, состояния и пр.
(поля объекта или члены-данные класса), а
также группу функций, обеспечивающих ее
создание, перемещение, включение/выключе-
ние и т.п. (методы объекта или функции-члены
класса). Вследствие объединения в одном по-
нятии информации о некотором реальном объ-
екте-прототипе и операций над ним абстракт-
ный тип становится самодостаточной сущнос-
тью, содержащей все требуемые знания о кон-
кретном элементе прикладной области.
Следующее важное свойство — наследова-
ние (inheritance) — позволяет при построении
нового объекта (класса) использовать некото-
рый ранее определенный тип (класс), т.е. мож-
но разрабатывать очень сложные классы, про-
двигаясь от общего к частному, а также нара-
щивать уже созданные, получая из них новые
классы (классы-потомки), немного отличаю-
щиеся от исходных (классов-предков, или ро-
дительских классов). При этом один тип
(класс) может быть предком для произвольно-
го числа типов-потомков, а тип-потомок мо-
жет, в свою очередь, выступать как предок по
отношению к другому типу. Длина такой це-
почки наследования не ограничивается. Класс-
потомок определяет свои собственные поля и
методы и использует поля и методы родитель-
ского класса. В Си++ (см. ст. 33.37) допускает-
ся множественное наследование, когда класс
является производным от нескольких базовых
классов, что позволяет в производном классе
сочетать поведение нескольких классов.
Полиморфизм (polymorphism) означает, что
один и тот же метод класса выполняется по-
разному для разных объектов, причем реализу-
ется это не на этапе компиляции программы, а
на этапе ее выполнения, для чего используют-
ся понятия виртуальных функций-членов и по-
зднего связывания.
Программирование системное — созда-
ние системного программного обеспечения.
Граница между системным и прикладным про-
граммированием зависит от конкретных обсто-
ятельств. Например, с точки зрения програм-
миста, занимающегося операционной систе-
мой, человек, который создает компилятор, яв-
ляется пользователем системы (т.е. приклад-
ным программистом), хотя этот самый человек
будет, возможно, рассматриваться как систем-
ный программист тем лицом, которое занима-
ется составлением подпрограмм для поиска
минимума функции. Вместе с тем человек, ко-
торый будет использовать программу миними-
зации, может считать всех трех вышеупомяну-
тых лиц системными программистами.
Программирование структурное — одна
из методологий разработки и документирова-
ния алгоритмов и программ. В основу П. с. за-
ложены такие достаточно простые положения:
— алгоритм и программа должны разраба-
тываться поэтапно (по шагам);
— сложная задача должна разбиваться на
сопоставимые простые части, каждая из кото-
рых легко воспринимается и имеет только
один вход и один выход;
— логика алгоритма и программы должна
опираться на минимальное число достаточно
простых базовых управляющих структур.
Использование этих положений позволяет
внести определенную систему в труд програм-
миста, составлять удобные для чтения алгорит-
мы и программы, которые легко изучать и про-
верять. Основой структурного программирова-
ния является теорема о структурировании, ко-
торая устанавливает, что какой бы сложной ни
была задача, схема соответствующей програм-
мы всегда может быть представлена с примене-
нием достаточно ограниченного числа элемен-
тарных управляющих структур. Последние
можно объединять, создавая более сложные
структуры по одним и тем же элементарным
схемам. Базовыми элементарными структура-
ми являются структуры типа последовательно-
сти, выбора и повторения (цикла с предуслови-
ем), изображенные на Рис. 33.1, а—в соответ-
890
РАДИОТЕХНИКА
33.30. СИСТЕМА ОПЕРАЦИОННАЯ
ственно, где S, S2 — операторы; р — усло-
вие, от выполнения которого зависит порядок
действий. Эти структуры имеют функциональ-
ную полноту, т.е. любой алгоритм можно реа-
лизовать в виде композиции этих трех конст-
рукций.
Довольно часто П. с. допускает использо-
вание большего числа базовых структур. В
языке Паскаль, где наиболее полно отобрази-
лись идеи П. с., применяют еще четыре эле-
ментарных структуры: сокращенную запись
разветвления; структуру варианта; структуру
повторения или цикла с параметром; структу-
ру цикла с послеусловием (Рис. 33.2, а—г со-
ответственно; обозначения те же, что и на
Рис. 33.1). Наличие в составе языка средств
(операторов), которые дают возможность непо-
средственно реализовать в программе любую
из этих структур, обеспечивает упрощение
следующих этапов решения задач на ЭВМ.
33.23. РЕДАКТОР СВЯЗЕЙ — програм-
ма, применяемая для построения одного загру-
зочного модуля из одного или нескольких неза-
висимо транслированных объектных модулей
или загрузочных модулей.
33.24. РЕЖИМ ДИАЛОГОВЫЙ — режим
работы вычислительной системы, при котором
обмен запросами и ответами между пользовате-
лем и вычислительной системой происходит в
форме, напоминающей диалог двух лиц. При
этом человек и вычислительная система обме-
ниваются данными в темпе, соизмеримом с тем-
пом обработки данных человеком.
33.25. РЕЖИМ ИНТЕРАКТИВНЫЙ —
режим взаимодействия вычислительной систе-
мы с пользователем, который выражается в
различных воздействиях на процесс обработки
данных, предусмотренных механизмом управ-
ления конкретной вычислительной системы, и
соответствующих реакциях процесса.
33.26. РЕЖИМ МУЛЬТИЗАДАЧНЫЙ
(МУЛЬТИПРОГРАММИРОВАНИЯ) — ре
жим работы, предусматривающий параллель-
ное выполнение или чередование выполнения
двух и более задач.
33.27. РЕЖИМ ПАКЕТНОЙ ОБРА-
БОТКИ (пакетная обработка) — обработка
данных или выполнение задач, накопленных
заранее, причем пользователь не может влиять
на обработку, пока она длится.
Задача пакетная — задача вычислитель-
ной системы, выполняемая в Р. п. о.
33.28. РЕЖИМ РАЗДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕ-
НИ — мультипрограммный режим, при кото-
ром ресурсы вычислительной системы предо-
ставляются каждому процессу (из группы про-
цессов обработки данных, находящейся в вы-
числительной системе) в интервалы времени,
продолжительность и очередность которых оп-
ределяются управляющей программой систе-
мы с целью обеспечения одновременного про-
хождения процессов этой группы в интерак-
тивном режиме.
33.29. РЕЖИМ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕ-
НИ — режим обработки данных, при котором
обеспечивается взаимодействие цифровой вы-
числительной системы с внешними по отноше-
нию к ней процессами в темпе, соизмеримом с
темпом прохождения этих процессов.
33.30. СИСТЕМА ОПЕРАЦИОННАЯ —
базовый комплекс программ для управления
ресурсами вычислительной системы и про-
цессами, в которых используются эти ресур-
сы при вычислениях. С. о. должна обеспечить
пользователям возможность работы на ЭВМ,
предоставив им удобную форму взаимодейст-
вия и защиту от аварийных ситуаций. С. о.
выполняет такие функции: управление памя-
тью, вводом-выводом, файловой системой,
взаимодействием процессов; диспетчериза-
ция процессов; учет использования ресурсов;
Глава 33 ЭЛЕМЕНТЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ
891
33.30. СИСТЕМА ОПЕРАЦИОННАЯ
обработка входных команд. В большинстве
своем системные сервисные программы,
трансляторы и прочие средства разработки
программ также являются частью С. о. Совре-
менные С. о. должны дополнительно обеспе-
чивать работу ЭВМ в сети, а С. о. для порта-
тивных ПК — управлять потреблением энер-
гии. Первые С. о. были созданы еще в конце
40-х гг. для первых ЭВМ.
33.31. ТОЧКА ВХОДА (процедуры) —
языковая конструкция в процедуре, отмечаю-
щая начало последовательности действий в
ней. Процедура может иметь несколько точек
входа; у каждой из них есть идентификатор,
который служит именем точки входа, и, в слу-
чае необходимости, формальные параметры.
33.32. ТОЧКА ПОВТОРНОГО ВХОДА
— адрес или метка команды, по которой ма-
шинная программа, вызывающая подпрограм-
му, осуществляет повторный вход в нее.
33.33. ТОЧКА ПРЕРЫВАНИЯ — место в
машинной программе, определенное коман-
дой, где может быть прервано выполнение
программы внешним вмешательством или дей-
ствием программы-монитора.
33.34. ТРАНСЛЯТОР — программа или
техническое средство, осуществляющие
трансляцию программы. Транслятор обеспечи-
вает диагностику ошибок, формирует словари
идентификаторов (см. ст. 33.20), выводит на
печать текст программы и пр.
Трансляция программы — преобразова-
ние программы, представленной на одном из
языков программирования, в программу на
другом языке и в определенном смысле равно-
ценную первой. Существуют два вида трансля-
ции: компиляция и интерпретация. В случае
интерпретации транслятор анализирует пер-
вичный текст программы и выполняет ее по-
операционно (строка за строкой) без предвари-
тельного преобразования в загрузочный мо-
дуль (так работают, например, интерпретаторы
с языка Бейсик). В отличие от интерпретатора
компилятор генерирует объектный модуль, ко-
торый далее подлежит обработке редактором
связей (см. ст. 33.23) и преобразованию в за-
грузочный модуль. Во время выполнения ском-
пилированной программы ни начальный текст,
ни сам компилятор не нужны.
33.35. ФАЙЛ — блок информации, храня-
щийся во внешнем ЗУ (т.е. на магнитном, оп-
тическом диске или на магнитной ленте) до за-
вершения задачи или преодоления ограниче-
ний, связанных с объемом основного ЗУ. Файл
может содержать данные, программы, тексты и
любую другую информацию.
Защита файлов — защита от ошибочной
или несанкционированной записи или выбор-
ки информации (в случае программных фай-
лов — от ошибочного или несанкционирован-
ного выполнения). Защита может быть физиче-
ской, т.е. связанной с гарантированием безо-
пасности носителя файла и реализуемой с по-
мощью эксплуатационных процедур, или логи-
ческой, т.е. связанной с безопасностью содер-
жимого файлов и реализуемой программными
средствами.
Описатель файла — информационная
структура, которая описывает файл и содержит
его имя, номер поколения, даты последнего обра-
щения и уничтожения, структуру записей и т.п.
Как правило, описатель является первой (от
начала) записью файла, хранящегося на маг-
нитной ленте или диске. Имя файла состоит из
адресной части (размещение первого кластера,
см. ст. 33.36), собственно имени файла, а также
дополнительной (во многих случаях необяза-
тельной) характеристики — расширения, ис-
пользуемого для обозначения типа данных, по-
мещенных в файл (см. ст. 33.12, 33.36).
33.36. ФОРМАТ — точно определенная
структура информационного объекта, подвер-
гающегося обработке, записи на магнитный
или оптический носитель, отображению на
дисплее или печати на бумаге.
Формат диска — способ размещения ин-
формации на дисковом накопителе. Все дис-
ки, как гибкие, так и жесткие, организованы
одинаково. Поверхность диска разделена на
ряд концентрических колец — дорожек. Же-
сткие диски, как правило, состоят из несколь-
ких параллельных пластин (число рабочих
поверхностей больше двух); все дорожки,
размещенные на одинаковом расстоянии от
центра, составляют цилиндр. Каждая дорож-
ка разбивается на определенное число секто-
ров емкостью 512 байт, секторы могут объе-
диняться в группы — кластеры. Для отведе-
ния места под файлы и хранения информации
о свободных секторах используется таблица
размещения файлов (FAT). Каждая позиция в
таблице соответствует определенной позиции
кластера на диске, а запись в каталоге файлов
содержит номер стартового кластера. Если
файл занимает больше, чем один кластер, то в
позиции FAT, соответствующей первому клас-
теру, содержится номер кластера, в котором
размещена следующая часть файла. Этому
892
РАДИОТЕХНИКА
33.37. ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ
кластеру соответствует своя запись в FAT, ко-
торая, в свою очередь, содержит адрес следу-
ющего кластера в цепочке. Использование
кластеров дает возможность уменьшить раз-
мер FAT, но может привести к неэкономному
использованию дискового пространства при
записи коротких файлов.
Формат файла — общепринятая или стан-
дартизованная система размещения информа-
ции в файле, что обеспечивает обмен данными
между программами, операционными система-
ми, отдельными ЭВМ. Различают форматы для
внутреннего представления данных и для об-
мена данными между различными программа-
ми. В зависимости от типа информации, храня-
щейся в файле, различают форматы файлов си-
стем управления базами данных (файлы с рас-
ширениями DBF, DBT, NDX, FRM), электрон-
ных таблиц (расширения WKS, WK1, WK3,
SIF, SDI), текстовых редакторов (расширения
TXT, DOC, WPF, RTF), а также графические
форматы для растровой и векторной графики
(расширения GIF, TIF, CGM, SCR, BMP) и др.
Существуют программы для преобразования
одних Ф. ф. в другие — такая проблема возни-
кает, например, при выводе графического изо-
бражения на печатающее устройство.
33.37. ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ
— система обозначений, служащая для точно-
го описания программ или алгоритмов для
ЭВМ. Языки программирования являются ис-
кусственными языками, в которых синтаксис
и семантика строго определены, поэтому они
не допускают свободного толкования выраже-
ний, характерного для естественных языков.
Особенностью эволюции подавляющего
большинства популярных языков программи-
рования (например, Фортран, Бейсик, Си) яв-
ляется их постепенное усложнение, обуслов-
ленное естественным стремлением разработ-
чиков к расширению возможностей языка
вслед за развитием программирования как от-
дельной области науки, а также за прогрессом
электронно-вычислительной техники
Язык программирования высокого
уровня — Я. п., средства которого допуска-
ют описание задачи в наглядном, легко вос-
принимающемся виде (Фортран, Бейсик, Си,
Паскаль и пр.). Известно почти 2000 Я. п. в.
у., но популярными среди них являются не
более десятка.
Язык программирования низкого уров-
ня — Я. п. машинно-ориентированный (язык
ассемблера).
Язык программирования машинно-ори-
ентированный — Я. п., соответствующий
структуре данной ЭВМ или данного класса
ЭВМ (например, языки ассемблера для ЭВМ
семейств PDP, IBM, однокристальных микро-
ЭВМ и пр.).
Язык программирования проблемно-
ориентированный — Я. п., предназначенный
для решения определенного класса задач (на-
пример, язык Кобол — см. далее; Лого — Я. п.,
разработанный для обучения программирова-
нию детей дошкольного и младшего школьно-
го возраста; СНОБОЛ — Я. п., предназначен-
ный для обработки текстовых данных, и пр.).
Язык программирования универсаль-
ный (общего назначения) — Я. п., объединяю-
щий на одной методической основе наиболее
существенные свойства и средства современ-
ных машинно- и проблемно-ориентированных
Я. п. для записи алгоритмов решения задач
практически в любой области (языки ассемб-
лера, Алгол-68, PL/1 и пр.).
Ада (Ada) — Я. п. высокого уровня, разра-
ботанный по инициативе и при поддержке Ми-
нистерства обороны США; в языке собрано
много достижений теории языков программи-
рования после 1970 г. Язык Ада был принят
как стандарт Американским национальным
институтом стандартов (ANSI) в 1983 г. Язык
требует строгой дисциплины программирова-
ния, направленной на то, чтобы сделать про-
граммы более удобными для чтения, надежны-
ми, модульными, эффективными, т.е. обладаю-
щими всеми качествами лучших программ.
Язык предусматривает средства высокого
уровня для программирования параллельных
алгоритмов. Параллельность может быть реа-
лизована на многомашинном или многопро-
цессорном комплексе или же смоделирована с
помощью средств мультипрограммирования
(т.е. последовательным выполнением) на од-
ном физическом процессоре.
Параллельные процессы в языке Ада называ-
ются задачами. Задача может содержать входы,
которые вызываются другими задачами. Синхро-
низация двух задач происходит, когда задача, вы-
полнившая вызов входа, и задача, принимающая
этот вызов, могут установить связь между собой
с помощью рандеву. Во время рандеву между за-
дачами происходит обмен данными, который
осуществляется в обоих направлениях через
фактические параметры в операторе вызова вхо-
да и через соответствующие формальные пара-
метры оператора принятия этого вызова.
Глава 33. ЭЛЕМЕНТЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ
893
33.37. ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ
Программы на языке Ада создаются из мо-
дулей четырех типов: подпрограмм; пакетов;
задач; настраиваемых пакетов и подпрограмм.
Последние два типа модулей нельзя использо-
вать непосредственно, они применяются как
шаблоны, для чего должны быть конкретизи-
рованы (через описания) для определенного
набора настраиваемых фактических парамет-
ров. Для этого модули содержат две части —
спецификацию настройки и тело. Конкретиза-
ция создает новую подпрограмму или пакет,
которые можно использовать аналогично лю-
бой иной подпрограмме или пакету.
Компоненты программы могут компили-
роваться (см. ст. 33.34) в отдельности, а сле-
довательно, программы можно разрабатывать
как сверху вниз (нисходящее программирова-
ние), так и снизу вверх (восходящее програм-
мирование). При этом соблюдаются опреде-
ленные требования к порядку (последователь-
ности) выполнения процедуры компиляции
отдельных модулей; поэтому каждый раз, ког-
да компилируется новый компонент програм-
мы, используются некоторые сведения для
проверки согласованности данного программ-
ного компонента с уже скомпилированными
компонентами.
Бейсик (Basic) — Я. п. высокого уровня,
предназначенный для описания алгоритмов ре-
шения вычислительных задач (от англ.
Beginner’s All-purpose Symbolic Instruction
Code — универсальная система символическо-
го кодирования для начинающих). Отличается
простотой, легко усваивается начинающими
программистами благодаря наличию упрощен-
ных конструкций языка Фортран и встроенных
математических функций и алгоритмов (триго-
нометрических и логарифмических, операто-
ров для работы с векторами и матрицами). Раз-
работанный группой студентов Дартмутского
колледжа в 1963 г. язык Бейсик на первых по-
рах предназначался для обучения программи-
рованию. В основном используется на мини- и
микроЭВМ, ПК. Современные реализации
этого языка включают средства обработки ло-
гических и строковых данных и наборов дан-
ных, графические средства и средства органи-
зации диалога.
Кобол (COBOL) — один из распространен-
ных Я. п., относящийся к группе проблемно-
ориентированных языков и предназначенный
для решения задач экономики (от англ.
Common Business-Oriented Language). Разрабо-
тан Конференцией по языкам информацион-
ных систем, отличается развитыми средствами
работы с файлами. Форма представления опе-
раторов близка к разговорному (английскому)
языку. Программа на языке Кобол состоит из
четырех разделов — идентификации, оборудо-
вания, данных и процедур. Основным ее эле-
ментом является слово, которое может быть за-
резервированным или выбранным пользовате-
лем. Слова образуют фразы и операторы. Каж-
дый оператор определяет одно действие, а фра-
за указывает на некоторое свойство или харак-
теристику действия или данных. Операторы и
фразы образуют предложения, которые объе-
диняются в параграфы, параграфы — в сек-
ции, секции — в разделы. Операторы опреде-
ляют манипуляции с данными, взятыми из те-
кущей записи (записей) в одном или несколь-
ких файлах. Файлы могут быть организованы
по последовательному, индексно-последова-
тельному или относительному методу, а систе-
ма управления вводом-выводом обеспечивает
два метода доступа к записям файлов — после-
довательный и произвольный. Записи могут
быть фиксированной, переменной или неопре-
деленной длины.
Паскаль (Pascal) — Я. п. высокого уровня,
разработанный в 1968—1971 гг. Никлаусом
Виртом в Цюрихском институте информати-
ки. На первых порах он предназначался для
обучения программированию. Для этого в
языке предусмотрены управляющие структу-
ры программирования — последователь-
ность, выбор и повторение (см. ст. 33.25) и
структуры данных — массивы, записи, фай-
лы, а также наборы и классы, определяемые
пользователем. Язык Паскаль был относи-
тельно легко реализован на ЭВМ многих ти-
пов. Кроме стандартного языка ISO-PASCAL,
используются модифицированные версии:
Паскаль-Плюс (обеспечивает возможность
параллельного программирования); UCSD-
Paskal (версия для микроЭВМ и универсаль-
ных коммутационных устройств).
Большой популярностью пользуется
Turbo Pascal — мощное расширение амери-
канского стандарта (ANSI Pascal), учитываю-
щее архитектурные особенности операцион-
ной обстановки (MS-DOS) и снабженное вну-
шительными, по объему и разнообразию, па-
кетами стандартных процедур. Кроме обще-
алгоритмических расширений стандартного
языка Turbo Pascal версий 6.0...7.0 содержит
и системно-зависимые расширения — группу
средств, реализующих полный интерфейс
894
РАДИОТЕХНИКА
33.37. ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ
операционной системы MS-DOS (прерыва-
ния, системные вызовы) и обеспечивающих
прямой доступ к физической памяти, портам,
периферийным устройствам и пр. Допускает-
ся непосредственное включение в тексты
программ фрагментов, написанных на языке
ассемблера. Язык также включает аппарат
модулей (units), обеспечивающий современ-
ный уровень модульной технологии при раз-
работке больших программ, и средства, реа-
лизующие объектно-ориентированный стиль
программирования.
Последние версии языка являются полно-
стью объектно-ориентированными (Object
Pascal).
Си (С) — Я. п., разработанный для реали-
зации операционной системы UNIX. Язык ши-
роко применяется в микроЭВМ и ПК. В нем
объединяются особенности современных язы-
ков высокого уровня (касающиеся применяе-
мых управляющих структур и типов данных) с
возможностью адресации аппаратных средств
машины на уровне, который ассоциируется с
языком ассемблера (операции с отдельными
битами, непосредственный доступ к регистрам
центрального процессора ЭВМ).
См+ + (C++) — Я. п., представляющий со-
бой объектно-ориентированное расширение
языка Си. Разработан в начале 80-х годов со-
трудником AT&T Laboratories Бьярном Страу-
струпом. Благодаря своей совместимости с
языком Си и возможности эффективной реа-
лизации на большинстве типов компьютеров
стал основным языком воплощения идей объ-
ектно-ориентированного программирования
(ООП) (см. ст. 33.22) для практической разра-
ботки как системных, так и прикладных про-
грамм. Кроме особенностей, связанных с
ООП, содержит ряд полезных нововведений,
таких, как: обязательность объявлений функ-
ций; передача параметров как по значению,
так и по ссылке; шаблоны функций; перегруз-
ка функций и операторов; упрощенные формы
операторов динамического распределения па-
мяти и др.[1].
Фортран (FORTRAN) — язык программи-
рования, широко используемый при научных
расчетах. Запись программ на нем напоминает
алгебраические уравнения (отсюда и название
FORmula TRANslation — трансляция формул),
что значительно облегчает программирование
вычислений. Первая версия языка (Фортран I)
была разработана фирмой IBM в 1956 г. В 1958 г.
появилась версия Фортран II, которую, в свою
очередь, заменила версия Фортран IV, стандар-
тизированная в 1966 г. Следующей стала вер-
сия Фортран-77, в которой используются прак-
тически все управляющие структуры (см. ст.
33.25), а информационной структурой являет-
ся массив, соответствующий матрицам, широ-
ко используемым в научных расчетах. В языке
Фортран II впервые была реализована важная
идея независимой компиляции подпрограмм,
что дало возможность создавать большие биб-
лиотеки научных подпрограмм. Эффектив-
ность программ, создаваемых первыми компи-
ляторами (см. ст. 33.34) языка Фортран, в зна-
чительной мере обусловила переход к языкам
высокого уровня как основному средству про-
граммирования ЭВМ.
HTML (Hyper Text Markup Language —
язык разметки гипертекстов) - язык публика-
ций, используемый в World Wide Web
(Internet). HTML предоставляет авторам сред-
ства:
— публикации электронных документов с
заголовками, текстом, таблицами, списками,
фотографиями и т.д.;
— загрузки электронной информации с по-
мощью щелчка мыши на гипертекстовой ссылке;
— разработки форм для обмена данными с
удаленными службами, для использования при
поиске информации, резервировании, заказе
продуктов и т.д.;
— включения электронных таблиц, видео-
клипов, звуковых фрагментов и других прило-
жений непосредственно в документы.
Язык HTML был разработан Тимом Бернерс-
Ли во время его работы в CERN и распространен
браузером Mosaic, разработанным в NCSA. В 90-
х годах он получил особенно широкое распрост-
ранение благодаря быстрому росту Web. В это
время HTML был расширен и дополнен.
Язык HTML разрабатывался исходя из то-
го, что все типы устройств (персональные
компьютеры с графическими дисплеями с
различными разрешением и числом цветов,
сотовые телефоны, переносные устройства,
устройства для вывода и ввода речи, компью-
теры с высокой и низкой частотой и т.д.)
должны иметь возможность использовать ин-
формацию Web. HTML предоставляет луч-
шую поддержку различных языков в одном
документе. Это обеспечивает более эффектив-
ное индексирование документов для поиско-
вых машин, типографию высшего качества,
преобразование текста в речь, более удобные
переносы и т.д.
Глава 33 ЭЛЕМЕНТЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ
895
ГЛАВА 33
Список использованной
и рекомендованной литературы
1. Бруно Бабэ. Просто и ясно о Borland C++: Пер. с англ. — М.: БИНОМ, 1996. — 416 с.
2. Замарин А.П., Марков А.С. Толковый словарь по вычислительной технике и программиро-
ванию. — М.: Рус. яз., 1988. — 221 с.
3. Першиков В.М., Савинков В.М. Толковый словарь по информатике. — М.: Финансы и ста-
тистика, 1991. — 543 с.
4. Толковый словарь по вычислительным системам / Под ред. В.Иллингуорта, Э.Л. Глейзера,
И.К. Пайла. — М.: Машиностроение, 1990. — 560 с.
5. Джордейн Р. Справочник программиста персональных компьютеров типа IBM PC, XT и
АТ: Пер. с англ. / Предисл. Н.В. Гайского. — М.: Финансы и статистика, 1992. — 544 с.
6. Гюнтер Борн. Форматы данных: Пер. с нем. — К.: Торг.-издат. бюро BHV, 1995. — 472 с.
896
РАДИОТЕХНИКА
предметный указатель
A-устойчивые методы интегрирования .......553
DX-связь .................................329
DX-экспедиция ............................329
ЕН-мост...................................279
£7/-тройник...............................279
Е-мост ...................................279
Е-тройник ................................279
G-искажения нелинейные....................620
HTML......................................895
//-мост...................................279
//-тройник ...............................279
LC автогенератор..........................506
LC-фильтры Чебышева и Баттерворта.........440
АС-ФСС....................................690
LU-разложение ............................554
MPEG-2....................................627
p-z-и-аттенюатор .........................277
QRP-связь ................................329
QSL-карточка..............................330
ЕС-структуры .............................242
ЕС-фильтры активные...................439, 666
ЕЕ-тригтер асинхронный....................767
Y-циркулятор..............................280
Z-преобразование ..................... 775, 776
Абсолютная координата ....................557
— нестабильность частоты возбудителя .....334
— погрешность средств измерения ..........312
Авистор...................................789
Автоволновой молекулярный процессор.......789
— процесс.................................788
Автогенератор.............................506
— RC......................................506
— гармонических колебаний ................334
— двухконтурный...........................335
— кварцевый...............................335
— кварцевый, трехточечная схема...........336
-----, фильтровая схема ..................337
— с обратной связью.......................506
— одноконтурный...........................334
Автодинный приемник ......................428
Автоколебательные системы.................506
Автоколебательный генератор импульсов ....753
Автокорреляционная функция ...............514
Автомат Мили..............................769
— Мура....................................769
Автоматизация проектирования..............548
Автоматизированная система управления ....284
Автоматизированное рабочее место..........548
Автоматическая настройка.................308
— подстройка частоты ............... 359, 361
— регулировка усиления.............. 362, 363
-------бесшумная.........................363
-------приемников импульсных сигналов .... 363
----------ЧМ сигналов ...................364
-------с временной селективностью.364
— система управления..............283, 284, 285
Автоматические регуляторы уровня.........806
Автоматический поиск радиостанций .......308
— предохранитель.........................870
Автоподмагничивание......................118
Авторегулирование частоты
вращения видеодисков ....................127
Авторегулятор громкости..................807
Автослежение ............................127
Автостабилизатор уровня..................806
Автотрансформатор........................873
Автотрекинг..............................124
Агрегатирование...........................56
Ада......................................893
Адамса методы ...........................553
Адаптации метод..........................593
Адаптация ...............................593
Адаптер видеотекста......................625
Адаптивная антенная решетка .............365
Адаптивные квазиоптимальные
алгоритмы обнаружения....................595
Адаптивный приемник обнаружения сигналов . 381
Адрес....................................885
— абсолютный .........................885
— исполнительный......................885
— логический .........................885
— машинный............................885
— перемещаемый .......................885
— прямой..............................885
— символический.......................885
— физический..........................885
Адресация .............................. 200
Адресная шина ...........................217
Адресное пространство............... 200, 886
Аккумулятор .............................849
Аккумуляторная батарея...................850
Активная зона............................717
— ширина спектра .....................540
Активное устройство обработки сигналов....659
Активные ЕС-фильтры .................439, 666
— элементы твердотельных устройств СВЧ .... 266
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
897
29-2959
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Активный алгебраический сумматор.........660
— преобразователь полных сопротивлений .... 661
— регулятор тембра ......................734
— режим .................................828
— ретранслятор...........................494
— фильтр.................................643
-----Саллена-Кея.........................668
Акустика ................................ 58
Акустическая линия задержки .............779
— обработка помещения....................801
— система................................797
Акустическое взаимодействие излучателей .... 104
— отношение..............................802
— оформление.............................798
— поле...................................798
Акустооптика.............................777
Акустооптический дефлектор...............778
Акустоэлектрический/электроакустический
преобразователь..........................104
Акустоэлектроника........................778
Акустоэлектронное устройство свертки.....794
Акустоэлектронный фильтр ................440
АКФ......................................514
Акцепторная примесь......................192
Алгебраическое сложение..................755
Алгебро-логическая модель ...............567
Алгоритм ............................. 25, 886
— Гаусса—Джордана .......................554
— Краута.................................554
— обнаружения оптимальный......... 595, 596, 599
— обратного размещения...................559
— парных перестановок....................560
— размещения элементов...................560
— решения изобретательских задач.........567
— случайного поиска .....................366
-----размещения .........................560
— трассировки соединений............. 561, 562
— Уидроу.................................366
— формирования весовых коэффициентов .... 366
Алгоритмическая форма....................565
Алгоритм размещения элементов............560
Алгоритмы анализа переходных процессов .... 551
-----статических режимов ................553
-----схем цифровой РЭА...................550
-----чувствительности схем ..............554
-----электрических схем..................549
— асимптотически оптимальные.............593
— геометрических преобразований..........557
— знаковые ..............................604
— компоновки схем........................555
— компьютерной графики ..................556
— обнаружения............................595
— оптимизации электрических схем .......558
— покрытия схем ........................555
— размещения элементов...................559
— разрезания схем . . . ................555
— ранговые.........г... г................605
— решения систем линейных уравнений...554
— смешанные .............................556
— статистического синтеза...............572
— типизации схем........................556
— трассировки .............................561
— формирования изображений...........557, 558
— численного интегрирования обычных
дифференциальных уравнений ..........552
— эвристические..........................556
Алфавитно-цифровые коды..................758
Алюминиевые сплавы.......................185
Алюминий................................. 189
Амбиофоническая система звукоусиления....802
Амортизатор..........................144, 145
Ампера закон................................46
Ампер-веберная характеристика............648
Амплитрон................................255
— с участком дрейфа .......................256
Амплитуда...................................28
— комплексная ....................... 28, 638
Амплитудная диаграмма направленности .......88
— избирательность........................375
— манипуляция............................354
— модуляция.......................... 523, 533
---изменением напряжения возбуждения .... 354
-------смещения............................354
---на выходной электрод
активного элемента...................353
-------управляющий электрод
активного элемента......................353
---сигнала паразитная .....................118
— характеристика ......................... 746
Амплитудное детектирование.................524
Амплитудно-манипулированный сигнал ........405
Амплитудно-частотная избирательность.....375
— характеристика фильтра...................666
---цепи ...................................646
---цифрового фильтра ......................772
Амплитудный детектор .... 370, 371, 677, 678, 679
— метод радиодальнометрии .................472
— модулятор................................354
— обнаружитель.............................385
— спектр ..................................538
Анализ многовариантный.....................549
— одновариантный...........................549
— схем усиления............................736
Анализатор спектров..............312, 313, 314
898
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Аналитическая форма.......................565
Аналитический сигнал .....................532
Аналитическое моделирование...............286
Аналогия...................................56
Аналоговая интегральная микросхема........222
— система АПЧ.........................360, 361
---АРУ ...................................363
Аналоговое рабочее поле конструктива......566
Аналоговые ИМС ...........................225
— электронные устройства..................659
Аналого-цифровой преобразователь......425, 752
Аномальная дисперсия .....................258
Аномальный тлеющий разряд.................830
Антенна аддитивная .......................104
— активная передающая......................90
---приемная ...............................89
— биномиальная............................105
— вибраторная ромбическая...............93
— гармониковая .........................93
— гидроакустическая ...................103
— гониометрическая......................98
— двухвибраторная.......................93
— двухзеркальная Кассегрена ...............94
---Грегори.................................94
---квазипараболическая.....................94
— директорная .............................93
— дискоконусная............................99
— дискостержневая..........................95
— Дольфа—Чебышева ........................105
— импедансная рупорная.....................95
— конически-спиральная ................99, 100
— корреляционная .........................105
— линейная................................104
— логопериодическая.......................100
— магнитная................................98
— микрополосковая .........................96
— мультипликативная.......................105
— непрерывная.............................105
— панельная .............................. 99
— ромбическая вибраторная.................100
— рупорная.............................98, 99
— рупорно-параболическая ..................99
— с искусственной апертурой ..............104
— сверхнаправленная.......................105
— синфазная................................93
— спирально-щелевая.......................100
— стержневая ...........................94
— турникетная ..........................99
— Уда—Яги...............................93
— цилиндрически-спиральная..............99
Антенная решетка.......................96, 105
---адаптивная.............................365
Антенны...................................87
— адаптивные............................89
— активные..............................89
— апертурные............................91
— бегущей волны........................90
— вибраторные.............................92
--- Пистолькорса ........................ 92
---с шунтовым питанием....................92
---четвертьволновые несимметричные........92
---шунтовые...............................92
— волноводно-щелевые ....................100
— диэлектрические.........................94
— зеркальные .............................94
---несимметричные.........................95
---сферические............................95
— импедансные..........................95
— линзовые..............................95
— любительских радиостанций............331
— магнитные............................96
— микрополосковые.......................96
— многодиапазонные радиостанций .......331
— перископические.......................95
— поверхностных волн....................95
— рамочные .............................97
— рупорные..............................98
— с зеркалами специальной формы........95
— слабонаправленные ....................99
— спиральные............................99
— щелевые .............................100
— широкополосные .....................100
Антенные решетки ......................90, 96
Антилогарифматор ........................664
Антиферромагнетизм ......................190
Апериодический широкополосный усилитель .. . 745
Апертура ................................779
— оптимальная .........................618
Апертурная характеристика ...............615
Апертурные искажения.....................620
Аподизация ..............................779
Аппарат телетайпный......................327
Аппаратура бытовая радиоприемная ........295
— магнитной записи.....................114
— медицинская радиоэлектронная........319
Аппроксимация Золотарева ................645
— нелинейных характеристик ...........649
— по Баттерворту ......................644
— по Бесселю ..........................645
— по Чебышеву..........................645
— характеристик фильтров.................644
Априорная неопределенность...............381
Арбитр шины..............................201
Арифметико-логическое устройство ........753
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
899
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Архитектура микропроцессора..............202
Асимптотически оптимальные алгоритмы......593
Асинхронная электрическая, машина ,......879
Асинхронное гашение
и возбуждение колебаний..................536
— моделирование .........................550
Асинхронный /^-триггер...................767
— режим работы усилителя................,517
Ассемблер ...............................886
Астатизм системы.........................291
Атомная батарея .........................852
Аттенюатор ..............................275
— запредельный ......................... 277
— ножевой................................275
— поляризационный........................277
АЧХ линейного тракта приема..............449
База .....................................27
— данных......................... 562, 563, 886
— знаний.................................563
— сигнала ............................62, 511
Базовая ячейка кристалла.................219
Базовый вентиль .........................220
— кристалл ИМС ..........................219
— матричный кристалл.....................219
Байеса критерий ..................... 609, 610
— формула.................................72
Байесовский оптимальный приемник.........381
Байт ....................................134
Балансная амплитудная модуляция .........533
Банк данных .............................562
Барабанный переключатель ................865
Батарея..................................854
— аккумуляторная.........................850
— атомная................................852
— буферная...............................850
— солнечная .............................854
— ядерная ...............................852
Баттерворта фильтр.......................666
Бегущая электромагнитная волна...........812
Безопасность РЭА.........................140
Безотказность ...........................157
Бейсик ................................. 894
Бел .....................................803
Белый шум................................584
Бернулли теорема .........................72
Бескорпусная ИМС ........................228
Беспоисковая радиосвязь .................332
Бесселя фильтр ..........................666
Бесшумная АРУ............................363
— настройка .............................308
Библиотека программ .....................886
Бивикон ..................................616
Бидематроном .............................256
Биение ................................... 27
Биквадратные блоки .......................774
Биквадратный фильтр.......................668
Биматрон..................................253
Бинауральная система......................806
Биоматрица ...............................788
Бионика ..............................58, 140
Био—Савара—Лапласа закон...................46
Биосенсор ............................... 788
— гибридный...............................791
Биполярный транзистор........ 236, 237, 827, 238
— фототранзистор..........................829
Бит.......................................134
Блок..................................... 886
— выпрямительный .........................850
Блоки биквадратные .......................774
— высокоскоростных входов и выходов ......209
Блокирование............................. 378, 452
Боде диаграмма............................715
— критерий................................715
Болевой порог стандартный .........•?•••• 803
Большая ИМС...............................220
Бортовой РЭА ........................139, 168
Брокерит .................................182
Бронза ..................................185
Брегга дифракция .........................778
Брюстера угол.............................820
Булева алгебра............................760
Буфер.....................................757
Буферизация шины .........................218
Буферная батарея..........................850
— память..................................757
Буферный регистр..........................217
Быстродействие............................312
Быстродействующая АРУ.....................363
Быстрое преобразование Фурье .............753
Бытовая радиоприемная аппаратура..........295
Вакуумный индикатор.......................831
Вал.......................................173
Ван-Атта ответчик.........................466
Варактор................................. 267, 836
Варикап ............................ 835, 868
Вариконд ................................ 868
Вариометр.................................863
Варистор ................................ 872
Ваттметр ................................314
Ввод-вывод ...............................202
Вебера—Фехнера закон ......................46
Ведомости ...............................142
900
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Вейбулла распределение....................68
Вектор волновой ..........................810
— Пойнтинга—Умова........................810
— поляризации ............................192
— прерывания.............................214
Вектор-кардиограф ........................320
Векторная диаграмма .....................638
Векторные тождества ......................82
Величины, изменяющиеся во времени.........26
Вентиль ..................................277
Вентильный эффект .......................840
Верность воспроизведения.................450
Вероятность безотказной работы...........157
— восстановления.........................162
— отказа ............................... 157
— случайного события......................72
Вершина стека............................216
Взаимно корреляционная функция .. ... . 515, 585
Взаимности теорема................... 822
Взаимный энергетический спектр сигналов ... 515
Взаимодействие деформационное ...........789
— конформационное........................789
— электронно-конформационное............ 787, 791
— электронов с электромагнитным полем.....244
Взаимозаменяемость.......................173
Взвешенный граф схемы....................566
Вибратор ............................87, 91, 92
Видеография .............................622
Видеозапись магнитная....................124
Видеоимпульс .............................26
Видеомагнитофон..........................125
— цифровой...............................131
Видеочасть стандарта MPEG-2..............628
Видикон..................................616
Виды колебаний резонатора................810
— обратной связи ........................706
Визуализация объектов и процессов .......622
Визуально достаточное число..............618
Визуальные возможности человека ....... 625
Винера—Хинчина формулы...................585
Виртуальная память ......................889
Вихревой ток.............................824
Включение транзистора............ 669, 671, 672
Влияние ООС на АЧХ, ФЧХ, ПХ..............708
-------внутренние помехи.................709
-------нелинейные искажения..............709
-------показатели усилителя..............708
— теплоты на работу транзистора..........717
Внешнее запоминающее устройство ....’. . . . 757
— ухо....................................803
Внешний коэффициент преобразования........795
— фотоэффект.............................840
Вносимое отрицательное сопротивление.....507
— сопротивление .........................633
Внутреннее запоминающее устройство.......757
— ухо....................................803
Внутренний фотоэффект....................840
Внутримашинный интерфейс.................203
Возбудитель РПдУ.........................334
Возбуждение .......................... 792
— колебаний .............................516
— электромагнитных волн..................812
Возвратная разность......................705
Воздействие вибрационное.................145
— ударное ...............................146
Вокодер .................................805
Волна падающая ..........................651
— плоская ...............................799
— поверхностная акустическая ............779
------- магнитостатическая...............786
— прямая.................................651
— сферическая ...........................799
— цилиндрическая ........................799
— электромагнитная.......................812
Волновод ............................... 818
— закрытый...............................818
— зигзагообразный........................258
— круглый................................259
— лучевой .............................. 259
— молекулярный оптический................791
— неоднородный...........................818
— нерегулярный ..........................818
— однородный.............................818
— открытый ..............................818
— прямоугольный..........................259
— регулярный.............................818
Волноводный щелевой мост.................279
Волноводы специальной формы..............261
Волновое сопротивление...................813
-----линии............................. 651
—уравнение ...............................813
Волновой алгоритм трассировки соединений ... 561
— вектор ................................. 810
— канал ................................. 93
Волновые процессы в длинной линии........650
Волномер резонансный......................323
Волоконно-оптическая линия связи..........792
Волоконно-оптический пучок................792
Волоконный световод.......................793
Вольт-амперная характеристика.............648
Вольт-кулонная характеристика.............648
Вольтметр селективный ....................315
— цифровой................................315
— электронный.............................314
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
901
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
191
191
803
625
804
113
123
613
617
882
375
527
451
416
520
804
312
.29
643
802
802
657
779
367
653
854
639
634
224
224
646
646
651
368
367
369
369
511
584
642
118
850
790
666
850
836
851
850
812
218
209
702
Восприимчивость диэлектрическая..........
— магнитная .............................
Восприятие уровней звука ................
— цвета..................................
— частоты звука .........................
Воспроизведение звука....................
— ТВ сообщений...........................
Воспроизводящее устройство...............
Восстановление постоянной составляющей . ..
Вращающийся трансформатор................
Временная избирательность................
Временной метод..........................
Временная избирательность................
Временное уплотнение.....................
Временной метод комплексной огибающей ....
Время адаптации..........................
— анализа ............................................'.
— задержки...............................
-----групповое...........................
— запаздывания первых отражений..........
— реверберации ..........................
Встречное включение индуктивностей ......
Встречно-штыревой преобразователь........
Вторичная обработка......................
Вторичные параметры четырехполюсника ....
Вторичный химический источник тока ......
Второй закон Кирхгофа....................
— частный резонанс.......................
Вход инвертирующий ......................
— неинвертирующий .......................
Входная проводимость ....................
Входное сопротивление....................
-----длинной линии.......................
— устройство приемников .................
-----РПрУ -------------------------------
-----------------------------------------с магнитной антенной---------------------
-----------------------------------------СВЧ приемников .
Выборка..................................................
Выброс случайного процесса...............
Вынужденный режим работы цепи ...........
Выпадение сигнала........................
Выпрямитель..............................
— молекулярный...........................
— прецизионный...........................
Выпрямительный блок .....................
— полупроводниковый диод.................
— столб..................................
— элемент................................
Вырожденные электромагнитные волны.......
Высокоимпедансное состояние..............
Высокоскоростных входов и выходов блоки . ..
Высокочастотная коррекция................
Высота звука..............................804
Выходная мощность РПрУ....................451
Выходной каскад.......................... 224, 346
Вычислитель Картера солитонный............789
— молекулярный............................789
— Фейнмана ...............................789
Вычитающий счетчик........................765
Габаритные размеры........................467
Габора однолучевая голограмма.............781
Газовый лазер ............................245
— разряд ........................... 829, 830
— разрядник ..............................246
Газодинамическая накачка .................245
Газоразрядные индикаторные панели.........831
Газоразрядный индикатор...................831
— переключатель ..........................247
— прибор............................ 830, 831
— шумовой генератор.......................247
Галетный переключатель .................. 865
Гальванический элемент....................854
Гамильтона оператор........................83
Ганна диод............................... 267, 836
Гарвардская архитектура...................210
Гармоника.....................29, 506, 544, 814
Гармонический анализ колебаний ...........503
-----периодических сигналов...............543
Гармонических колебаний автогенератор.....334
Гаусса закон...............................46
— метод...................................554
— распределение............................68
Гаусса—Джордана алгоритм..................554
Гауссовский случайный процесс ............587
Гельмгольца уравнения.....................825
Генеалогическое древо ....................248
Генератор газоразрядный шумовой ..........247
— дифракционного излучения................254
— импульсов...............................753
— магнитогидродинамический................852
— малого стабильного напряжения ..........718
— молекулярный............................246
— оптический квантовый....................245
— параметрический ........................517
— пилообразного напряжения ...............754
— с внешним возбуждением..................339
— сигналов измерительный .................315
— стабильного тока................... 222, 719
— тактовых импульсов......................202
— термоэлектрический......................852
— ферритовый..............................785
— чисел ............................... 755
— электрический...................... 854, 879
902
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Генераторная лампа........................843
Генераторный измеритель L, С..............316
— пролетный клистрон......................248
Генераторы многодиодные! •................269
— перестраиваемые диодные.................271
— стабилизированные диодные...............269
Генераторы-усилители......................274
Генерационно-рекомбинационный шум.........840
Генерация носителей заряда................835
— прерывистая ............................508
— программных средств.....................886
— системы.................................886
Генерирование гармоничесих колебаний......506
Геометрическое моделирование..............556
Геркон .................................. 866
Герметизация......................... 143, 229
Герметики ................................181
Гетеродин.................................387
Гетеродинный приемник.....................427
— частотомер .............................323
Гетеропереход ........................... 841
Гетеропереходный биполярный транзистор .... 829
Гиббса явление ...........................773
Гибридная БИС.............................220
— ИМС ....................................221
— МДП структура...........................791
Гибридный биосенсор.......................791
Гидроакустика.............................101
Гидроакустическая связь...................109
— система.................................105
Гидролокатор..............................106
— бистатический...........................106
— кругового обзора........................106
— шагового поиска.........................106
Гидролокатор моностатический..............106
Гильберта преобразования ..................40
Гира методы...............................552
Гиратор ..................................661
Гироклистрон..............................256
Гирокон ............................. 256, 257
ГироЛБВ ..................................256
Гиромонотрон .............................257
Гироскоп ................................ 879
Гироскопическая электрическая машина......879
Гиротронные приборы ......................256
Гистерезис диэлектрический ...............195
— магнитный...............................190
Гистограмма ...............................66
Глетикон................................. 616
Глобальная переменная.....................889
Глубина дисперсии ........................196
— обратной связи .........................705
— проникновения поля.....................814
Головка громкоговорителя ................799
— магнитная .............................116
— прямого излучения......................798
Голограмма Габора .......................781
— Лейта—Упатниекса ......................781
Голография...............................781
Гольдфарба метод ........................288
Готовность...............................158
Градационная характеристика..............617
Градация яркости.........................617
Градиент скалярного поля..................82
Граничная частота........................643
Граничные испытания......................177
— условия электродинамики ...............814
Граф коммутационной схемы................566
— схемы взвешенный.......................566
— элементных комплексов схемы ...........566
Графика машинная ........................556
Графическая форма........................565
Графопостроитель.........................568
Граф-решетка конструктива ...............567
Гребенчатая замедляющая система..........258
Гребенчатый фильтр ................... 580, 643
Греца мостовая схема ....................851
Грея код.................................758
Грина формулы ............................85
— функция................................825
Грозоотметчик А.С. Попова ...............369
Громкоговоритель ........................798
Громкоговорящая связь....................802
Громкость................................803
Группа частотная.........................804
Групповое время задержки.................643
Групповой излучатель.....................800
Группы стандартов ........................45
Гурвица критерий устойчивости............292
Гюйгенса элемент ........................819
Давыдовский солитон......................791
Дальномерный метод ......................481
Дальность действия.......................467
Данные................................ 134, 886
Дарлингтона пара ........................675
Датчик ................................. 878
— телевизионного сигнала.................615
Двигатель электрический .................880
Двоичная арифметика......................755
Двоично-десятичный код ..................758
— счетчик ...............................765
Двоичный набор ..........................759
— счетчик ...............................765
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
903
предметный Указатель
Двойной ромб ............................93
Двусторонний логарифматор ...............664
Двухкаскадный балансный усилитель ........741
Двухконтурный автогенератор ..............335
— каскад с фильтром LC....................688
— параметрический усилитель...............518
Двухкоординатные индикаторы ..............461
Двухлучевая голограмма Лейта—Упатниекса . . 781
Двухполупериодная схема выпрямителя ......851
Двухполюсник..............................630
Двухпроводная линия ......................259
Двухрезонаторный пролетный клистрон......248
Двухтактное соединение активных элементов . . 342
Двухтактный выходной каскад...............695
— каскад .................................685
Девиация частоты...........................30
Девиометр ................................315
Действующая высота ........................97
— длина......................:.............97
Действующее значение величины .............28
-----комплексное..........................638
Декадный синтезатор частоты ..............339
Декодер сообщений цветного телевидения .... 625
Декремент колебания ......................631
Деление ................................. 755
— частоты .......................... 536, 537
Делитель частоты импульсов ...............756
Дельта-функция.............................38
— цифровая.............................. 763
Дематрон..................................256
Дембера эффект............................840
Демодулятор звука.........................625
— импульсно-дискретных сигналов...........405
— телевизионных изображений...............625
Демодуляция сигналов ................402, 403
Демультиплексор...........................756
Дерево поиска.............................568
Дескрипторные базы данных .............. 563
Дескрипторы...............................564
Деталь ...................................141
Детектирование............................524
— амплитудное ...................... 524, 527
— в режиме сильных сигналов......... 371, 679
-------слабых сигналов.............. 372, 679
— синхронное..............................524
— фазовое.................................526
— частотное ..............................526
Детектор.............................406, 524
— AM сигналов.....................'.......676
— амплитудный ........... 370, 371, 677, 678, 679
— дробный ................................683
— импульсно-дискретных сигналов...........405
— квадратичный.............................372
— квазикогерентный.........................406
— когерентный .............................406
— мгновенных значений......................371
— некогерентный ...........................406
— пиковый..................................370
— сигналов с AM ...........................370
-------ОМ..................................393
-------ЧМ.....................:............373
— синхронный ..............................372
— совмещенный .............................678
— средних значений.........................371
— транзисторный ...........................679
— фазовый..................................680
— ФМ сигналов .............................679
— частотный .................... 373, 682, 684
— ЧМ сигналов..............................681
Детекторная характеристика.................524
Детекторные диоды СВЧ .....................266
Детекторный полупроводниковый диод.........836
— приемник.................................428
Детекторы СВЧ..............................268
Детонация.............................113, 114, 118
Дефлектор акустооптический.................778
— электрооптический интегральный...........783
Деформационное взаимодействие .............789
Децибел....................................803
Дешифратор.................................756
Джозефсона эффект...........................49
Джонсона код...............................758
Джоуля—Ленца закон..........................47
Диаграмма Боде.............................715
— векторная ...............................638
— направленности кардиоидная................98
— нулей и полюсов..........................647
Диаграммообразующая схема..................366
Диалоговый процессор.......................570
— режим ...................................891
Диамагнетизм ............................. 190
Диапазон динамический .......... 746, 795, 801
— рабочих частот ......................30, 451
— радиочастот...............................30
— РПрУ динамический........................451
—частот .................................. 115
— частотного восприятия звука..............804
Диапазоны частот радиолюбительской связи ... 329
Диафрагма..................................799
— емкостная ...............................261
— индуктивная .............................261
— резонансная..............................261
Дивергенция векторного поля.................82
Дигитайзер.................................569
904
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Дизъюнкция.................................759
Диктофон...................................114
Динамическая контрастность.................624
— обработка .............................. 806
— петля гистерезиса........................196
— схема....................................227
— характеристика генератора................340
Динамические испытания.....................195
— перемещаемые программные модули .ч .... 215
Динамический диапазон........... 312, 398, 451,
746, 795, 801
— подавитель ..............................710
— риск сбоя................................550
Динистор...................................839
Диод.......................................239
— выпрямительный полупроводниковый ........836
— Ганна.............................. 267, 836
— детекторный полупроводниковый ...........836
— излучающий полупроводниковый.............837
— импульсный полупроводниковый ............837
— лавинно-пролетный...................267, 837
— междолинно-переходный....................267
— молекулярный.............................790
— параметрический .........................836
— переключательный полупроводниковый .... 838
— полупроводниковый........................835
— с междолинным переходом электронов......836
— СВЧ смесительный.........................836
— туннельный......................... 267, 838
— умножительный ...........................836
— Шоттки...................................837
— электровакуумный ........................843
Диодная матрица............................850
— сборка...................................850
Диодные генераторы СВЧ.....................268
— генераторы-усилители ....................274
— усилители СВЧ............................274
Диодный преобразователь частоты............726
— тиристор ................................839
Диплом радиолюбительский...................329
Диполь магнитный ...........................73
— Надененко.................................93
— электрический.............................73
Дипольные сегнетоэлектрики.................195
Директор ...................................94
Диск магнитооптический ....................785
Дискретизатор..............................285
Дискретизация сигналов.....................511
— узкополосного сигнала....................511
Дискретное преобразование Фурье ...........757
— рабочее поле конструктива................567
Дискретные системы радиоавтоматики ........285
Дискретный каркас поверхности ..........567
Дискриминатор частотный.................682
Дисперсионная линия задержки на ПАВ.....780
Дисперсия ....................... 71, 258, 259
— параметра ............................196
— электромагнитных волн.................814
Дисплей.................................569
Диссектор ..............................616
Дистанционное управление ...............309
Дифракционная решетка...................782
Дифракционного излучения генератор......254
Дифракционное устройство ...............782
Дифракция...............................778
— Брэгга ...............................778
— Рамана—Ната...........................778
— Фраунгофера...........................815
— Френеля...............................815
— электромагнитных волн.................815
Дифференциальная проводимость...........648
— диэлектрическая проницаемость.........196
— крутизна характеристики...............649
— фаза..................................620
Дифференциальное сопротивление .........648
— уравнение автогенератора .............507
— усиление..............................620
Дифференциальный каскад.............. 223, 740
— метод сравнения.......................312
— операционный усилитель................713
Дифференциатор..........................663
Дифференцирование сигнала...............519
Дифференцирующий сумматор...............663
Диффузионный конденсатор................239
Диффузия................................229
Диффузное поле .........................802
Диэлектрик фольгированный ..............185
Диэлектрики полимерные...............183, 184
Диэлектрическая линия...................259
— проницаемость ....................196,819
Диэлектрический резонатор...............263
Длина волны ............................651
— свободного пробега....................802
— электромагнитной волны................815
Длинная линия...........................650
Добротность..................263, 631, 667, 800
— внешняя ...............................74
— дифференциальная.......................74
— диэлектрика...........................192
— интегральная...........................74
— конструктивная.........................74
— магнетика ............................192
— нагруженная ...........................74
— резонатора.........................815, 816
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
905
предметный указатель
— собственная..........................74
— эквивалентная........................74
— электрической цепи .....................74
Доверительная вероятность ................71
Доверительный интервал ...................71
Документальная любительская радиосвязь .... 330
— радиосвязь.............................487
Документация любительской радиостанции ... 329
Долговечность............................159
Дольфа—Чебышева антенна..................105
Домен магнитный .........................190
— электрический..........................196
Доменные границы ........................196
Донорная примесь.........................192
Доплера эффект............................49
Дополнительная погрешность ..............312
Дополнительный код.......................758
Допуск ................................. 173
— механический...........................173
— электрический......................175, 177
Дорожка записи...........................114
Доступ многостанционный..................488
Дрейф нуля....................... 740, 741, 748
— скорости движения носителя.............115
Дрейфовый биполярный транзистор .........829
Дробное соотношение частот...............537
Дробный детектор.........................683
Дробовой шум электронного прибора .......841
Дроссель ........................... 861, 863
Дуплексная радиосвязь....................487
Единая система
конструкторской документации ............141
Единица уровня ощущения..................803
Единичный скачок..........................38
Емкостная диафрагма .....................261
Емкостный преобразователь частоты........727
Емкость .......................... 74, 75, 637
— горизонтальной полоски ................262
Ждущий генератор импульсов...............753
Жесткий режим самовозбуждения............510
ЖИГ-фильтр ..............................787
Жидкий кристалл......................181, 831
Жидкокристаллический индикатор...........831
Жидкостный лазер.........................245
Журнал аппаратный .......................329
Зависимый источник напряжения............636
---тока..................................636
Загрузочный модуль ......................887
Задача анализа электрической цепи........630
— выбора...............................36
— многоальтернативного различения ....572
— оценки параметров сигнала...........572
— пакетная .......................... 891
— параметрическая......................36
— разрешения..........................572
— синтеза электрической цепи..........630
— транспортная.........................36
Задачи статистического синтеза..........572
Задержанная АРУ ........................363
Задний зазор ...........................116
Закон Ампера.............................46
— Био-Савара—Лапласа...................46
— Вебера—Фехнера.......................46
— Гаусса ..............................46
— гауссовский логарифмический..........69
усеченный .....................69
— Джоуля—Ленца ........................47
— Кирхгофа второй .....................47
первый ........................47
— Кулона ..............................47
— Ньютона—Рихмана ....................151
— Ома..................................47
в комплексной форме...........638
для магнитной цепи.............48
— полного тока.........................48
— распределения равномерный............68
случайной величины.............64
условный ......................67
на основе опытных данных.......65
— Стефана—Больцмана...................151
— Фарадея второй.........................48
----для электролиза......................48
-------электромагнитной индукции ........48
----объединенный ........................48
----первый...............................48
Законы коммутации.......................641
Закрытый волновод.......................818
— громкоговоритель......................798
Заливка элементов РЭА...................143
Замедляющая система.....................258
Замкнутые системы.......................291
Запас устойчивости......................715
Запись звука ....................114, 116, 119
— программ ТВ высокой четкости..........124
— ТВ сообщений..........................123
Запоминающее устройство .............757, 758
Запоминающий осциллограф ...............322
Запредельный аттенюатор.................277
Запрос прерывания ......................214
Заряд ...................................75
Затягивание среза ......................521
906
РАДИОТЕХНИКА
предметный указатель
— фронта....................................521
— частоты...................................507
Захватывание частоты........................537
Защита от механических воздействий..........147
---ошибок...................................131
— РЭА ....................... 142, 144, 147, 152
— файлов.................................892
Звено корректирующее........................289
Звенья корректирующие.......................289
— резонансные согласующие................345
— типовые................................291
— узкополосные согласующие...............345
Звуковая колонка............................800
— люстра.................................800
— часть стандарта MPEG-2 ................628
Звуковой веер...............................800
— процессор.................................301
Звукография.................................622
Звукозапись ................................113
— аналоговая................................113
— цифровая ........................113, 120, 119
Звукосниматель..............................121
Звукотехническая система....................797
Звукоусиление...............................802
Зеебека эффект ..............................49
Знаковая функция ............................39
Знаковые алгоритмы..........................604
Значение параметра.....................172, 173
Значения параметров кинескопа...............615
Золотарева аппроксимация....................645
Золото .................................... 189
Зона акустической освещенности..............108
---тени ....................................108
— насыщения ................................717
— отсечки ..................................717
Зональная система...........................801
Зоны Френеля ...............................816
Идеализация .................................56
Идеализированные элементы ............ 636, 637
Идеальный дельта-модулятор..................285
— источник напряжения.......................636
---тока.....................................636
— учитель ..................................602
Иерархические базы данных...................563
Избирательность амплитудная .......... 375, 451
— амплитудно-частотная .....................375
— временная .......................... 375, 451
— многосигнальная...........................452
— поляризационная..................... 378, 451
— пространственная......................... 378, 451
— реальная .................................452
— РПрУ...................................451
— фазовая ........................... 378, 451
— частотная..................... 375, 378, 452
Избирательный каскад ....................685
Избыточность сообщения...................134
— телевизионных сообщений................616
Изделие .................................141
Излучатель групповой.....................800
Излучающий полупроводниковый диод.........837
Излучение электромагнитных волн .........816
Изменение глубины тональной АМ ..........521
Измерение скорости движения цели.........460
Измерители параметров компонентов цепей ... 316
Измеритель £, С..........................316
— затухания..............................317
---панорамный............................318
— моноимпульсный .....................484, 485
— нелинейных искажений ................317
— полных сопротивлений................318
— суммарно-разностный моноимпульсный .... 485
— характеристик случайных процессов.....317
Измерительная лента......................121
— линия...............................318
— система ............................311
— установка...........................311
Измерительные индикаторы.................461
— устройства СВЧ диапазона............317
Измерительный генератор сигналов.........315
— преобразователь .....................311
— прибор...............................311
— приемник............................411
— трансформатор .........................874
Изодинамическая головка громкоговорителя ... 799
Изолятор оптический .....................792
Изопланарный транзистор .................237
Изотипный переход........................842
Изофон...................................804
Имитатор гидроакустического сигнала .....107
Имитационное моделирование...............287
Имитация эхо-сигнала.....................109
Импеданс..................................80
Импульсная величина.......................26
— характеристика.........................647
---цифрового фильтра ....................771
Импульсно-аналоговый сигнал...............27
Импульсно-дискретный сигнал ..............27
Импульсный метод радиодальнометрии........472
— полупроводниковый диод.................837
— случайный процесс......................588
— трансформатор .........................874
Инвариантная форма.......................565
Инвариантности метод ....................593
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
907
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Инверсия ............................. 56, 759
— заселенности..............................245
Инверсная зона .............................717
Инверсный операционный усилитель ...........713
— режим ....................................828
— сумматор..................................660
Инвертирующий вход..........................224
— операционный усилитель....................713
— сумматор.............................. . 660
Инвертор ............................. 226, 855
— сопротивления ............................661
Индекс направленности ......................801
— тракта .................................. 802
— угловой модуляции.........................535
Индивидуальная радиосвязь...................496
Индивидуальный резонанс.....................634
Индикатор вакуумный накаливаемый ...........831
— газоразрядный.............................831
— гидроакустической станции.................107
— дальности и азимута.......................463
— жидкокристаллический .....................831
— катодолюминесцентный......................832
— расстояния................................461
— средств отображения информации............831
— электролюминесцентный.....................832
— электронно-лучевой........................832
— электрофоретический.......................832
— электрохромный............................832
Индикаторные устройства.....................461
Индикаторы двухкоординатные ................461
— измерительные ............................461
— кругового обзора..........................464
— обнаружения...............................466
— однокоординатные .........................461
Индуктивная диафрагма.......................261
Индуктивность......................... 75, 637
— вертикальной полоски .....................261
Индуктивный элемент.........................239
Индуктор................................... 879
Индуктосин..................................883
Индукция магнитная.....................75, 817
— остаточная..........................190, 196
— электрическая........................76, 817
— электромагнитная...........................76
— электростатическая.........................76
Инерционность ........................615, 625
— люминофора................................614
Инжекция....................................248
Инкапсуляция ...............................889
Интегральная микросхема.....................220
-----аналоговая ............................222
-----цифровая ..............................225
— оптика .............................. 783
Интегрально-групповой метод производства . .. 234
Интегратор..............................662
Интегратор/дифференциатор ..............662
Интеграция конструкций..................157
Интегрирование сигнала..................519
Интегрированные структуры программного
обеспечения.............................568
Интегрирующий сумматор .................663
Интенсивность восстановления ...........162
— отказов ..............................158
Интерактивная видеография...............622
Интерактивный режим ....................891
Интервал корреляции ....................585
-----сигнала............................514
Интермодуляционные искажения......... 379, 452
Интерпретация...........................892
Интерфейс...............................203
— внешних ЗУ............................205
— внутримашинный........................203
— периферийного оборудования ........203, 204
— сетей ЭВМ ............................205
— системный.............................205
Интерференционные искажения......... 379, 453
— покрытия..............................472
Информационная емкость..................795
-----запоминающего устройства...........757
— машина ...............................880
— модель................................567
— оценка телевизионных изображений.......616
Информационное обеспечение САПР ........564
Информационно-поисковая система.........564
Информационно-справочные системы.........564
Информация........................31, 133, 134
Инфрадин................................431
Ионное легирование .....................230
Ионно-плазменное напыление .............232
Ионные сегнетоэлектрики.................195
Ионный прибор...........................830
Ионосфера...............................817
Ионосферная радиосвязь .................487
Искажение импульсных сигналов...........437
Искажения AM сигналов...................391
— апертурные............................620
— в аппаратуре магнитной записи.........116
-----звеньях телевизионного тракта......620
— волновые..............................117
— гребенчатые ..........................126
— зубчатые .............................126
— изображений...........................126
— импульсно-дискретных сигналов.........406
— импульсных сигналов...................398
908
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
— интермодуляционные.....................379
— интерференционные................... 379,453
— квадратурные ..........................126
— контактные ............................117
— линейные...................... 117, 450, 747
— масштаба...............................118
— нелинейные ........... 115, 437, 451, 453, 747
— перекрестные...................38Q, 453, 620
— при цифровой записи....................131
— слоевые................................117
— собственные ...........................444
— типа «змейки»..........................117
— угловые................................117
— управляющего сигнала...................747
— частотные .............................117
— ЧМ сигналов............................394
— щелевые ...............................117
Искатель шаговый.........................866
Искровой разряд .........................830
Исполнение ИМС ..........................228
Исполнительное устройство................883
Исполнительный адрес.....................215
Использование накопителей сигналов.......381
Испытания динамические...................195
— статические............................195
Источник вторичного электропитания.......851
— напряжения.............................636
— питания ...................... 852, 854, 858
— света ................................ 792
— сообщений..........................134, 135
— тока...................................636
---идеальный .............................636
---химический ............................854
Источники питания транзистора............720
— эквивалентные .........................655
Исходные данные анализа на НЧ............737
Исходный сигнал основного цвета..........625
Итерационные процедуры...................556
Кабель...................................862
Кавитация ...............................107
Кадр.....................................618
Калмана—Бьюси фильтр ....................575
Камера передающая .......................625
Камкодер.................................125
Канал воспроизведения....................114
— записи .............................114
— записи/вос произведения.............131
— звука видеомагнитофона .............126
— звуковой ...........................108
— изображения видеомагнитофона........126
— МДП ПТ..............................239
— побочный ..............................389
— приема побочный.................... 389, 453
— радиосвязи ............................488
— связи .................................135
— сквозной ..............................114
Канальное рабочее поле конструктива.......567
Канальный алгоритм трассировки...........562
Каноническая форма реализации
цифрового фильтра........................773
Карматрон................................256
Карно карты..............................760
Карта нулей и полюсов....................647
Картера солитонный вычислитель............ . 789
Карты Карно..............................760
Касивер ................................ 295
Каскад аналоговой обработки сигнала.......685
— двухтактный ....................... 685, 695
— дифференциальный ......................740
— избирательный .........................685
— мощный выходной .......................693
— на биполярном транзисторе ..... 669, 671, 673
-----полевом транзисторе ........ 671, 672, 674
— однотактный........................ 685, 696
— параметрический .......................730
— парафазный.............................701
— разностный.............................740
— регенеративный ........................731
— с настроенным LC-контуром .............685
-----общей базой.........................697
-----общим затвором......................697
-------истоком...........................699
-------коллектором ......................698
-------стоком ...........................698
-------эмиттером.........................699
-----разделенной нагрузкой ..............702
-----расстроенными £С-контурами .........687
-----фильтром LC .................... 688, 689
-----электромеханическим фильтром.........690
—----эмиттерной/истоковой связью.........702
— сдвига уровня постоянной
составляющей.............................224
— селективный.........................685
— снижения уровня .......................742
— фазоинверсный..........................701
— широкополосный ........................702
Каскадное соединение звеньев фильтра......667
Каскады небалансные......................743
— преобразования частоты РПдУ ...........346
— с акустоэлектронными фильтрами.........690
— усиления колебаний ВЧ .................346
Каскодная пара ..........................675
Каскодные схемы усиления ................737
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
909
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Категория любительской радиостанции.......330
Катод электровакуумного прибора..........833
Катодное падение потенциала .............830
— распыление.............................232
Катодолюминесцентный индикатор...........832
Катушка индуктивности .......... 862, 863, 864
Каустика ................................108
Кауэра фильтр............................645
Качество цвета ..........................625
Квадратичное амплитудное детектирование . . . 524
Квадратичный детектор ...................372
Квадратор ...............................665
Квазикогерентный детектор................406
Квазилинейный метод......................509
Квазиоптимальный линейный фильтр..........575
Квазиоптический резонатор................263
Квалитет ................................173
Квантование числа .......................775
Квантовые активные приборы ..............243
Квантовый парамагнитный усилитель.........246
— стандарт частоты ......................245
Кварцевого генератора фильтровая схема ..337
Кварцевый автогенератор..................335
— резонатор..............................336
— фильтр.................................691
Кенотрон ............................... 843
Керамика.................................182
Кермет...................................188
Керра эффект..........................49, 794
Кибернетика’..............................58
Кинескоп ........................613, 614, 846
Кинк.....................................790
— в сопряженных полимерах................791
Кирхгофа второй закон....................639
— законы..................................47
— первый закон...........................639
Клавишный переключатель .................865
Класс радиоизлучения ......................31
— точности ..............................312
Классификация гидроакустических средств ... 102
— операционных усилителей................712
— РПдУ...................................333
— усилителей ............................745
-----постоянного тока....................739
Классический метод анализа
переходных процессов ....................642
Классы излучений любительских
радиостанций.............................330
Кластер ............................ 130, 892
Клирфактор................................29
Клистрон.................................248
Ключ молекулярный........................790
— телеграфный...........................331
КМДП-технология ........................234
Кнопка ................................ 865
Коаксиальная линия .....................259
Коаксиально-волноводный переход.........262
Коаксиальный резонатор .................263
Кобол...................................894
Ковариационная функция..................585
Когерентность...........................618
Когерентный детектор ...................406
Код............................. 135, 136, 758
— арифметический........................136
— блочный ..............................135
— Грея..................................758
— двоично-десятичный ...................758
— Джонсона .............................758
— дополнительный........................758
— команды ..............................216
— корректирующий .......................135
— обратный..............................758
— операции..............................216
— помехоустойчивый......................135
— прямой................................758
Кодер................................. 625
Кодер/декодер канальный цифровой .......132
Кодирование парциальное ................132
Кодовая группа импульсов.................27
Коды алфавитно-цифровые ................758
Колебание ...............................27
Колебания акустические...................27
— апериодические ....................... 27
— вынужденные............................27
— гармонические .........................28
— затухающие...........................27
— квадратурные ........................28
— когерентные .........................28
— модулированные.......................27
— монохроматические ...................28
— незатухающие.........................27
— нестационарные.......................27
— несущие .............................27
— параметрические .....................27
— периодические ...................... 27
— резонансные .........................27
— релаксационные ......................27
— свободные......................... 27, 631
— синфазные............................28
— синхронные...........................28
— скорости движения носителя..........115
— собственные ...................... 27, 631
— стационарные.........................27
— упругие..............................27
910
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
— электрические...........................27
Колебательная характеристика......... 379, 510
— цепь...................................630
Колебательный контур ....................631
-----последовательный....................631
Количество цвета ........................625
Коллектор ........................... 827, 879
Коллекторная стабилизация................722
Коллокаций метод.........................551
Колориметрия.............................625
Кольцевой резистивный преобразователь
частоты .................................727
Кольцевые ответвители....................279
Команда................................. 205, 206
Комбинационное устройство ...............758
Комбинационные частоты ..................506
Комбинационный свист ....................388
— сумматор...............................764
Комбинирование............................56
Комбинированная лампа....................843
— стабилизация...........................722
Комментарий..............................886
Коммутационная плата.................... 222, 228
Коммутационное устройство ...............865
Компандер................................806
Компаратор ..............................663
— одновходовый...........................663
— цифровой...............................427, 759
Компараторы на ИМС.......................712
Компаунды ...............................182
Компенсационный приемник.................479
— способ подавления импульсных помех.....376
Компенсация...............................56
Компиляция...............................892
Комплекс.................................141
— мгновенный.............................638
— текущий................................638
Комплексная амплитуда ...................638
— огибающая .............................532
— оценка качества конструкции РЭА .......154
— проводимость...........................638
— спектральная плотность импульса.........27
— схема замещения цепи ..................638
— функция цепи ..........................646
— частота ................................41
Комплексное действующее значение.........638
— сопротивление ........................ 638
Комплексный коэффициент передачи
цифрового фильтра........................772
— ряд Фурье..............................544
— стереосигнал...........................305
Комплект.................................141
Комплементарная изопланарная структура .... 240
— ИМС ....................................240
Компонент ИМС.............................220
Компонентные уравнения....................637
----схем .................................566
Компоновка модульная......................156
— РЭА................................155, 156
Компрессор................................806
— уровней ............................... 665
Компьютер.................................569
— молекулярный............................789
Конвертер ................................332
Конвертор сопротивления...................661
Конденсатор.............................. 239, 867
— диффузионный ...........................239
— керамический ...........................868
— лакопленочный...........................869
— металлобумажный ........................869
— переменной емкости......................868
— пленочный...............................239
— подстроечный............................868
— постоянной емкости..................... 868, 869
— слюдяной................................868
Конденсаторный частотомер ...............323
Конечная проницаемость ..................196
Конечных разностей метод..................552
— элементов метод.........................552
Константан ..............................188
Конструирование модульное ...............179
— РЭС.....................................139
Конструкторская документация ........141, 142
Конструкция .............................139
Контакт джозефсоновский гибридный.........791
— металл—полупроводник ..................842
Контактная ЭДС ............................81
Контактол ...............................189
Контраст ................................626
— изображения.............................614
Контраста метод .........................593
Контрастная чувствительность..............626
Контрастность динамическая................624
Контроллер .............................. 206
— пакетный................................326
— прямого доступа к памяти................202
— шины....................................206
Контроль параметров ТВ сигнала ..........617
Контур колебательный ............... 631, 632
— параметрический .......................516
Конформационное взаимодействие ..........789
Конъюнкция ...............................759
Координата ..............................557
Координатная система ....................557
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
911
предметный указатель
625
118
261
329
277
228
228
289
807
131
716
704
715
716
716
716
716
291
584
794
532
513
479
513
803
338
356
.42
488
610
.43
821
196
360
.29
651
378
632
.29
747
747
748
115
258
667
651
651
748
.97
108
115
585
Координаты цветового пространства........
Копирэффект..............................
Копланарная линия........................
Коротковолновик..........................
Короткозамыкающий поршень................
Корпус ..................................
— матричный .............................
Корректирующее звено.....................
Корректор частотный .....................
Коррекция ...............................
— запаздыванием сигнала усложненная .....
— низкочастотная.........................
— операционного усилителя ...............
— отрицательной обратной связи...........
— подачей сигнала вперед ................
— с запаздыванием........................
-----фазовым опережением.................
— систем радиоавтоматики ................
Корреляционная функция..............513,
Корреляционное устройство................
Корреляционные функции ..................
Корреляционный анализ....................
— приемник...............................
Корреляция ..............................
Корти орган..............................
Косвенного синтеза синтезатор частоты ...
Косвенный способ ЧМ......................
Косинус-преобразование Фурье.............
Космическая радиосвязь...................
Котельникова критерий..............609,
— ряд...................................
Коттона—Мутона эффект...................
Коэрцитивная сила .................190,
Коэффициент автоподстройки................
— амплитуды...............................
— бегущей волны ..........................
— блокирования ...........................
— включения контура.......................
— гармоник................................
-----полный...............................
— гармонических искажений.................
— демпфирования...........................
— детонации ..............................
— замедления .............................
— затухания..........................631,
-----амплитуды ---------------------------
------------------------------------------фазы.
— интермодуляционных искажений.................
— использования поверхности...............
— качества гидроакустической станции .....
— колебаний скорости движения носителя....
— корреляции ........................514,
— модуляции..........................516, 532
— мощности ................................78
— направленного действия антенны ..........88
— нелинейности............................747
— нелинейных искажений ..............29, 747
— отражения по напряжению.................651
-------току...............................651
— ошибок ................................494
— патентной чистоты.......................163
— передачи напряжения.....................746
-----по напряжению .......................646
-------току...............................646
-----тока.................................746
-----цифрового фильтра комплексный........772
— перекрытия диапазона частот.............747
— петлевого усиления......................705
— плотности размещения элементов..........156
— поглощения..............................802
— полезного действия...................... 78, 800
— преобразования внешний..................795
— прямоугольное™ .........................747
— распространения.........................651
— связи ............................ 633, 657
— сглаживания пульсаций ..................859
— среза АЧХ...............................667
— стабилизации напряжения.................856
— стоячей волны...................... 97, 651
— усиления антенны.........................97
-----каскада.............................443
-----мощности........................452, 746
-----напряжения .........................452
— устойчивости ..........................443
— формы..................................29
— шума ..........................452, 455, 456
— эллиптичности .........................819
КПД.................................. 78, 800
— антенны..................................97
Кратные частоты...........................506
Краута алгоритм .........................554
Кремнийорганические смолы.................184
Кремникон.................................616
Крест Миллса ............................105
Кривая верности...........................450
— видности................................626
— избирательности слухового аппарата.....804
— равной громкости........................804
— распределения............................68
Криотронный усилитель СВЧ.................784
Криоэлектроника...........................784
Криоэлектронный усилитель ................448
-----СВЧ .................................444
Кристалл .................................221
912
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Кристаллоносители..........................228
Критерий Котельникова ............... 609, 610
— Байеса..............................609, 610
— Боде.....................................715
— Вальда...................................610
— максимального правдоподобия .............610
— Неймана—Пирсона..........................611
— оптимальности ...................... 32, 574
— согласия .................................66
— устойчивости Гурвица ....................292
-----корневой..............................292
-----Михайлова.............................292
-----Найквиста ............................292
-----цифрового фильтра ....................771
Критическая длина
электромагнитной волны.....................815
— полоска слуха ..................... 804, 805
— рефракция................................821
— связь резонатора.........................264
—частота ..................................715
-----мерцаний .............................626
Круглый волновод...........................259
Круговая поляризация.......................818
Крутизна характеристики дифференциальная . . 649
-----средняя...............................649
Кулона закон................................47
Куметр....................................316
Кусочно-аналитическая модель .............567
Кюри температура......................190, 196
Лавинно-пролетный диод............... 267, 837
Лазер ............................... 245, 246
— газовый..................................245
— жидкостный ..............................245
— молекулярный.............................791
— на свободных электронах..................246
— твердотельный ...........................245
Лазерный проектор..........................615
— проигрыватель ...........................127
Лаки.......................................182
Лампа бегущей волны........................253
— генераторная.............................843
— комбинированная .........................843
— многоэлектродная.........................843
— модуляторная ............................844
— обратной волны ..........................254
— прямой волны.............................253
— частотопреобразовательная ...............844
— широкополосная...........................844
— электронная..............................843
Ланге ответвитель..........................279
Лапласа оператор.......................41, 83
— преобразования...........................41
— уравнение ...............................84
— функция.................................587
Латунь ...................................185
Легирование ионное .......................230
Лейта—Упатниекса двухлучевая голограмма . . 781
Лемма Лоренца ............................822
Ленгмюра—Блоджетт технология .............791
Лентопротяжный механизм...................126
Ленточная головка громкоговорителя........799
Ленца правило..............................48
Лингвистическое обеспечение САПР..........564
Линейная лампа бегущей волны типа М ......253
-----обратной волны.......................254
— теория преобразования частоты...........724
Линейное амплитудное детектирование.......524
Линейность тракта ........................379
Линейные искажения....................450, 747
— узкополосные цепи.......................526
— ускорения ............................. 146
— устройства..............................659
— характеристики акустического поля ......799
— цепи....................................629
Линза диэлектрическая......................95
— зонированная ............................95
— искусственно-диэлектрическая ............95
— Люнеберга........................... 96, 466
— металлопластинчатая......................95
Линии передачи............................259
Линия двухпроводная ......................259
— диэлектрическая.........................259
— задержки................................869
----- акустическая ...................... 779
-----на ПАВ...............................780
-----ультразвуковая.......................869
-----электрическая .......................870
— измерительная...........................318
— коаксиальная............................259
— копланарная ........................... 261
— микрополосковая ........................261
— передачи электромагнитной энергии.......818
— полосковая .............................261
— связи волоконно-оптическая .............792
— щелевая.................................261
Лицензия .................................330
Логарифматор .............................664
Логарифматор/антилогарифматор.............663
Логарифмические устройства................664
Логарифмический гауссовский закон..........69
— критерий Боде...........................715
— умножитель..............................664
— усилитель ..............................692
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
913
30-2959
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Логическая операция И....................72
---ИЛИ...................................72
— функция...............................759
Логические элементы .....................760
---БИС с инжекционным питанием...........225
Логический адрес ........................215
— базис ..................*.............760
— элемент................................225
---транзисторно-транзисторной логики .... 226
---эмиттерно-связанной логики...........226
Логическое И............................759
— ИЛИ...................................759
— НЕ....................................759
— сложение..............................759
— умножение ..........................759
Ложная тревога..........................573
Локализация источника звука.............804
Локальная переменная ...................889
— сеть ЭВМ ...........................205
Лоренца лемма...........................822
— сила.................................48
Лучевой волновод........................259
Лучистая энергия........................626
Любительская радиостанция...............325
Любительский ретранслятор...............327
Любительское телевидение................327
Люнеберга линза.......................96, 466
Ляпунова теорема .......................526
Магазин.................................216
Магистраль .............................203
Магнесин................................878
Магнетронное распыление.................232
Магнетронные приборы гибридных типов .... 255
Магнитная индукция......................817
— пленка ............................ 186
— проницаемость ......................819
— цепь.................................77
Магнитные домены........................191
Магнитный модулятор ....................883
— поток .............................. 76
— усилитель ..........................883
— циркулятор ...........................279
Магнитогидродинамический генератор......852
Магнитодиэлектрик.......................186
Магнитодиэлектрический резонатор .......263
Магнитокардиограф ......................320
Магнитола ..........................114,295
Магнитооптика ..........................785
Магнитооптический диск .................785
Магнитопровод трансформатора ...........873
Магниторадиола .........................296
Магнитостатическая фокусировка .........245
Магнитостатические колебания и волны.....786
Магнитофон..............................114
Магнитофонный ревербератор..............807
Магнитофон-проигрыватель................114
Магнитоэлектроника......................785
Мазер.............................. 246,281
Макрогенератор..........................887
Макрокоманда............................887
Макроопределение .......................887
Макрорасширение.........................887
Макроскопический подход.................197
Макросредства...........................887
Макроязык...............................887
Максвелла уравнения ....................825
Максимальная акустическая мощность
антенны ................................108
Максимальное значение величины...........28
Максиминный метод оптимизации............34
Малокадровая телевизионная система.......622
Малошумящий усилитель...................280
-----на СВЧ-транзисторах................280
Манганин................................188
Манипуляция........................ 405,531
— амплитудная ..........................354
— фазовая ..............................357
— частотная.............................357
Марковский случайный процесс............588
Маршрут автоматизированного
проектирования..........................548
Маскировка..............................131
Масочный кинескоп с самосведением лучей ... 614
Масса...................................467
Массив данных ..........................887
Масштабирование.........................239
Математические модели геометрических
объектов................................567
-----компонентов схем ................ 565
-----конструкций РЭС....................566
Математический сцектр ..................538
-----периодического сигнала ............544
Математическое ожидание случайной
величины.................................70
Материалы высокого удельного
сопротивления ......................... 188
— высокой проводимости..................189
— диэлектрические.......................182
— конструкционные.......................185
— коррозионно-стойкие ..................143
— магнитные.............................186
— магнитомягкие ........................186
— магнитострикционные ..................187
914
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
— магнитотвердые ..........................187
— проводящие...............................188
— слабогигроскопичные......................144
— термомагнитные...........................188
Матрица диодная............................850
— морфологическая .........................568
Матричная система с адаптацией каналов
воспроизведения ...........................806
Матричные параметры многополюсника........635
Матричный корпус ..........................228
— умножитель чисел ........................768
Машина информационная......................880
— логического вывода ......................569
— электрическая............................878
Машинная графика...........................556
Мгновенная фаза............................532
— частота .................................532
Мгновенное значение величины................28
Мгновенный комплекс .......................638
— спектр ..................................541
МДП-конденсатор............................239
Медиана случайной величины .................71
Медицинская радиоэлектронная аппаратура ... 319
Медленная электромагнитная волна...........812
Медь.......................................189
Междолинно-переходный диод.................267
Мембрана...................................799
Мера.......................................311
Местная обратная связь ....................705
Металлокерамический триод .................257
Металлосилициды............................188
Метеорная радиосвязь................. 326, 488
Метка......................................887
Метод адаптации............................593
— анализа переходных процессов .......642, 643
— билинейного Z-преобразования.............773
— взвешивания..............................773
— временной комплексной огибающей.........520
— выбранных точек .........................649
— гармонической линеаризации ..............288
— Гаусса ..................................554
— Гольдфарба...............................288
— дальномерный.............................481
— замещения................................312
— измерения................................312
— инвариантного преобразования ............773
— инвариантности..................... 593, 599
— интеграла наложения ................519, 642
— квазилинейный............................509
— колебательных характеристик .............510
— коллокаций ..............................551
— компенсации волнового фронта.............103
— комплексной огибающей ..............519, 520
— комплексных амплитуд....................639
— конечных разностей .....................552
-----элементов............................552
— контраста...................... 593, 599, 600
— контурных интегралов ...................530
-----токов................................639
-------обобщенный ........................635
— линеаризации статических характеристик . . 288
— мгновенной частоты......................520
— медленно меняющихся амплитуд............510
— модифицированных функций Бесселя........504
— наименьших квадратов............... 551, 649
— наложения...............................641
— непосредственной оценки ................312
— нескольких ординат .....................504
— Ньютона ................................553
— операторный.............................520
— определения дальности ..................102
-----местоположения целей ................103
-----разборчивости речи...................805
-----угловых координат................102, 103
— параллельной оптимизации.................35
— переключений............................306
— полярного детектирования................306
— последовательной оптимизации.............35
— Прайса..................................530
— приращений .............................555
— прогонки................................554
— производных.............................530
— простой итерации........................553
— пяти ординат............................694
— радиопеленгации ........................485
— радиопеленгации..................... 483, 484
— разностно-дальномерный..................481
— Райса ................................. 530
— регрессионный ..........................555
— совпадения .............................312
— сравнения ..............................312
— средней крутизны........................510
— трапеций................................553
— угла отсечки ...........................505
— угломерный..............................481
— узловых напряжений.................. 636, 640
— фазовой плоскости.......................508
— функционально-блочный...................179
— функционально-узловой...................178
— характеристических функций .............530
— эквивалентных преобразований............655
— Якоби...................................553
Методы автоматизированного
поиска решений............................567
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
915
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
553
638
552
553
593
602
601
553
.31
553
121
114
114
197
193
243
244
807
865
807
229
230
210
230
157
.61
261
263
213
213
425
228
230
197
800
214
219
.61
700
105
108
108
156
298
606
.28
654
760
248
557
255
— Адамса ................................
— анализа линейных цепей ................
— Тира неявные ..........................
— интегрирования................... 552,
— непараметрические......................
— обработки непараметрические............
— обучения ..............................
— ограниченно устойчивые.................
— оптимизации............................
— релаксационные ........................
Механизм вращения диска .................
— перемещения носителя...................
— транспортировки носителя...............
— электропроводности.....................
Механизмы поляризации....................
Механическая аналогия
пространственной группировки.............
-----энергетической группировки..........
Механический листовой ревербератор.......
— переключатель .........................
— пружинный ревербератор.................
Микроблок................................
Микроконтактирование.....................
Микроконтроллер ................ 206, 208,
Микролитография..........................
Микроминиатюризация......................
Микромодуль..............................
Микрополосковая линия....................
Микрополосковый резонатор................
Микропрограмма...........................
Микропроцессор .................199, 212,
Микропроцессорное управление ..... 309,
Микросборка............................
Микросварка............................
Микроскопический подход................
Микрофон ..............................
МикроЭВМ ..............................
Микроэлектроника ......................
Микроэлектронная аппаратура............
Миллера эффект ........................
Миллса крест...........................
Мина акустическая .....................
— гидродинамическая....................
Миниатюризация.........................
Миниатюрный радиовещательный приемник . .
Минимаксный принцип....................
Минимальное значение величины .........
Минимально-фазовый четыреполюсник .....
Минимизация логической функции.........
Минитрон ..............................
Мировая координата.....................
Митрон ................................
Михайлова критерий устойчивости..........292
Многовариантный анализ...................549
Многодиапазонные антенны.................331
Многодиодные генераторы..................269
Многоканальная система ..................806
Многоканальные импульсно-аналоговые
сигналы с временным уплотнением..........401
Многокаскадный усилитель ................437
Многоколлекторные р-л-р-транзисторы......238
Многокристальная ИМС.....................221
Многомерная функция распределения........590
Многомерное распределение ................66
Многомодовый световод............... 793, 794
Многоплечевой циркулятор ................280
Многополосный акустический ответвитель .... 782
— эквалайзер.............................736
Многополюсник ...........................634
Многопроцессорная система................201
Многорезонаторный пролетный клистрон.....248
Многосигнальная избирательность .........452
Многослойная цилиндрическая катушка
индуктивности............................864
Многостанционный доступ..................488
Многотактный умножитель чисел ...........767
Многоуровневая система...................214
Многоэлектродная лампа ..................843
Множественное наследование ..............890
Множитель направленности..................97
Мода случайной величины...................71
Модели электрических цепей и элементов...636
Моделирование автоматических систем
управления...............................286
— аналитическое..........................286
— асинхронное ...........................550
— геометрическое......................556
— имитационное........................287
— на аналоговых вычислительных машинах . . .287
цифровых вычислительных машинах.....287
— полунатурное .......................287
— синхронное..........................550
— физическое .........................287
Модель алгебро-логическая ...............567
— детерминированного сигнала...........37
— информационная......................567
— кусочно-аналитическая................567
— реверберации феноменологическая.....802
Модулометр...............................321
Модуль...................................887
— загрузочный ........................887
— объектный............................887
— первичный............................887
— полного электрического сопротивления .... 800
916
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
— программный ........................ 887
Модульная компоновка.....................156
Модульное конструирование................179
Модулятор аку стооптический..............778
— амплитудный............................354
— магнитный..............................883
— оптический.............................783
Модуляторная лампа.......................844
Модуляционные характеристики ............354
Модуляция................................531
— амплитудная ...........................533
— однополосная ..........................536
— поляризационная .......................531
— угловая............................. 531, 535
— фазовая ............................ 357, 535
— частотная..................... 357, 526, 535
Молекулярная электроника.................787
Молекулярное оптическое
устройство памяти........................791
Молекулярно-полупроводниковое гибридное
устройство...............................791
Молекулярные оптические устройства........791
Молекулярный выпрямитель ................790
— вычислитель............................789
-----Фейнмана............................789
— генератор..............................246
— диод...................................790
— ключ ..................................790
— компьютер..............................789
— лазер .................................791
— нейрон.................................790
— оптический волновод....................791
-----световод............................791
— проводник..............................790
— процессор..............................789
— триггер ...............................790
— усилитель .............................790
Момент к-го порядка начальный случайной 1
величины..................................71
-------центральный случайной величины.....71
Монитор..................................887
Моноимпульсный измеритель................484
— метод радиопеленгации .................484
Монолитный пьезоэлектрический фильтр......691
Монохромный кинескоп.....................613
Моноэлектроника .........................790
Монтаж кристаллов и плат.................231
Морфологическая матрица..................568
Мост волноводный щелевой............: ... . 279
Мостовая схема Греца.....................851
Мощность .................................77
— активная ...............................78
— выходная...............................451
— комплексная ..........................78
— мгновенная............................77
— пиковая .............................78
— полная ............................. 78
— реактивная ..........................78
— средняя .............................77
— электрическая номинальная............800
--- паспортная ......................... 800
Мощный биполярный транзистор.............829
— выходной каскад.....................693
— полевой транзистор ..................833
Муар.....................................126
Мультивибратор...........................754
Мультизадачный режим ....................891
Мультиметр...............................321
Мультиплексор ...........................761
Мультипликация ...........................56
Муфта электромагнитная ..................881
Мэнли—Роу уравнения......................517
Мягкий режим самовозбуждения.............510
Наводки..................................118
Нагруженная добротность резонатора.......816
Нагрузка.................................277
— оконечная ......................... 266
— реактивная ..........................277
— согласованная.......................277
Нагрузочная характеристика генераторов ..340
Надежность ..................... 159, 160, 161
— ИМС ................................229
— РЭА.................................157
Надененко диполь..........................93
Наземная радиосвязь......................490
— станция..............................493
Наименьших квадратов метод...............551
Найквиста критерий устойчивости..........292
Накапливающий сумматор ..................764
Накачка............................. 243, 245
Накопитель сигналов......................381
Накопление данных по способу «К из N» ..367
Намагниченности механизмы................190
Намагниченность.............. 78, 189, 190, 191
Нанесение пленок.........................232
Направленные ответвители.................279
Направленный оптический ответвитель......783
Напряжение................................78
Напряженность магнитного поля ........78, 818
— электрического поля..............78, 818
Наследование.............................890
— множественное..........................890
Настройка системы связанных контуров.....634
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
917
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
310
196
642
743
232
660
714
714
660
224
714
714
611
790
406
178
177
791
630
620
747
437
679
794
805
288
630
452
748
341
654
194
818
381
835
593
602
606
756
871
643
801
818
100
770
586
334
531
531
162
553
— фиксированная .........................
Начальная проницаемость..................
Начальные условия........................
Небалансные каскады......................
Невакуумные методы ......................
Неинверсный алгебраический сумматор .....
— операционный усилитель.................
-----усилитель-повторитель...............
Неинвертирующий алгебраический сумматор . .
— вход ..................................
— операционный усилитель.................
-----усилитель-повторитель ..............
Неймана—Пирсона критерий.................
Нейрон молекулярный .....................
Некогерентный детектор...................
Некритичность схем ......................
Некритичные конструкции..................
Нелинейное электронно-конформационное
взаимодействие ..................... 787,
Нелинейно-параметрические цепи............
Нелинейные g-искажения....................
— искажения .....................451,453,
-----в УПЧ...............................
-----при детектировании АМ сигналов . . 372,
— ПАВ-устройства.........................
— свойства слуха ........................
— системы радиоавтоматики ...............
— цепи...................................
— эффекты................... 388, 392, 444,
— явления ......................... 747,
Нелинейный режим работы .................
Неминимально-фазовый четырехполюсник ....
Необратимые радиационные эффекты.........
Неоднородный волновод ...................
Неопределенность априорная...............
Неосновные носители заряда...............
Непараметрические методы ................
----- обработки .........................
Неполное статистическое описание.........
Неполный дешифратор......................
Непроволочный резистор ..................
Неравномерность коэффициента передачи ....
— уровней поля...........................
Нерегулярный волновод ...................
Нерезонансная решетка....................
Нерекурсивный цифровой фильтр ...........
Несмещенная оценка.......................
Нестабильность частоты возбудителя ......
Несущая частота .........................
Несущее колебание........................
Несущие конструкции РЭА .................
Неявная формула Эйлера ..................
Неявные методы Адамса...................553
-----Гира ..............................552
-----интегрирования ....................552
Низкочастотная коррекция ................704
Низкочастотный шум электронного прибора ... 841
Нихром...................................188
Ножевой аттенюатор......................275
Номинальная электрическая мощность.......800
Номинальный размер ......................173
Норма функции............................39
Нормализованная координата...............557
Нормальная выходная мощность ...........451
— дисперсия ............................. 258
— рефракция.......i. г...................821
Нормальный случайный процесс.............587
— тлеющий разряд ........................830
Нормативная документация ................45
Нормированная функция....................40
Носители заряда .........................835
Носитель записи .........................114
— звукозаписи магнитный .................121
Нулевой метод сравнения..................312
Нуль-индикатор...........................663
Ньютона метод ...........................553
Ньютона—Рихмана закон....................151
Обволакивание ........................... 144
Обеспечение САПР.........................564
Обзор...................................476
Область дисперсии .......................196
Облучатель антенны ......................97
Обменное взаимодействие .................191
Обмотка трансформатора .................874
Обнаружение по критерию Байеса...........610
-------Неймана—Пирсона...................611
-------последовательного наблюдателя ...610
— радиоимпульса ........................432
— цели..................................109
— шумового сигнала......................433
Обобщенный метод контурных токов.........635
Обработка гидроакустических сигналов ....108
— трассовая..............................367
Обратимые радиационные эффекты..........194
Обратная АРУ.............................363
— волна ................................. 651
— связь......................... 705, 707, 708
Обратное преобразование Фурье ...........757
Обратный пьезоэффект....................194
— фильтр Чебышева.......................666
Обучение без учителя....................602
— с поощрением...........................602
-----учителем............................602
918
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Общая обратная связь....................705
Общие методы анализа линейных цепей.....638
Общий признак микроконтроллеров .........212
Объединение множества событий ...........71
Объектно-ориентированное
программирование........................889
Объектно-характеристические базы данных ... 563
Объектный модуль........................887
Объекты отражающие......................478
Объем выборки ...........................511
Объемное телевидение ....................620
Оверлей ................................. 888
Огибающая амплитуд ......................532
Ограниченно устойчивые методы...........553
Ограничитель............................710
— амплитуды.............................710
— мгновенных значений...................710
— уровня сигнала........................806
— ферритовый............................786
Одновариантный анализ...................549
Одновибратор ............................754
Одновременный обзор.....................476
Одновходовый компаратор.................663
Одноименные зажимы индуктивных катушек . . 657
Одноканальный телевизор ................623
Одноконтурный автогенератор.............334
— параметрический усилитель.............516
Однокоординатные индикаторы.............461
Однокристальный микропроцессор..........212
Однолучевая голограмма Габора ...........781
Однолучевой хроматрон...................614
Одномодовый световод....................793
Однополосная модуляция..................536
— радиосвязь............................490
Однополупериодная схема выпрямителя.....851
Однородный волновод.....................818
Односигнальная селективность ............747
— частотная избирательность .............452
Однослойная цилиндрическая катушка
индуктивности...........................863
Однотактный выходной каскад.............696
— каскад ................................685
Одноэлектронное устройство..............784
Озвучивание открытых пространств ........801
— помещений .............................801
Оконечная нагрузка......................266
Окрашенный шум ..........................584
Оксидные пленки ........................183
Октава ..................................804
Ома закон................................47
----в комплексной форме.................638
Омметр..................................317
Операнд ................................ 753
Оперативное запоминающее устройство......757
Оператор ................................888
— выбора.................................888
— Гамильтона..............................83
— Лапласа..............................41,83
— перехода ............................. 888
— присваивания ..........................888
— цикла ................................ 888
Операторная функция цепи.................646
Операторный метод........................520
-----анализа переходных процессов------------642
---------------------------------------------комплексной огибающей.520
Операционная система ....................891
Операционного усилителя параметры .... 711, 712
-----структура...........................712
-----устойчивость .......................714
-----фазочастотная коррекция.............715
-----шумовая модель......................716
Операционный усилитель.............. 224, 711,
713, 714
— усилитель-повторитель..................714
Операционных усилителей классификация .... 712
Операция проектная ......................548
Описатель файла..........................892
Определение высоты цели .................480
— местонахождения объектов ..............480
Опрессовка ............................. 144
Оптика интегральная......................783
Оптимальная апертура ....................618
— надежность.............................161
— нелинейная фильтрация..................583
— обработка аналоговых сигналов..........607
-----дискретных сигналов.................608
— оценка параметров сигнала .............611
— рабочая частота........................108
— система................................573
— фильтрация.............................574
Оптимальное обнаружение
по критерию Байеса ......................610
----------Неймана—Пирсона ...............611
----------последовательного наблюдателя .... 610
— различение по критерию Котельникова .... 609
----------Байеса.........................609
----------Вальда ........................610
----------максимума правдоподобия .......610
Оптимальный алгоритм обнаружения ........595
-------сигналов .....................599
— линейный фильтр .................. 577,...582
-------Калмана—Бьюси .....................575
— приемник.............. 382, 383, 384, 385, 386
— режим работы генератора................342
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
919
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
— синтез непараметрического
обнаружителя..........................603
— фильтр......................578, 579, 577, 580
Оптимизация безусловная................36, 37
— в условиях априорной неопределенности . . . 605
— избирательного усилителя...............438
— параметрическая.........................34
— структурная..........................34
— условная ............................37
Оптическая фильтрация
пространственных сигналов................793
Оптический изолятор .....................792
— квантовый генератор ................245
— переключатель ......................783
— разветвитель........................783
— транспарант.........................793
— фильтр..............................793
— Фурье-процессор ....................794
Оптоэлектроника..........................792
Оптрон ................................. 793
Оптронная связь .........................744
Орган Корти .............................803
— слуха...............................803
Ортогональная базисная система функций ...39
— система функций .....................40
Ортогональное разложение..................39
— сигнальное пространство.................39
Ортогональные функции.....................39
Ортогональный базис ......................39
Ортонормированная система функций.........40
Освещенность ............................626
Основная кривая намагничивания ..........190
---поляризации...........................196
— погрешность............................312
— составляющая............................29
Основной резонанс .......................634
Основные законы электротехники ...........46
— носители заряда ....................835
— уравнения радиолокации .............467
— цвета ............................. 625
Особенности схем усиления................737
— цифровых телевизоров................624
Остаточная индукция .....................196
— поляризация ........................196
Остроградского—Гаусса теорема.............84
Острота зрения ..........................626
Осушка...................................144
Осциллограф ......................... 321, 322
Отверстие................................173
Ответвитель.......................... 277, 279
— Ланге...............................279
— многополосный акустический..........782
' — направленный оптический............783
Ответчик Ван-Атта ......................466
Отказ ...................................161
Отклонение ..............................173
Отклоняющая система кинескопа...........615
Открытый волновод .......................818
Отладка программы.......................889
Относительная координата................557
— нестабильность частоты возбудителя ..334
— погрешность........................312
— фазовая манипуляция.................409
Относительное отклонение
переменной величины......................28
Отношение С/Ш ..........................114
Отражатель уголковый ...................466
Отражательный клистрон..................248
Отражающие объекты......................478
Отраженная волна........................651
Отрицание ............................... 759
Отрицательная дисперсия.................259
— рефракция..........................821
Отчет о соревнованиях...................330
Охлаждение ..................... 148, 149, 150
— термоэлектрическое ............ 149, 447
Охота за дипломами ......................326
Охраноспособность изделия................163
Оценка «в целом» ........................583
— информативных параметров сигнала....611
— несмещенная.........................586
— состоятельная . . . ................586
— среднего времени восстановления....162
— текущая.............................583
— характеристик случайных процессов......586
— эффективная...........................586
Оценки параметров........................71
ПАВ-устройства нелинейные................794
Падающая волна ..........................651
Падение потенциала катодное ............ 830
Пайка...................................230
Пакет ...................................326
Пакетная задача..........................891
— радиосвязь.............................326
Пакетный контроллер .....................326
Память виртуальная ......................889
Панели газоразрядные индикаторные .......831
Панорамный измеритель затухания .........318
— приемник..............................412
Пара Дарлингтона.........................675
Параболический фильтр....................667
Парадоксная пара ........................675
Параллакс ............................... 626
920
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Параллельная обратная связь ..............707
— форма реализации цифрового фильтра.......774
Параллельное соединение активных элементов . 342
Параллельно-последовательная обратная связь . 708
Параллельные АЦП..........................753
Параллельный интерфейс ...................203
— колебательный контур ...................632
— стабилизатор напряжения.................857
— сумматор................................764
Парамагнетизм ............................190
Параметр..................................197
— нелинейности активного элемента.........379
— связи ..................‘Л'.............634
— фактический.............................889
— формальный .............................889
— цикла...................................888
Параметрическая задача.....................36
Параметрические цепи .....................630
Параметрический генератор.................517
— диод....................................836
— каскад .................................730
— квантовый усилитель ....................281
— контур..................................516
— эквалайзер..............................736
Параметрическое описание
априорной неопределенности................606
— усиление .............................. 516
Параметры антенн...........................97
— выпрямителя.............................851
— гидроакустических станций...............109
— гидроакустической антенны...............103
— многополюсника..........................635
— операционного усилителя.................711
— погонные................................650
— преобразователя частоты ................725
— радиоматериалов макроскопические........191
— разложения .............................618
— усилителя ..............................746
— фильтра.................................667
— цифрового кодирования...................627
— четырехполюсника................... 652, 653
Парафазный каскад.................... 701, 702
Парциальное кодирование ..................132
Паскаль ..................................894
Паспортная электрическая мощность.........800
Пассивные переизлучатели..................466
Пассивный регулятор тембра................734
— ретранслятор............................494
— фильтр..................................643
Патентная чистота изделия.................163
Патентно-правовые характеристики..........163
Пачка радиоимпульсов .......................27
Пейджер............................... . 418^ 496
Пельтье эффект .......................49, 795
Пентод ................................. 844
Первичные параметры четырехполюсника .... 652
Первичный источник питания ..............852
— модуль.................................887
— химический источник тока...............854
Первый закон Кирхгофа....................639
— частный резонанс.......................634
Передаточная проводимость................646
— функция................................646
-----цифрового фильтра ..................772
Передаточное сопротивление...............646
Передающая камера .......................625
— телевизионная трубка...................615
Передающее устройство воздушной службы ... 351
-----космической связи...................351
-----магистральной связи.................350
-----наземной связи......................352
-----оптической связи....................348
-----подвижной службы .............. 350, 351
-----радиовещания .......................349
-----радиосвязи..........................350
-----сигналов..................... 352, 354, 356
-----тропосферной связи..................357
Передний зазор ...........................116
Переизлучатели пассивные.................466
Переключатель............... 279, 783, 793, 865
Переключательный полупроводниковый диод . . 838
Перекрестные искажения ............. 380, 453
-----цветность—яркость...................620
Переменная ..............................889
— составляющая величины ..............28, 29
Перемножение сигналов....................522
Перемножитель/устройство деления ........665
Перемодуляция ...........................533
Перенос источников ......................656
Переносной радиовещательный приемник .... 298
Пересечение событий ......................72
Перестраиваемые диодные генераторы ......271
Переход ............................ 841, 842
Переходная характеристика ...............647
Переходные процессы в линейных цепях ....641
Переходный участок АЧХ...............666, 667
Перечень элементов принципиальной схемы ... 142
Период .................................. 29
Периферийное устройство .................203
Пермаллой................................186
Йетля гистерезиса ................190, 191, 196
Печатная плата ..........................166
Печатный узел............................166
Печать трафаретная.......................232
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
921
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
.28
370
666
.29
191
795
795
. 70
.92
717
127
870
183
228
256
114
222
869
241
799
864
812
818
587
. 67
157
705
616
389
453
779
786
812
673
805
471
109
650
312
377
347
121
233
309
229
118
889
889
868
872
233
359
Пиковое значение величины................
Пиковый детектор.........................
— прецизионный выпрямитель ..............
Пик-фактор ..............................
Пироэлектрики ...........................
Пироэлектрический преобразователь........
— эффект.................................
Пирсона распределение ...................
Пистолькорса вибратор....................
Питание транзистора......................
Питы ....................................
Плавкий предохранитель ..................
Пластмассы ..............................
Плата коммутационная .............. 222,
Платинотрон .............................
Плейер ..................................
Пленочная ИМС ...........................
Пленочный конденсатор ............. 239,
— резистор ..............................
Плоская волна............................
— печатная катушка индуктивности ........
— электромагнитная волна.................
Плоскость поляризации....................
Плотность вероятностей случайного процесса .
— распределения вероятностей.............
----- наработки .........................
Площадь усиления ........................
Плюмбикон ...............................
Побочный канал ..........................
-----приема....................... 380, 389,
Поверхностная акустическая волна .
— магнитостатическая волна...............
— электромагнитная волна.................
Повторитель..............................
Повышение разборчивости речи.............
Поглощающие покрытия.....................
Поглощение акустической энергии .........
Погонные параметры ......................
Погрешность..............................
Подавители импульсных помех .............
Подавление побочных частот...............
Подвижные носители ......................
Подгонка пленочных резисторов ...........
Поддиапазон растянутый ..................
Подложка ИМС.............................
Подмагничивание .........................
Подпрограмма .......................214,
Подпрограмма-функция ....................
Подстроечный конденсатор ................
— резистор ..............................
Подстройка номинала элемента.............
— частоты автоматическая.................
Позистор .............................. 872
Позывной любительской радиостанции......330
Поисковая система АПЧ...................361
Поисковый образ.........................564
Пойнтинга—Умова вектор .................810
Показатели качества радиотехнических систем . 467
— технологичности.......................170
— унификации............................171
Показатель качества .....................34
— технологичности.......................172
Покельса эффект.......................49, 794
Покраска .............................. 144
Покрытие гальваническое.................143
— химическое............................144
Покрытия интерференционные..............472
— металлические ........................144
— поглощающие...........................471
Поле....................................618
— акустическое ........................ 798
— векторное .............................83
— диффузное.............................802
— скалярное .............................83
— физическое ............................84
— электромагнитное.......................79
Полевой день............................326
— транзистор.................... 239, 833, 834
Полиамид................................184
Поливинилхлорид ....................... 184
Полиимид .............................. 184
Поликарбонат ...........................184
Полиметилметакрилат.....................184
Полиморфизм ............................890
Полиномиальные системы .................440
— фильтры ..............................440
Полистирол .............................. 183
Полистироловый конденсатор .............869
Политрифторэтилен ......................184
Полиэтилен .............................183
Полиэтилентерефталат ...................184
Полная группа событий ...................72
Полное изменение величины ...............28
Полный дешифратор.......................756
— коэффициент интермодуляционных
искажений............................748
-----поглощения ........................802
— резонанс ..............................634
— цветовой телевизионный сигнал .........619
Положительная дисперсия .................258
— полярность сигнала яркости............618
— рефракция.............................821
Полоса заграждения ......................747
— задерживания ..................... 643, 747
922
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
— захвата.................................360
— мешания ................................747
— обзора..................................312
— прозрачности ...........................643
— пропускания ........... 30, 392, 395, 398, 403,
406, 631, 643, 746
— удерживания.............................360
— частот ..................................30
Полосатость...............................126
Полосковая линия..........................261
Полосовой усилитель ......................692
— фильтр..................................646
Полуволновая вибраторная антенна...........92
Полудуплексная радиосвязь ................490
Полунатурное моделирование ...............287
Полупроводник примесный ..................192
Полупроводники ................. 191, 192, 835
Полупроводниковая БИС ....................221
— ИМС ....................................221
Полупроводниковый диод....................835
— стабилитрон ............................838
Полутон...................................804
Поляризации механизмы.....................193
Поляризационная избирательность....... 378, 451
— модуляция...............................531
Поляризационный аттенюатор ...............277
Поляризация ..................... 79, 192, 193,
196,818
— остаточная..........................192, 196
Поляризованное реле ......................866
Помеха........................... 50, 374, 747
Помехи........................... 51, 52, 53, 54
— в аппаратуре магнитной записи...........118
— внешние.................................118
— внутренние...............................51
— переходные .............................118
Помехозащищенность ........... 54, 374, 453, 468
Помехоустойчивость........ 54, 374, 377, 380, 392,
395, 399, 404, 407, 453, 468
Порог возникновения кавитации ............107
— глубинного зрения ......................626
— осязания ...............................803
— различения по частоте ..................804
Пороговая чувствительность............400, 454
Порт ввода-вывода ........................203
Порядок сложности цепи ...................630
— фильтра............................ 644, 667
Посадка ................................. 174
Последовательная обратная связь...........707
— форма реализации цифрового фильтра......774
Последовательное соединение элементов ....342
Последовательно-параллельная обратная связь . 707
Последовательные АЦП......................752
— процедуры...............................556
Последовательный колебательный контур.....631
— обзор...................................476
— стабилизатор напряжения.................857
— сумматор................................764
Постоянная времени .......................631
---слуха..................................804
— затухания...............................651
— распространения.........................651
— составляющая величины ...............28, 29
Постоянное запоминающее устройство........757
Потенциал..................................79
— векторный................................84
— скалярный................................84
Потенциалы электродинамические............819
Поток вектора сквозь поверхность...........84
Пояснительная записка.....................142
Правило буравчика .........................48
— левой руки ...........................48
— Ленца ................................48
— правой руки ..........................48
Предельная петля гистерезиса .............196
— чувствительность .......................454
Предохранитель............................870
Преобразование аналоговых сигналов
в цифровую форму .........................470
— детерминированных сигналов .........518, 522
— с жестким ограничением .................604
-----использованием ранговых процедур.....604
------------------------------------------перестановкой элементов выборки.604
— случайных процессов.....................................................587
---сигналов 526, 527
— треугольника в звезду и наоборот.......656
— частоты.................................524
Преобразования Гильберта...................40
— Лапласа...............................41
— Фурье ................................41
Преобразователь аналого-цифровой..........752
— встречно-штыревой ...................779
— измерительный........................311
— информации о расстоянии до цели .....470
— кода.................................755
— напряжения......................... 855, 881
— пироэлектрический................... 795
— полных сопротивлений.................661
— телевизионных стандартов.............625
— тока в напряжение ...................714
---электромашинный........................881
— угла в цифровой код..................471
— цифро-аналоговый .......................769
— частоты........................386, 389, 724,
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
923
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
881
881
214
214
215
215
508
666
830
831
830
311
830
830
830
845
846
846
846
256
.243
245
255
247
247
246
247
247
247
256
827
243
377
428
382
381
427
800
800
416
428
383
411
479
479
417
415
381
385
840
385
412
726, 727,
— числа фаз...............................
Прерывание................................
— внешнее.................................
— внутреннее .............................
— программное.............................
Прерывистая генерация.....................
Прецизионный выпрямитель .................
Прибор газоразрядный .....................
-----тлеющего разряда ...................
— дугового разряда........................
— измерительный...........................
— ионный .................................
— искрового разряда......................
— коронного разряда ......................
— передающий .............................
— электронно-лучевой ............... 844,
-----преобразовательный ------------------
------------------------------------------приемный.
Приборы гиротронные ...............................
— и устройства СВЧ .......................
— квантовые ........................ 243,
— магнетронные............................
— с длительным взаимодействием............
-----кратковременным взаимодействием.....
— СВЧ газоразрядные.......................
-----электровакуумные.....................
— типа М..................................
-----О...................................
— циклотронные............................
— электронные ............................
-----активные ...........................
Прием разнесенный.........................
Приемник автодинный ......................
— аналоговых сигналов ....................
— байесовский ............................
— гетеродинный ...........................
— градиента давления .....................
— давления ...............................
— дальней космической связи ..............
— детекторный ............................
— дискретных сигналов.....................
— измерительный...........................
— компенсационный.........................
— корреляционный..........................
— магистральной связи ....................
— многоканальной связи ...................
— обнаружения и различения сигналов.......
-----сигналов............................. 384,
— оптического излучения...................
— оценивания параметров...................
— панорамный .............................
— персонального вызова .................<418
— проводного вещания.....................300
— прямого усиления.......................428
— радиовещательный................296, 296, 298,
299,412
— радиолокационный.......................412
— радиометрический ......................414
— радионавигационный.....................415
— радиорелейной линии наземной связи.....419
-------спутниковой связи ................420
— радиосвязи ............................415
— различения дискретных сигналов ........384
— разрешения сигналов....................386
— регенеративный ........................428
— РЛС с непрерывным излучением...........412
-------селекцией движущихся целей .......414
— сверхрегенеративный....................429
— супергетеродинный...........421, 429, 430, 431
— телеметрический........................421
Приемное устройство автоматического
сопровождения цели .......................НО
-----гидроакустической станции ...........НО
Призматический резонатор.................263
Применение оптимальных приемников........380
Примесный полупроводник .................192
Примесь..................................192
Принтер..................................569
Принцип асимптотической оптимальности .... 606
— Гюйгенса...............................819
— дуальности ............................640
— минимаксный ...........................606
— непрерывности во времени ..............641
— перестановочной двойственности ........819
— суперпозиции...........................640
Принципиальная схема ............ 141, 340, 636
Принципы получения информации ...........102
Приоритетный шифратор ...................775
Припои.................,............../..189
Приращений метод ....................,.... . . 555
Проблема априорной неопределенности .....574
Пробой диэлектрика ......................194
Проверка гипотезы .......................603
— статистических гипотез ................587
Провод ................................. 870
Проводимость входная ....................646
— дифференциальная.......................648
— комплексная ...........................638
— нагрузки . . ..........................661
— передаточная......................... 646
— средняя ...............................648
— статическая............................648
— электрическая..........................191
924
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Проводник молекулярный.................... . 790
Проводное вещание........................300
Проволока .............................. 870
Проволочный резистор.....................871
Прогонки метод...........................554
Программа................................889
Программирование............... 35, 36, 37, 885,
889, 890
Программируемая логическая матрица ......762
Программируемое постоянное
запоминающее устройство .................757
Программная АРУ..........................364
— реализация цифровой обработки..........426
Программное обеспечение САПР.............568
Программный ввод-вывод...................202
— модуль.................................887
Проектирование.........................55, 56
Проектирования этап .....................548
Проектная операция ......................548
— процедура..............................548
Проектное решение........................548
Проектор ............................... 615
Проигрыватель видеодисков................127
Произведение событий......................72
Промежуточная частота ...................389
Промежуточные каскады ...................348
Промежуточный усилитель мощности.........348
Проницаемость ............................79
— диэлектрическая....................196,819
— конечная ...........................196
— магнитная ..........................819
— начальная ..........................196
Пропитка.................................144
Пропитывание слабогигроскопичными
веществами ..............................144
Пропуск цели.............................573
Пропускная способность ..................468
---канала связи.................. 136, 490, 617
Простая система АРУ......................363
Простейшая коррекция с запаздыванием.....716
Простое обучение ........................602
Простой диодный детектор.................677
— итерации метод . ...................553
— преобразователь частоты ............726
Пространственная гармоника...............814
— группировка ......................... 243
— избирательность.................... 378, 451
Пространственно-временная обработка......390
Пространственный ток.....................824
Пространство адресное....................886
Противорадиолокационное покрытие ........471
Протокол множественного доступа .........326
Протон-солитон...........................791
Процедура проектная .....................548
Процедуры итерационные...................556
— последовательные.......................556
Процесс автоволновой.....................788
— случайный...................... 583, 589, 590
Процессор автоволновой молекулярный .....789
— диалоговый.............................570
— звуковой ..............................301
— молекулярный...........................789
Прочность механическая...................195
Прямая АРУ...............................363
— волна..................................651
— обратной связи .....................510
— форма реализации цифрового фильтра...773
Прямого синтеза синтезатор частоты.......338
— усиления приемник ..................428
Прямой доступ к памяти...................202
— код.................................758
— метод отыскания автокорреляционной
функции ................................ 530
— пьезоэффект ........................194
— способ ЧМ ..........................356
Прямоугольный волновод...................259
Псофометрический эффект..................804
Пуассона распределение....................70
— уравнение .......................... 85
Пульсирующая величина ....................29
Пучок волоконно-оптический...............792
Пьезокерамика............................194
Пьезокерамический фильтр..........441, 691, 780
Пьезоэлектрик............................194
Пьезоэлектрический резонатор.............780
— трансформатор .........................780
— фильтр.................................691, 441
Пьезоэффект .............................194
Рабочее поле конструктива............... 566, 567
Рабочеподобное обучение..................602
Равномерно наилучшее решение ............606
Равномерный закон распределения ..........68
Радиальный групповой излучатель..........800
— резонатор..............................262, 263
Радиатор.................................148
Радиационная стойкость...................194
Радиоавтоматика .........................283
Радиоастрономия...........................58
Радиобиология.............................59
Радиовещание .................... 295, 301, 302
— цифровое........................... 302, 425
Радиовещательные передающие устройства . .. 303
Радиовысотомер ..........................480
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
925
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Радиогеофизика.............................59
Радиодальнометрия.........................472
Радиозонд ................................478
Радиоизмерительные устройства ............311
Радиоимпульс ..............................27
Радиокомплекс............................ 299, 459
Радиола ................................. 299
Радиолиния .............................. 490
Радиолокационное передающее устройство . . . 357
Радиолокационные цели.....................477
Радиолокационный обзор ...................476
— приемник................................412
Радиолокация..............................475
Радиолюбительская РЭА........................: 331
— связь ............................. 325,491
Радиолюбительский диплом..................329
Радиолюбительской связи диапазоны частот . . . 329
Радиометеорология ................... 59, 478
Радиометр ............................414,479
Радионаблюдатель..........................326
Радионаблюдения ..........................326
Радионавигационные устройства.............482
Радионавигационный приемник...............415
Радионавигация............................480
Радионуклидное устройство.................319
Радиопеленгатор ..........................486
Радиопеленгации амплитудный метод.........483
Радиопеленгация...........................483
Радиопередающее устройство ...............333
-----любительские.........................331
Радиоприемное устройство
аналоговых сигналов............. 391, 393, 394
-----импульсно-аналоговых сигналов .......401
---------------------------------------------импульсно-дискретных сигналов . . . 405, 408,
409,410,411
-----импульсных сигналов ............397
......................оптических сигналов..................423, 424
--------------------------------------------сигналов в оптическом диапазоне волн . . 422
-------миллиметровых волн ................421
-----цифровое ............................424
Радиоприемные устройства любительские .... 332
-----различного назначения ...............411
Радиорелейная наземная связь..............491
— спутниковая связь.......................491
— станция.................................491
Радиосвязь................................486
— документальная .........................487
— дуплексная .............................487
— индивидуальная .........................496
— ионосферная.............................487
— космическая ............................488
— метеорная ........................ 326, 488
— наземная ...............................490
— однополосная............................490
— пакетная .............................. 326
— полудуплексная..........................490
— прямой видимости .......................493
— симплексная ............................496
— телеграфная.............................499
— телетайпная.............................327
— телефонная..............................499
— транкинговая............................499
— тропосферная ...........................499
— факсимильная............................487
— через Луну .............................327
— широкополосная ........................ 499
Радиосеть.................................490
Радиосигнал.......................62,531,532,
534, 535
Радиосигналы звукового сопровождения.....619
— изображения.............................619
Радиоспектроскопия.........................59
Радиостанция..............................486
Радиоствол................................491
Радиотелескоп.............................500
Радиотехника...............................57
Радиотехническая разведка.................500
— система ......................... 63, 64, 459
Радиотехнические сигналы..................503
— цепи....................................503
Радиотехническое устройство...............459
Радиоуправление ......................... 501
Радиофарфор...............................183
Радиофизика ...............................59
Радиохимия.................................59
Радиоэлектроника...........................59
Радиоэлектронная борьба...................501
— система ................................140
— ячейка...................................61
Радиоэлектронное устройство ..............139
Радиоэлектронные средства ..............60, 61
Радиоэлектронный блок .....................61
— комплекс................................140
— модуль...................................61
— шкаф.....................................61
Радиус гулкости...........................802
Разборчивость речи........................805
Развертка.................................618
Развертывание.............................618
Развертывающий элемент....................618
Разветвитель оптический ..................783
Разделение пластин и подложек.............233
Раздельность звучания ....................801
Различение по критерию Котельникова......609
926
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
—------Байеса.............................609
-------Вальда.............................610
-------максимума правдоподобия----------------610
----------------------------------------------последовательного наблюдателя .610
Разложение ..................................................................618
— изображений.............................618
— по полиномам Чебышева....................42
— по функциям Лагерра......................42
-------Уолша ..............................43
-------Хаара...............................43
Размах величины............................28
Размерность массива.......................887
Разнесенные активные РЛС .................476
Разнесенный прием.........................377
Разностно-дальномерный метод..............481
Разностное уравнение......................770
Разностный каскад ........................740
Разомкнутые системы.......................291
Разрешающая способность.......... 312, 626, 747
Разряд газовый ...........................829
— искровой .............................. 830
— самостоятельный ........................830
— тихий...................................830
— тлеющий.................................830
Разрядно-модульный микропроцессор.........213
Рамана—Ната дифракция.....................778
Ранговые алгоритмы........................605
Распределение Вейбулла.....................68
— вероятностей случайного
сигнала.......................... 526, 528, 529
— Гаусса ..................................68
— многомерное..............................66
— Пирсона .................................70
— по закону арксинуса......................68
— Пуассона.................................70
— Рэлея....................................70
Распределенная база данных................563
— система.................................801
Распределенный электротепловой элемент .... 795
Распространение радиоволн ....... 819, 820, 821
Растянутый поддиапазон....................309
Расфокусировка электронного потока .......244
Расчет электрических допусков на ЭВМ......176
Расчетная электрическая схема цепи .......636
Расчленение................................56
Расширение стереофонической базы .........732
Реактивная нагрузка ......................277
Реактивные элементы в линиях передачи . . 261, 262
Реактопласты..............................183
Реакционный центр фотосинтеза.............791
Реализация случайного процесса............583
Реальная избирательность..................452
— чувствительность....................... 746
Реальный учитель...........................602
Ревербератор ..............................807
Реверберация................................ПО
— регенеративная...........................803
Реверсивный сдвигающий регистр.............763
— счетчик .................................765
Регенеративная реверберация................803
Регенеративный делитель частоты............536
— каскад ..................................731
— приемник.................................428
— усилитель ...............................728
Регенератор цифровых сигналов .............493
Регенерация................................537
Регистр....................................762
— буферный ................................217
— общего назначения........................213
— очереди команд...........................213
— параллельный.............................763
— сдвигающий ..............................763
Регрессионный метод .......................555
Регулярный волновод .......................818
Регулятор громкости........................732
— пространственного впечатления ...........732
— стереобазы и направления.................807
— тембра............................. 733, 734
— уровня............................. 806, 807
— усиления ............................... 734
Регуляторы усилителей звука................731
— физиологические .........................731
Редактор связей............................891
Реджиа—Спенсера фазовращатель..............279
Режекторный фильтр.........................646
Режим А....................................749
— АВ.......................................749
— АВЕ......................................749
— AD.......................................749
— В .......................................749
— BD.......................................749
— С .......................................749
— D .......................................749
— Е .......................................749
— бегущих волн ............................651
— вентильный...............................839
— воспроизведения.....................126, 131
— диалоговый...............................891
— динамический..............................28
— ждущий....................................28
— записи .............................126, 131
— интерактивный............................891
— ключевой..................................28
— короткого замыкания ......................28
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
927
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
— мультизадачный ........................891
— мультипрограммирования .............. 891
— насыщения .............................828
— отсечки ...............................828
— пакетной обработки ....................891
— переходный..............................28
— периодический ......................... 28
— работы..................................28
----активного элемента...................748
----генератора с внешним возбуждением .... 341
----нелинейный...........................341
----под нагрузкой.........................28
----цепи вынужденный ....................642
— разделения времени ....................891
— реального времени .....................891
— самовозбуждения ....................510
— синхронный ..........................28
— смешанных волн......................651
— согласования по мощности ............28
— стоячих волн........................652
— установившийся..........................28
— фотовольтаический......................839
— фотодиодный............................839
— холостого хода .........................28
Резервирование ..........................161
Резервный гальванический элемент.........855
Резистор..............................241, 870,
871, 872
Резисторы ИМС............................241
Резонанс ................... 537,631,632,634
Резонансная диафрагма....................261
— характеристика ....................... 631
— частота .............................. 631
Резонансное нелинейное туннелирование.....791
----усиление.............................524
— туннелирование электронов..............787
— умножение частоты .....................525
Резонансные согласующие звенья ..........345
Резонансный волномер.....................323
— спектр ............................... 196
— частотомер ............................323
Резонатор.............................262, 263
— кварцевый..............................336
— пьезоэлектрический ....................780
— Фабри—Перо ............................782
— ферритовый.............................786
— электромеханический....................780
Резонаторная замедляющая система.........258
Рекомбинация носителей заряда............835
Рекурсивный цифровой фильтр .............770
Релаксационные методы....................553
Релаксационный спектр ...................196
Реле .....................................866
Реляционные базы данных ..................563
Ремонтопригодность........................162
Рентгеновское устройство..................319
Репрограммируемое ПЗУ ....................757
Ретранслятор ........................ 327, 494
Рефлектометр..............................318
Рефлектор .................................98
Рефлекторный диск..........................92
— крест ............................... 92
— стакан .............................. 92
Рефракция ................................821
Рециркулятор..............................580
Речевой сигнал ...........................805
— тракт ...............................805
Речь .....................................805
Решение...................................572
— квазиоптимальное......................34
— оптимальное...........................34
— проектное .......................... 548
— рациональное ........................ 34
Решетка дифракционная.....................782
Решетчатая последовательность.............763
— функция..............................763
РЛС приемник с непрерывным излучением .... 412
Ротор ....................................879
— векторного поля ......................84
Рупор ^//-плоскостной......................98
— Е-плоскостной ........................98
— //-плоскостной .......................98
— конический .......................... 98
— пирамидальный ........................98
Рупоры гофрированные.......................99
— секторные................................98
Ручной регулятор уровня ..................807
РЭА бортовая..........................139, 168
— бытовая.................................140
— космическая ............................168
— морская ............................139, 168
— наземная ...............................139
---подвижная .............................169
---стационарная...........................170
— подвижная...............................169
— профессиональная .......................140
— радиолюбительская.......................331
— ракетная ...............................168
— самолетная и вертолетная ...............168
— стационарная бытовая ...................170
---профессиональная.......................170
— структурного уровня второго.............166
-------НуЛевого ..........................163
------- первого ......................... 165
928
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
-------третьего .......................... 166
Рэлея распределение........................70
Ряд Котельникова ..........................43
— Фурье ...................................44
С-автомат.................................769
Саллена—Кея активный фильтр...............668
Самонастраивающаяся АСУ...................284
Самообучающаяся АСУ ......................284
Самоорганизующаяся АСУ....................284
Самостоятельный дуговой разряд............830
— СВЧ разряд...........................246
Саньяка эффект.........................49, 794
Сатикон ..................................616
Сборка диодная............................850
Сборочная единица.........................141
Сборочный чертеж .........................141
Свертка .................................. 44
— дискретная ..........................763
Свертки устройство акустоэлектронное......794
Сверхбольшая ИМС .........................220
Сверхоперативное запоминающее устройство . . 758
Сверхпроводники ..........................189
— керамические ........................189
Сверхрегенеративный приемник .............429
Сверхрегенерация..........................537
Сверхрефракция ...........................821
Светимость ...............................626
Световая характеристика...................615
— экспозиция ..........................626
— энергия .............................626
Световод.......................... 791, 793, 794
Светоклапанный проектор ..................615
Светоотдача...............................614
Свободные колебания.......................631
Свойства материалов...................194, 195
— слуха...................................804
Свойство .................................197
— линейности..............................542
— симметрии преобразования Фурье..........543
— устойчивости закона распределения.......526
СВЧ биполярный транзистор ................829
— газоразрядные приборы...................246
— генераторы диодные......................268
---транзисторные..........................275
— детекторы ..............................268
— диоды детекторные.......................266
---смесительные...........................266
---управляющие............................267
— полевой транзистор .....................834
— приборов шумы ..........................280
— приборы и устройства ...................243
— разряд самостоятельный ..............246
— системы.............................258
— смесители ...........................268
— согласующие звенья...................265
— транзисторы ...........................268
— усилители ........................ 274, 275
— устройства твердотельные...............266
---трактовые.............................275
— фильтры ...............................266
— электровакуумные приборы...............247
— электронные лампы .....................257
Связь громкоговорящая....................802
— радиолюбительская......................491
— радиорелейная наземная.................491
---спутниковая...........................491
Сглаживающий фильтр......................859
Сегментация памяти ......................215
Сегнетоэлектрики ........................195
Секон....................................616
Сектор ................................. 892
Секционный микропроцессор................213
Селективность односигнальная ............747
Селективный вольтметр ...................315
— каскад ................................685
— усилитель .............................745
Селекция движущихся целей ...............377
Сельсин .................................881
Серебро ................................ 189
Серия ИМС ...............................222
Сетевые базы данных .....................563
Сетка рабочих частот ....................338
Си.......................................895
Си++.....................................895
Сигнал............................ 61, 62, 134,
137, 405
— основного цвета ...................619, 625
— распознавания цвета.....................619
— речевой ................................805
— с медленно изменяющимися параметрами . . 532
---ограниченным спектром ................511
---финитным спектром ....................511
---частотным уплотнением ................415
— телевизионный .........................619
— угадывания цвета.....................619
— управляющий ........................531
— фазоманипулированный................405
— финитный ............................511
— цветности ...........................619
— цветоразностный ....................619
— цифровой........................ 62, 770
— частотноманипулированный ...........405
— яркости .............................619
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
929
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
—, сопряженный по Гильберту . ,.....л . 40
Сигналограмма ...........................124
Сигналы вещательного телевидения ........619
— многоканальные.........................401
— простые...............................62
— радиотехнические.....................503
— сложные ................................62
Сигнальный трансформатор.................875
Сила Лоренца .............................48
— реверберации ...........................ПО
— света ................................ 626
— цели....................................НО
Силовой трансформатор....................875
Силумины ................................185
Симплексная радиосвязь...................496
Синтез сигнала ..........................511
— систем радиоавтоматики ................289
— цифрового фильтра......................773
Синтезатор частот цифровой ..............427
— частоты .......................... 337—339
Синус-преобразование Фурье................42
Синхрогенератор..........................625
Синхронизация автоколебаний..............537
Синхронизируемый генератор импульсов ....753
Синхронная электрическая машина..........879
Синхронное детектирование................524
— моделирование .........................550
— радиовещание...........................302
Синхронный детектор......................372
Система МАС .............................620
— NTSC.................................. 621
— PAL ...................................622
— SECAM..................................622
— автоматизированного проектирования......547
— акустическая ......................... 797
— бинауральная ..........................806
— вала...................................174
— ведомственной радиосвязи...............496
— вещательного телевидения...............619
— гидроакустическая .....................105
— звукового радиовещания ................301
— звукотехническая ......................797
— звукоусиления..........................802
— зональная .............................801
— измерительная..........................311
— информационная..........................62
— информационно-поисковая................564
— кинескопа отклоняющая..................615
— координатная...........................557
— матричная..............................806
— многоканальная.........................806
— многопроцессорная......................201
— многоуровневая.........................214
—~ низовой и производственной радиосвязи . .. 496
— общей радиосвязи.......................496
— операционная ..........................891
— оптимальная ...........................573
— отверстия..............................174
— охлаждения РЭА.....................148, 149
— пейджинговая...........................496
— передачи дополнительной информации......623
-----неподвижных ТВ изображений..........623
— персонального радиовызова..............496
— повышенного качества...................805
— подвижной радиосвязи...................497
— радиосвязи ............................486
— радиотехническая.......................459
— радиоуправления ........................64
— распределенная.........................801
— с фазовой пеленгацией..................484
— связанных контуров ....................633
— сосредоточенная........................801
— сотовой подвижной радиосвязи...........498
— специальной радиосвязи ................496
— стереофонического радиовещания .... 304—306
— счисления двоичная ....................764
-----позиционная.........................763
-----шестнадцатеричная...................764
— телевизионная повышенного качества.....620
— томографическая........................319
— управления автоматическая..............283
-----базой данных........................562
— функций ортогональная...................40
-----ортонормированная....................40
Системная часть стандарта MPEG-2 .........628
Системное программирование ...............890
Системный подход .........................57
Системы автоколебательные.................506
— замкнутые..............................291
— извлечения информации..................134
— информационно-справочные ..............564
— колебательные..........................536
— передачи информации ...................133
— противодействия........................134
— радиоавтоматики................... 288, 293
— разомкнутые............................291
— СВЧ волноведущие.......................258
-----колебательные ......................258
— специализированные телевизионные........622
— цифровые автоматические................286
— шумоподавления........................у . . 116
— экспертные ............................569
Ситалл ................................. 185
Скалывание вершины импульса..............521
930
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Сканирование ............................618
СКВИД ...................................784
Сквозная динамическая характеристика ....746
Сквозной канал...........................114
Скоростной осциллограф ..................322
Скоростные параметры
операционного усилителя..................712
Скорость носителя........................115
— передачи информации................ 137, 468
— фазовая................................651
— электромагнитных волн .................821
Скремблер................................131
Скрытность...............................468
Следящий прием ЧМ сигналов...............397
Слежение.................................127
Слово командное..........................216
— машинное ..............................216
— состояния .............................216
Сложение алгебраическое..................755
— и деление мощностей....................343
— мощностей.......................... 342, 344
Сложный резонанс ........................634
Случай несущественной априорной
неопределенности.........................607
Случайная величина........................64
-----центрированная.......................71
Случайного события вероятность............72
Случайное событие.........................71
Случайной величины закон распределения....64
-----математическое ожидание..............70
-----медиана .............................71
-----мода.................................71
-----начальный момент k-го порядка........71
-----среднее квадратическое отклонение....71
-----центральный момент к-го порядка......71
Случайные события ........................72
Случайный процесс................583, 587, 588,
589, 590
Случайных величин характеристики .........70
Смачиваемость ...........................195
Смесители СВЧ............................268
Смеситель ...............................807
Смесительные диоды СВЧ ..................266
Смесительный СВЧ диод ...................836
Смешанные алгоритмы......................556
Смещение автоматическое .................508
— фиксированным напряжением..............721
-----током базы..........................720
Собственная добротность резонатора.......816
— частота резонатора.....................815
Собственно полупроводник ................192
Собственные колебания ...................631
— нелинейные искажения....................444
Событие....................................71
Совершенная дизъюнктивная
нормальная форма..........................759
— конъюнктивная нормальная форма .........760
Совместимость приемника электромагнитная . . 454
— систем..................................619
Совмещение событий ........................72
Совмещенная ИМС...........................222
Совмещенные активные РЛС .................476
Совмещенный детектор......................678
Согласное включение индуктивностей.......657
Согласование избирательной системы .... 369, 445
Согласованная нагрузка ...................277
— фильтрация заданного сигнала............581
Согласованное каскадное соединение
четырехполюсников ........................654
Согласующие звенья активных элементов
генераторов ..............................344
---СВЧ ...................................265
Соединение четырехполюсников
согласованное каскадное...................654
— электрическое разъемное.................867
Солитон ................................. 790
— Давыдовский.............................791
Солитонный вычислитель Картера............789
Солнечная батарея.........................854
Сон.......................................803
Сообщение............................133, 137
Сообщения звукового вещания...............303
Сопротивление ............................637
— активное ................................80
— вносимое................................633
— волновое ..........................651, 813
— входное.................................646
— динамическое.............................80
— дифференциальное........................648
— комплексное .......................... 638
— отрицательное...........................507
— передаточное............................646
— реактивное ...........................80
— - среднее ............................648
— - статическое......................... 80, 648
— характеристическое .................. 631
— электрическое............................80
Сопроцессор ..............................216
Сопряжение настроек гетеродина
и преселектора............................390
Соревнования по радиосвязи ...............327
Соседний канал приема ....................380
Сосредоточенная система...................801
Сосредоточенный электротепловой элемент ... 796
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
931
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Составной транзистор ...............<•.<... ч . 674
— четырехполюсник...............,........ 653
Состояние покоя транзистора................717
Состоятельная оценка.......................586
Спектр амплитуд периодической величины....29
— амплитудный......................... 29, 538
— дискретизированного сигнала .............512
— комплексный периодической величины .......29
— математический ..........................538
— мгновенный...............................541
— периодического сигнала............. 544, 545
— резонансный..............................196
— релаксационный...........................196
— сигнала с бесконечной энергией ..........541
— сигналов взаимный........................515
— текущий...............................,. 541
— фаз периодической величины ...............30
— фазовый..................................538
— физический...............................538
—частот ...................................617
— энергетический..................... 538, 592
Спектральная плотность амплитуд............538
-----периодического сигнала ..............545
-----энергии сигнала......................539
— характеристика...........................615
— чувствительность ....................... 626
Спектрально-корреляционные
характеристики случайного сигнала . . . 526, 529, 531
Спектральный анализ .......................527
-----методом дифференцирования.............540
-----непериодических сигналов..............537
-----периодических сигналов................543
— метод.............................. 520, 527
-----анализа переходных процессов..........643
-----комплексной огибающей.................520
Спектры параметров материалов..............196
Специализированные аналоговые ИМС..........225
— телевизионные системы....................622
Специальный резистор.......................872
Спецификация...............................142
Спиральные линии ..........................258
Сплав МЛТ .................................188
Способ передачи и обработки изображений
цифровой...................................627
Спутниковая система МАС....................620
Спутниковое радиовещание ..................302
Средневыпрямленное значение величины........29
Среднее время восстановления...............162
— значение величины.........................28
-----скорости носителя.....................115
— квадратическое отклонение случайной
величины...............................71
— сопротивление ..........................648
— ухо.....................................803
Среднеквадратическое значение величины ....28
— отклонение величины......................28
Средний коэффициент поглощения ...........802
— риск....................................573
Средняя длина свободного пробега .........802
— крутизна характеристики.................649
— мощность ................................29
-----переменной составляющей...............29
-----периодического сигнала ..............546
— наработка на отказ .....................158
— проводимость............................648
Стабилизатор напряжения.......... 856, 857, 858
— тока .......................... 856, 857, 858
— ферромагнитный..........................882
Стабилизация коллекторная ................722
— комбинированная ........................722
— эмиттерная .............................722
Стабилизированные диодные генераторы .....269
— цепи питания транзисторов ......... 721, 723
Стабилизированный источник питания.........858
Стабилитрон полупроводниковый ............838
Стабилотрон ..............................256
Стадии разработки конструкторской
документации .............................142
Сталь ....................................185
— электротехническая .....................187
Стандарт ..............................45, 46
— частоты квантовый.......................245
Стандартизация ........................... 46
— международная............................46
Стандартная выходная мощность.............451
Стандартный болевой порог.................803
Станция звукоподводной связи..............111
— передающая телевизионная................357
— теплолокационная........................502
Статистическая вероятность.................72
— функция распределения
случайной величины ....................65
Статистический синтез
информационных систем............ 571, 593, 607
Статистическое описание неполное..........606
Статическая детекторная характеристика ...681
— диэлектрическая проницаемость...........196
— модуляционная характеристика............523
— петля гистерезиса.......................196
— проводимость............................648
Статические испытания .................... 195
Статический риск сбоя ....................550
Статическое оперативное
запоминающее устройство ..................757
932
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
— сопротивление ....................... 648
Статор ..................................879
Стационарность случайного процесса.......589
Стационарный радиовещательный приемник . . 299
— случайный процесс......................589
Стеатит..................................183
Стек ....................................216
Стекло ..................................184
Стеклообразные полупроводники............192
Стеклянный конденсатор ..................869
Степень интеграции ......................220
Стереогониометр..........................807
Стереодекодер............................306
Стереосигнал комплексный ................305
Стереофоническая система
повышенного качества ....................805
Стефана—Больцмана закон .................151
Стойкость радиационная...................194
Сторонние токи...........................824
Стоячая электромагнитная волна...........812
Стробоскопический осциллограф............322
Строка ................................. 618
Строчка записи видеомагнитофона .........128
Структура «кремний на диэлектрике» ......241
— «кремний на сапфире»................241
— декодера системы SECAM..............624
— комплементарная изопланарная........240
— МДП гибридная ......................791
— металл—диэлектрик—полупроводник ....842
— операционного усилителя ............712
— радиоприемника.................... 392, 393
— радиоприемного устройства...........427
— РПрУ импульсных сигналов ...........400
---ЧМ сигналов ..........................397
— типового тракта обнаружения ........434
— управляющая ........................890
— усилителя сигнальной частоты .......446
— цифровых радиоприемных‘устройств.....425
Структурная проработка конструкции........156
— схема..................................141
---приемника импульсной РЛС..............412
Структурное программирование.............890
Субгармоника .............................30
Сумма множества событий...................71
Суммарно-разностный метод ...............306
— моноимпульсный измеритель...............4 85
Сумматор.............................660, 663,
764, 765
Суммирование/вычитание...................660
Суммирующий счетчик......................765
Супергетеродинный приемник...........429, 430,
431,616
Суперцифровое сканирование изображений . . . 624
Сферическая волна .........................799
Схема автогенератора трехточечная..........508
— амплитудного детектора...................678
— включения с общим коллектором ...........828
----------эмиттером........................828
-------общей базой ........................828
— выпрямителя..............................851
— Греца мостовая...........................851
— диаграммообразующая......................366
— динамическая ............................227
— замещения реального элемента.............636
-----цепи комплексная ....................638
— общая ...................................142
— подключения..............................142
— принципиальная...........................141
-----электрическая .......................636
— простого инвертора на
и-канальных МДП ПТ ...................226
— с внешнеемкостной связью ...............369
-----внутриемкостной связью................369
-----комбинированной связью ...............369
-----общей базой...........................736
-----общим коллектором.....................736
-------эмиттером...........................736
-----трансформаторной связью...............368
-----тремя состояниями ....................218
— соединений...............................142
— структурная..............................141
— функциональная...........................142
— цепи электрическая ......................636
Схемная форма .............................565
Схемотехника активных фильтров.............668
Схемы усиления каскодные ..................737
Счетчик ............................. 765, 766
Таблица истинности ........................759
Таймер.....................................310
— микропроцессора .........................216
Такт машинный..............................217
Тангенс угла потерь.........................80, 196
Тангенциальная чувствительность............454
Тахогенератор .............................882
Твердость..................................195
Твердотельный лазер........................245
Твистрон ..................................253
Тезаурус...................................564
Текущая оценка.............................583
Текущий комплекс...........................638
Телевидение................................613
— высокой четкости .................. 621, 623
— любительское ............................327
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
933
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
— объемное............................... 620
— цветное вещательное .....................621
Телевизионная передающая станция ..........357
— система повышенного качества.............620
Телевизионный автомат .....................623
— приемник.................................421
— растр .................................. 619
Телевизор..................................623
Телеграфная радиосвязь ....................499
Телеграфные уравнения .....................650
Телеграфный ключ ..........................331
Телеметрический приемник...................421
Телемонитор ...............................625
Телерадиоаппаратура типовая................625
Телетайпная радиосвязь ....................327
Телетайпный аппарат .......................327
Телетюнер .................................625
Телефонная радиосвязь......................499
Тело цикла.................................888
Температура Кюри......................190, 196
Тензорезистор .............................872
Теорема Бернулли............................72
— взаимности ......................... 641, 822
— гипотез ..................................72
— единственности...........................822
— запаздывания.............................541
— компенсации..............................641
— Котельникова ............................513
— линейности...............................542
— масштабов................................542
— о спектре обращенного сигнала............543
-------произведения........................543
-------свертки ............................543
— об эквивалентном источнике
(генераторе) напряжения ................641
— Остроградского—Гаусса ....................84
— отсчетов в частотной области ............513
-----во временной области.............,....513
— подобия..................................151
— симметрии преобразования Фурье...........543
— сложения..................................73
----- вероятностей ........................ 73
— смещения ................................543
— Стокса....................................84
— умножения ................................73
-----вероятностей ..........................73
— Пойнтинга—Умова..........................822
— Флоке....................................823
— центральная предельная....................70
— эквивалентности..........................823
Теоремы о дифференцировании
и интегрировании .................... 542, 543
— спектрального анализа..................541
— электродинамики .......................821
Теория информации .......................137
— комбинационных частот..................506
— преобразования частоты.................724
— цепей ................................ 629
Тепловая трубка..........................148
Тепловое расширение......................195
Тепловой шум электронного прибора .......841
Тепловые шумы............................456
Теплолокационная станция.................502
Теплолокация.............................501
Теплопередача............................151
Теплостойкость...........................195
Терминал.................................204
Термины общие............................197
Термистор ...............................872
Термическое испарение в вакууме..........232
— оксидирование кремния..................233
Термокомпенсация ........................869
Термокомпрессионная микросварка..........230
Термопласты .............................183
Терморезистор............................872
Термостат................................149
Термоэлектрический генератор.............852
Термоэлектрическое охлаждение............447
Термоэлектронный источник питания........854
Термоэмиссионный источник питания........854
Терция ................................. 804
Тетрод ..................................844
Техническая ширина спектра ..............540
— эффективность .........................469
Технические условия......................142
Технический проект ......................142
Техническое задание......................142
— обеспечение САПР.......................568
— предложение............................142
Технологии перспективные............... 234
Технологическая операция.................229
Технологичность производственная.........172
— РЭА....................................170
— эксплуатационная.......................172
Технология КМДП .........................234
— гибридных ИМС, БИС и МС................234
— Ленгмюра—Блоджетт (Шеффера)............791
— полупроводниковых ИМС .................234
— производства ИМС, БИС и МС.............233
Типовая телерадиоаппаратура..............625
Типовой технологический процесс..........234
— тракт обнаружения сигналов.............432
Типовые звенья...........................291
— элементы замены ....................61, 166
934
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Типы электромагнитных волн................823
Тиристор .................................839
Тихий разряд..............................830
Ток........................................80
— вихревой................................824
— поляризации ............................824
— проводимости............................824
— пространственный .......................824
— смещения ...............................824
Токи сторонние............................824
Токовое зеркало.......................719, 723
Томографическая система...................319
Томсона эффект.............................49
Тональная амплитудная модуляция ..........533
Тонарм ...............................121, 122
Топливный элемент.........................855
Топологические уравнения схем.............566
Тороидальный резонатор....................263
Точка входа ..............................892
— повторного входа .......................892
— прерывания..............................892
Точность воспроизведения .................468
— РЭА.....................................172
— систем автоматического управления........291
Траектория движения ленты
в лентопротяжном механизме................128
— разложения изображения..................618
Тракт звуковой частоты радиовещательного
приемника.................................307
— обнаружения сигналов....................432
— радиовещательного приемника ....... 306, 307
— речевой ................................805
Транзистор биполярный ............... 827, 829
— полевой ....................... 833, 834, 239
-------с изолированным затвором --------------834
----------------------------------------------управляющим переходом.834
— с индуцированным каналом................834
— со встроенным каналом ..................834
— составной ..............................674
Транзисторные генераторы СВЧ..............275
— усилители СВЧ........................275
Транзисторный детектор....................679
— преобразователь частоты .............727
Транзисторы с высокой
подвижностью электронов ..................835
— п-р-п многоэмиттерные...................238
—р-п-р многоколлекторные..................238
— СВЧ.....................................268
Транкинговая радиосвязь ..................499
Трансивер............................ 332, 625
Транслятор................................892
Трансляция программы......................892
Транспарант оптический....................793
Транспаранты магнитооптические............785
Транспонирование спектра..................522
Транспортная задача.......................36
Трансформатор.................... 872, 874, 875
— вращающийся.............................882
— пьезоэлектрический ....................780
— сопротивлений ..........................673
Трапеций метод............................553
Трассовая обработка .....................367
Трафаретная печать........................232
Трехточечная схема автогенератора.........508
Триадные базы данных......................563
Триггер.......................... 766, 767, 790
Тригонометрический ряд Фурье..............545
Тринистор ................................839
Триод.....................................844
Триодный тиристор.........................839
Тромбонный фазовращатель.................279
Тропосфера ...............................824
Тропосферная радиосвязь..................499
Трубка телевизионная передающая ..........615
Тумблер ..................................865
Туннелирование резонансное нелинейное.....791
Туннельный диод...................... 267, 838
— эффект..................................838
Тюнер.....................................299
Тюнер-усилитель...........................300
Углерод .................................188
Угловая модуляция.................... 531, 535
Угломерный метод..........................481
Угол Брюстера.............................820
— конвергенции ...........................626
— отсечки ................................748
-----выходного тока генератора ..........342
— полного отражения.......................820
— поляризации ............................818
— потерь ............................... 197
— разрешения..............................626
Уголковый отражатель.................. 98, 466
Уда—Яги антенна...........................93
Узкополосная линейная фильтрация..........521
Узкополосные согласующие звенья ..........345
Узкополосный активный фильтр.............668
Узлы аппарата магнитной записи...........115
Уидроу алгоритм..........................366
Указатель стека ..........................216
Ультразвуковая микросварка...............230
Ультракоротковолновик....................329
Умножение................................755
— частоты ............................ 525, 537
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
935
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Умножитель фотоэлектронный...............840
— частоты................................348
— чисел.............................. 767, 768
Умножительный диод ......................836
— клистрон...............................248
Умова—Пойнтинга теорема..................822
Умформер ................................881
Универсальные активные фильтры....... 668, 669
Унификация................................46
Управление дистанционное ................309
— микропроцессорное .....................309
Управляемый источник тока
или напряжения...........................636
Управляющая структура....................890
Управляющие диоды СВЧ....................267
Управляющий сигнал ......................531
Упрощенный сравнительный анализ
схем усиления ...........................736
УПЧ в интегральном исполнении............441
— логарифмический........................442
— с двухконтурным полосовым фильтром .... 439
-----одиночными ГС-контурами.............439
-----попарно расстроенными контурами .... 439
-----распределенной избирательностью.....439
-----цифровым фильтром...................442
— со сосредоточенной избирательностью....440
Уравнение волновое ......................813
— гидролокации ..........................106
— обобщенной размерной цепи..............172
— погрешностей...........................178
— Пуассона................................85
— разностное ............................770
— характеристическое ................... 293
Уравнения Гельмгольца....................825
— компонентные...........................637
— Максвелла..............................825
— Мэнли—Роу .............................517
— радиолокации ..........................467
— схем...................................566
— телеграфные ...........................650
— электрического равновесия цепи.........638
Уровень реверберации......................ПО
— шума ..............................112,801
Усеченный гауссовский закон...............69
Усиление дифференциальное................620
— параметрическое........................516
— резонансное нелинейное ................524
Усилители переменного тока ........... . 745
Усилитель апериодический
широкополосный...........................745
— бегущей волны .........................256
— двухкаскадный балансный................741
— квантовый парамагнитный................246
— колебаний с однополосной модуляцией .... 355
— криоэлектронный .......................448
— логарифмический........................692
— магнитный..............................883
— малошумящий............................280
— молекулярный (квантовый) ..............790
— мощности ..............................745
-----промежуточный.......................348
— напряжения.............................745
— одноконтурный параметрический .........516
— операционный...........................224
— параметрический двухконтурный .........518
-----квантовый ..........................281
— полосовой ............................ 692
— постоянного тока ......................739
— промежуточной частоты..................436
— регенеративный ........................728
— СВЧ криотронный .......................784
-----криоэлектронный.....................444
— селективный............................745
— сигнальной частоты ....................443
-------в интегральном исполнении.........447
-------охлаждаемый.......................447
-------СВЧ приемников....................448
— тока...................................745
— широкополосный импульсный..............693
— электромагнитный ......................883
— электромашинный .......................881
Усилительный активный элемент............750
Условие баланса амплитуд ................509
-----фаз ................................509
— неискаженной передачи сигнала .........521
— синхронизма............................247
Условия излучения .......................823
— самовозбуждения автогенератора ........508
— стационарности автоколебаний...........509
Условный закон распределения .............67
Усложненная коррекция ...................716
Установка измерительная .................311
Устойчивость избирательного усилителя....442
— операционного усилителя ...............714
— системы радиоавтоматики ...............292
— усилителя против самовозбуждения ......746
Устойчивый коэффициент усиления каскада . . . 443
Устройства аналоговые электронные........659
— индикаторные...........................461
— линейные............................. 659
— молекулярные оптические ...............791
— передающие радиовещательные ...........303
— радиоизмерительные ....................311
— радиоприемные..........................411
936
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
— СВЧ твердотельные ......................266
----трактовые.............................275
— спецэффектов ...........................807
— электроакустические ....................797
Устройство воспроизводящее................613
— входное приемников......................368
----с магнитной антенной..................369
----СВЧ приемников .......................369
— деления сигналов .......................665
— дифракционное...........................782
— извлечения квадратного корня............665
— импульсных сигналов радиоприемное.......397
— исполнительное .........................883
— комбинационное..........................758
— коммутационное..........................865
— корреляционное .........................794
— молекулярно-полупроводниковое...........791
— настройки усилителя сигнальной частоты . . .446
— обработки акустических сигналов..... 806, 807
----сигналов на операционном усилителе . . . .659
— одноэлектронное.........................784
— памяти молекулярное оптическое .........791
— передачи акустических сигналов..........808
— передающее............. 348, 349, 350, 351, 352
— радионуклидное .........................319
— радиопередающее.........................333
— радиоприемное.......................401, 405
----цифровое .............................424
— радиотехническое........................459
— рентгеновское...........................319
— РПрУ входное.........................367
— свертки акустоэлектронное ...........794
— фонографическое .....................320
— цифровой обработки сигналов..........751
— электромеханическое .................877
— электротехническое ..................877
— электрофизиологическое ..............320
— эхографическое..........................320
Фабри—Перо резонатор......................782
Фаза.......................................28
— дифференциальная........................620
— мгновенная..............................532
Фазированная антенная решетка ............105
Фазовая избирательность ............. 378, 451
— манипуляция.............................357
— модуляция ................. 357, 525, 526, 535
— плоскость ..............................508
— скорость ...............................651
— траектория..............................508
Фазовое детектирование....................526
Фазовращатель ............................279
Фазовый детектор.........................680
— метод радиодальнометрии .............473
---радиопеленгации.......................485
— портрет системы......................508
— сдвиг.................................28
— спектр ..............................538
Фазоинверсный каскад ....................701
Фазоманипулированный сигнал..............405
Фазометр ................................322
Фазочастотная коррекция операционного
усилителя................................715
— характеристика цепи....................646
---цифрового фильтра ....................772
Файл.....................................892
Факсимильная радиосвязь..................487
Фактический параметр ....................889
Фактор обратной связи ...................705
Фарадея эффект........................49, 821
Фарфор...................................183
Фединг ................................. 821
Фейнмана молекулярный вычислитель .......789
Фенолформальдегидная смола...............184
Феноменологическая модель реверберации .... 802
Ферримагнетизм ..........................190
Ферритовый генератор ....................785
— ограничитель...........................786
— резонатор..............................786
Ферриты..................................186
Ферромагнетизм ..........................191
Ферромагнитный стабилизатор..............882
Фехраль ................................ 188
Физико-механические свойства материалов ... 195
Физико-физиологическая основа телевидения . . 625
Физиологические регуляторы...............731
Физическая координата....................557
Физический адрес.........................215
— спектр ................................538
---периодического сигнала ...............545
Физическое моделирование ................287
Фиксатор адреса .........................217
Фиксированная настройка..................310
Фильтр Кауэра............................645
— активный...............................643
— акустоэлектронный......................440
— Баттерворта............................666
— Бесселя ...............................666
— биквадратный узкополосный..............668
— верхних частот ........................645
— гребенчатый ...................... 580, 643
— дифракционный .........................782
— Кал мана—Бьюси ........................575
— кварцевый..............................691
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
937
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
— монолитный пьезоэлектрический .........691
— на высокотемпературных
сверхпроводниках ....................784
-----поверхностных акустических волнах....691
— нерекурсивный цифровой ................770
— нижних частот .........................645
— оптимальный........... 577, 578, 579, 580, 582
— оптический.............................793
— параболический ....................... 667
— пассивный..............................643
— подавления акустических помех .........735
— полосовой ............................ 646
— пьезокерамический..............441, 691, 780
— пьезоэлектрический на ПАВ .............441
— режекторный............................646
— рекурсивный цифровой ..................770
— с единичным усилением..................669
— Саллена—Кея............................668
— сглаживающий ..........................859
— узкополосный...........................668
— ферритовый.............................787
— цифровой............................427, 770
— Чебышева ..............................666
— электрический..........................643
— электромеханический.................441,781
— эллиптический ......................645, 667
Фильтра порядок..........................644
Фильтрация заданного сигнала
при небелом шуме согласованная...........581
— линейная...............................521
— оптимальная ....................... 574, 583
— частотная..............................380
Фильтровая схема кварцевого генератора ..337
Фильтровый способ формирования ОМ сигнала 355
Фильтр-прототип..........................644
Фильтры на ПАВ...........................781
— с бесконечной импульсной характеристикой . 771
-----конечной импульсной характеристикой ..771
— СВЧ....................................266
Финитный сигнал .........................511
Флаг.....................................217
Флоке теорема............................823
Фокусировка магнитостатическая ..........245
— электростатическая.....................244
Фон.................................. 748, 803
Фонд технических приемов поиска
технических решений......................568
Фонема...................................805
Фонограмма...............................114
Фонографическое устройство...............320
Форма алгоритмическая ...................565
— аналитическая..........................565
— графическая ..........................565
— инвариантная ........................ 565
— представления чисел ..................768
— реализации цифрового фильтра..........773
— схемная...............................565
Формальный параметр ....................889
Формантный метод определения
разборчивости речи......................805
Формат..................................892
— к прямоугольного кадра................618
— аналоговой магнитной видеозаписи .....125
— диска.................................892
— команды ..............................205
— файла.................................893
— цифровой магнитной видеозаписи........129
-------звукозаписи......................120
Формирователь псевдостереофонических
сигналов................................733
Формирующий элемент.....................285
Формула Байеса...........................72
— полной вероятности.....................73
— Шихмана...............................553
— Эйлера................................553
Формулы Винера—Хинчина..................585
— Грина..................................85
— пяти ординат..........................504
— трех ординат..........................504
— Френеля...............................820
Фортран.................................895
Фотовольтаический (вентильный) режим ...839
— эффект................................840
Фотодиод................................839
Фотодиодный режим.......................839
Фотолитография .........................230
Фотопьезоэлекгрический эффект...........840
Фоторезистор............................872
Фотосинтез .............................791
Фототиристор ...........................840
Фототранзистор биполярный ..............829
Фотоэлектрические эффекты ..............840
Фотоэлектрический приемник
оптического излучения...................840
Фотоэлектронный умножитель..............840
Фотоэффект..............................840
Фраунгофера дифракция...................815
Френеля дифракция.......................815
— зоны..................................816
— формулы ..............................820
Фронт электромагнитной волны............825
Фторопласт-4............................183
Фторопластовый конденсатор..............869
Функции линейной цепи...................646
938
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
— ортогональные .......................ф,. 39
Функциональная схема.......................142
— электроника..............................777
Функциональное ограничение ................607
Функциональные системы радиоавтоматики . . . 293
— узлы системы АПЧ.........................362
-------АРУ.................................364
Функция автокорреляционная.................514
— взаимно корреляционная ..............515, 585
— Грина....................................825
— знаковая..................................39
— ковариационная ..........................585
— корреляционная.......................513, 584
— Лапласа..................................587
— логическая...............................759
— логического ИЛИ-НЕ.......................759
----И-НЕ...................................759
— нормированная.............................40
— одномерная характеристическая ...........590
— отсчетов ................................ 45
— передаточная.............................646
— передачи по напряжению................646
-------току................................646
— потерь .............................. 573
— распределения.............................64
----многомерная............................590
----системы п случайных величин ............67
----случайного процесса....................590
— решетчатая ...........................763
— статистическая распределения случайной
величины....................................65
— целевая .............................. 32
— цепи..................................646
— цифрового фильтра передаточная .......772
Фурье быстрое преобразование ..............753
— косинус-преобразование.................42
— преобразование дискретное................757
— преобразования............................41
— ряд комплексный ....................... 544
----тригонометрический ................44, 545
----экспоненциальный...................44, 544
— синус-преобразование .....................42
Фурье-процессор оптический.................794
Характериограф.............................322
Характеристика ампер-веберная..............648
— амплитудная .............................746
— апертурная ..............................615
— верности ..........<,............. 450/620
— вольт-амперная...........................648
— вольт-кулонная...........................648
— генератора с внешним возбуждением .......340
— «- детекторная........................524
— импульсная...........................647
— колебательная........................510
— переходная ..........................647
— подавления АМ........................681
— резонансная..........................631
— световая.............................615
— сквозная динамическая................746
— спектральная.........................615
— статическая детекторная..............681
---модуляционная..........................523
— фильтра амплитудно-частотная ........666
— цепи фазочастотная ..................646
— цифрового фильтра............... 771, 772
Характеристики акустического поля ........799
— анализатора спектров.................312
— антенн................................97
— гидроакустических станций............109
— изменяющихся во времени величин ......28
— нелинейных элементов.................648
— периодически изменяющихся величин.....29
— периодических величин.................29
— радиоприемного устройства............449
— реверберации .........................НО
— случайных величин и процессов.........30
— средств измерения ...................312
— типового тракта обнаружения .........435
— усилителя ..............................746
Характеристическая функция одномерная.....590
— чувствительность........................800
Характеристические параметры
четырехполюсника .........................653
— постоянные передачи четырехполюсника ... 653
Характеристическое сопротивление .. 631, 653, 826
— уравнение ............................. 293
Химическая накачка .......................245
Химические свойства материалов ...........195
Химический источник тока..................854
Химостойкость ............................195
Холла эффект...............................50
Хромаль...................................188
Хроматрон.................................614
Хромофор .................................791
Цветное вещательное телевидение...........621
Цветной кинескоп..........................614
Цветность ................................625
Цветовой телевизионный сигнал ............619
Цветоразностный сигнал....................619
Целевая функция............................32
Цели радиолокационные.....................477
Цент......................................804
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
939
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Центр фотосинтеза реакционный.............
Централизованная база данных .............
Центральная предельная теорема............
------- Ляпунова .........................
Центрированная величина ..................
Цепи линейные ............................
-----узкополосные.........................
— межкаскадной связи......................
— нелинейно-параметрические ..............
— нелинейные..............................
— параметрические ........................
— питания биполярных транзисторов.........
— радиотехнические .......................
— с распределенными параметрами ..........
-----сосредоточенными параметрами.........
Цепь межкаскадной связи усилителя.........
— полосовых звеньев ......................
— с распределенными параметрами ..........
Цикл машинный ............................
Циклотронные приборы .....................
Цилиндр ..................................
Цилиндрическая волна .....................
Цилиндрический магнитный домен............
Циркулятор ...............................
Циркуляция вектора вдоль контура .........
Цифро-аналоговый преобразователь .........
Цифровая дельта-функция ..................
— интегральная микросхема ................
— магнитная видеозапись...................
Цифровое радиовещание............... 302,
— устройство обработки
акустических сигналов....................
Цифровой автомат..........................
— анализатор спектров.....................
— вольтметр ..............................
— единичный скачок........................
— канальный кодер/декодер.................
— компаратор .............................
— осциллограф.............................
— сигнал .................................
— синтезатор частот.......................
----- частоты ............................
— способ передачи и обработки изображений .
— фильтр..................................427,
— частотомер .............................
Цифровые автоматические системы...........
Цифровых сигналов регенератор ............
— телевизоров особенности.................
ЦМД-устройство............................
Частная петля гистерезиса ................
Частные характеристики случайного процесса .
791
563
. 70
526
.28
629
526
685
630
630
630
720
503
630
630
750
689
650
217
256
892
799
787
279
. 85
769
763
225
129
425
807
769
314
315
763
132
427
322
770
427
339
627
770
323
286
493
624
787
196
591
Частота...................................30
— граничная ..............................643
— дискретизации.......................30, 511
— звуковая.................................30
— зеркальная...............................30
— комбинационная...........................30
— критическая ............................715
— мгновенная..............................532
— мерцаний критическая....................626
— накачки ................................516
— несущая............................. 30, 531
— основного резонанса.....................800
— отрицательная ...........................30
— поднесущая...............................30
— промежуточная............................30
— пространственная.........................30
— прохождения сигнала.....................715
— резонансная......................... 30, 631
— резонатора собственная .................815
— релаксации .............................196
— свободных колебаний.....................631
— связи ..................................634
— собственных колебаний ...................30
— события..................................72
— среза ................................. 643
Частотная группа..........................804
— избирательность ............... 375, 378, 452
— манипуляция.............................357
— модуляция ..................... 357, 526, 535
— фильтрация..............................380
Частотное детектирование .................526
Частотно-манипулированный сигнал..........405
Частотный детектор........... 373, 374, 682, 684
— дискриминатор...........................682
— корректор ..............................807
— критерий Боде...........................715
— метод анализа переходных процессов......643
-----радиодальнометрии....................474
— план....................................491
Частотомер................................323
— гетеродинный ...........................323
— конденсаторный .........................323
— резонансный.............................323
— цифровой............................... 323
— электронно-счетный......................323
Частотопреобразовательная лампа...........844
Частоты комбинационные....................506
— кратные.................................506
Чебышева и Баттерворта АС-фильтры.........440
— фильтр..................................666
Чертеж детали.............................141
— монтажный...............................141
940
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
— общего вида ............................141
— сборочный...............................141
— электромонтажный........................141
Четвертьволновой трансформатор ...........266
Четыреполюсник............................654
Четырехполюсник ................. 652, 653, 654
Число п кадров в секунду..................618
— степеней свободы сигнала ...............511
— элементов ..............................618
Чувствительность ........... 312, 400, 453, 615,
667, 709, 746, 800
— контрастная.............................626
— пороговая ..............................454
— предельная .............................454
— реальная ...............................746
— спектральная............................626
— тангенциальная..........................454
— характеристическая .....................800
— эффективная.............................454
Чувствительность, ограниченная
синхронизацией............................454
----усилением ............................453
----шумами ...............................453
Шаг сетки рабочих частот .................338
Шаговый электродвигатель..................881
Шероховатость поверхности.................174
Шеффера технология .......................791
Шина.................................... 217
— адресная ...............................217
— ввода-вывода............................218
— данных .................................218
— мультиплексированная....................218
— резидентная.............................218
— системная ..............................218
— управляющая ............................218
Шинный формирователь......................218
Ширина спектра активная...................540
----непериодического сигнала..............540
----периодического сигнала ...............546
----техническая ..........................540
Широкополосная лампа .....................844
— радиосвязь..............................499
Широкополосный импульсный усилитель.......693
— каскад ..............................702
Широкоформатный кинескоп..................614
Шифратор .................................775
Шихмана формула...........................553
Шум белый ................................584
— вторичной эмиссии....................841
— квантования .........................774
— контактный ..........................118
— лавинного умножения................. 841
— модуляционный........................118
— океана ............................. 112
— окрашенный ..........................584
— паузы................................118
— структурный .........................118
— токораспределения....................841
— усилителя ..............................118
— электронного прибора............... 840, 841
Шумовая модель операционного усилителя ... 716
— полоса ................................ 457
— температура.........................452, 457
Шумопеленгаторная гидроакустическая
станция.............:.....................111
Шумоподавитель............................807
Шумы...................................51, 748
— антенны.................................457
— диодов..................................457
— колебательного контура .................456
— преобразователя частоты.................728
— преселектора............................448
— приборов СВЧ............................280
— резисторов..............................456
— РПрУ....................................454
— тепловые................................456
— транзисторов............................457
— электронных приборов....................840
Щелевая линия ............................261
Эвристические алгоритмы ..................556
Эйлера формула............................553
Эквалайзер....................... 308, 735, 736
Эквивалентная электрическая схема цепи....636
Эквивалентности теорема...................823
Эквивалентные источники ..................655
— преобразования линейных цепей...........655
---связанных индуктивностей...............657
Эквивалентный объем головки...............800
Экологическая совместимость РТС ..........469
Экономическая эффективность...............469
Экранирование магнитостатического поля .... 153
— электромагнитного поля..................153
— электростатического поля ...............154
Экспандер ................................806
Экспертные системы........................569
Эксплуатационные удобства.............115, 308
Экспоненциальный ряд Фурье................544
Экстремальная АСУ ........................284
Электреты ................................197
Электрическая индукция....................817
— линия задержки..........................870
— машина ............................ 878, 879
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
941
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
— накачка ...............................245
Электрический генератор..................879
— конденсатор ............................74
— переход .............................. 841
— пробой.................................194
— фильтр.................................643
— циркулятор ............................279
Электрическое соединение разъемное........867
Электричество и магнетизм ................73
Электроакустические устройства............797
Электровакуумный диод.....................843
Электродвигатель .........................880
— шаговый ................................881
Электродвижущая сила......................81
Электродинамика...........................809
Электродинамические векторные потенциалы .819
— скалярные потенциалы...................819
Электрокардиограф........................320
Электролитический конденсатор ...........869
Электролюминесцентный индикатор...........832
Электромагнитная волна....................812
— муфта...................................881
— совместимость приемника.................454
-----РЭС .................................82
Электромагнитное реле нейтральное........866
Электромагнитный усилитель...............883
Элекгромашинный преобразователь тока......881
-----частоты.............................881
-----числа фаз ..........................881
— усилитель .............................881
Электромеханическая аналогия ......... 147, 808
Электромеханический резонатор ...........780
— фильтр..............................441, 781
Электромеханическое устройство...........877
Электромиограф ..........................320
Электронейромиограф......................320
Электроника.............................59, 60
— вакуумная...............................59
— квантовая ............................. 60
— твердотельная ......................... 60
Электронная лампа .......................843
— накачка .............................. 245
— обратная связь.........................705
Электронно-дырочный переход .............842
Электронно-лучевая литография ...........231
Электронно-лучевой индикатор.............832
— прибор......................... 844, 845, 846
Электронно-счетный частотомер ...........323
Электронные активные приборы ............243
— лампы СВЧ..............................257
— приборы ...............................827
— цепи громкоговорителя .................798
Электронный вольтметр ...................314
— осциллограф............................321
— переключатель .........................865
— предохранитель.........................870
— регулятор усиления.....................734
— усилитель аналоговых сигналов .........744
Электрооптический переключатель .........793
Электропитание...........................849
Электроплетизмограф......................320
Электропроводности механизм..............197
Электропроигрыватель бытовой.............121
Электропроигрывающее устройство .........121
Электросолитон...........................791
Электростатическая фокусировка...........244
Элекгротепловой пробой ..................194
Элекгротепловые аналогии.................152
Электротеплоэлекгроника..................795
Электротехника............................60
Электротехническое устройство............877
Электрофизиологическое устройство........320
Электрофон бытовой.......................122
Электрофоретический индикатор............832
Электрохимический пробой.................194
Элекгрохромный индикатор.................832
Элекгроэнцефалограф......................320
Элемент вероятности ......................67
— гальванический.........................854
— Гюйгенса...............................819
— ИМС .............................. 220,236
— разложения.............................618
— распределенный элекгротепловой.........795
— резервный гальванический...............855
— связи усилителя .......................750
— сосредоточенный элекгротепловой.........796
— топливный..............................855
— усилительный активный..................750
— цепи....................................81
Элементная база ..........................61
Элементы векторного анализа ..............82
— идеализированные .................. 636, 637
Эллиптическая поляризация................818
Эллиптический фильтр ................ 645, 667
Эмиссия..................................248
Эмиттер..................................827
Эмиттерная стабилизация..................722
Энергетическая группировка ..............244
Энергетические характеристики
акустического поля ......................799
Энергетический спектр................ 538, 592
-----сигнала.............................539
Энергия ..................................81
— лучистая ...............................626
942
РАДИОТЕХНИКА
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
— световая.......................... . . . 1.. 626
— сигнала ..............................539
Энтропия .............................137, 138
Эпитаксиально-планарные транзисторы .......237
Эпитаксия .................................233
Эпоксидные смолы ..........................184
Эргономика ................................179
Эскизный проект............................142
Эстетика техническая ......................180
Эталон уровня громкости....................803
Этап проектирования .......................548
Этапы статистического синтеза .............574
Эффект.....................................197
— Керра..................................49
— вентильный...............................840
— Дембера..................................840
— Джозефсона............................... 49, 785
— Доплера...................................49
— Зеебека ................................. 49
— Керра....................................794
— Коттона—Мутона..................... 785, 821
— магнитострикционный.......................49
— Миллера .................................700
— Пельтье...................................49, 795
— пироэлектрический.........................49, 795
— Покельса..................................49, 794
— псофометрический.........................804
— пьезоэлектрический .......................49
— Сан^яка...................................49, 794
— Томсона...................................49
— туннельный...............................838
— Фарадея..........................49, 785, 821
— фотовольтаический........................840
— фотопьезоэлектрический ...............840
— фотоупругости ........................777
— фотоэлектрический......................50
— Холла..................................50
Эффективная оценка........................586
— площадь рассеивания цели................478
— поверхность .............................97
---антенны ................................88
— чувствительность .......................454
— ширина спектра .........................593
Эффективное значение величины..............28
Эффективность радиотехнической системы . . . 469
— техническая.............................469
— экономическая ..........................469
Эффекты квантования в цифровых фильтрах . . . 774
— нелинейные в приемнике..................452
— необратимые радиационные................194
— фотоэлектрические................... 50, 840
Эхо слуха.................................804
Эхографическое устройство.................320
Эхо-камера................................807
Эхолотирование............................109
Явление...................................197
— Гиббса..................................773
Явления нелинейные................... 747, 748
Явная формула Эйлера .....................553
Явные методы Адамса.......................553
---интегрирования ........................552
Ядерная батарея...........................852
Язык ассемблера...........................886
— программирования .................. 564, 893
— проектирования ......................565
— радиолюбительской связи .............332
— управления ..........................565
Язычковое реле ...........................866
Якоби метод...............................553
Якорь ....................................879
Яркость ................................. 626
— прерывистого света ..................626
— цвета .............................. 625
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
943
Радиотехника
Энциклопедия
Ответственный редактор В. Я. Симонов
Редактор А. Г. Козлова
Художественное оформление М. С. Коршунова
Графическое оформление А. Ю. Анненков, А. Н. Клочков
Технический редактор Е. В. Рудакова
Верстка О. В. Озолс, К. В. Федулов, А. А. Шумилин
Корректоры Л. Р. Попова, С. И. Шишкина
Выпускающий редактор Е. Е. Граблевская
Издательский дом «Додэка-ХХ1»
ИД № 02041 от 13.06.2000 г.
105318 Москва, а/я 70
Тел/факс: (095) 366-24-29, 366-81-45
E-mail: books@dodeca.ru; icmarket@dodeca.ru
Подписано в печать 24.04.02 г.
Формат 70х 100/16. Бумага типограф. Ns 2. Гарнитура «Times New Roman Суг».
Печать офсетная. Объем 59 п. л. Усл. печ. л. — 76,7. Тираж 2000 экз. Заказ № 2959.
Отпечатано с готовых диапозитивов в ОАО «Типография Новости».
107005 Москва, ул. Ф. Энгельса, 46.
Номакон
j^omacon
ТЕПЛОПРОВОДЯЩИЕ ЭЛАСТИЧНЫЕ
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
“НОМАКОН GS”
НАЗНАЧЕНИЕ
Керамико-полимерные материалы
на стеклотканевой основе
применяются для изолирования
посадочных поверхностей
полупроводниковых приборов
при монтаже, а также как
диэлектрический материал в
электронике, теплотехнике и
электротехнике.
Используются вместо слюды
и теплопроводящей пасты КПТ-8
ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
Материал “Номакон GS” обладает низким
контактным тепловым сопротивлением, что
обеспечивается применением теплопро-
водящего керамического наполнителя и
использованием эластичной связки,
гарантирующей заполнение материалом
прокладки воздушных зазоров в соединении
полупроводник—изолирующая прокладка-
радиатор; не требует нанесения промежуточных
слоев теплопроводящей пасты, что сокращает
время и обеспечивает чистоту сборки; снижает
трудоемкость монтажа
ХАРАКТЕРИСТИКИ
Удельное объемное сопротивление не менее, Ом-см.1014
Теплопроводность, Вт/м-К°..................1,0...1,3
Пробивное напряжение не менее, кВ..............3,5
Тангенс угла диэлектрических потерь (1000 Гц) ..(4 — 4,5)10-3
Диэлектрическая проницаемость (1000 Гц)....5,9 - 6,2
Рабочая температура, °C..............от -60 до +260
Толщина, мм..............................0,22±0,02
ПОСТАВКА
• Прокладки под
стандартные корпуса:
ТОЗ, Т66, Т0220,
ТО126, ТО218 и т.д.
• Прокладки любой
формы под заказ
• Лист 220x150 мм
ПОСТАВКА ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ ПО ПОЧТЕ ИЛИ САМОВЫВОЗОМ
СТОИМОСТЬ МАТЕРИАЛОВ СУЩЕСТВЕННО ЗАВИСИТ ОТ ВЕЛИЧИНЫ ЗАКАЗЫВАЕМОЙ ПАРТИИ
105318, Москва, а/я 70, ул. Щербаковская, 53
Тел./факс: (095) 366-81-45, 366-24-29, 366-11-55
E-mail: icmarket@dodeca. ru www dodeca, ru
ELECTRONICA
3 Гк X- I I kJ - 3 JI E lx I Г kJ П KI IX M
ЕЖЕГОДНАЯ МЕЖДУНАРОДНАЯ
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА
ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Проводится с 1998 года
Основные разделы выставки
002
2000
1999
1998
Россия, Москва, Центральный
выставочный зал "Манеж"
Полупроводниковые устройства
Системы передачи и обработки информации
Датчики и микросхемы
Печатные платы и другие платы для монтажа
Электромеханические компоненты и
технологии соединений
Пассивные компоненты
Средства тестирования и
измерений
Источники питания
Узлы и подсистемы
Дисплеи <
БУДУЩЕЕ РОССИЙСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ!
Совместно с:
При участии:
Организаторы:
гтг ПРШСПО
1еп.: +7 (812) 381-6000
Факс: 4-7 (812) 381-6001
E-mail: strax@primexpo.spb.ru
ЕЗдРДЭХ
_ Федера^ифош
р/\\^У рвжл»электроноTeiH«n
РФ
АО
Росойм»
швороми