Основные принципы передачи и приема информации.
Введение. Предмет и основные понятия радиоэлектроники.
Радиоэлектроника — собирательное название обширного комплекса областей науки и техники, связанного с проблемами передачи, приема и преобразования информации с помощью электромагнитных колебаний радиочастотного диапазона. Радиоэлектроника охватывает радиотехнику, радиофизику и электронику, а также ряд новых областей, выделившихся в результате их развития и дифференциации. В основном радиоэлектроника «обязана» успехам развития радиотехники.
Радиотехника (от лат. radio — испускаю лучи; от греч. techne — искусство, мастерство) является основным фундаментом радиоэлектроники, и поэтому часто под термином «радиоэлектроника» понимают радиотехнику. В техническом аспекте радиотехника связана с разработкой разнообразных систем, предназначенных для передачи и приема информации с помощью электромагнитных колебаний (в том числе и оптических).
К числу радиотехнических систем относятся:
• системы звукового и телевизионного радиовещания;
• глобальные космические (спутниковые) системы радиосвязи, телевизионного вещания и радионавигации;
• системы подвижной радиосвязи с помощью наземных средств — сотовая,
профессиональная (транкинговая), пейджинговая и беспроводная связь;
• системы связи с воздушными, подвижными наземными объектами,
морскими надводными и подводными судами и другие виды радиосвязи;
• системы радиоуправления, биотелеметрии и радиотелеметрического
контроля разнообразных объектов;
• радиотехнические системы комплексов радиолокационной, противовоздушной и противоракетной обороны;
• метеорологические и информационно-измерительные системы и системы различного мониторинга, в том числе космического;
• мультимедийные и прочие системы.
К радиотехнике относятся также радиоастрономия, радиография, радиовидение, радиоразведка и радиопротиводействие, промышленная электроника и
радиотехника, медицинская радиотехника и пр.
Радиофизика — раздел физики, в котором изучаются физические основы радиотехники. Важнейшими проблемами радиофизики являются исследование возбуждения и преобразования электрических сигналов и помех, а также излучения и распространения электромагнитных колебаний.
Развитие радиотехники непосредственно связано с созданием элементной базы, в частности, с разработкой электронных приборов для систем передачи информации на расстояние с помощью электромагнитных колебаний. Дальнейшее развитие радиотехники непрерывно ставило задачи по созданию и внедрению новых электронных элементов и узлов, что привело к появлению самостоятельной отрасли науки — электроники.
Электроника — наука о взаимодействии заряженных частиц (электронов, ионов) с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств, используемых в основном для передачи, хранения и обработки информации, возникла в начале XX в. Первоначально развивалась вакуумная электроника; на ее основе были созданы электровакуумные приборы. электроника четко разделилась на энергетическую или силовую электронику (мощные выпрямители, инверторы и т. д.) и микроэлектронику. Микроэлектроника — раздел электроники, связанный с созданием интегральных схем — неделимых изделий, выполняющих определенные функции по преобразованию и обработке сигналов и имеющих высокую плотность упаковки
электрически соединенных элементов.
Основные принципы передачи и приема информации.
В радиоэлектронике и технике связи перенос информации в пространстве осуществляется с помощью электромагнитных колебаний (волн). По определению К. Шеннона: «Информация — послание, которое уменьшает неопределенность» Информация — нематериальное свойство материи и подчиняется определенным законам. Важнейший из них закон сохранения информации: «Информация сохраняет свое значение в неизменном виде, пока остается в неизменном виде носитель информации — память». Совокупность знаков (символов), отображающая (несущая) информацию, называется сообщением. Сообщение может быть представлено в виде текста телеграммы, сведений, передаваемых по телефону, радио, телевидению и другим видам радиосвязи, совокупности электронных данных, хранящихся на магнитных носителях — дисках, флэш-памяти (от англ. Flash — «вспышка»; перепрограммируемая постоянная энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись), используемых в компьютерах. Последний вид информации получил название электронной. Передают сообщение с помощью материального носителя. Например, при передаче сообщения по почте носителем служит бумага. В радиотехнике и радиосвязи носителями являются различные сигналы. Причем для передачи информации используются специфические сигналы — физические процессы, значения параметров которых отражают передаваемые сообщения. В качестве сигнала можно использовать любой физический процесс, изменяющийся в соответствии с переносимым сообщением. Сигнал — физический процесс (или явление), несущий информацию о состоянии какого-либо объекта наблюдения. По своей физической природе радиотехнические сигналы бывают электрическими, электромагнитными, оптическими, акустическими, магнитостатическими и др. В радиотехнике, радиоэлектронике и системах связи в основном используют электрические (в последние годы и оптические) сигналы. Физической величиной, характеризующей электрический сигнал, является напряжение, несколько реже ток (иногда мощность).
Электрический сигнал u(t) представляет зависимость напряжения от времени. Сигналы, отражающие информацию, могут воздействовать на преобразователи и усилители сигналов. Преобразователи сигналов делятся на два класса. На преобразователи одного класса воздействует физический процесс одной природы (например, звуковой сигнал), а на выходе получается сигнал другой природы (в частности, электрический сигнал на выходе микрофона, телевизионной камеры и пр.). В преобразователях (и усилителях) другого класса осуществляется, как правило, преобразование (и усиление) электрических сигналов без изменений их физической природы. Передаваемые (далее часто, полезные) сигналы формируют путем изменения тех или иных параметров физического носителя в соответствии с передаваемым сообщением. Этот процесс изменения параметров носителя сообщений в радиотехнике и связи называют модуляцией. целесообразно ввести параметры передаваемого сигнала, которые являются основными с точки зрения его передачи. Такими параметрами являются длительность сигнала Тс, его ширина спектра Fc и динамический диапазон Dc. Длительность сигнала Тс является естественным его параметром, определяющим интервал времени, в пределах которого данный сигнал существует. Ширина спектра передаваемого сигнала Fc дает представление о скорости изменения этого сигнала внутри интервала его существования. Спектр передаваемого сигнала в принципе может быть неограниченным. Однако для любого сигнала можно указать диапазон частот, в пределах которого сосредоточена его основная (до 90 %) энергия. Этим диапазоном и определяется ширина спектра полезного сигнала.
Источник сообщений (источник информации; information source) может быть аналоговым или дискретным. Выход аналогового источника может иметь любое значение из непрерывного диапазона амплитуд, тогда как выход источника дискретной информации — значения из конечного множества амплитуд.
В обоих случаях для передачи сообщения используется несущее колебание. Несущая необходима для решения двух задач:
а) уменьшения размера антенн (h=λ/4; λ=3*108/ f);
б) размещения большого количества станций в эфире.
Процесс, в результате которого один или несколько параметров несущего колебания изменяется по закону передаваемого сообщения, называется модуляцией. Модулированное высокочастотное колебание относят к вторичным сигналам и называют радиосигналом.
Р 
ис. Временные диаграммы к процессу амплитудной модуляции:
а — модулирующий сигнал; б — несущее колебание; в — АМ-сигнал
Для несущей зависимость напряжения от времени определяется выражением
где UH— амплитуда (максимальная высота синусоиды; заметим, что амплитудой сигнала называют модуль наибольшего его отклонения от нуля, следовательно, амплитуда всегда положительна) в отсутствие модуляции (амплитуда несущего колебания); <ω0— угловая (круговая) частота; φ0— начальная фаза; Ψ= ω0t + φ0— полная (текущая или мгновенная) фаза.
Круговая частота ω0, период колебаний Т0 и циклическая частота f0 = 1/T0
связаны между собой соотношением
При амплитудной модуляции огибающая амплитудно-модулированного сигнала (АМ-сигнала) UH (t) совпадает по форме с модулирующим сигналом, поэтому выражение примет вид:
Здесь kА — безразмерный коэффициент пропорциональности, такой, что всегда UH(t) ≥ 0.
Аналоговые системы радиосвязи. Упрощенная структурная схема канала аналоговой (с непрерывными сигналами) системы радиосвязи (радиоканала) с так называемой амплитудной модуляцией (AM; от англ. — amplitude modulation, AM) несущего колебания представлена на рис.
Рис. Упрощенная структурная схема канала аналоговой системы радиосвязи
В 
общем случае исходное сообщениеs = s(t) не является электрическим, может иметь любую физическую природу (подвижное изображение, звуковое колебание и т. п.), и поэтому его необходимо преобразовать в электрический (первичный) сигнал y(t) с помощью электрофизического преобразователя сигнала (ЭФПС), проще преобразователя сигнала, который часто совмещают с кодирующим устройством — кодером. Источником сообщения при телефонной передаче является говорящий; при телевизионной — передаваемое изображение и т. д. При передаче речи и музыки преобразователем сигнала и кодером служит микрофон; при передаче изображения — передающие телевизионные трубки, или специальные матрицы. В телеграфии при преобразовании сигнала последовательность элементов письменного сообщения (букв) с помощью телеграфного аппарата заменяется последовательностью кодовых символов (0, 1 или точка, тире), которая одновременно преобразуется в последовательность электрических импульсов постоянного тока разной длительности, полярности и т. д.
Цифровые (дискретные) системы радиосвязи (digital communication system — DCS). Это системы, в которых и передаваемый и принимаемый сигналы являются последовательностями дискретных символов. Типичным примером такой системы является телеграфия, в которой и сообщение, и сигнал являются последовательностями точек, тире и промежутков между ними.В цифровых (дискретных, импульсных) системах передачи информации энергия полезного сигнала излучается не непрерывно (как при синусоидальном переносчике — гармонической несущей), а в виде коротких импульсов. Это позволяет при той же общей энергии излучения, что и при непрерывном переносчике, увеличить пиковую (максимальную) мощность в соответствующем импульсе и тем самым повысить помехоустойчивость приема. В цифровых системах связи задачей приемника является не точное воспроизведение переданного сигнала, а определение на основе искаженного шумами сигнала, какой именно сигнал из конечного набора был послан передатчиком. В качестве переносчика первичного сигнала e(t) в цифровых системах радиосвязи используют периодическую последовательность видео- и радиоимпульсов.
Упрощенная структурная схема радиоканала цифровой системы связи
Рис. Траектории распространения волн при разных углах падения
Рис. Скачковое метровые электромагнитные колебания, распространение волн пространственными лучами
Рис. Распространение метровых волн