Radyo sinyalleri. Sinyal teorisi. Sınıflandırma. Sinyallerin temel özellikleri. Gonorovskiy IS Radyo mühendisliği devreleri ve sinyalleri. Üniversiteler için ders kitabı Temel radyo mühendisliği süreçleri ve özellikleri

Bölüm 1 Radyo Mühendisliği Sinyallerinin Genel Teorisinin Unsurları

"Sinyal" terimi genellikle yalnızca bilimsel ve teknik konularda değil, aynı zamanda günlük yaşamda da bulunur. Bazen terminolojinin titizliğini düşünmeden sinyal, mesaj, bilgi gibi kavramları tanımlarız. "Sinyal" kelimesi, geniş bir anlam aralığına sahip olan Latince "signum" - "işaret" teriminden geldiğinden, bu genellikle yanlış anlaşılmalara yol açmaz.

Bununla birlikte, teorik radyo mühendisliği üzerine sistematik bir çalışmaya başlarken, mümkünse "sinyal" kavramının anlamlı anlamı açıklığa kavuşturulmalıdır. Kabul edilen geleneğe uygun olarak sinyal, mesajların görüntülenmesine, kaydedilmesine ve iletilmesine hizmet eden, bir nesnenin fiziksel durumunun zaman içinde değiştirilmesi işlemidir. İnsan faaliyetinin uygulanmasında mesajlar, içerdikleri bilgilerle ayrılmaz bir şekilde bağlantılıdır.

"Mesaj" ve "bilgi" kavramlarına dayanan konuların yelpazesi oldukça geniştir. Mühendislerin, matematikçilerin, dilbilimcilerin ve filozofların yakından ilgi odağıdır. 1940'larda K. Shannon, derin bir bilimsel yön - bilgi teorisi geliştirmenin ilk aşamasını tamamladı.

Burada bahsedilen sorunların kural olarak "Radyo devreleri ve sinyalleri" dersinin kapsamının çok ötesine geçtiği söylenmelidir. Bu nedenle bu kitap, sinyalin fiziksel görünümü ile içerdiği mesajın anlamı arasındaki bağlantıyı açıklamayacaktır. Ayrıca mesajda ve sonuçta sinyalde yer alan bilgilerin değeri sorunu tartışılmayacaktır.

1.1. Radyo sinyallerinin sınıflandırılması

Herhangi bir yeni nesneyi veya olguyu incelemeye başlayan bilim, her zaman ön sınıflandırmalarını yapmaya çalışır. Aşağıda sinyaller için böyle bir girişimde bulunulmuştur.

Temel amaç sınıflandırma kriterlerinin geliştirilmesi ve ayrıca gelecek için çok önemli olan belli bir terminolojinin oluşturulmasıdır.

Sinyallerin matematiksel modeller aracılığıyla tanımlanması.

Fiziksel süreçler olarak sinyaller, çeşitli alet ve cihazlar (elektronik osiloskoplar, voltmetreler, alıcılar) kullanılarak incelenebilir. Bu ampirik yöntemin önemli bir dezavantajı vardır. Bir deneyci tarafından gözlemlenen olaylar her zaman özel, tekil belirtiler olarak görünür; temel özelliklerini yargılamayı ve değişen koşullar altında sonuçları tahmin etmeyi mümkün kılacak genelleme derecesinden yoksundur.

Sinyalleri teorik çalışmanın ve hesaplamaların nesneleri haline getirmek için, bunların matematiksel açıklamalarına yönelik bir yöntem belirtmek veya modern bilim dilinde, incelenen sinyalin matematiksel bir modelini oluşturmak gerekir.

Bir sinyalin matematiksel modeli, örneğin argümanı zaman olan işlevsel bir bağımlılık olabilir. Kural olarak, gelecekte bu tür matematiksel sinyal modelleri Latin alfabesinin sembolleri s(t), u(t), f(t), vb. ile gösterilecektir.

Bir modelin (bu durumda fiziksel bir sinyal) oluşturulması, bir olgunun özelliğinin sistematik bir şekilde incelenmesine yönelik ilk önemli adımdır. Her şeyden önce matematiksel model, sinyal taşıyıcının spesifik doğasından soyutlamaya izin verir. Radyo mühendisliğinde aynı matematiksel model, akımı, voltajı, elektromanyetik alan gücünü vb. eşit başarı ile tanımlar.

Matematiksel model kavramına dayanan soyut yöntemin temel yanı, objektif olarak belirleyici derecede önemli olan sinyallerin özelliklerini tam olarak tanımlama fırsatına sahip olmamızdır. Bu durumda çok sayıda küçük özellik göz ardı edilir. Örneğin, vakaların büyük çoğunluğunda deneysel olarak gözlemlenen elektriksel salınımlara karşılık gelecek işlevsel bağımlılıkların tam olarak seçilmesi son derece zordur. Bu nedenle, araştırmacı, kendisine sunulan bilgilerin bütünlüğünün rehberliğinde, belirli bir durumda fiziksel süreci en iyi ve en basit şekilde tanımlayan sinyallerin matematiksel modellerinin mevcut cephaneliği arasından seçim yapar. Dolayısıyla model seçimi büyük ölçüde yaratıcı bir süreçtir.

Sinyalleri açıklayan işlevler hem gerçek hem de karmaşık değerleri alabilir. Bu nedenle gelecekte sıklıkla gerçek ve karmaşık sinyallerden bahsedeceğiz. Bir prensibin veya diğerinin kullanılması matematiksel uygunluk meselesidir.

Sinyallerin matematiksel modelleri bilinerek bu sinyaller birbirleriyle karşılaştırılabilir, kimlikleri ve farklılıkları belirlenebilir ve sınıflandırılabilir.

Tek boyutlu ve çok boyutlu sinyaller.

Radyo mühendisliği için tipik bir sinyal, bir devrenin terminallerindeki voltaj veya bir daldaki akımdır.

Zamanın tek bir fonksiyonuyla tanımlanan böyle bir sinyale genellikle tek boyutlu denir. Bu kitapta en çok tek boyutlu sinyaller incelenecektir. Bununla birlikte, bazen formun çok boyutlu veya vektör sinyallerini dikkate almak uygun olabilir.

bir takım tek boyutlu sinyallerden oluşur. N tam sayısına böyle bir sinyalin boyutu denir (terminoloji doğrusal cebirden alınmıştır).

Çok boyutlu bir sinyal, örneğin, çok kutbun terminallerindeki bir voltaj sistemidir.

Çok boyutlu bir sinyalin, tek boyutlu sinyallerin sıralı bir kümesi olduğuna dikkat edin. Bu nedenle genel durumda farklı bileşen sırasına sahip sinyaller birbirine eşit değildir:

Çok boyutlu sinyal modelleri özellikle karmaşık sistemlerin işleyişi bir bilgisayar kullanılarak analiz edildiğinde kullanışlıdır.

Deterministik ve rastgele sinyaller.

Radyo sinyallerinin sınıflandırılmasına ilişkin bir diğer prensip, herhangi bir zamanda anlık değerlerinin doğru bir şekilde tahmin edilmesinin mümkün olup olmadığına dayanmaktadır.

Eğer sinyalin matematiksel modeli böyle bir tahmine izin veriyorsa, o zaman sinyale deterministik denir. Bunu ayarlamanın yolları çeşitli olabilir - matematiksel bir formül, hesaplamalı bir algoritma ve son olarak sözlü bir açıklama.

Kesin olarak konuşursak, deterministik sinyaller ve bunlara karşılık gelen deterministik süreçler mevcut değildir. Sistemin onu çevreleyen fiziksel nesnelerle kaçınılmaz etkileşimi, kaotik termal dalgalanmaların varlığı ve sistemin başlangıç durumu hakkındaki bilginin eksikliği - bunların hepsi gerçek sinyalleri zamanın rastgele fonksiyonları olarak düşünmemize neden oluyor.

Radyo mühendisliğinde rastgele sinyaller sıklıkla kendilerini girişim olarak gösterir ve alınan dalga biçiminden bilgi çıkarılmasını engeller. Parazitle mücadele sorunu, radyo alımının gürültü bağışıklığının arttırılması, radyo mühendisliğinin temel sorunlarından biridir.

"Rastgele sinyal" kavramı çelişkili gibi görünebilir. Ancak öyle değil. Örneğin, bir kozmik radyasyon kaynağına yönlendirilen bir radyo teleskop alıcısının çıkışındaki sinyal, kaotik salınımlardır, ancak bunlar, doğal bir nesne hakkında çeşitli bilgiler taşır.

Deterministik ve rastgele sinyaller arasında aşılmaz bir sınır yoktur.

Çoğu zaman, girişim seviyesinin bilinen bir şekle sahip kullanışlı bir sinyalin seviyesinden çok daha az olduğu durumlarda, daha basit bir deterministik modelin bu görev için oldukça yeterli olduğu ortaya çıkar.

Son yıllarda rastgele sinyallerin özelliklerini analiz etmek için geliştirilen istatistiksel radyo mühendisliği yöntemleri, birçok spesifik özelliğe sahiptir ve olasılık teorisinin matematiksel aparatına ve rastgele süreçler teorisine dayanmaktadır. Bu kitabın bazı bölümleri tamamen bu tür sorulara ayrılacaktır.

dürtü sinyalleri.

Radyo mühendisliği için çok önemli bir sinyal sınıfı impulslardır, yani yalnızca sınırlı bir zaman periyodunda var olan salınımlardır. Bu durumda video darbeleri (Şekil 1.1, a) ve radyo darbeleri (Şekil 1.1, b) ayırt edilir. Bu iki ana dürtü türü arasındaki fark aşağıdaki gibidir. Bir video darbesi ise, buna karşılık gelen radyo darbesi (frekans ve başlangıç isteğe bağlıdır). Bu durumda fonksiyona radyo darbesinin zarfı, fonksiyona ise onun doldurulması adı verilir.

Pirinç. 1.1. Darbe sinyalleri ve özellikleri: a - video darbesi, b - radyo darbesi; c - nabzın sayısal parametrelerinin belirlenmesi

Teknik hesaplamalarda, darbenin "ince yapısının" ayrıntılarını dikkate alan eksiksiz bir matematiksel model yerine, şekli hakkında basitleştirilmiş bir fikir vermek için genellikle sayısal parametreler kullanılır. Dolayısıyla, şekli yamuğa yakın olan bir video darbesi için (Şekil 1.1, c), genliğini (yüksekliğini) A belirlemek gelenekseldir. Zaman parametrelerinden darbenin süresini, darbenin süresini belirtin. ön kısım ve kesimin süresi

Radyo mühendisliğinde, genlikleri bir mikrovoltun kesirlerinden birkaç kilovolta kadar değişen ve süresi bir nanosaniyenin kesirlerine ulaşan gerilim darbeleriyle ilgilenirler.

Analog, ayrık ve dijital sinyaller.

Radyo sinyallerinin sınıflandırılma ilkelerinin kısa bir incelemesini bitirerek aşağıdakilere dikkat çekiyoruz. Çoğu zaman sinyali üreten fiziksel süreç, zaman içinde sinyal değerlerinin ölçülebileceği şekilde gelişir. zaman içinde herhangi bir nokta. Bu sınıfın sinyallerine genellikle analog (sürekli) adı verilir.

"Analog sinyal" terimi, böyle bir sinyalin "benzer" olduğunu, onu üreten fiziksel sürece tamamen benzer olduğunu vurgular.

Tek boyutlu bir analog sinyal, sürekli veya kırılma noktalı olabilen grafiğiyle (osilogram) görsel olarak temsil edilir.

Başlangıçta radyo mühendisliğinde yalnızca analog tip sinyaller kullanıldı. Bu tür sinyaller, nispeten basit teknik sorunların (radyo iletişimi, televizyon vb.) Başarılı bir şekilde çözülmesini mümkün kıldı. Analog sinyallerin o dönemde mevcut olan yöntemlerle üretilmesi, alınması ve işlenmesi kolaydı.

Radyo mühendisliği sistemlerine yönelik artan gereksinimler, uygulamaların çeşitliliği bizi bunların yapımı için yeni prensipler aramaya zorladı. Bazı durumlarda analog sistemlerin yerini, çalışması ayrık sinyallerin kullanımına dayanan darbe sistemleri aldı. Ayrık bir sinyalin en basit matematiksel modeli, her birinde sinyalin referans değerinin belirlendiği, zaman ekseni üzerinde sayılabilir bir nokta kümesidir (bir tamsayı). Kural olarak her sinyal için örnekleme adımı sabittir.

Ayrık sinyallerin analog sinyallere göre avantajlarından biri, sinyali her zaman sürekli olarak yeniden üretmelerine gerek olmamasıdır. Bu sayede farklı kaynaklardan gelen mesajların aynı radyo bağlantısı üzerinden iletilmesi, zaman içerisinde kanal ayrımı ile çok kanallı iletişimin düzenlenmesi mümkün hale gelmektedir.

Zamanla değişen hızlı analog sinyallerin örneklenmesinin küçük bir adım gerektirdiği sezgisel olarak açıktır. Ch'de. 5 Bu temel öneme sahip konu ayrıntılı olarak incelenecektir.

Ayrık sinyallerin özel bir türü dijital sinyallerdir. Referans değerlerinin sayı şeklinde sunulmasıyla karakterize edilirler. Uygulama ve işlemenin teknik kolaylığı nedeniyle, ikili sayılar genellikle sınırlı sayıda ve kural olarak çok fazla olmayan basamaklarla kullanılır. Son zamanlarda dijital sinyalli sistemlerin yaygın olarak kullanılmasına yönelik bir eğilim var. Bunun nedeni mikroelektronik ve entegre devrelerde kaydedilen önemli ilerlemelerdir.

Özünde, herhangi bir ayrık veya dijital sinyalin (bir sinyalden bahsediyoruz - matematiksel bir model değil, fiziksel bir süreçten bahsediyoruz) analog bir sinyal olduğu akılda tutulmalıdır. Böylece, zaman içinde yavaş yavaş değişen bir analog sinyal, aynı süreye sahip dikdörtgen video darbeleri dizisi biçiminde olan ayrık görüntüsüyle karşılaştırılabilir (Şekil 1.2, a); bu darbelerin yüksekliği referans noktalarındaki değerlerle orantılıdır. Bununla birlikte, darbelerin yüksekliğini sabit tutarak, ancak sürelerini mevcut referans değerlerine göre değiştirerek aksini yapmak mümkündür (Şekil 1.2, b).

Pirinç. 1.2. Analog sinyalin ayrıklaştırılması: a - değişken genlikli; b - referans darbelerinin değişken süresi ile

Burada sunulan analog sinyal örneklemenin her iki yöntemi de, örnekleme noktalarındaki analog sinyalin değerlerinin bireysel video darbelerinin alanıyla orantılı olduğunu varsayarsak eşdeğer hale gelir.

Referans değerlerinin sayılar biçiminde kaydedilmesi, ikincisinin bir dizi video darbesi biçiminde görüntülenmesiyle de gerçekleştirilir. İkili sayı sistemi bu prosedür için idealdir. Örneğin, yüksek bir seviyeyi bir ile ve düşük bir potansiyel seviyesini sıfır ile ilişkilendirmek mümkündür. f Ayrık sinyaller ve bunların özellikleri Bölüm 2'de ayrıntılı olarak incelenecektir. 15.

Temel radyo mühendisliği süreçleri, mesaj içeren ve taşıyan sinyalleri dönüştürme işlemleridir. Bu sistemlerin yapısı ve amacı ne olursa olsun, bu sistemlerin hangi sınıfa ve teknoloji nesline ait olduğuna bakılmaksızın, tüm radyo elektronik sistemleri için ana süreçler yaklaşık olarak aynıdır (benzer).

13. Yüksek frekanslı radyo sinyallerinin yayılması ve radyo dalgalarının yayılması

13.1. Radyo sinyalleri ve elektromanyetik dalgalar

Elektromanyetik indüksiyon yasasına uygun olarak, değişen bir manyetik alanı kapsayan bir devrede, bu devrede bir akımı tetikleyen bir EMF ortaya çıkar. Şef burada önemli bir rol oynamıyor. Sadece indüklenen akımı tespit etmenizi sağlar. J.K. Maxwell tarafından belirlenen indüksiyon olgusunun gerçek özü, manyetik alanın değiştiği uzayda, zamanla değişen bir elektrik alanının ortaya çıkmasıdır. Maxwell zamanla değişen bu elektrik alanına elektrik yer değiştirme akımı adını verdi.

Sabit yüklerin alanından farklı olarak, zamanla değişen bir elektrik alanının (elektrik yer değiştirme akımı) kuvvet çizgileri, manyetik alanın kuvvet çizgileriyle aynı şekilde kapatılabilir. Bu nedenle elektrik ve manyetik alanlar arasında yakın bir bağlantı ve etkileşim vardır. Aşağıdaki kanunlarla kurulmuştur.

1. Uzayın herhangi bir noktasında zamanla değişen bir elektrik alanı, değişen bir manyetik alan yaratır. Manyetik alanın kuvvet çizgileri, onu yaratan elektrik alanın kuvvet çizgilerini kapsar (Şekil 1). 13.1, A). Uzaydaki her noktada elektrik alan şiddeti vektörü e ve manyetik alan kuvveti vektörü H birbirine dik.

2. Uzayın herhangi bir noktasında zamanla değişen bir manyetik alan, değişen bir elektrik alanı yaratır. Elektrik alanının kuvvet çizgileri, alternatif manyetik alanın kuvvet çizgilerini kapsamaktadır Şekil 3.1. B). Söz konusu uzayın her noktasında manyetik alan kuvveti vektörü H ve elektrik alan kuvveti vektörü e karşılıklı olarak dik.

3. Alternatif bir elektrik alanı ve ona ayrılmaz bir şekilde bağlı olan alternatif bir manyetik alan, bir elektromanyetik alan oluşturur.

Pirinç. 13.1. Birinci A) ve ikinci B) elektromanyetik alan yasaları (Maxwell yasaları)

Elektromanyetik enerjinin uzayda bir dalga tarafından aktarılması, vektör ile karakterize edilir. P, elektrik ve manyetik alanların kuvvetlerinin vektör çarpımına eşittir:

vektör yönü P dalga yayılma yönü ile çakışır ve modül, dalga yayılma yönüne dik olarak yerleştirilmiş bir birim alan boyunca dalganın birim zaman başına aktardığı enerji miktarına sayısal olarak eşittir. Her türlü enerji akışı kavramı ilk olarak N.A. 1874'te Umovov. Vektörün formülü P 1884 yılında Poynting tarafından elektromanyetik alan denklemleri temel alınarak elde edilmiştir. Bu nedenle vektör P, Modülü dalganın güç akısı yoğunluğuna eşit olan vektöre Umov-Poynting vektörü denir.

Elektromanyetik alanın en önemli özelliği, uzayda oluştuğu noktadan itibaren her yöne doğru hareket etmesidir. Alan, elektromanyetik bozulma kaynağının çalışması sona erdikten sonra bile var olabilir. Değişen elektrik ve manyetik alanlar uzayda bir noktadan diğerine hareket ederek boşlukta ışık hızıyla (310 8 m/s) yayılır.

Periyodik olarak değişen bir elektromanyetik alanın yayılma süreci bir dalgadır. Yayılan alanın elektromanyetik dalgaları, yollarında iletkenlerle buluşarak, içlerinde indüklenen EMF'yi oluşturan elektromanyetik alanın frekansıyla aynı frekansta bir EMF'yi uyarır. Elektromanyetik dalgaların taşıdığı enerjinin bir kısmı iletkenlerde ortaya çıkan akımlara aktarılır.

Dalga cephesinin bir elektromanyetik salınım periyoduna eşit bir sürede hareket ettiği mesafeye dalga boyu denir.

Radyo dalgaları, termal ve ultraviyole radyasyon, ışık, x-ışınları ve  radyasyonu - bunların hepsi elektromanyetik nitelikte ancak farklı uzunluklarda dalgalardır. Ve tüm bu dalgalar farklı elektronik sistemler tarafından kullanılıyor. Frekansa göre sıralanmış elektromanyetik dalga ölçeği F, dalga boyu ve aralığın adıyla şekil 2'de gösterilmiştir. 4.2.

Elektromanyetik alanın yayılma koşullarının bilgisi, radyo-elektronik sistemlerin menzilini ve kapsama alanını belirlemek için çok önemlidir; keşif ekipmanının, yakalanan sinyallerde yer alan bilgilere yetkisiz erişiminin mümkün olduğu tehlikeli mesafeler. Mümkünse, müdahale tehlikesi bulunan alan, keşif ekipmanının varlığını dışlayacak şekilde kontrol edilir. Diğer durumlarda, keşif elektromanyetik alanları için bilgilendirici sinyaller tarafından taşınan bilgilerin korunması için başka önlemlerin alınması gerekir.

Elektromanyetik alanların yayılma koşulları önemli ölçüde frekansa (dalga boyu) bağlıdır. Radyo dalgalarının yayılması, kızılötesi radyasyonun, görünür ışığın ve daha sert radyasyonun yayılmasından önemli ölçüde farklıdır.

Radyo dalgalarının boşluktaki boş uzayda yayılma hızı ışık hızına eşittir. Radyo dalgasının taşıdığı toplam enerji sabit kalır ve ters orantılı olarak kaynaktan r mesafesi arttıkça enerji akısı yoğunluğu azalır. R 2. Radyo dalgalarının diğer ortamlarda yayılması, farklı bir faz hızıyla gerçekleşir. İle ve buna elektromanyetik enerjinin emilmesi eşlik eder. Her iki etki de, dalganın elektrik alanının etkisiyle gözenek ortamındaki elektronların ve iyonların salınımlarının uyarılmasıyla açıklanır. Alan gücü | E| Harmonik bir dalganın şiddeti, ortamın kendisindeki yüklere (örneğin, bir atomdaki bir elektrona) etki eden alanın kuvvetiyle karşılaştırıldığında küçüktür, bu durumda salınımlar, gelen dalganın  frekansıyla harmonik yasasına göre de meydana gelir. dalga. Salınım yapan elektronlar aynı frekansta fakat farklı genlik ve fazlarda ikincil radyo dalgaları yayarlar. Gelen dalgaya ikincil dalgaların eklenmesi sonucunda ortaya çıkan dalga yeni bir genlik ve faza sahip olarak oluşur. Birincil ve yeniden yayılan dalgalar arasındaki faz kayması, faz hızında bir değişikliğe yol açar. Bir dalganın atomlarla etkileşimi sırasındaki enerji kayıpları, radyo dalgalarının emilmesinin nedenidir.

Dalganın elektrik (ve tabii ki manyetik) alanının genliği yasaya göre mesafeyle birlikte azalır.

ve dalganın fazı değiştikçe

Nerede  – emilim oranı ve N dielektrik bağlı olarak kırılma indisidir geçirgenlik ortam, iletkenliğiо ve dalga frekansı:

Ortam dielektrik gibi davranır , Eğer
ve eğer bir orkestra şefi olarak
. İlk durumda
, emilim küçüktür, ikincisinde
.

 ve 'nin frekansa bağlı olduğu bir ortamda dalga dağılımı gözlenir . Frekans bağımlılığının türü  ve  ortamın yapısına göre belirlenir. Radyo dalgalarının dağılımı, dalga frekansının ortamın karakteristik doğal frekanslarına yakın olduğu durumlarda, örneğin radyo dalgalarının iyonosferik ve uzay plazmasında yayıldığı durumlarda özellikle önemlidir.

Radyo dalgaları serbest elektron içermeyen ortamlarda (troposferde, Dünyanın iç kısmında) yayıldığında, ortamın atom ve moleküllerindeki bağlı elektronlar, dalga alanının tersi yönde kaydırılır. e, burada N>1 ve faz hızı v F<İle(enerji taşıyan radyo sinyali grup hızında yayılır v gr<İle). Plazmada dalga alanı serbest elektronların yönde yer değiştirmesine neden olur. e, burada N<1 иv F<İle.

Homojen ortamlarda radyo dalgaları ışık ışınları gibi düz bir çizgide yayılır. Bu durumda radyo dalgalarının yayılma süreci geometrik optik yasalarına uyar. Dünyanın küreselliği göz önüne alındığında, görüş hattı aralığı basit geometrik yapılara dayalı olarak aşağıdaki ilişkiyle tahmin edilebilir:

Nerede H prd ve H rm - verici ve alıcı antenlerin metre cinsinden yüksekliği; R - kilometre cinsinden görüş hattı aralığı.

Ancak gerçek ortamlar homojen değildir. Onlarda N ve dolayısıyla da vφ ortamın farklı kısımlarında farklıdır, bu da radyo dalgası yörüngesinin eğriliğine yol açar. Radyo dalgalarının kırılması (kırılması) meydana gelir. Radyo dalgalarının normal kırılması dikkate alınarak maksimum aralık, daha doğru bir oranla belirlenir.

Eğer P bir koordinata bağlıdır, örneğin yükseklik H(düzlem katmanlı ortam), dalga her bir düz katmandan geçtiğinde, ışın c noktasında homojen olmayan ortama düşer. N 0 \u003d 1 açıda  Uzayda 0 kavislidir, böylece ortamdaki isteğe bağlı bir noktada H aşağıdaki oran gözlenir:

Eğer P arttıkça azalır H, daha sonra kırılmanın bir sonucu olarak ışın yayılırken dikeyden sapar ve belirli bir yükseklikte H m yatay düzleme paralel hale gelir ve sonra aşağı doğru yayılır. Maksimum yükseklik Hışının homojen olmayan düz katmanlı bir ortamın derinliklerine gidebileceği m, geliş açısına bağlıdır  0 . Bu açı şu durumdan belirlenebilir:

Bölgeye H>H m ışınları nüfuz etmez ve geometrik optiğin yaklaşımına göre bu bölgedeki dalga alanı 0'a eşit olmalıdır. Aslında düzlemin yakınında H=H m, dalga alanı artar ve s>sa m üstel olarak azalır. Radyo dalgalarının yayılması sırasında geometrik optik yasalarının ihlali, radyo dalgalarının geometrik gölge bölgesine nüfuz edebilmesi nedeniyle dalgaların kırınımı ile ilişkilidir. Geometrik gölge o6 bölgesinin sınırında, dalga alanlarının karmaşık bir dağılımı gelişir. Radyo dalgalarının kırınımı, yollarında engeller (opak veya yarı saydam cisimler) olduğunda meydana gelir. Kırınım özellikle engellerin boyutlarının dalga boyuyla karşılaştırılabilir olduğu durumlarda önemlidir.

Radyo dalgalarının yayılması, farklı elektriksel özelliklere sahip iki ortam (örneğin atmosfer, Dünya yüzeyi veya troposfer - yeterince uzun dalgalar için iyonosferin alt sınırı) arasında keskin bir sınırın yakınında ( ölçeğinde) meydana gelirse , daha sonra radyo dalgaları keskin bir sınıra düştüğünde, radyo dalgaları yansıtılır ve kırılır (geçirilir).

Homojen olmayan ortamlarda, enerji akışının belirli yüzeyler arasında lokalize olduğu, aralarındaki dalga alanlarının homojen bir ortama göre mesafeyle daha yavaş azalması nedeniyle radyo dalgalarının dalga kılavuzu yayılımı mümkündür. Atmosfer dalgaları bu şekilde oluşur. .

Rastgele yerel homojensizlikler içeren bir ortamda, ikincil dalgalar çeşitli yönlerde rastgele yayılır. Dağınık dalgalar orijinal dalganın enerjisini kısmen taşır ve bu da onun zayıflamasına yol açar. Boyut homojensizlikleri nedeniyle dağıldığında ben<<рассеянные волны распространяются почти изотропно. В случае рассеяния на крупномасштабных прозрачных неоднородностях рассеянные волны распространяются правлениях, близких к направлению исходной волны. Приben güçlü rezonans saçılımı meydana gelir.

Dünya yüzeyinin radyo dalgalarının yayılmasına etkisi vericinin ve alıcının ona göre konumuna bağlıdır. Radyo dalgalarının yayılması, geniş bir alan alanını yakalayan bir süreçtir, ancak radyo dalgalarının yayılmasındaki en önemli rol, odaklarda saçılma elipsoidi şeklindeki bir yüzeyle sınırlanan bir alan tarafından oynanır. hangisinin mesafesi R verici ve alıcı bulunur.

Eğer yükseklikler H 1 ve H Dünya yüzeyinin üzerindeki verici ve alıcı antenleri özetleyen Şekil 2, dalga boyu  ile karşılaştırıldığında büyüktür, bu durumda radyo dalgalarının yayılmasını etkilemez. . Radyo yolunun her iki uç noktası veya uç noktalarından biri alçaltıldığında, Dünya yüzeyinden aynaya yakın bir yansıma gözlemlenecektir. Bu durumda alıcı noktadaki radyo dalgası, doğrudan ve yansıyan dalgaların girişimiyle belirlenir. . Girişim maksimumları ve minimumları, alım alanındaki alanın taç yaprağı yapısını belirler. Bu model özellikle metre ve daha kısa radyo dalgaları için karakteristiktir. Bu durumda radyo iletişiminin kalitesi toprağın iletkenliği tarafından belirlenir. Bu nedenle yerkabuğunun yüzey katmanını oluşturan topraklar, deniz ve okyanus suları elektriksel iletkenliğe sahiptir. Ama o zamandan beri P ve  frekansa bağlıdır, bu durumda santimetre dalgalar için dünya yüzeyinin her türü dielektrik özelliklerine sahiptir. Metre ve daha uzun dalgalar için Dünya, dalgaların derinliğe kadar nüfuz ettiği bir iletkendir
( 0 vakumdaki dalga boyudur). Bu nedenle yer altı ve su altı radyo iletişiminde esas olarak uzun ve ekstra uzun dalgalar kullanılır.

Dünya yüzeyinin dışbükeyliği, vericinin alıcı noktadan (görüş hattı) görülebileceği mesafeyi sınırlar. Ancak radyo dalgaları gölge alanına daha büyük bir mesafeye nüfuz edebilir.
(R h, Dünya'nın yarıçapıdır), kırınım sonucu Dünya'nın etrafında bükülür. Pratikte kırınım nedeniyle bu bölgeye ancak kilometrelerce ve daha uzun dalgalar nüfuz edebilir. Ufuk çizgisinin ötesinde alan yükseklikle birlikte büyüyor H 1 , yayıcının yükseltildiği ve ondan uzaklaştıkça hızla (neredeyse üstel olarak) azaldığı.

Dünya yüzeyinin rahatlamasının radyo dalgalarının yayılması üzerindeki etkisi düzensizliklerin yüksekliğine bağlıdır H, yatay boyutları ben, dalga boyu ve yüzeydeki dalganın geliş açısı. Düzensizlikler yeterince küçük ve yumuşaksa, khçünkü<1(
– dalga numarası) ve Rayleigh kriteri karşılanır: k 2 ben 2 çünkü<1, то они слабо влияют на распространение радиоволн. Влияние неровностей зависит, также от поляризации волн. Например, для горизонтально поляризованных волн оно меньше, чем для волн, поляризованных вертикально. Когда не ровности не малы и не пологи, энергия радиоволны может рассеиваться (радиоволна отражается от них). Высокие горы и холмы сh> gölgeli alanlar oluşturur. Radyo dalgalarının dağ sıralarında kırınımı bazen doğrudan ve yansıyan dalgaların girişimi nedeniyle dalganın güçlendirilmesine yol açar: dağın tepesi doğal bir tekrarlayıcı görevi görür.

Vericinin yakınında dünya yüzeyi (yer dalgaları) boyunca yayılan radyo dalgalarının faz hızı, elektriksel özelliklerine bağlıdır. Ancak yayıcıdan birkaç  uzaklıkta v f  C. Radyo dalgaları elektriksel olarak homojen olmayan bir yüzey üzerinde yayılırsa, örneğin önce karada, sonra denizde, daha sonra kıyı şeridini geçerken, radyo dalgalarının genliği ve yayılma yönü önemli ölçüde değişir (kıyı kırılması gözlenir).

Troposferde radyo dalgalarının yayılması. Troposfer, hava sıcaklığının genellikle yükseklikle birlikte azaldığı alandır. H. Tropopozun dünya üzerindeki yüksekliği aynı değildir: Ekvatorun üzerinde kutupların üstünden daha yüksektir ve kuvvetli batı rüzgarları sisteminin olduğu orta enlemlerde aniden değişir. Troposfer, gazların ve su buharının karışımından oluşur; birkaç santimetreden fazla olan radyo dalgaları için iletkenliği ihmal edilebilir düzeydedir. Troposfer, Dünya yüzeyinde kırılma indisi nedeniyle vakuma yakın özelliklere sahiptir.
ve faz hızı sadece biraz daha azdır İle. Yükseklik arttıkça hava yoğunluğu azalır ve dolayısıyla P azalıyor, birliğe daha da yaklaşıyor. Bu, radyo ışınının yörüngelerinin Dünya'ya doğru sapmasına yol açar. Bu normal troposferik kırılma, radyo dalgalarının görüş hattının ötesine yayılmasına katkıda bulunur, çünkü kırılma nedeniyle dalgalar Dünya'nın çıkıntısı etrafında bükülebilir. Uygulamada bu etki yalnızca VHF için rol oynayabilir. Daha uzun dalga boyları için, Dünya'nın çıkıntısının kırınıma bağlı olarak bükülmesi baskındır.

Hava yoğunluğu basınca, sıcaklığa ve neme bağlı olduğundan, meteorolojik koşullar kırılmayı normale göre zayıflatabilir veya artırabilir. Tipik olarak troposferde, gaz basıncı ve sıcaklık yükseklikle azalırken, su buharı basıncı artar. Ancak belirli meteorolojik koşullar altında (örneğin, karada ısıtılan havanın deniz üzerinde hareket etmesi), hava sıcaklığı yükseklikle birlikte artar (sıcaklığın ters çevrilmesi). Sapmalar özellikle yaz aylarında 2-3 km yükseklikte büyüktür. Bu koşullar altında sıklıkla sıcaklık terslenmeleri ve bulut katmanları oluşur ve radyo dalgalarının troposferdeki kırılması o kadar güçlü hale gelebilir ki, ufka küçük bir açıyla çıkan bir radyo dalgası, belirli bir yükseklikte yön değiştirerek Dünya'ya geri döner. . Aşağıdan dünya yüzeyiyle ve yukarıdan troposferin kırıcı katmanıyla sınırlanan bir alanda, bir dalga çok uzun mesafelere yayılabilir (dalga kılavuzu yayılımı). Troposferik dalga kılavuzlarında kural olarak  olan dalgalar<1 м.

Troposferdeki radyo dalgalarının emilimi, santimetre aralığına kadar tüm radyo dalgaları için ihmal edilebilir düzeydedir. Salınım frekansı, hava moleküllerinin doğal salınım frekanslarından biriyle (rezonans emilimi) çakıştığında santimetre ve daha kısa dalgaların emilimi keskin bir şekilde artar. Moleküller, gelen dalgadan ısıya dönüştürülen ve yalnızca kısmen ikincil dalgalara aktarılan enerjiyi alır. Troposferdeki bir dizi rezonans soğurma çizgisi bilinmektedir: =1,35 cm, 1,5 cm, 0,75 cm (su buharında soğurma) ve =0,5 cm, 0,25 cm (oksijende soğurma). Rezonans çizgileri arasında daha zayıf soğurma bölgeleri (saydam pencereler) bulunur.

Radyo dalgalarının zayıflaması, hava kütlelerinin türbülanslı hareketinden kaynaklanan homojensizliklerin dağılmasından da kaynaklanabilir. . Havada yağmur, kar, sis şeklinde damlacık homojensizlikleri olduğunda saçılma keskin bir şekilde artar. Küçük ölçekli düzensizlikler üzerindeki neredeyse izotropik Rayleigh saçılımı, görüş hattının çok ötesindeki mesafelerde radyo iletişimini mümkün kılar. Böylece troposfer VHF'nin yayılmasını önemli ölçüde etkiler. Dekametre ve daha uzun dalgalar için, troposfer pratik olarak şeffaftır ve bunların yayılması, dünyanın yüzeyinden ve atmosferin daha yüksek katmanlarından (iyonosfer) etkilenir.

İyonosferde radyo dalgalarının yayılması.İyonosfer, ultraviyole, x-ışını ve korpüsküler güneş radyasyonunun etkisi altında gazların kısmen (% 1'e kadar) iyonlaştığı, dünya atmosferinin üst katmanları tarafından oluşturulur. İyonosfer elektriksel olarak nötrdür; eşit miktarda pozitif ve negatif yüklü parçacıklar içerir; bir plazmadır .

Radyo dalgalarının yayılmasını etkileyen yeterince büyük iyonizasyon, 60 km yükseklikte başlar (katman) D), katmanlar oluşturarak 300 ... 400 km yüksekliğe kadar artar E, F 1 , F 2 , sonra yavaş yavaş azalır. Ana maksimumda elektron konsantrasyonu N 10 2 m -3'e ulaşır. Bağımlılık N rakım günün saatine, yıla, güneş aktivitesine ve enlem ve boylamlara göre değişir.

Frekansa bağlı olarak, radyo dalgalarının yayılmasındaki ana rol, belirli doğal salınım türleri tarafından oynanır. Bu nedenle radyo aralığının farklı bölümleri için elektriksel özellikler farklıdır. Yüksek frekanslarda iyonların alandaki değişiklikleri takip edecek zamanı yoktur ve radyo dalgalarının yayılmasında yalnızca elektronlar rol alır. İyonosferin serbest elektronlarının zorlanmış salınımları, etki eden kuvvetle antifazda ortaya çıkar ve dalganın elektrik alanının tersi yönde plazma polarizasyonuna neden olur. e. Bu nedenle iyonosferin dielektrik sabiti<1. Она уменьшается с уменьшением частоты:
. Elektronların atomlar ve iyonlarla çarpışmasının hesaba katılması, iyonosferin geçirgenliği ve iletkenliği için daha doğru formüller sağlar:

burada  çarpışmaların etkin frekansıdır.

İyonosferin çoğundaki dekametre ve daha kısa dalgalar için     ve kırılma indisleri N ve absorpsiyon değerlere yaklaşır:

İyonosfer için N>1, ardından radyo dalgası yayılımının faz hızı
ve grup hızı
.

İyonosferdeki soğurma  ile orantılıdır, çünkü çarpışmalar arttıkça elektronun aldığı enerjinin büyük kısmı ısıya dönüşür. Bu nedenle iyonosferin alt bölgelerinde (katman) emilim daha fazladır. D), gaz yoğunluğunun daha yüksek olduğu yer. Frekans arttıkça emilim azalır. Kısa dalgalar zayıf bir şekilde emilir ve uzun mesafelere gidebilir.

İyonosferde radyo dalgalarının kırılması.İyonosferde yalnızca frekansı  0 olan radyo dalgaları yayılabilir.  0 kırılma indeksinde N tamamen hayali hale gelir ve elektromanyetik alan, plazmanın derinliklerine doğru katlanarak azalır. İyonosfere dikey olarak gelen  frekansına sahip bir radyo dalgası,  0 ve N=0. İyonosferin alt kısmında elektron konsantrasyonu ve  0 yükseklikle birlikte artar, dolayısıyla 'nin artmasıyla Dünya'dan yayılan dalga iyonosferin derinliklerine nüfuz eder. Dikey geliş sırasında iyonosferik katmandan yansıyan bir radyo dalgasının maksimum frekansına katmanın kritik frekansı denir:

Katman kritik frekansı F 2 (ana maksimum), gün ve yıl boyunca geniş bir aralıkta (3 ... 5 ila 10 MHz arasında) değişir.  cr olan dalgalar için kırılma indisi kaybolmaz ve dikey olarak gelen dalga yansımadan iyonosferden geçer.

Bir dalga iyonosfere eğik olarak düştüğünde, troposferde olduğu gibi kırılma meydana gelir. İyonosferin alt kısmında faz hızı yükseklikle birlikte artar (elektron konsantrasyonundaki artışla birlikte). N). Bu nedenle ışın yolu Dünya'ya doğru sapar. İyonosferde  0 açıyla meydana gelen radyo dalgası olayı, Dünya'ya doğru yükseklikte dönüyor H, bunun için = cr koşulu. İyonosferden yansıyan dalganın  0 açıyla düştüğünde maksimum frekansına uygulanabilir maksimum frekans denir max =
. Dalgalar c< max отражаясь от ионосферы, возвращаются на Землю. Этот эффект что используется для дальней радиосвязи и загоризонтной радиолокации. Вследствие сферичности Земли величина угла 0 ограничена и дальность связи при однократном отражении от ионосферы не превосходит 3500…4000 км. Связь на большие расстояния осуществляется за счет нескольких последовательных отражений от ионосферы и Земли (скачков). Возможны и более сложные, волноводные траектории, возникающие за счет горизонтального градиентаN veya radyo dalgalarının > max frekansıyla yayılması sırasında iyonosferin homojensizlikleri üzerine saçılma. Saçılma sonucunda ışının katmana geliş açısı F 2'nin normal yayılımdan daha büyük olduğu ortaya çıktı. Işın, katmandan bir dizi ardışık yansımaya maruz kalır F 2 bu eğime sahip bir alana çarpana kadar N, bu da enerjinin bir kısmının Dünya'ya geri yansımasına neden olacak.

Dünyanın manyetik alanının H kuvvetine etkisi 0 aşağı gelir İle Buna , hızda hareket eden bir elektrona ne dersiniz? v, Lorentz kuvveti çalışır
etkisi altında, dik bir düzlemde bir daire içinde dönmektedir. H 0, jiroskopik frekans  N ile. Yüklü her parçacığın yörüngesi, ekseni boyunca sarmal bir çizgidir. H 0. Lorentz kuvvetinin etkisi, dalganın elektrik alanının etkisi altında elektronların zorunlu salınımlarının doğasında bir değişikliğe ve sonuç olarak ortamın elektriksel özelliklerinde bir değişikliğe yol açar. Sonuç olarak, iyonosferin elektriksel özellikleri radyo dalgalarının yayılma yönüne bağlı hale gelir ve skaler bir değerle () değil, geçirgenlik tensörü ( ij) ile tanımlanır. Böyle bir ortamda meydana gelen bir dalga çift kırılmaya maruz kalır , yani yayılma, soğurma ve polarizasyon hızı ve yönü bakımından farklı olan iki dalgaya ayrılır. Radyo dalgalarının yayılma yönü dik ise H 0 ise, gelen dalga iki doğrusal polarize dalganın toplamı olarak temsil edilebilir. eH 0 ve E||H 0 . İlk "olağanüstü" dalga için, dalga alanının etkisi altında elektronların zorunlu hareketinin doğası değişir (bir hızlanma bileşeni ortaya çıkar, e) ve bu nedenle değişir P.İkinci "sıradan" dalga için zorlanmış hareket, alan olmadan aynı kalır H 0 .

Düşük frekanslı (LF) ve çok düşük frekanslı (VLF) radyo dalgalarının enerjisinin ana kısmı pratik olarak iyonosfere nüfuz etmez. Dalgalar alt sınırından yansıtılır (gündüz boyunca - D katmanındaki güçlü kırılma nedeniyle, geceleri - E katmanından, farklı elektriksel özelliklere sahip iki ortamın sınırından olduğu gibi). Bu dalgaların yayılması, homojen ve izotropik Dünya ve iyonosferin keskin küresel duvarlara sahip bir yüzey dalga kılavuzu oluşturduğu model tarafından iyi bir şekilde açıklanmaktadır. Bu dalga kılavuzunda radyo dalgaları yayılır. Böyle bir model, mesafeyle alanda gözlenen azalmayı ve yükseklikle alan genliğindeki artışı açıklamaktadır. İkincisi, dalga kılavuzunun içbükey yüzeyi boyunca dalgaların kaymasıyla ilişkilidir ve bu da alanın tuhaf bir şekilde odaklanmasına yol açar. Radyo dalgalarının genliği, kaynağa göre Dünya'nın antipodal noktasında önemli ölçüde artar. Bunun nedeni, Dünya'nın etrafında her yöne dolaşan ve karşı tarafta birleşen radyo dalgalarının eklenmesidir.

Dünyanın manyetik alanının etkisi, düşük frekanslı dalgaların iyonosferdeki yayılmasının bir dizi özelliğini belirler: ultra uzun dalgalar, yüzey dalga kılavuzunu iyonosferin dışında bırakabilir ve eşlenik noktalar arasındaki jeomanyetik alan çizgileri boyunca yayılabilir. A Ve İÇİNDE Toprak.

İyonosferde Radyo Dalgalarının Yayılımında Doğrusal Olmayan Etkiler kendilerini zaten nispeten düşük yoğunluklu radyo dalgaları için gösterirler ve ortamın polarizasyonunun dalganın elektrik alanına doğrusal bağımlılığının ihlali ile ilişkilidirler . Elektrik alanı tarafından bozulan plazma bölgesinin karakteristik boyutları, elektronların ortalama serbest yolundan birçok kez daha büyük olduğunda "ısıtma" doğrusalsızlığı ana rolü oynar. Elektronların plazmadaki ortalama serbest yolu önemli olduğundan, elektronun bir çalışma sırasında alandan gözle görülür bir enerji elde etmek için zamanı vardır. Çarpışma sırasında enerjinin bir elektrondan iyonlara, oradan atomlara ve moleküllere aktarılması, kütlelerindeki büyük fark nedeniyle zordur. Sonuç olarak, plazma elektronları nispeten zayıf bir elektrik alanında zaten güçlü bir şekilde "ısınır" ve bu da etkili çarpışma frekansını değiştirir. Bu nedenle  ve  plazmaları elektrik alan şiddetine bağımlı hale gelir e dalgalar ve radyo dalgalarının yayılımı doğrusal olmaktan çıkar.

Doğrusal olmayan etkiler, dalganın kendi kendine hareketi ve dalgaların birbirleriyle etkileşimi olarak kendini gösterebilir. Güçlü bir dalganın kendi kendine hareketi, onun emiliminde ve modülasyon derinliğinde bir değişikliğe yol açar. Güçlü bir radyo dalgasının emilmesi doğrusal olmayan bir şekilde genliğine bağlıdır. Artan sıcaklıkla (elektron enerjisi) çarpışma frekansı  artabilir (nötr parçacıklarla çarpışmaların ana rolü oynadığı alt katmanlarda) veya azalabilir (iyonlarla çarpışma sırasında). İlk durumda, artan dalga gücüyle (plazmadaki alanın doygunluğu) emilim keskin bir şekilde artar. İkinci durumda emilim azalır (bu etkiye güçlü bir radyo dalgası için plazma ağartma adı verilir). Soğurmadaki doğrusal olmayan değişiklik nedeniyle, dalganın genliği, gelen alanın genliğine doğrusal olmayan bir şekilde bağlıdır, dolayısıyla modülasyonu bozulur (dalganın kendi kendine modülasyonu ve demodülasyonu). Kırılma indeksi değişikliği N güçlü bir dalga alanında ışın yörüngesinin bozulmasına yol açar. Dar radyo dalgası ışınlarının yayılması sırasında, bu etki, kendi kendine odaklanmaya benzer şekilde ışının kendi kendine odaklanmasına yol açabilir. ışık ve plazmada bir dalga kılavuzu kanalının oluşumuna.

Doğrusal olmayan koşullar altında dalgaların etkileşimi süperpozisyon ilkesinin ihlaline yol açar . Özellikle, frekansı  1 olan güçlü bir dalganın genliği modüle edilirse, absorpsiyondaki bir değişiklik nedeniyle bu modülasyon, iyonosferin aynı bölgesinden geçen  2 frekansına sahip başka bir dalgaya aktarılabilir. Bu olaya çapraz modülasyon denir.

Radyo dalgalarının uzayda yayılması Uzaydan Dünya'ya geniş bir yelpazede elektromanyetik dalgaların gelmesi ve uzaydan giderken iyonosfer ve troposferden geçmesi gereken özelliklere sahiptir. İki ana frekans aralığındaki dalgalar, gözle görülür bir zayıflama olmaksızın Dünya atmosferi boyunca yayılır: "radyo penceresi", iyonosferik kritik frekanstan, atmosferdeki aerosoller ve gazlar tarafından güçlü emilim frekanslarına (10 MHz ... 20 GHz) kadar olan aralığa karşılık gelir. ), "optik pencere" görünür ve IR radyasyon aralığını (1 THz…10 3 THz) kapsar. Atmosfer aynı zamanda 300 kHz'e kadar olan düşük frekans aralığında da kısmen şeffaftır; burada ıslık çalan atmosfer ve manyetohidrodinamik dalgalar yayılır.

Farklı aralıklardaki radyo dalgalarının yayılması. Radyo dalgaları Çok düşük(3…30 kHz) ve düşük (30…300 kHz) frekanslar Dalga kılavuzu yayılımı ve kırınımı nedeniyle dünya yüzeyinin etrafında dolaşırlar, iyonosfere nispeten zayıf bir şekilde nüfuz ederler ve onun tarafından çok az emilirler. Yüksek faz stabilitesi ve kutup bölgeleri de dahil olmak üzere geniş alanları eşit şekilde kaplama yeteneği ile ayırt edilirler. Bu, yüksek düzeyde atmosferik parazite rağmen, bunların istikrarlı uzun menzilli ve ultra uzun menzilli radyo iletişimi ve radyo navigasyonu için kullanılmasını mümkün kılar. Yayın için 150 kHz'den 300 kHz'e kadar olan frekans bandı kullanılır. Çok düşük frekans aralığını kullanmadaki zorluklar, yüksek seviyede atmosferik gürültüye sahip anten sistemlerinin büyüklüğü ve bilgi aktarım hızının göreceli olarak sınırlandırılmasıyla ilişkilidir. Çok düşük frekanslardaki dalgaların yavaş salınımları, bilgiyi yüksek hızda taşıyan hızlı süreçlerle modüle edilemez. N. Wiener'in bunun hakkında yazdığı gibi, "Bir orgun alt perdesinde jig çalamazsınız."

orta dalgalar(300 kHz ... 3000 kHz) gün boyunca Dünya yüzeyi boyunca yayılır (yer veya doğrudan dalga). İyonosferden yansıyan dalga pratikte yoktur, çünkü dalgalar katmanda güçlü bir şekilde emilir. D iyonosfer. Güneş ışınımı katmanının eksikliği nedeniyle geceleri D kaybolur, katmandan yansıyan iyonosferik bir dalga belirir e. Bu durumda yayılma aralığı ve buna bağlı olarak alım artar. Doğrudan ve yansıyan dalgaların eklenmesi, alıcı noktada alanın güçlü bir değişkenliğini gerektirir. Bu nedenle gökyüzü dalgası, yer dalgası yayılımını kullanan birçok hizmet için bir girişim kaynağıdır.

kısa dalgalar(3 MHz ... 30 MHz) zayıf bir şekilde emilir D- Ve E... katmanlar ve katmandan yansıyan F frekansları< max . В результате отражения от ионосферы возможна связь как на малых, так и на больших расстояниях при значительно меньшем уровне мощности передатчика и гораздо более простых антеннах, чем в более низкочастотных диапазонах. Особенность радиосвязи в этом диапазоне – наличие замираний (фединга) сигнала из-за изменений условий отражения от ионосферы и интерференционных эффектов. Коротковолновые линии связи подвержены влиянию атмосферных помех. Ионосферные бури вызывают прерывание связи.

İçin çok yüksek frekanslar ve VHF (30 ... 1000 MHz), radyo dalgalarının troposfer içinde yayılmasının ve iyonosfere nüfuz etmesinin baskınlığı ile karakterize edilir. Yer dalgasının rolü azalıyor. Bu aralığın düşük frekans kısmındaki girişim alanları hala iyonosferden gelen yansımalarla belirlenebilmektedir ve iyonosferik saçılım 60 MHz'e kadar önemli bir rol oynamaya devam etmektedir. Troposcatter hariç tüm radyo dalgası yayılım modları, birkaç MHz bant genişliğine sahip sinyallerin iletilmesine izin verir.

UHF ve mikrodalga dalgaları (1000 MHz ... 10 000 MHz) esas olarak görüş alanı içinde yayılır ve düşük gürültü seviyesiyle karakterize edilir. Bu aralıkta, radyo dalgalarının yayılması sırasında, kimyasal elementlerin maksimum absorpsiyon ve radyasyon frekanslarının bilinen bölgeleri bir rol oynar (örneğin, 1,42 GHz frekansına yakın hidrojen molekülleri tarafından rezonans absorpsiyon çizgileri).

Mikrodalgalar (>10 GHz) yalnızca görüş alanı içerisinde yayılır. Bu aralıktaki kayıplar, düşük frekanslardaki kayıplardan biraz daha yüksektir ve değerleri, yağış miktarından büyük ölçüde etkilenir. Bu frekanslardaki kayıplardaki artış, anten sistemlerinin verimliliğindeki artışla kısmen dengelenmektedir. Radyo dalgalarının çeşitli aralıklarda yayılmasının özelliklerini gösteren bir diyagram, Şekil 2'de gösterilmektedir. 13.3.

Pirinç. 13.3. Elektromanyetik dalgaların yüzey uzayında yayılması

Tarihsel olarak, optik dalga aralığının radyasyonu insanlık tarafından diğer elektromanyetik alanlardan çok daha önce kullanılmaya başlanmış olmasına rağmen, optik dalgaların atmosferde yayılması, herhangi bir radyo dalgasının yayılmasıyla karşılaştırıldığında en az araştırılan konudur. Bu, yayılma olaylarının daha karmaşık bir resminin yanı sıra, bu olayların daha geniş bir çalışmasının, optik kuantum jeneratörlerinin (lazerler) buluşu ve çok yönlü geniş bir uygulamasının başlamasından sonra ancak yakın zamanda başlamasıyla açıklanmaktadır.

Optik dalgaların atmosferdeki yayılma modellerini üç ana olay belirler: soğurma, saçılma ve türbülans. İlk ikisi, sabit atmosferik koşullar altında elektromanyetik alanın ortalama zayıflamasını ve meteorolojik koşullar değiştikçe nispeten yavaş alan değişikliklerini (yavaş sönümleme) belirler. Üçüncü fenomen - türbülans, her türlü hava koşulunda gözlemlenen alanda hızlı değişikliklere (hızlı solma) neden olur. Ayrıca türbülans nedeniyle, alıcıya gelen ışının yapısı vericinin çıkışındaki ışının yapısına göre önemli ölçüde değişebildiğinde çok yollu etki gözlenir.

Ders No. 2 Radyo sinyalleri

Sinyal teorisi. Sınıflandırma. Sinyallerin ana özellikleri

Elektrik devrelerinde voltaj, akım, yük veya gücün zamanında değişmesine elektriksel salınım denir. Bilgiyi iletmek için kullanılan elektriksel salınım bir sinyaldir. Elektrik devrelerindeki süreçlerin karmaşıklığı, orijinal sinyallerin karmaşıklığına bağlıdır. Bu nedenle sinyal spektrumunun kullanılması tavsiye edilir. Fourier serileri ve dönüşümleri, sinyallerin bir dizi harmonik bileşen olarak temsil edilmesinin mümkün olduğu matematikten bilinmektedir. Pratikte, sinyalin değişim hızı ve süresi hakkında fikir veren karakteristik bir analiz faydalıdır. Bu, korelasyon analizi kullanılarak elde edilebilir.

2.1. Radyo sinyalleri hakkında genel bilgi

Geleneksel olarak radyo mühendisliği, radyo aralığıyla ilgili elektriksel (ve artık optik) sinyaller olarak kabul edilir. Matematiksel açıdan bakıldığında herhangi bir radyo sinyali bazı şekillerde temsil edilebilir.

anlık voltaj (bu gösterim en sık kullanılır), akım, yük veya güç değerlerindeki değişimi karakterize eden u(t) zamanının bir fonksiyonu. Her sinyal sınıfının kendine has özellikleri vardır ve özel açıklama ve analiz yöntemleri gerektirir. Sinyal temsili ve işlemenin temel bileşenlerinden biri analizdir. Analizin temel amacı sinyalleri birbirleriyle karşılaştırarak benzerliklerini ve farklılıklarını belirlemektir. Elektrik sinyallerinin analizinin üç ana bileşeni vardır:

Sinyallerin sayısal parametrelerinin ölçümü (enerji, ortalama güç ve ortalama karekök değeri);

Bir sinyalin, ayrı ayrı değerlendirilmesi veya farklı sinyallerin özelliklerinin karşılaştırılması için temel bileşenlere ayrıştırılması; bu ayrıştırma, en önemlileri seri ve Fourier dönüşümü olan seri ve integral dönüşümleri kullanılarak gerçekleştirilir;

Çeşitli sinyallerin "benzerlik" derecesinin, parametrelerinin ve özelliklerinin nicel ölçümü; böyle bir ölçüm korelasyon analizi aparatı kullanılarak yapılır.

Sinyalleri çalışma ve hesaplama nesneleri haline getirmek için, bunların matematiksel açıklamalarına yönelik bir yöntem belirlemek, yani incelenen sinyalin matematiksel bir modelini oluşturmak gerekir. Radyo mühendisliğinde, her sinyal sınıfının kendi matematiksel temsili, kendi matematiksel modeli vardır ve aynı matematiksel model hemen hemen her zaman voltajı, akımı, yükü, gücü, elektromanyetik alan gücünü vb. yeterli şekilde tanımlayabilir. Temsil etmenin en yaygın yolları ( Tanımlayın) sinyaller zamansal, spektral, analitik, istatistiksel, vektör, grafik ve geometriktir. Sinyalleri açıklayan işlevler hem gerçek hem de karmaşık değerleri alabilir. Bu nedenle gelecekte kitapta sıklıkla gerçek ve karmaşık sinyallerden bahsedeceğiz. Bir dizi özelliğe göre sinyallerin kısa sınıflandırmasının bir kısmı Şekil 2.1'de gösterilmektedir.

Şekil 2.1. Radyo sinyallerinin sınıflandırılması

Radyo mühendisliği sinyallerini zaman ve fiziksel koordinatlarda verilen matematiksel fonksiyonlar biçiminde düşünmek uygundur. Bu açıdan bakıldığında, sinyaller genellikle bir (tek boyutlu sinyal; n = 1), iki (iki boyutlu sinyal; n = 2) veya daha fazla (çok değişkenli sinyal n > 2) bağımsız değişkenlerle tanımlanır. Tek boyutlu sinyaller yalnızca zamanın fonksiyonudur, çok boyutlu sinyaller ise ek olarak n boyutlu uzaydaki konumu yansıtır. Kesinlik ve basitleştirme için esas olarak tek boyutlu zamana bağlı sinyalleri ele alacağız, Çok boyutlu durum, sinyalin konumu zamana bağlı olan örneğin uzayda sonlu veya sonsuz bir nokta kümesi olarak temsil edilmesidir. Televizyon sistemlerinde, siyah beyaz bir görüntü sinyali, iki uzaysal koordinatın ve zamanın bir f(x, y, f) fonksiyonu olarak düşünülebilir ve o anda (x, y) noktasındaki radyasyon yoğunluğunu temsil eder. T katot üzerinde. Renkli bir televizyon sinyali iletirken üç işlevimiz vardır. F (x, y, t), g(x, y, t), h(x, y, t) üç boyutlu bir küme üzerinde tanımlıdır (bu üç fonksiyon aynı zamanda üç boyutlu bir vektör alanının bileşenleri olarak da düşünülebilir) . Ayrıca ses ile birlikte bir televizyon görüntüsü iletildiğinde çeşitli türde televizyon sinyalleri ortaya çıkabilmektedir. Çok boyutlu bir sinyal, tek boyutlu sinyallerin sıralı bir kümesidir. Çok boyutlu bir sinyal, örneğin çok kutuplu terminallerdeki bir voltaj sistemi tarafından oluşturulur (Şekil 2.2).

Pirinç. 2.2. Çok kutuplu voltaj sistemi.

Çok boyutlu sinyaller karmaşık işlevlerle tanımlanır ve bunların işlenmesi çoğunlukla dijital biçimde mümkündür. Bu nedenle, çok boyutlu sinyal modelleri özellikle karmaşık sistemlerin işleyişinin bilgisayar kullanılarak analiz edildiği durumlarda kullanışlıdır. Yani çok boyutlu veya vektör sinyaller birçok tek boyutlu sinyalden oluşur.

nerede tamsayı, sinyal boyutu. Zamansal gösterimin yapısının özelliklerine göre (Şekil 2.3), tüm radyo sinyalleri analoga bölünmüştür ( analog), ayrık (ayrık - zaman; enlemden ayrık) ayrılmış, aralıklı) ve dijital ( dijital ). Tek boyutlu bir sinyal üreten fiziksel süreç, u(t) zamanının sürekli bir fonksiyonu olarak temsil edilebiliyorsa (Şekil 2.3, a), o zaman böyle bir sinyale analog (sürekli) adı verilir. Analog sinyalin bir örneği, bir osiloskobun girişine uygulanan ve ekranda zamanın bir fonksiyonu olarak sürekli bir dalga biçimi ile sonuçlanan bir voltajdır. Analog bir sinyalden özel bir dönüşümle ayrık bir sinyal elde edilir. Analog bir sinyali bir numune dizisine dönüştürme işlemine örnekleme (örnekleme) adı verilir ve böyle bir dönüşümün sonucu, ayrı bir sinyal veya ayrık bir seridir (ayrık seriler). Ayrık bir sinyal U'nun en basit matematiksel modeli N (t) zaman ekseni üzerinde, kural olarak eşit zaman aralıklarında T = ∆t alınan, örnekleme periyodu (veya aralık, örnekleme adımı; örnekleme zamanı) adı verilen ve her birinde değerlerin yer aldığı bir noktalar dizisi. karşılık gelen sürekli sinyalin miktarı verilmiştir (Şekil 2.3b). Örnekleme periyodunun karşılığına örnekleme frekansı denir: fD \u003d 1 / T (başka bir tanım f D f D = 1/∆t). Karşılık gelen açısal (dairesel) frekans aşağıdaki gibi tanımlanır: ω D = 2π /∆t.

Pirinç. 2.3. Radyo sinyalleri: bir analog; b ayrık; c nicemlenmiş; g dijital

Çeşitli ayrık sinyaller dijital bir sinyaldir ( dijital sinyal ), Sinyalin ayrık örneklerini dijital forma (genellikle ikili sayılara) dönüştürme sürecinde, seviye ( nicemleme ) stres ∆. Bu durumda, sinyal seviyelerinin değerleri, sonlu, gerekli sayıda basamakla ikili sayılarla numaralandırılabilir. Zaman açısından ayrık ve düzeyde nicemlenmiş bir sinyale dijital sinyal denir. Dijital bir sinyalde, u sinyalinin ayrık değerleri T (t) ilk önce seviye ile nicelendirilir (Şekil 2.3, c) ve ardından ayrık sinyalin nicelenmiş örnekleri u sayılarıyla değiştirilir. C (t), çoğunlukla yüksek (bir) ve düşük (sıfır) voltaj potansiyeli seviyeleri, τ süreli kısa darbeler ile temsil edilen ikili kodda uygulanır (Şekil 2.3, d). Böyle bir koda tek kutuplu denir. Bir sinyal sunarken yuvarlama kaçınılmaz olarak meydana gelir. Ortaya çıkan yuvarlama hatalarına niceleme hataları (veya gürültü) adı verilir ( nicemleme hatası, nicemleme gürültüsü ). Dijital işleme sırasında sinyali temsil eden sayıların sırası ayrı bir seridir. Sinyallerin farklılık gösterdiği ana özelliklerden biri, sinyalin (değerlerinin) zaman içindeki öngörülebilirliğidir. Anlık değerleri herhangi bir zamanda güvenilir bir şekilde bilinen radyo mühendisliği sinyallerine deterministik denir. Deterministik bir sinyalin en basit örnekleri, bilinen bir başlangıç fazına sahip harmonik bir salınım, bilinen bir yasaya göre modüle edilen yüksek frekanslı salınımlardır. Deterministik bir sinyal bilgi taşıyıcısı olamaz. Deterministik sinyaller periyodik ve periyodik olmayan olarak ikiye ayrılır.(dürtü). Sınırlı bir zaman aralığı için sıfırdan önemli ölçüde farklı olan, hareket etmesi amaçlanan sistemdeki geçici sürecin tamamlanma zamanıyla orantılı olan son enerji sinyaline darbe sinyali denir.

Rastgele sinyaller, herhangi bir andaki anlık değerleri bilinmeyen ve bire eşit olasılıkla tahmin edilemeyen sinyallerdir. Yararlı bilgiler taşıyan bir sinyal yalnızca rastgele bir sinyal olabilir.

Parametreleri ve özellikleri tek bir rastgele gerçekleştirmeden (örnek) belirlenebilen rastgele süreçlere ergodik denir ve belirli özelliklere sahiptirler.

Çoğu zaman, belirli sinyal türlerini (öncelikle dar bant) tanımlarken ve analiz ederken, bunların temsilinin karmaşık bir formunu kullanmak uygundur.

Nerede - sırasıyla karmaşık miktarın modülü ve fazı

Karmaşık fonksiyon u(t) aynı zamanda şu şekilde de temsil edilebilir:

burada Re, Im karmaşık fonksiyonun gerçek ve sanal kısımlarıdır. Her iki formülden de şunu elde ederiz:

Bir vektör gösterimiyle, karmaşık bir sinyal, gerçek ekseni apsis ekseni ve sanal ekseni ordinat ekseni olan karmaşık düzlem üzerinde bir vektördür (Şekil 2.5). Düzlemdeki vektör ω hızıyla pozitif yönde (saat yönünün tersine) döner. 0 . Vektörün uzunluğu karmaşık sinyalin modülüne, vektör ile apsis ekseni arasındaki açıya φ argümanına eşittir. 0 . Koordinat eksenlerindeki vektör projeksiyonları, karmaşık değerin sırasıyla gerçek ve sanal kısımlarına eşittir.

Herhangi bir yeni olguyu, süreci veya nesneyi incelemeye başlamadan önce bilim, onları her zaman mümkün olan en büyük özelliklere göre sınıflandırmaya çalışır. Sinyalleri dikkate almak ve analiz etmek için ana sınıflarını ayırıyoruz. Bu iki nedenden dolayı gereklidir. İlk olarak, bir sinyalin belirli bir sınıfa ait olup olmadığının kontrol edilmesi bir analiz prosedürüdür. İkinci olarak, farklı sınıfların sinyallerini temsil etmek ve analiz etmek için genellikle farklı araç ve yaklaşımların kullanılması gerekir. Radyo sinyalleri alanındaki temel kavramlar, terimler ve tanımlar ulusal (eski adıyla devlet) standardı “Radyo sinyalleri” ile oluşturulmuştur. Terimler ve tanımlar". Radyo sinyalleri son derece çeşitlidir. Bir dizi özelliğe göre sinyallerin kısa bir sınıflandırmasının bir kısmı Şekil 1'de gösterilmektedir. 1. Aşağıda bazı kavramlarla ilgili daha fazla ayrıntı verilmiştir. Radyo mühendisliği sinyallerini zaman ve fiziksel koordinatlarda verilen matematiksel fonksiyonlar biçiminde düşünmek uygundur. Bu açıdan bakıldığında sinyaller genellikle bir (tek boyutlu sinyal; n = 1), iki

(iki değişkenli sinyal; n = 2) veya daha fazla (çok değişkenli sinyal n > 2) bağımsız değişken. Tek boyutlu sinyaller yalnızca zamanın fonksiyonudur, çok boyutlu sinyaller ise ek olarak n boyutlu uzaydaki konumu yansıtır.

Şekil 1. Radyo sinyallerinin sınıflandırılması

Kesinlik ve basitleştirme için, esas olarak tek boyutlu zamana bağlı sinyalleri ele alacağız, ancak eğitimin materyali, sinyalin örneğin uzayda sonlu veya sonsuz bir nokta kümesi olarak temsil edildiği durumlarda çok boyutlu duruma genellemeye izin verir. konumu zamana bağlıdır. Televizyon sistemlerinde, siyah-beyaz görüntü sinyali, katotta t zamanında (x, y) noktasındaki radyasyon yoğunluğunu temsil eden, iki uzaysal koordinat ve zamanın bir f(x, y, f) fonksiyonu olarak görülebilir. . Renkli bir televizyon sinyali iletirken, üç boyutlu bir küme üzerinde tanımlanmış f(x, y, t), g(x, y, t), h(x, y, t) üç fonksiyonumuz vardır (bunları da dikkate alabiliriz). üç boyutlu bir vektör alanının bileşenleri olarak üç fonksiyon). Ayrıca ses ile birlikte bir televizyon görüntüsü iletildiğinde çeşitli türde televizyon sinyalleri ortaya çıkabilmektedir.

Çok boyutlu bir sinyal, tek boyutlu sinyallerin sıralı bir kümesidir. Çok boyutlu bir sinyal, örneğin çok kutuplu bir terminalin terminallerindeki bir voltaj sistemi tarafından yaratılır (Şekil 2). Çok boyutlu sinyaller karmaşık işlevlerle tanımlanır ve bunların işlenmesi çoğunlukla dijital biçimde mümkündür. Bu nedenle, çok boyutlu sinyal modelleri özellikle karmaşık sistemlerin işleyişinin bilgisayar kullanılarak analiz edildiği durumlarda kullanışlıdır. Yani çok boyutlu veya vektör sinyaller birçok tek boyutlu sinyalden oluşur.

burada n bir tam sayıdır, sinyalin boyutu.

R
dır-dir. 2. Çok kutuplu voltaj sistemi

Zamansal gösterimin yapısının özelliklerine göre (Şekil 3), tüm radyo sinyalleri analog (analog), ayrık (ayrık zamanlı; Latince ayrık - bölünmüş, aralıklı) ve dijital (dijital) olarak bölünmüştür.

Tek boyutlu bir sinyal üreten fiziksel süreç, u(t) zamanının sürekli bir fonksiyonu olarak temsil edilebiliyorsa (Şekil 3, a), o zaman böyle bir sinyale analog (sürekli) veya daha genel olarak sürekli ( sürekli - çok aşamalı), eğer ikincisi sıçramalara sahipse, genlik ekseni boyunca süreksizlikler. Geleneksel olarak "analog" teriminin zaman içinde sürekli olan sinyalleri tanımlamak için kullanıldığına dikkat edin. Sürekli bir sinyal, sürekli bir gerçek zaman değişkeninin bir fonksiyonu olan u(t) zamanında gerçek veya karmaşık bir salınım olarak ele alınabilir. "Analog" sinyal kavramı, herhangi bir anlık değerinin, karşılık gelen fiziksel miktarın zaman içindeki değişim yasasına benzer olmasından kaynaklanmaktadır. Analog sinyalin bir örneği, bir osiloskobun girişine uygulanan ve ekranda zamanın bir fonksiyonu olarak sürekli bir dalga biçimi ile sonuçlanan bir voltajdır. Dirençler, kapasitörler, işlemsel yükselteçler ve benzerlerini kullanan modern sürekli sinyal işlemenin analog bilgisayarlarla pek ilgisi olmadığından, bugün "analog" terimi tamamen talihsiz görünmüyor. Günümüzde yaygın olarak analog sinyal işleme olarak adlandırılan şeye sürekli sinyal işleme demek daha doğru olacaktır.

Radyo elektroniği ve iletişim teknolojisinde, çalışması ayrık sinyallerin kullanımına dayanan dürtü sistemleri, cihazları ve devreleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin, konuşmayı yansıtan bir elektrik sinyali hem seviye hem de zaman açısından süreklidir ve değerlerini her 10 dakikada bir veren bir sıcaklık sensörü, değer açısından sürekli, ancak zaman açısından ayrık olan bir sinyal kaynağı olarak hizmet eder.

Analog bir sinyalden özel bir dönüşümle ayrık bir sinyal elde edilir. Analog bir sinyali bir numune dizisine dönüştürme işlemine örnekleme (örnekleme) adı verilir ve böyle bir dönüşümün sonucu, ayrı bir sinyal veya ayrık bir seridir (ayrık seriler).

Ayrık bir sinyalin en basit matematiksel modeli
- kural olarak düzenli aralıklarla alınan, zaman ekseni üzerinde bir dizi nokta
örnekleme periyodu (veya aralık, örnekleme adımı; örnekleme zamanı) olarak adlandırılır ve her birinde karşılık gelen sürekli sinyalin değerleri verilir (Şekil 3, b). Örnekleme periyodunun karşılığına örnekleme frekansı denir:
(diğer atama
). Karşılık gelen açısal (dairesel) frekans aşağıdaki şekilde belirlenir:
.

Ayrık sinyaller doğrudan bilgi kaynağı tarafından oluşturulabilir (özellikle kontrol sistemlerindeki sensör sinyallerinin ayrık okunması). Ayrık sinyallerin en basit örneği radyo ve televizyon haber programlarında iletilen sıcaklık bilgisidir ancak bu tür yayınlar arasındaki duraklamalarda genellikle hava durumu bilgisi bulunmaz. Ayrık mesajların mutlaka ayrı sinyallere, sürekli mesajların da sürekli sinyallere dönüştürüleceği düşünülmemelidir. Çoğu zaman, ayrı mesajları (taşıyıcıları, yani taşıyıcıları olarak) iletmek için kullanılanlar sürekli sinyallerdir. Sürekli mesajları iletmek için ayrık sinyaller kullanılabilir.

Açıkçası, genel durumda, sürekli bir sinyalin bir dizi ayrı örnekle temsil edilmesi, sinyalin örnekler arasındaki aralıklardaki davranışı hakkında hiçbir şey bilmediğimizden, belirli bir yararlı bilgi kaybına yol açar. Bununla birlikte, bu tür bilgi kaybının pratikte meydana gelmediği bir analog sinyal sınıfı vardır ve bu nedenle, ayrı örneklerinin değerlerinden yüksek derecede doğrulukla yeniden oluşturulabilirler.

Çeşitli ayrık sinyaller dijital bir sinyaldir (dijital sinyal), Ayrık sinyal örneklerini dijital forma (genellikle ikili sayılara) dönüştürme sürecinde, voltajın seviyesi (kuantizasyon) ile nicelenir. . Bu durumda, sinyal seviyelerinin değerleri, sonlu, gerekli sayıda basamakla ikili sayılarla numaralandırılabilir. Zaman açısından ayrık ve düzeyde nicemlenmiş bir sinyale dijital sinyal denir. Bu arada, seviye olarak kuantize edilmiş ancak zaman içinde sürekli olan sinyaller pratikte nadirdir. Dijital bir sinyalde ayrık sinyal değerleri
ilk önce seviye ile nicelenirler (Şekil 3, c) ve ardından ayrık sinyalin nicelenmiş örneklerinin yerini sayılarla değiştirirler
çoğunlukla yüksek (bir) ve düşük (sıfır) voltaj potansiyelleri seviyeleriyle temsil edilen ikili kodda uygulanır - süreli kısa darbeler (Şekil 3, d). Böyle bir koda tek kutuplu denir. Okumalar sonlu bir voltaj seviyesi değerleri seti alabildiğinden (örneğin, Şekil 3'teki ikinci okumaya bakın, d, dijital formda neredeyse eşit olasılıkla 5 - 0101 sayısı olarak yazılabilir ve sayı 4 - 0100), o zaman sinyali sunarken yuvarlanması kaçınılmazdır. Ortaya çıkan yuvarlama hatalarına nicemleme hataları (veya gürültü) (kuantizasyon hatası, nicemleme gürültüsü) adı verilir.

Dijital işleme sırasında sinyali temsil eden sayıların sırası ayrı bir seridir. Diziyi oluşturan sayılar, sinyalin zaman içinde ayrı (kesikli) noktalardaki değerleridir ve dijital sinyal örnekleri (örnekler) olarak adlandırılır. Ayrıca, sinyalin nicelenmiş değeri, bu değeri ikili sayı sisteminde temsil ederken sıfırları ("0") ve birleri ("1") karakterize eden bir dizi darbe olarak temsil edilir (Şekil 3, d). Taşıyıcı dalganın genliğini modüle etmek ve bir darbe kodlu radyo sinyali elde etmek için bir dizi darbe kullanılır.

Dijital işleme sonucunda “fiziksel” hiçbir şey elde edilmez, yalnızca sayılar elde edilir. Ve sayılar bir soyutlamadır, bir mesajın içerdiği bilgiyi tanımlamanın bir yoludur. Bu nedenle sayıları temsil edecek veya sayıları "taşıyacak" fiziksel bir şeye ihtiyacımız var. Dolayısıyla, dijital işlemenin özü, fiziksel bir sinyalin (voltaj, akım vb.) bir sayı dizisine dönüştürülmesi ve daha sonra bir bilgisayar cihazında matematiksel dönüşümlere tabi tutulmasıdır.

Dönüştürülen dijital sinyal (sayı dizisi) gerekirse tekrar gerilime veya akıma dönüştürülebilir.

Dijital sinyal işleme, analog teknoloji kullanılarak uygulanamayanlar da dahil olmak üzere, bilgilerin iletilmesi, alınması ve dönüştürülmesi için geniş fırsatlar sağlar. Uygulamada, sinyalleri analiz ederken ve işlerken, dijital sinyaller çoğunlukla ayrık sinyallerle değiştirilir ve bunların dijital olanlardan farkı, nicemleme gürültüsü olarak yorumlanır. Bu bağlamda, çoğu durumda sinyallerin seviye kuantizasyonu ve sayısallaştırılmasıyla ilişkili etkiler dikkate alınmayacaktır. Hem ayrık hem de dijital devrelerde (özellikle dijital filtrelerde) ayrık sinyallerin işlendiği, yalnızca dijital devrelerin yapısı içinde bu sinyallerin sayılarla temsil edildiği söylenebilir.

Sinyal işleme için tasarlanmış bilgi işlem cihazları dijital sinyallerle çalışabilir. Ayrıca, çeşitli genliklerde, sürelerde veya tekrarlama oranlarında darbeler şeklinde sunulan, ayrı sinyallerle çalışan, esas olarak analog devre temelinde inşa edilmiş cihazlar da vardır.

Sinyallerin farklılık gösterdiği ana özelliklerden biri, sinyalin (değerlerinin) zaman içindeki öngörülebilirliğidir.

R
dır-dir. 3. Radyo sinyalleri:

a - analog; b - ayrık; c - nicelenmiş; g - dijital

Matematiksel gösterime göre (önsel varlığın derecesine göre, Latince a priori'den - öncekinden, yani deney öncesi bilgilerden), tüm radyo mühendisliği sinyalleri genellikle iki ana gruba ayrılır: deterministik (düzenli; belirlenmiş) ve rastgele (sıradan) sinyaller (Şekil 4).

Anlık değerleri herhangi bir zamanda güvenilir bir şekilde bilinen, yani bire eşit bir olasılıkla tahmin edilebilen radyo mühendisliği sinyallerine deterministik denir. Deterministik sinyaller önceden belirlenmiş zaman fonksiyonlarıyla tanımlanır. Bu arada, bir sinyalin anlık değeri, bir değişkenin sıfırdan ne kadar ve hangi yönde saptığının bir ölçüsüdür; dolayısıyla sinyalin anlık değerleri hem pozitif hem de negatif olabilir (Şekil 4, a). Deterministik bir sinyalin en basit örnekleri, bilinen bir başlangıç fazına sahip harmonik bir salınım, bilinen bir yasaya göre modüle edilen yüksek frekanslı salınımlar, şekli, genliği ve zaman konumu önceden bilinen bir darbe dizisi veya patlamasıdır.

İletişim kanalları üzerinden iletilen mesaj deterministik olsaydı, yani önceden kesin olarak biliniyor olsaydı, iletilmesinin bir anlamı olmazdı. Böylesine deterministik bir mesaj aslında yeni bir bilgi içermiyor. Bu nedenle mesajlar rastgele olaylar (veya rastgele işlevler, rastgele değişkenler) olarak değerlendirilmelidir. Başka bir deyişle, biri belirli bir olasılıkla gerçekleşen bazı mesaj seçeneklerinin (örneğin, sensör tarafından verilen bir dizi farklı basınç değeri) olması gerekir. Bu bakımdan sinyal aynı zamanda rastgele bir fonksiyondur. Deterministik bir sinyal bilgi taşıyıcısı olamaz. Yalnızca bir radyo mühendisliği bilgi iletim sistemini test etmek veya bireysel cihazlarını test etmek için kullanılabilir. Mesajların rastgele doğası ve girişim, bilgi aktarımı teorisinin oluşturulmasında olasılık teorisinin önemini belirledi.

Pirinç. 4. Sinyaller:

a - deterministik; b - rastgele

Deterministik sinyaller periyodik ve periyodik olmayan (darbeli) olarak ikiye ayrılır. Sınırlı bir zaman aralığı için sıfırdan önemli ölçüde farklı olan, hareket etmesi amaçlanan sistemdeki geçici sürecin tamamlanma zamanıyla orantılı olan son enerji sinyaline darbe sinyali denir.

Rastgele sinyaller, herhangi bir andaki anlık değerleri bilinmeyen ve bire eşit olasılıkla tahmin edilemeyen sinyallerdir. Aslında rastgele sinyaller için yalnızca herhangi bir değer alma olasılığını bilebilirsiniz.

"Rastgele sinyal" kavramı tamamen doğru değil gibi görünebilir.

Ama değil. Örneğin, bir IR radyasyon kaynağına yönlendirilen bir termal görüntüleme alıcısının çıkışındaki voltaj, analiz edilen nesne hakkında çeşitli bilgiler taşıyan kaotik salınımları temsil eder. Açıkça söylemek gerekirse, pratikte karşılaşılan tüm sinyaller rastgeledir ve çoğu zamanın kaotik fonksiyonlarını temsil eder (Şekil 4b). İlk bakışta çelişkili gibi görünse de faydalı bilgiler taşıyan bir sinyal ancak rastgele bir sinyal olabilir. Böyle bir sinyaldeki bilgi, iletilen sinyalin bir genlik, frekans (faz) veya kod değişiklikleri kümesine gömülür. İletişim sinyalleri zaman içinde anlık değerleri değiştirir ve bu değişiklikler ancak birden küçük bir olasılıkla tahmin edilebilir. Bu nedenle, iletişim sinyalleri bir şekilde rastgele süreçlerdir ve bu nedenle bunların açıklaması, rastgele süreçleri tanımlamaya yönelik yöntemlere benzer yöntemler kullanılarak gerçekleştirilir.

Yararlı bilgilerin iletilmesi sürecinde radyo sinyalleri bir veya başka bir dönüşüme tabi tutulabilir. Bu genellikle isimlerine yansır: sinyaller modüle edilir, demodüle edilir (algılanır), kodlanır (kodu çözülür), güçlendirilir, geciktirilir, örneklenir, nicelenir vb.

Sinyaller modülasyon işleminde sahip oldukları amaca göre modülasyonlu (taşıyıcı dalgayı modüle eden birincil sinyal) veya modülasyonlu (taşıyıcı dalga) olarak ikiye ayrılabilirler.

Radyo mühendisliği sistemlerinin bir veya başka bir türüne ve özellikle bilgi iletim sistemlerine ait olmak üzere, "iletişim", telefon, telgraf, yayın, televizyon, radar, radyo navigasyonu, ölçüm, kontrol, servis (pilot sinyalleri dahil) ve diğer sistemler bulunmaktadır. sinyaller.

Radyo sinyallerinin bu kısa sınıflandırması, bunların tüm çeşitliliğini tam olarak kapsamamaktadır.

Madde 1.2'de listelenen sinyal ve salınım dönüşümlerini uygulamak için kullanılan radyo devreleri ve elemanları aşağıdaki ana sınıflara ayrılabilir:

sabit parametreli doğrusal devreler;

değişken parametrelere sahip doğrusal devreler;

Doğrusal olmayan devreler.

Gerçek radyo cihazlarında doğrusal ve doğrusal olmayan devreler ve öğeler arasında net bir ayrımın her zaman mümkün olmadığı hemen belirtilmelidir. Aynı elemanların doğrusal veya doğrusal olmayan olarak sınıflandırılması genellikle onlara etki eden sinyallerin seviyesine bağlıdır.

Bununla birlikte, sinyal işleme teorisini ve teknolojisini anlamak için devrelerin yukarıdaki sınıflandırması gereklidir.

Bu zincirlerin temel özelliklerini formüle edelim.

2. SABİT PARAMETRELERE SAHİP DOĞRUSAL DEVRELER

Aşağıdaki tanımlardan başlayabilirsiniz.

1. Devreye dahil olan elemanlar devreye etki eden dış kuvvete (voltaj, akım) bağlı değilse devre doğrusaldır.

2. Doğrusal devre süperpozisyon (katman) ilkesine uyar.

Matematiksel formda bu prensip aşağıdaki eşitlikle ifade edilir:

burada L, devrenin giriş sinyali üzerindeki etkisini karakterize eden bir operatördür.

Süperpozisyon ilkesinin özü şu şekilde formüle edilebilir: doğrusal bir devreye birkaç dış kuvvet etki ettiğinde, devrenin davranışı (akım, voltaj), her bir kuvvet için ayrı ayrı bulunan çözümlerin süperpozisyonu (süperpozisyon) ile belirlenebilir. . Aşağıdaki formülasyonu da kullanabilirsiniz: Doğrusal bir zincirde, bireysel etkilerin etkilerinin toplamı, etkilerin toplamının etkisiyle çakışır. Devrenin başlangıç enerji rezervlerinden arınmış olduğu varsayılmaktadır.

Süperpozisyon ilkesi, doğrusal devrelerdeki geçici süreçleri analiz etmek için spektral ve operatör yöntemlerinin yanı sıra süperpozisyon integral yönteminin (Duhamel integrali) temelini oluşturur. Süperpozisyon ilkesini kullanarak, doğrusal devreler aracılığıyla iletildiğinde herhangi bir karmaşık sinyal, analiz için daha uygun olan basit sinyallere (örneğin harmonik) ayrıştırılabilir.

3. Sabit parametrelere sahip doğrusal bir devrede herhangi bir keyfi karmaşık eylem için, yeni frekansların salınımı yoktur. Bu, sabit parametrelere sahip bir doğrusal devreye harmonik olarak etki edildiğinde, çıkıştaki salınımın da giriştekiyle aynı frekansta harmonik kalması gerçeğinden kaynaklanır; salınımların yalnızca genliği ve fazı değişir. Sinyalleri harmonik salınımlara ayrıştırdıktan ve ayrıştırma sonuçlarını (1.1)'e koyarak, devrenin çıkışında yalnızca giriş sinyalinin parçası olan frekanslara sahip salınımların mevcut olabileceğinden emin olacağız.

Bu, yeni frekansların (yani giriş sinyali spektrumunda bulunmayan frekansların) ortaya çıkmasının eşlik ettiği sinyal dönüşümlerinden hiçbirinin prensipte sabit parametrelere sahip doğrusal bir devre kullanılarak gerçekleştirilemeyeceği anlamına gelir. Bu tür devreler, sinyallerin doğrusal yükseltilmesi, filtreleme (frekansa göre) vb. gibi spektrum dönüşümüyle ilgili olmayan problemleri çözmek için yaygın olarak kullanılır.

3. DEĞİŞKEN PARAMETRELERE SAHİP DOĞRUSAL DEVRELER

Bu, bir veya daha fazla parametresinin zamanla değiştiği (ancak giriş sinyaline bağlı olmayan) devreleri ifade eder. Bu tür devrelere genellikle doğrusal parametrik devreler denir.

Önceki paragrafta formüle edilen 1 ve 2 numaralı özellikler doğrusal parametrik devreler için de geçerlidir. Ancak önceki durumdan farklı olarak, en basit harmonik etki bile frekans spektrumuna sahip, değişken parametrelere sahip doğrusal bir devrede karmaşık bir salınım yaratır. Bu, aşağıdaki basit örnekle açıklanabilir. Direnç kanuna göre zamanla değişen dirence izin verin

uygulanan harmonik emk

direnç yoluyla akım

Gördüğünüz gibi akım, frekansları olmayan bileşenler içeriyor. Bu en basit modelden bile direnci zamanla değiştirerek giriş sinyalinin spektrumunu dönüştürmenin mümkün olduğu açıktır.

Benzer bir sonuç, daha karmaşık matematiksel hesaplamalarla da olsa, reaktif elemanlar (indüktörler ve kapasitörler) içeren değişken parametrelere sahip bir devre için elde edilebilir. Bu konu Bölüm'de tartışılmaktadır. 10. Burada sadece değişken parametrelere sahip doğrusal bir devrenin eylemin frekans spektrumunu dönüştürdüğünü ve bu nedenle spektrum dönüşümünün eşlik ettiği bazı sinyal dönüşümleri için kullanılabileceğini not ediyoruz. Aşağıda belirtilenlerden, salınım devresinin endüktansı veya kapasitansının zamanındaki periyodik bir değişikliğin, belirli koşullar altında, bu parametreyi değiştiren bir yardımcı cihazdan ("parametrik amplifikatörler" ve "parametrik jeneratörler", Bölüm 10).

4. DOĞRUSAL OLMAYAN DEVRELER

Bir radyo devresi, parametreleri giriş sinyali seviyesine bağlı olan bir veya daha fazla eleman içeriyorsa doğrusal değildir. Doğrusal olmayan en basit eleman, Şekil 2'de gösterilen akım-gerilim karakteristiğine sahip bir diyottur. 1.4.

Doğrusal olmayan devrelerin temel özelliklerini listeleyelim.

1. Süperpozisyon ilkesi doğrusal olmayan devrelere (ve elemanlara) uygulanamaz. Doğrusal olmayan devrelerin bu özelliği, akım ve gerilim arasındaki orantıyı ihlal eden, doğrusal olmayan elemanların akım-gerilim (veya diğer benzer) özelliklerinin eğriliği ile yakından ilgilidir. Örneğin, bir diyot için voltaj akıma ve voltaj akıma karşılık geliyorsa, toplam voltaj toplamdan farklı bir akıma karşılık gelecektir (Şekil 1.4).

Bu basit örnekten, karmaşık bir sinyalin doğrusal olmayan bir devre üzerindeki etkisini analiz ederken, bunun daha basit sinyallere ayrıştırılamayacağı görülebilir; devrenin ortaya çıkan sinyale verdiği yanıtı aramak gerekir. Doğrusal olmayan devreler için süperpozisyon ilkesinin uygulanamaması, karmaşık bir sinyalin bileşenlere ayrıştırılmasına dayanan spektral ve diğer analiz yöntemlerini uygunsuz hale getirir.

2. Doğrusal olmayan bir devrenin önemli bir özelliği, sinyal spektrumunun dönüşümüdür. Doğrusal olmayan bir devre en basit harmonik sinyale maruz kaldığında, temel frekansın salınımlarına ek olarak devrede temel frekansın katları (ve bazı durumlarda akımın veya voltajın doğrudan bileşeni) olan frekanslarda harmonikler ortaya çıkar. . Gelecekte, doğrusal olmayan bir devrede karmaşık bir sinyal şekli ile, harmoniklere ek olarak, sinyali oluşturan bireysel salınımların etkileşiminin sonucu olan kombinasyon frekanslı salınımların da ortaya çıktığı gösterilecektir.

Sinyal spektrumu dönüşümü açısından bakıldığında, doğrusal parametrik ve doğrusal olmayan devreler arasındaki temel fark vurgulanmalıdır. Doğrusal olmayan bir devrede, çıkıştaki spektrumun yapısı yalnızca giriş sinyalinin şekline değil aynı zamanda genliğine de bağlıdır. Doğrusal bir parametrik devrede spektrumun yapısı sinyal genliğine bağlı değildir.

Doğrusal olmayan devrelerdeki serbest salınımlar radyo mühendisliğinin özellikle ilgisini çekmektedir. Bu tür salınımlara, dış periyodik etkinin yokluğunda ortaya çıktıkları ve istikrarlı bir şekilde var olabildikleri için kendi kendine salınımlar denir. Güç tüketimi bir DC güç kaynağı tarafından telafi edilir.

Ana radyo mühendisliği süreçleri: üretim, modülasyon, tespit ve frekans dönüşümüne, frekans spektrumunun dönüşümü eşlik eder. Dolayısıyla bu işlemler doğrusal olmayan veya doğrusal parametrik devreler kullanılarak gerçekleştirilebilir. Bazı durumlarda hem doğrusal olmayan hem de doğrusal parametrik devreler aynı anda kullanılır. Ek olarak, doğrusal olmayan elemanların, dönüştürülmüş spektrumun yararlı bileşenlerini çıkaran doğrusal devrelerle birlikte çalıştığı da vurgulanmalıdır. Bu bağlamda, bu bölümün başında da belirtildiği gibi, devrelerin doğrusal, doğrusal olmayan ve doğrusal parametrik devrelere bölünmesi oldukça keyfidir. Genellikle, aynı radyo mühendisliği cihazının çeşitli düğümlerinin davranışını tanımlamak için çeşitli matematiksel yöntemlerin (doğrusal ve doğrusal olmayan) kullanılması gerekir.

Pirinç. 1.4. Doğrusal olmayan bir elemanın (diyot) volt-amper karakteristiği

Yukarıda özetlenen üç sınıftaki devrelerin ana özellikleri - sabit parametrelerle doğrusal, doğrusal parametrik ve doğrusal olmayan - herhangi bir devre uygulamasında korunur: toplu parametrelerle, dağıtılmış parametrelerle (çizgiler, yayılan cihazlar), vb. Bu özellikler aynı zamanda geçerlidir. cihazlara dijital sinyal işleme.

Bununla birlikte, devrelerin doğrusal ve doğrusal olmayanlara bölünmesinin altında yatan süperpozisyon ilkesinin, devrenin girişindeki sinyallerin toplanmasının çalışması için yukarıda formüle edildiği vurgulanmalıdır [bkz. (1.1). Ancak bu işlem modern sinyal işleme sistemlerinin gereksinimlerini karşılamaz. Uygulama için önemli olan, örneğin devrenin girişindeki sinyalin iki sinyalin çarpımı olduğu durumdur. Bu tür sinyaller için süperpozisyon ilkesine uyan bir işlemin gerçekleştirilmesinin mümkün olduğu, ancak bu işlemin özel olarak seçilmiş doğrusal olmayan ve doğrusal işlemlerin bir kombinasyonu olacağı ortaya çıktı. Bu tür işlemlere homomorfik denir.

Bu tür cihazların sentezi, doğrusal ve doğrusal olmayan devrelerin yanı sıra gelişimi homomorfik işlemenin yaygın kullanımına ivme kazandıran dijital sinyal işlemeyi inceledikten sonra dersin sonunda (bkz. Bölüm 16) ele alınacaktır.