Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Оренбургский государственный университет» Ю.И. Синицын, Е.И. Ряполова ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ Учебное пособие Рекомендовано ученым советом федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Оренбургский государственный университет» для обучающихся по образовательной программе высшего образования по направлению подготовки 10.03.01 Информационная безопасность Оренбург 2017 УДК 621.317(075.8) ББК 32.842я73 С 38 Рецензент – к.т.н., доцент Галимов Р.Р. С 38 Синицын, Ю.И. Основы радиотехники: учебное пособие к практическим и лабораторным работам/ Ю. И. Синицын, Е.И. Ряполова; Оренбург. гос. ун-т. Оренбург: ОГУ, 2017. – 246с. ISBN 978-5-7410-1887-3 Учебное пособие предназначено для проведения практических и лабораторных работ обучающимися, изучающими дисциплину «Основы радиотехники». Разработан ряд лабораторных работ по изучению принципов работы радиотехнических элементов и устройств. Учебное пособие предназначено для обучающихся по образовательной программе высшего образования по направлению подготовки 10.03.01 Информационная безопасность. УДК 621.317(075.8) ББК 32.842я73 © Синицын Ю.И., Ряполова Е.И., 2017 © ОГУ, 2017 2 Содержание Введение ............................................................................................................................... 6 1 Общие сведения ................................................................................................................ 7 2 Радиотехнические сигналы и радиоволны ................................................................. 15 2.1 Радиотехнические сигналы и их параметры............................................................ 15 2.2 Радиоволны и их распространение ............................................................................ 18 2.3 Модуляция в системах радиосвязи ............................................................................ 21 3 Радиотехнические элементы ......................................................................................... 24 3.1 Графическое обозначение радиоэлементов .............................................................. 24 3.2 Резисторы ..................................................................................................................... 30 3.3 Делитель напряжения ................................................................................................. 34 3.4 Делитель тока............................................................................................................... 36 3.5 Конденсаторы .............................................................................................................. 37 3.6 Индуктивность ............................................................................................................. 41 3.7 Полупроводниковые диоды и стабилитроны ........................................................... 44 3.8 Источники электропитания ........................................................................................ 45 3.9 Электромагнитные реле постоянного тока ............................................................... 52 3.10 Трансформаторы........................................................................................................ 53 3.11 Полупроводниковые транзисторы ........................................................................... 58 4 Четырехполюсники ........................................................................................................ 62 4.1 Определение четырехполюсника............................................................................... 62 4.2 Эквивалентные схемы пассивных линейных четырехполюсников ....................... 64 4.3 Фильтры........................................................................................................................ 64 4.4 Колебательные контуры ............................................................................................. 67 5 Усилители в радиотехнических устройствах .............................................................. 71 6 Генераторы ...................................................................................................................... 75 7 Антенны в радиотехнических устройствах ................................................................. 77 7.1 Назначение и классификация антенн ........................................................................ 77 7.2 Основные характеристики антенн ............................................................................. 81 3 8 Радиоприемные и радиопередающие устройства ....................................................... 88 8.1 Радиоприемные устройства ........................................................................................ 88 8.2 Радиопередающие устройства ................................................................................... 93 9 Радиотехнические средства съема и обнаружения источников побочного электромагнитного излучения и наводок ....................................................................... 94 9.1 Устройства незаконного съема информации с дальнейшей передачей её по радиоканалу...................................................................................................................... 101 9.2 Скрытие и защита информации от утечки по техническим каналам .................. 113 9.3 Демаскирующие признаки объектов ....................................................................... 115 9.4 Детекторы радиоизлучений для защиты акустической информации от утечки 118 9.5 Системы радиомониторинга .................................................................................... 120 10 Способы проникновения в канал передачи сообщений содержащий радиоэлектронные системы различного назначения .................................................. 124 11 Лабораторные работы ................................................................................................ 128 11.1 Описание программного пакета Multisim ............................................................. 128 11.2 Лабораторная работа № 1. Спектральное представление сигналов .................. 137 11.3 Лабораторная работа № 2. Амплитудная модуляция .......................................... 142 11.4 Лабораторная работа № 3. Исследование показателя амплитудной модуляции ........................................................................................................................ 146 11.5 Лабораторная работа № 4. Частотная модуляция ................................................ 152 11.6 Лабораторная работа № 5. Пассивный полосовой фильтр ................................. 157 11.7 Лабораторная работа № 6. Проектирование фильтров нижних и высоких частот ................................................................................................................................ 161 11.8 Лабораторная работа № 7. Анализ работы усилителя высокой частоты .......... 163 11.9 Лабораторная работа № 8. Исследование колебательного контура .................. 167 11.10 Лабораторная работа № 9. Исследование процедуры согласование сопротивлений ................................................................................................................. 170 11.11 Лабораторная работа № 10. Исследование свойств волноводов ...................... 173 11.12 Лабораторная работа № 11. Анализ работы различных схем на транзисторах и интегральных микросхемах ............................................................................................ 177 4 11.13 Лабораторная работа № 12. Изучение транзисторного усилителя .................. 179 11.14 Лабораторная работа № 13. Изучение операционных усилителей .................. 182 11.15 Лабораторная работа № 14. Изучение схемы и работы радиомикрофона ...... 184 11.16 Лабораторная работа № 15. Изучение схемы и работы индикатора поля ...... 186 11.17 Лабораторная работа № 16. Расчет помех в каналах связи при внешней параллельной паразитной связи ..................................................................................... 188 11.18 Лабораторная работа № 17. Расчет помех в каналах связи при внешней паразитной связи ............................................................................................................. 194 11.19 Лабораторная работа № 18. Изучение работы детекторов излучений ........... 197 11.20 Лабораторная работа № 19. Изучение работы частотомера АСН 3001 ......... 202 11.21 Лабораторная работа № 20. Определения величины реального затухания электромагнитного поля на основе оборудования «Зонд» (ГСУ-002) ...................... 204 11.22 Лабораторная работа № 21. Измерение затухания акустической волны анализатором спектра «Тритон» .................................................................................... 221 12 Задание для самостоятельной работы ...................................................................... 232 13 Требования к современным системам защиты информации ................................. 242 Список использованных источников ............................................................................ 246 5 Введение В настоящее время развитие любых отраслей знаний во многом зависит от развития радиотехники. Недостаточная компетенция в этой области значительно снижает темпы получения новых знаний в других областях и их практическое применение, а значит, подготовка современного полноценного специалиста, не знающего основ радиотехники и не владеющего всеми возможностями, предоставляемыми современной радиотехникой, невозможна. В связи с этим в Государственные образовательные нерадиотехнических стандарты специальностей введены высшего курс образования многих «Радиотехника» или аналогичные. Курс «Основы радиотехники», является одной из основных дисциплин, дающей студентам базовые знания по методам расчета электронных схем, принципам работы, построения и применения основных электронных приборов, радиотехнических устройств, систем связи и телевидения, позволяющей понять, грамотно применить и объяснить работу современной радиоэлектронной аппаратуры. Быстрое развитие радиотехники и электроники, темпы которого в настоящее время все нарастают, требует от квалифицированного учителя физики и общетехнических дисциплин серьезной подготовки в области радиотехники. Это связано не только с необходимостью объяснения учащимся происходящих процессов при изложении им соответствующих разделов курса физики, но и с грамотной организацией внеурочной работы. Особенностью изучения курса «Основы радиотехники» является сложность в осознании происходящих процессов, которые в специализированной литературе изложены, как правило, с привлечением большого и многообразного математического аппарата, не передающего наглядно реальных физических процессов. Поэтому при изложении материала одной из основных задач, являлось объяснение происходящих физических процессов, а математические методы использовались для получения расчетных соотношений [1]. 6 1 Общие сведения Радиотехника - это область науки и техники, связанная с практическим использованием электромагнитных колебаний для передачи, извлечения, хранения и преобразования информации. С этой целью изучаются теоретические и практические основы формирования (генерации), преобразования, передачи и приема электромагнитных колебаний радиочастотного диапазона [5]. Радиотехническая система может быть представлена в виде пирамиды, показанной на рисунке 1. Система Устройства Блоки Каскады Звенья Элементная база Рисунок 1 – Структура радиотехнической системы [1] Нижний уровень - элементная база (транзисторы, диоды, конденсаторы, микросхемы и др.). Из них составляются звенья, объединяемые в функционально законченные цепи - каскады (автогенератор, преобразователь частоты, модулятор, демодулятор, усилители сверхвысокой, высокой, промежуточной и низкой частоты и т. д.). Следующий уровень - блоки (усилитель сверх высоких частот - СВЧ, модеммодулятор и демодулятор сигнала, блок обработки сигнала, блок усиления мощности ВЧ или СВЧ колебаний, линейный тракт радиоприемника, антеннофидерный тракт и т. д.). Каскады и звенья можно классифицировать по четырем признакам: деление всех объектов на линейные и нелинейные; 7 деление на пассивные и активные; взаимодействие с внешними сигналами - автономный или неавтономный тип; по диапазону частот. Линейные радиотехнические цепи – это цепи, у которых существует линейная зависимость между входными и выходными сигналами. Такие цепи содержат только линейные элементы (пассивные и активные) с параметрами, не зависящими от приложенного к ним напряжения и протекающего через них тока. Различают линейные цепи с постоянными параметрами и переменными, изменяющимися во времени (параметрические цепи). Линейной электрической цепью называют такую цепь, все компоненты которой линейны. К линейным компонентам относятся источники токов и напряжений, резисторы (подчиняющиеся закону Ома), и другие компоненты, описываемые линейными уравнениями и катушки индуктивности (без ферромагнитных сердечников). Если цепь содержит отличие от выше перечисленного, то она называется нелинейной. В нелинейных радиотехнических цепях параметры некоторых элементов зависят от входных воздействий. Поэтому процессы в таких цепях описываются нелинейными уравнениями. Пример нелинейной цепи - любые электронные устройства, работающие в линейном режиме и содержащие нелинейные активные и пассивные компоненты (усилители, генераторы и др.) генераторы, усилители, детекторы, модуляторы и др. Устройства пассивного и активного типа. В состав пассивных устройств входят конденсаторы, индуктивности, резисторы, резонаторы и т. д. В состав активных линейных устройств, кроме перечисленных, входят приборы (генераторы, усилители, детекторы, модуляторы и др.). 8 Отличительным признаком активного устройства является преобразование в нем энергии из одного вида в другой, например, энергии источника постоянного тока в энергию высокочастотных колебаний, усиление, генерация сигналов. В устройствах пассивного типа такого преобразования энергии не происходит (они осуществляют фильтрацию сигналов, суммирование и деление их мощности, согласование и связь между собой различных каскадов). Устройства автономного или неавтономного типа. Признаком устройств автономного типа - отсутствие внешнего воздействия. В них выходной сигнал определяется исключительно свойствами самого устройства (в автогенераторе - устройстве автономного типа - частота автоколебаний зависит от параметров колебательной системы, а мощность сигнала от электронного прибора и режима его работы). Два признака для устройства неавтономного типа: зависимость выходного сигнала от входного; изменение параметров входного сигнала при его прохождении через устройство (в усилителях увеличивается мощность сигнала, в преобразователях меняется частота) [2]. Радиотехнические устройства. Это функционально законченные устройства - радиоприемники, радиопередатчики, радиостанции, радиолокаторы и т. д., которые работают самостоятельно в составе различных радиотехнических систем. К ним относятся: системы управления воздушным движением (радиолокационных станций, радиопередающих и радиоприемных устройств, оборудования борта, пункта управления и т.д.); радиопередающие или радиоприемные устройства, содержащие фильтры, усилители, модуляторы, детекторы, преобразователи частоты, антенные устройства, источники питания и т.д.; устройства, обеспечивающие фильтрацию, усиление, модуляцию, преобразование частоты, детектирование и др. 9 Радиотехническая система (РТС) – совокупность устройств, обеспечивающих выполнение задач с использованием радиосигналов. Область применения - телевидение, радиолокация, радиоуправление, радионавигация, реализация методов измерения в различных отраслях (биологии, медицине, геологии и др.). В настоящее время РТС – это телекоммуникационные вычислительные сети различного уровня и назначения. Классификация РТС показана в таблице 1. Таблица 1 - Классификация РТС по функциональному назначению Система Назначение Системы передачи Системы связи (многоканальная радиосвязь, радиорелейная информации связь, связь через искусственные спутники Земли, мобильная радиосвязь), радиовещание и телевидение, телеметрия, передача команд Системы извлечения (обнаружения и измерения) информации Системы осуществляют извлечение информации из сигналов, излученных в направлении на объект и отраженных от него (радиолокация, радионавигация), из сигналов других радиотехнических систем (радиоизмерение, радиоразведка), из собственных радиоизлучений различных объектов (пассивная радиоастрономия). Системы радиоуправления Системы обеспечивают управление различными объектами или процессами с помощью радиосигналов (радиоуправление ракетами, радиоуправление космическими аппаратами) Системы разрушения информации Системы служат для создания помех нормальной работе конкурирующей радиосистемы путем излучения мешающего сигнала или путем переизлучения сигнала подавляемой радиосистемы после умышленного искажения Информационные ПЭВМ, вычислительные комплексы, вычислительные сети системы Комбинированные Радиотехнические комплексы военного назначения, радиотехнические автоматизированные и автоматические системы управления. системы Комбинированные системы осуществляют выполнение функций нескольким системам, различным по функциональному назначению (передачи, извлечения, разрушения информации, радиоуправления) 10 Особенности радиотехнических систем показаны в таблице 2. Таблица 2 - Особенности радиотехнических систем [2] Значение Характеристика Целостность Наличие у системы единого функционального назначения Иерархичность Часть системы может рассматриваться как система с более низкими уровнями Сложность Наличие сложных взаимосвязей между различными переменными, описывающими систему Случайность Влияние на характер функционирования множества внутренних и внешних случайных факторов Автоматизация Широкое использование в структуре РТС вычислительных средств различного уровня и назначения Основные величины и меры тока. Сила тока – количественная мера электрического тока, протекающего через поперечное сечение проводника. Чем толще проводник, тем больший ток может по нему течь. Измеряется сила тока прибором, который называется Амперметр. Единица измерения - Ампер (А). Для уменьшения активного сопротивления проводника высокочастотному току, выбирают проводник с большим диаметром, кроме того, его серебрят (как известно, серебро имеет очень малое удельное сопротивление). Напряжение (падение напряжения) - количественная мера разности потенциалов (электрической энергии) между двумя точками электрической цепи. Напряжение источника тока – разность потенциалов на выводах источника тока. Измеряется напряжение вольтметром. Единица измерения - Вольт (В). Мощность электрического тока – количественная мера тока, характеризующая его энергетические свойства. Определяется основными параметрами – силой тока и напряжением. Измеряется мощность электрического тока прибором, который называется Ваттметр. Единица измерения - Ватт (Вт) [5]. Мощность электрического тока обозначается буквой – Р. Мощность определяется зависимостью: 11 P=I U. (1) Потребляемая электроэнергия – суммарное значение потребляемой мощности от источника электрической сети за единицу времени. Измеряется потребляемая электроэнергия счётчиком (обыкновенным квартирным). Единица измерения – киловатт*час (кВт*ч). Сопротивление элемента цепи – количественная мера, характеризующая способность элемента электрической цепи сопротивляться электрическому току. В простом виде, сопротивление это обыкновенный резистор. Резистор может использоваться: как ограничитель тока – добавочный резистор, как потребитель тока – нагрузочный резистор. Источник электрического тока так же обладает внутренним сопротивлением. Измеряется сопротивление прибором называемым Омметром. Единица измерения - Ом (Ом). Сопротивление обозначается буквой – R. Связано с током и напряжением законом Ома (формулой): R=U/I , (2) где U – падение напряжения на элементе электрической цепи; I – ток, протекающий через элемент цепи. Рассеиваемая (поглощаемая) мощность элемента электрической цепи – значение мощности рассеиваемой на элементе цепи, которую элемент может поглотить (выдержать) без изменения его номинальных параметров (выхода из строя). Рассеиваемая мощность резисторов обозначается в его названии (например, двух ваттный резистор - ОМЛТ-2, десяти ваттный проволочный резистор – ПЭВ-10). При расчёте принципиальных схем, значение необходимой рассеиваемой мощности элемента цепи рассчитывается по формуле: P=I2R. (3) Для надёжной работы, определённое по формулам значение рассеиваемой мощности элемента умножается на коэффициент 1,5 , учитывающий то, что должен быть обеспечен запас по мощности. Проводимость элемента цепи – способность элемента цепи проводить электрический ток. Единица измерения проводимости – сименс (См). Обозначается 12 проводимость буквой - σ. Проводимость - величина обратная сопротивлению, и связана с ним формулой: (4) . Если сопротивление проводника равно 0,25 Ом (или 1/4 Ом), то проводимость будет 4 сименс [5]. Частота электрического тока – количественная мера, характеризующая скорость изменения направления электрического тока. Имеют место понятия круговая (или циклическая) частота - ω, определяющая скорость изменения вектора фазы электрического (магнитного) поля и частота электрического тока - f, характеризующая скорость изменения направления электрического тока (раз, или колебаний) в одну секунду. Измеряется частота прибором, называемым Частотомером. Единица измерения - Герц (Гц). Обе частоты связаны друг с другом через выражение: (5) . Период электрического тока – величина обратная частоте, показывающая, в течение, какого времени электрический ток совершает одно циклическое колебание. Измеряется период, как правило, с помощью осциллографа. Единица измерения периода - секунда (с). Период колебания электрического тока обозначается буквой – Т. Период связан с частотой электрического тока выражением: (6) . Длина волны высокочастотного электромагнитного поля – размерная величина, характеризующая один период колебания электромагнитного поля в пространстве. Измеряется длина волны в метрах (м). Длина волны обозначается буквой – λ. Длина волны связана с частотой и определяется через скорость распространения света: (7) . 13 Электрическая ёмкость – количественная мера, характеризующая способность накапливать энергию электрического тока в виде электрического заряда на обкладках конденсатора. Магнитная индуктивность – количественная мера, характеризующая способность накапливать энергию электрического тока в магнитном поле катушки индуктивности (дросселя). Единица измерения индуктивности - Генри (Гн). Реактивное сопротивление конденсатора (ёмкости) – значение внутреннего сопротивления конденсатора переменному гармоническому току на определённой его частоте. Реактивное сопротивление конденсатора обозначается - ХС и определяется по формуле: (8) . Реактивное сопротивление катушки индуктивности (дросселя) – значение внутреннего сопротивления катушки индуктивности переменному гармоническому току на определённой его частоте. Реактивное сопротивление катушки индуктивности обозначается ХL и определяется по формуле: . (9) Резонансная частота колебательного контура – частота гармонического переменного тока, на которой колебательный контур имеет выраженную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ). Резонансная частота колебательного контура определяется по формуле: (10) . Добротность колебательного контура - характеристика, определяющая ширину АЧХ резонанса и показывающая, во сколько раз запасы энергии в контуре больше, чем потери энергии за один период колебаний. Добротность учитывает наличие активного сопротивления нагрузки. Добротность обозначается буквой – Q. Для последовательного колебательного контура в RLC-цепях, в котором все три элемента включены последовательно, добротность вычисляется: 14 (11) , где R, L и C — сопротивление, индуктивность и ёмкость резонансной цепи, соответственно. Для параллельного колебательного контура, в котором индуктивность, емкость и сопротивление включены параллельно, добротность вычисляется: (12) . Скважность импульсов – это отношение периода следования импульсов к их длительности. Скважность импульсов определяется по формуле: (13) . 2 Радиотехнические сигналы и радиоволны 2.1 Радиотехнические сигналы и их параметры Передача информации на большие расстояния осуществляется с помощью высокочастотных электромагнитных колебаний (сигналов). Сигнал — код (символ, знак), созданный и переданный в пространство (по каналу связи) одной системой, либо возникший в процессе взаимодействия нескольких систем. Сигнал — носитель информации, используемый для передачи сообщений в системе связи. Сигналом может быть любой физический процесс, параметры которого изменяются (или находятся) в соответствии с передаваемым сообщением. Сигналом называется физический процесс, параметры которого содержат информацию (сообщение) и который пригоден для обработки и передачи на расстояние. 15 Для передачи сообщения используются высокочастотное колебания, которое называется несущим. Сигналами сообщения могут быть сигналы, показывающие изменение температуры, влажности, напряжения, пропорциональные расстоянию и т. д. В радиотехнике различают: электрические колебания; электромагнитные колебания; сигнал - электрическое или электромагнитное колебание, несущее информацию; радиосигнал - излученный сигнал, распространяющийся в свободном пространстве [2]. В зависимости от вида функции, описывающей сигнал - детерминированные и случайные. Детерминированным называют любой сигнал, мгновенное значение которого в любой момент времени можно предсказать с большой вероятностью (импульсы или пачки импульсов, форма, амплитуда - которые известны). Детерминированные сигналы могут носить периодический характер с периодом повторения Т или быть представлены в форме одиночного, непериодического колебания. Случайный сигнал относится к числу случайных процессов, его параметры в любой момент можно определить только с определенной степенью вероятности. Случайные сигналы - мгновенные значения которых заранее неизвестны (электрическое напряжение, речь, музыка и т.д.). К случайным сигналам относится последовательность радиоимпульсов на входе радиолокационного приемника. По форме детерминированные и случайные сигналы делятся на непрерывные, дискретные, квантованные и цифровые, показанные на рисунке 2. По форме детерминированные и случайные сигналы делятся на аналоговые, дискретные и цифровые [4]. 16 S(t) S(t) t 0 Непрерывный 0 S(t) S(t) t0 t 0 Дискретный Квантованный по времени по уровню t Цифровой Рисунок 2 – Классификация сигналов Аналоговый сигнал — это сигнал, описываемый непрерывной или кусочнонепрерывной функцией (сама эта функция и ее аргумент могут принимать любые значения на заданных интервалах). Дискретный сигнал — это сигнал, изменяющийся дискретно во времени или по уровню. Цифровые сигналы — квантованные по уровню и дискретные по времени сигналы, которые описываются квантованными решетчатыми функциями (квантованными последовательностями), принимающими в дискретные моменты времени лишь конечный ряд дискретных значений — уровней квантования. По характеру изменения во времени сигналы делятся на постоянные, значения которых с течением времени не изменяются, и переменные, значения которых меняются во времени. Постоянные сигналы являются наиболее простым видом сигналов. Переменные сигналы могут быть непрерывными во времени и импульсными. Непрерывным называется сигнал, параметры которого изменяются непрерывно. Импульсный сигнал — это сигнал конечной энергии, существенно отличный от нуля в течение ограниченного интервала времени. Общая классификация сигналов показана на рисунке 3. 17 Сигналы Аналоговые Дискретные Цифровые Постоянные Переменные Непрерывные Импульсные Случайные Детерминированые Стационарные Периодические Нестационарные Импульсные Эргодические Неэргодические Рисунок 3 - Общая классификация сигналов [1] Параметры сигнала. Параметрами сигнала являются. 1. Длительность сигнала Ts определяет интервал времени, в пределах которого сигнал существует. 2. Динамический диапазон Ds – это отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличать от нуля при заданном качестве передачи. Он выражается обычно в децибелах. 3. Ширина спектра сигнала ΔFs – это диапазон частот, в пределах которого сосредоточена основная часть энергии сигнала. Произведение этих параметров характеризует объем сигнала: Vs = Ts ΔFsDs. (14) Чем больше объем сигнала (Vs), тем больше информации можно «разместить» в этом объеме и тем труднее передать такой сигнал по каналу связи. 2.2 Радиоволны и их распространение Радиоволны – это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве со скоростью света (300 000 км/сек). 18 Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний. Электромагнитное излучение характеризуется частотой, длиной волны и мощностью переносимой энергии. Частота электромагнитных волн показывает, сколько раз в секунду изменяется в излучателе направление электрического тока и, сколько раз в секунду изменяется величина электрического и магнитного полей. Измеряется частота в герцах (Гц): 1 Гц – это одно колебание в секунду; 1 мегагерц (МГц) – миллион колебаний в секунду [1]. Классификация рабочих частот для сетей и систем связи показана в таблице 3. Таблица 3 - Основные диапазоны рабочих частот Диапазон частот от 30 кГц до 300 кГц от 300 кГц 3000 кГц от 3 МГц до 30 МГц от 30 МГц до 300 МГц от 300 МГц до 3000 МГц от 3 ГГц до 30 ГГц от 30 ГГц до 300 ГГц от 300 ГГц до 3000 ГГц Диапазон волн от 1 км до 10 км Название волн километровые (длинные) от 100 м до 1000 гектометровые м (средние) от 10 м до 100 м декаметровые (короткие) от 1 м до 10 м метровые Название частот низкие (НЧ) от 10 см до 100 дециметровые см от 1 см до 10 см сантиметровые от 1 см до 10 мм миллиметровые ультравысокие (УВЧ) от 0,1 см до 1 мм Децимиллиметровые гипервысокие (ГВЧ) средние (СЧ) высокие (ВЧ) очень высокие (ОВЧ) сверхвысокие (СВЧ) крайне высокие (КВЧ) Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. Распространение радиоволн зависит от длины волны. Существуют восемь видов распространения радиоволн - через тропосферный волновод, посредством земной волны, ионосферной волны, пространственной волны 19 (состоящей из прямой волны и отраженных волн от различных поверхностей и слоистых неоднородностей атмосферы), за счет дифракции, путем тропосферного рассеяния, в пределах прямой видимости и из-за рассеяния гидрометеорами. На рисунке 4 показаны долгосрочные механизмы распространения сигналов (тропосферное рассеяние, дифракция и прямая видимость), которые могут являться носителями как полезного сигнала (ПС), так и мешающего сигнала (МС). На рисунке 5 показаны краткосрочные механизмы распространения сигналов, обусловленные возникновением в тропосфере аномальных условий, таких, как инверсное изменение температуры с высотой, выпадение гидрометеоров, появление тропосферного волновода и др. Данные механизмы распространения в силу их краткосрочности действия являются только носителями МС, хотя также вызывают и увеличение уровней ПС [1]. Тропосферное рассеяние Дифр акци я Прямая видимость Рисунок 4 - Долгосрочные механизмы распространения сигналов Рассеяние гидрометри Отражение поднимающимися слоями (рефракция) Прямая видимость с многолучевостью Рисунок 5 - Аномальные (краткосрочные) механизмы распространения сигналов 20 В соответствии с принятой классификацией диапазонов частот выделяют несколько классов (групп) антенн, различающихся между собой: антенны сверх длинноволнового (СДВ) и длинноволнового (ДВ) диапазонов; антенны средневолнового (СВ) диапазона; антенны коротковолнового (КВ) диапазона; антенны ультракоротковолнового (УКВ) диапазона; антенны сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. 2.3 Модуляция в системах радиосвязи Процесс, в результате которого происходит изменение параметров несущего колебания по закону передаваемого сообщения, называется модуляцией. Модуляция обеспечивает перенос спектра передаваемого сообщения из низкочастотной области в область высоких частот. При этом формируется высокочастотное модулированное колебание – радиосигнал. Как уже указывалось, модуляцией называется процесс изменения одного или нескольких параметров несущего высокочастотного колебания в соответствии с изменением параметров передаваемого сигнала. В качестве несущей обычно используется гармоническое колебание, которое характеризуется тремя параметрами — амплитудой, частотой и фазой. Цифровая модуляция фактически является разновидностью импульсной модуляции. Основные показатели, характеризующие модуляцию: помехоустойчивость связи; ширина полосы частот, занимаемая модулированным сигналом; коэффициент полезного действия модулятора; простота осуществления [2]. 21 В зависимости от того, какой параметр несущего колебания используется как носитель передаваемого сообщения, различают: – амплитудную модуляцию s(t) =U(t) cos(ω0t +ϕ) =U(t) cosψ(t) ; – угловую модуляцию s(t) =Uн cos[ω0t +ϕ(t)] =Uн cosψ(t) . При угловой модуляции изменение фазового сдвига ϕ(t) происходит как при модуляции мгновенной частоты ω(t), так и при модуляции непосредственно фазового сдвига колебания. Поэтому различают два вида угловой модуляции: частотную модуляцию (ЧМ) и фазовую модуляцию (ФМ). Эти два вида модуляции связаны друг с другом и отдельно принципиально не осуществимы. UAM UЧМ UФМ t а) t б) t в) Рисунок 6 – Виды модуляции При амплитудной модуляции, показанной на рисунке 6,а, для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля — другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции — фазовой модуляцией. При частотной модуляции, показанной на рисунке 6,б, значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой - f0 и f1. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с [2]. 22 При фазовой модуляции, показанной на рисунке 6,б, значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов. Рисунок 7 - Амплитудная (б), частотная (в) и фазовая (г) модуляция Виды модуляции: AM - амплитудная модуляцияю; ЧМ - частотная модуляция; ФМ – фазовая модуляция; АИМ - амплитудно-импульсная модуляция (РАМ — pulse-amplitude modulation); ЧИМ - частотно-импульсная модуляция (PFM — pulse-frequency modulation); ВИМ - время-импульсная модуляция (РТМ — pulse-time modulation); ШИМ - широтно-импульсная модуляция (PDM — pulse-duration modulation); ФИМ - фазо-импульсная модуляция (РРМ — pulse-phase modulation); СИМ - счетно-импульсная модуляция (PNM — pulse-number modulation); КИМ - кодо-импульсная модуляция (РСМ — pulse-code modulation). Амплитудная модуляция (АМ) является наиболее простым и распространенным способом передачи информации. 23 При АМ происходит изменение амплитуды несущего колебания по закону модулирующего сигнала при неизменных остальных его параметрах, показанной на рисунке 8. SH(t) а) 0 t T0 SM(t) б) 0 t S(t) UMH в) 0 t Рисунок 8 - Несущее колебание (а), модулирующий сигнал (б), амплитудно-модулированный сигнал (в) [2] Огибающая U(t) сигнала с амплитудной модуляцией (АМ-сигнала) совпадает по форме с модулирующим сигналом Sм(t). Для повышения скорости передачи данных могут использоваться методы, основанные на модификации или комбинации рассмотренных методов модуляции. 3 Радиотехнические элементы 3.1 Графическое обозначение радиоэлементов Любой элемент на схеме имеет графическое изображение и его буквенноцифровое обозначение. Форма и размеры графического обозначения определены ГОСТ. 24 Любой элемент обозначается на схеме одной, или двумя буквами (первая обязательно - прописная), и порядковым номером на конкретной схеме. Например, R25 обозначает, что это резистор (R), и на изображённой схеме – 25-й по счёту. Графическое обозначение радиоэлементов и описание показаны в таблице 4. Таблица 4 - Графическое обозначение радиоэлементов и их описание [4] Графическое обозначение Наименование элемента Краткое описание элемента 1 2 3 Элемент питания Одиночный источник электрического тока: часовые батарейки, пальчиковые солевые батарейки, сухие аккумуляторные батарейки Батарея элементов питания Набор одиночных элементов, предназначенный для питания аппаратуры повышенным общим напряжением: батареи сухих гальванических элементов питания; аккумуляторные батареи Узел Соединение проводников. Отсутствие точки (кружочка) говорит о том, что проводники на схеме пересекаются, но не соединяются друг с другом Контакт Вывод радиосхемы, предназначенный для «жёсткого» подсоединения к нему проводников. Гнездо Соединительный легкоразъёмный контакт типа «разъём». Применяется для кратковременного разъединяемого подключения Розетка Панель, состоящая из нескольких (не менее 2х) контактов "гнездо". Предназначена для многоконтактного соединения радиоаппаратуры. Штекер Контактный легкоразъёмный штыревой контакт, предназначенный для кратковременного подключения Вилка Многоштеккерный разъем для многоконтактного соединения радиоаппаратуры. 25 Продолжение таблицы 4 1 2 3 Выключатель Двухконтактный прибор, предназначенный для замыкания электрической цепи. Переключатель Трёхконтактный прибор, предназначенный для переключения электрических цепей. Тумблер Два "спаренных" переключателя – переклюючаемых одновременно одной общей рукояткой. Переключатель, в котором один контакт Галетный "ползункового" типа, может переключаться в переключатель несколько разных положений Кнопка Двухконтактный прибор, предназначенный для кратковременного замыкания электрической цепи путём нажатия на него Контакт радиосхемы, имеющий условный Общий провод "нулевой" потенциал относительно остальных участков и соединений схемы. Заземление Вывод схемы, подлежащий подключению к Земле. Лампа накаливания Электрический прибор, применяемый для освещения Сигнальная лампа Лампа, предназначенная для контроля (сигнализирования) состояния различных цепей аппаратуры Неоновая лампа Газоразрядная лампа, наполненная инертным газом. Газоразрядная лампа, в том числе колба Лампа миниатюрной энергосберегающей лампы, дневного света использующая люминесцентное покрытие – (ЛДС) химический состав с послесвечением Электрический прибор, предназначенный для Электромагни переключения электрических цепей, путём тное реле подачи напряжения на электрическую обмотку (соленоид) реле 26 Продолжение таблицы 4 1 2 3 Амперметр, Электрический прибор, предназначенный для миллиампер- измерения силы электрического тока метр Вольтметр, милливольтметр Резистор Электрический прибор, предназначенный для измерения напряжения электрического тока Радиоприбор, предназначенный уменьшения тока, протекающего электрической цепи для по Резистор, сопротивление которого на его Переменный центральном выводе регулируется с помощью резистор "ручки-регулятора" Резистор, сопротивление которого на его Подстроечный центральном выводе регулируется с помощью резистор "шлица-регулятора" - отверстия под отвёртку Полупроводниковый резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости Терморезистор от окружающей темпера-туры. При увеличении температуры, сопротивление терморезистора умень-шается и наоборот Фоторезистор Резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от освещённости. Варистор Полупроводниковый резистор, резко уменьшающий своё сопротивление при достижении приложенного к нему напряжения определённого порога Элемент радиосхемы, обладающий электрической ёмкостью, способный Конденсатор накапливать электрический заряд на своих обкладках Конденсатор, при изготовлении которого Конденсатор применяется электролит, за счет этого при электролитиче сравнительно малых размерах обладает ский намного большей ёмкостью, чем обыкновенный "неполярный" конденсатор 27 Продолжение таблицы 4 1 2 3 Конденсатор, у которого ёмкость Подстроечный регулируется с помощью "шлица-регулятора" конденсатор - отверстия под отвёртку Конденсатор, ёмкость которого регулируется с Переменный помощью выведенной наружу радиоконденсатор приёмного устройства рукоятки (штурвала) Высокочастотный прибор, обладающий Пьезоэлектрич резонансными свойствами подобно еский колебательному контуру, но на определённой резонатор фиксированной частоте Обмотка (катушка) из медного провода. Может быть бескаркасной, на каркасе, а Катушка может исполняться с использованием индуктивности магнитопровода (сердечника из магнитного материала). Обладает свойством накопления энергии за счёт магнитного поля Катушка с регулируемой индуктивностью, у Подстроечная которой имеется подвижный сердечник из катушка магнитного (ферромагнитного) материала. Как индуктивности правило, мотается на цилиндрическом каркасе Дроссель Катушка индуктивности, содержащая большое количество витков, которая исполняется с использованием магнитопровода Индуктивный элемент, состоящий из двух и более обмоток. Переменный электрический Трансформато ток, прикладываемый к первичной обмотке, р вызывает возникновение магнитного поля в сердечнике трансформатора, а оно наводит магнитную индукцию во вторичной обмотке Диод Полупроводниковый прибор, способный пропускать ток в одну сторону, а в другую нет. Специальный полупроводниковый диод, Стабилитрон предназначенный для стабилизации (стабистор) приложенного к его выводам напряжения обратной полярности 28 Продолжение таблицы 4 1 2 3 Варикап Специальный полупроводниковый диод, обладающий внутренней ёмкостью и изменяющий её значение в зависимости от амплитуды приложенного к его выводам напряжения обратной полярности Светодиод Специальный полупроводниковый диод, кристалл которого светится под действием приложенного прямого тока Фотодиод Специальный полупроводниковый диод, при освещении которого на выводах появляется слабый электрический ток Тиристор (тринистор) Полупроводниковый прибор, предназначенный для коммутации электрической цепи. При подаче небольшого положительного напряжения на управляющий электрод относительно катода, тиристор открывается и проводит ток в одном направлении (как диод) Симистор Составной тиристор, способный коммутировать токи как положительной полярности (от анода к катоду), так и отрицательной (от катода к аноду). n-p-n транзистор Биполярный транзистор, который управляется положительным потенциалом на базе относительно эмиттера (стрелка у эмиттера показывает условное направление тока) p-n-p транзистор Биполярный транзистор, который управляется отрицательным потенциалом на базе относительно эмиттера (стрелка у эмиттера показывает условное направление тока) Транзистор (как правило n-p-n), сопротивление перехода "коллектор-эмиттер" Фототранзисто которого уменьшается при его освещении. р Чем выше освещённость, тем меньше сопротивление перехода. Транзистор полевой Транзистор, сопротивление перехода "стокисток" которого уменьшается при подаче напряжения на его затвор относительно истока. 29 Продолжение таблицы 4 1 2 3 Транзистор Полевой транзистор, управляемый положиполевой со тельным потенциалом на затворе, относительвстроенным nно истока. Имеет изолированный затвор. каналом Транзистор полевой со встроенным рканалом Полевой транзистор, управляемый отрицательным потенциалом на затворе, относительно истока (для запоминания рканал - позитив) Транзистор полевой с индуцированн ым n-каналом Полевой транзистор, обладающий теми же свойствами, что и "со встроенным n-каналом" с той разницей, что имеет ещё большее входное сопротивление Транзистор полевой с индуцированн ым р-каналом Полевой транзистор, обладающий теми же свойствами, что и "со встроенным p-каналом" с той разницей, что имеет ещё большее входное сопротивление 3.2 Резисторы Резистор (сопротивление) – пассивный элемент электрической цепи, характеризуемый сопротивлением электрическому току. Обеспечивают режим смещения транзисторов в усилительных каскадах, контролируют и регулируют величину тока и напряжения в электрических цепях. Основным параметром резисторов является их номинальное сопротивление, измеряемое в Омах (Ом), килоомах (кОм) или мегаомах (МОм). Номинальные значения сопротивлений указываются на корпусе резисторов, однако действительная величина сопротивления может отличаться от номинального значения. Эти, отклонения устанавливаются стандартом в соответствии с классом точности, определяющим величину погрешности [4]. Используются три класса точности допускающие отклонение сопротивления от номинального значения: I класс – на ± 5 %; 30 II класс – на ± 10 %; III класс – на ± 20 %. Существует так же так называемые прецизионные резисторы, они выпускаются с допусками: ± 2 %; ± 1 %; + 0,2 %; ± 0,1 %; ± 0,5 %; ± 0,02 %; ± 0,01 %. Помимо сопротивления резисторы характеризуются предельным рабочим напряжением, температурным коэффициентом сопротивления и номинальной мощностью рассеяния. Таблица 5 - Обозначение резисторов по мощности Графическое обозначение Мощность рассеивания резистора без указания мощности 0,125 Вт 0,25 Вт 0,5 Вт 1 Вт 2 Вт 5 Вт Мощность устанавливаемого на схему резистора, всегда должна быть в полтора – два раза больше расчетной. Резисторы бывают постоянные, переменные и подстроечные. 31 Таблица 6 - Графическое обозначение резисторов и их описание Графическое обозначение Описание элемента Резистор. Радиоприбор, предназначенный для уменьшения тока, протекающего по электрической цепи. На схеме указывается значение сопротивления резистора. Рассеиваемая мощность резистора изображается специальными полосками, или римскими символами на графическом изображении корпуса в зависимости от мощности Переменный резистор. Резистор, сопротивление которого на его центральном выводе регулируется с помощью "ручкирегулятора". Номинальное сопротивление, указанное на схеме – это полное сопротивление резистора между его крайними выводами, которое не регулируется. Переменные резисторы бывают спаренные (2 на одном регуляторе) Подстроечный резистор. Резистор, сопротивление которого на его центральном выводе регулируется с помощью "шлицарегулятора" - отверстия под отвёртку. Как и у переменного резистора, номинальное сопротивление, указанное на схеме – это полное сопротивление резистора между его крайними выводами, которое не регулируется Терморезистор. Полупроводниковый резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от окружающей температуры. При увеличении температуры, сопротивление терморезистора уменьшается, а при уменьшении температуры наоборот, увеличивается. Применяется для измерения температуры в качестве термодатчика, в цепях термостабилизации различных каскадов аппаратуры и т.д. Фоторезистор. Резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от освещённости. При увеличении освещённости, сопротивление терморезистора уменьшается, а при уменьшении освещённости наоборот – увеличивается. Применяется для измерения освещенности, регистрации колебаний света и т.д. Типичный пример – "световой барьер" турникета. В последнее время вместо фоторезисторов чаще используются фотодиоды и фототранзисторы Варистор. Полупроводниковый резистор, резко уменьшающий своё сопротивление при достижении приложенного к нему напряжения определённого порога. Варистор предназначен для защиты электрических цепей и радиоприборов от случайных "скачков" напряжения 32 Постоянные резисторы могут быть проволочными или сделанные из другого материала. Проволочные резисторы представляют собой цилиндрическое тело, на которое наматывается проволока из металла, обладающего большим удельным сопротивлением. Регулируемые, или переменные резисторы являются радиоэлементами, сопротивления которых можно изменять от нуля до номинальной величины. Цветовые коды резисторов показаны в таблице 7. Таблица 7 - Цветовые коды резисторов Цвет серебристый Число нет Множитель 1*10⁻² Множитель 0,01 Точность, % 10 % золотой черный коричневый красный оранжевый желтый нет 0 1 2 3 4 1*10⁻¹ 1 10¹ 1*10² 1*10³ 1*10⁴ 0,1 1 10 100 1000 10000 5% нет 1% 2% нет нет зелёный 5 1*10⁵ 100000 0,5 % синий 6 1*10⁶ 1000000 0,25 % фиолетовый 7 1*10⁷ 10000000 0,1 % серый 8 1*10⁸ 100000000 нет белый 9 1*10⁹ 1000000000 нет Каждому цвету соответствует цифра, или количество нулей в множителе. Резистор – это линейный элемент, связанный с законом Ома. Зная номинальное значение резистора можно найти ток, протекающий через резистор и рассеиваемую на резисторе мощность: (15) , , (16) где I – ток, протекающий через резистор; 33 U – падение напряжения на резисторе, которое к нему прикладывается и может быть измерено вольтметром или другим прибором; R – сопротивление самого резистора; P – рассеиваемая на резисторе (поглощаемая) мощность. Таблица 8 – Схемы подключений резисторов Графическое обозначение R1 R1 R2 R2 R3 R3 Описание Последовательное соединение резисторов. Общее сопротивление резисторов при последовательном соединении равно их сумме. Rобщ=R1+R2+R3 Параллельное соединение резисторов. Общее сопротивление резисторов при параллельном соединении равно сумме величин, обратно пропорциональных сопротивлению. Эти величины величают "Проводимостью". Для двух параллельно соединенных резисторов их общее сопротивление равно: 3.3 Делитель напряжения Для уменьшения значения входного (питающего) напряжения используют делитель напряжения на резисторах. В нём, выходное напряжение Uвых зависит от значения входного (питающего) напряжения Uвх и значения сопротивления резисторов. Делитель напряжения – наиболее часто применяемое соединение резисторов (переменный резистор, используемый в качестве регулятора громкости является делителем напряжения с изменяемыми сопротивлениями плеч, где он выполняет роль ограничителя амплитуды входного сигнала) [4]. Схема делителя напряжения показана на рисунке 9. 34 UВХ R1 Uвых R2 Рисунок 9 – Схема делителя напряжения Так как, сопротивление нагрузки влияет на выходное напряжение Uвых делителя, для обеспечения точности делителя напряжения, необходимо выполнять правило Таблица 9 – Нахождение некоторых параметров цепи с использованием делителя напряжения [4] Параметр Выходное напряжение Uвых по известным значениям входного напряжения Uвх и сопротивлений резисторов R1, R2. Пример. Необходимо определить выходное напряжение Uвых делителя при известных напряжении источника тока Uвх = 50 В, и значениях R1 = 10 кОм и R2 = 500 Ом. Решение. По формуле вычисляем Uвых = 50 * 500 / (10000 + 500) = 2,38 В. Входное напряжение делителя Uвх , по известным значениям выходного напряжения Uвых и сопротивлений резисторов R1, R2. Значение R1 по известным значениям входного напряжения Uвх , выходного напряжения Uвых и сопротивления резистора R2. Значение R1 и R2 по известным значениям входного напряжения Uвх , выходного напряжения Uвых и входного (общего) сопротивления делителя Rобщ , где Rобщ = R1 + R2. Формула Значение резистора R2 должно быть приблизительно на два порядка меньше (в 100 раз) сопротивления нагрузки подключаемой к выходу делителя. Используя закон Ома, делитель напряжения можно описать соотношением: 35 (17) . 3.4 Делитель тока Делитель тока применяется в измерительных приборах, когда необходимо измерить большой ток (единицы, или сотни Ампер) прибором, рассчитанным на маленький ток (миллиамперы или даже микроамперы). В этом случае, внутреннее сопротивление измерительного прибора выступает в качестве одного из резисторов, а второй резистор в таком случае называют "шунтом", так как он шунтирует проходящий ток (основная часть тока бежит через него). Шунт в схеме измерения имеет сопротивление, которое намного меньше внутреннего сопротивления измерительного прибора. Схема делителя тока показана на рисунке 10. Iобщ I1 R1 I2 R2 Рисунок 10 – Схема делителя тока На рисунке видно, что общий входящий ток делится на два, и проходя цепь, снова объединяется в один. Расчёт делителя тока на резисторах основывается на законе Ома, правиле сложения токов (законе Кирхгофа) и формуле параллельного соединения резисторов, что дает нам формулу: . (18) Преобразовывая формулу (3), можно определить параметры, показанные в таблице 10. 36 Таблица 10 – Нахождение нек0торых параметров цепи с использованием делителя напряжения Параметр Определить ток I1 и I2 в плечах резисторов R1, R2 по известным значениям общего тока Iобщ и сопротивлений резисторов R1, R2. Формула , Рассчитать шунт R2 в цепи измерительного прибора, при известных: внутреннем сопротивлении R1, максимальном токе обмотки катушки прибора I1 и максимальном значении общего тока Iобщ цепи делителя тока, представленного на схеме: Iобщ I1 I2 А R1 R2 3.5 Конденсаторы Конденсатор (ёмкость) – элемент, который накапливает электромагнитную энергию в собственном электрическом поле, образуемом обкладками конденсатора. Классификация конденсаторов [4]. Конденсаторы различают по следующим признакам. 1. По характеру изменения емкости они делятся на конденсаторы постоянной емкости, подстроенные и переменной емкости. 2. По способу защиты от внешних воздействующих факторов конденсаторы бывают незащищенными, защищенными, неизолированными с покрытием или без покрытия, изолированными, уплотненными органическими материалами, герметизированными с помощью керамических и металлических корпусов или стеклянных колб. 3. В зависимости от способа монтажа конденсаторы изготовляют для печатного и навесного монтажа. 37 4. По назначению конденсаторы разделяют на конденсаторы общего назначения и специальные. 5. По виду диэлектрика конденсаторы делят на группы: с органическим, неорганическим, оксидным и газообразным диэлектриком. Классификация конденсаторов по виду диэлектрика показана в таблице 11. Таблица 11 - Классификация конденсаторов по виду диэлектрика Сокращенное обозначение 1 К10 К15 К21 К22 К23 К31 К32 К40 К41 К42 К50 К51 К52 К53 К60 К61 К70 К71 К72 К73 К74 К75 К76 К77 К78 КТ1 38 Тип конденсатора по виду диэлектрика 2 Конденсаторы постоянной емкости Керамические на номинальные напряжения ниже 1600 В Керамические на номинальные напряжения 1600 В и выше Стеклянные Стеклокерамические Стеклоэмалевые Слюдяные низковольтные Слюдяные высоковольтные Бумажные на номинальное напряжение ниже 1600 В с фольговыми обкладками Бумажные на номинальное напряжение 1600 В и выше с фольговыми обкладками Бумажные с металлизированными обкладками (металлобумажные) Электролитические алюминиевые Электролитические танталовые фольговые Электролитические танталовые объемно-пористые Оксидно-полупроводниковые Воздушные Газообразные Полистирольные с фольговыми обкладками Полистирольные с металлизированными обкладками Фторопластовые Полиэтилентерефталатные с металлизированными обкладками Полиэтилентерефталатные с фольговыми обкладками Комбинированные Лакопленочные Поликарбонатные Полипропиленовые Конденсаторы подстроенные Вакуумные Продолжение таблицы 11 1 КТ2 ктз КТ4 КП1 КП2 КПЗ КП4 2 С воздушным диэлектриком С газообразным диэлектриком С твердым диэлектриком Конденсаторы переменной емкости Вакуумные С воздушным диэлектриком С газообразным диэлектриком С твердым диэлектриком Таблица 12 - Графическое обозначение конденсаторов и их описание Графическое обозначение Описание элемента Конденсатор. Элемент, обладающий электрической ёмкостью, способный накапливать электрический заряд на своих обкладках. Применение в зависимости от величины ёмкости разнообразно, самый распространённый радиоэлемент после резистора Конденсатор электролитический. Конденсатор, при изготовлении которого применяется электролит, за счет этого при сравнительно малых размерах обладает намного большей ёмкостью, чем обыкновенный "неполярный" конденсатор. При его применении необходимо соблюдать полярность, в противном случае электролитический конденсатор теряет свои накопительные свойства. Используется в фильтрах питания, в качестве проходных и накопительных конденсаторов низкочастотной и импульсной аппаратуры. Обычный электролитический конденсатор саморазряжается за время не более минуты, обладает свойством "терять" ёмкость вследствие высыхания электролита, для исключения эффектов саморазряда и потери ёмкости используют более дорогие конденсаторы – танталовые Подстроечный конденсатор. Конденсатор, у которого ёмкость регулируется с помощью "шлица-регулятора" - отверстия под отвёртку. Используется в высокочастотных контурах радиоаппаратуры Переменный конденсатор. Конденсатор, ёмкость которого регулируется с помощью выведенной наружу радиоприёмного устройства рукоятки (штурвала). Используется в высокочастотных контурах радиоаппаратуры в качестве элемента селективного контура, изменяющего частоту настройки радиопередатчика, или радиоприемника 39 Номинальная ёмкость конденсаторов обычно указывается в микрофарадах (1 мкФ = 1·106 пФ = 1·10- 6 Ф) и пикофарадах (1 пФ = 1·10-12 Ф), но нередко и в нанофарадах (1 нФ = 1·10- 9 Ф). Напряжение и ток на его контактах связано зависимостью (4): . (19) Параллельное соединение конденсаторов. Для получения больших ёмкостей конденсаторы соединяют параллельно. При этом напряжение между обкладками всех конденсаторов одинаково. Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею. Схема параллельного включения конденсаторов показана на рисунке 11. С1 С2 С3 Рисунок 11 - Схема параллельного включения конденсаторов Общая ёмкость конденсаторов при параллельном соединении равна их сумме. . (20) Последовательное соединение конденсаторов. Схема последовательного включения конденсаторов показана на рисунке 12. С1 С2 С3 Рисунок 12 - Схема параллельного включения конденсаторов 40 Величина, обратно пропорциональная общей ёмкости конденсаторов при последовательном соединении равна сумме величин, обратно пропорциональных их ёмкости. (21) . Для двух последовательно соединенных конденсаторов их общая ёмкость равна: (22) , (23) . Свойство конденсатора сопротивляться переменному электрическому току называют реактивным сопротивлением конденсатора, которое используется при конструировании частотных фильтров и колебательных контуров. Реактивное сопротивление конденсатора обозначается Xc или Zc и измеряется в Омах. Реактивное сопротивление конденсатора связано с собственной ёмкостью и частотой тока выражением: (24) . Из формулы видно, что реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте. Другими словами, чем выше частота, тем меньше реактивное сопротивление конденсатора. 3.6 Индуктивность Катушкой индуктивности называется пассивный компонент, представляющий собой деталь имеющую обмотку в виде изолированной спирали, которая обладает свойством способным концентрировать переменное магнитное поле. Величина индуктивности катушки прямо пропорциональна габаритным размерам и числу её витков. Индуктивность также зависит от материала сердечника устанавливаемого в катушку и применяемого экрана. 41 Величина индуктивности измеряется в Генри (Гн). Катушки индуктивности имеют величины - микрогенри – 10-6 (мкГн) и миллигенри – 10-3(мГн). Свойства катушки индуктивности: скорость изменения тока через катушку ограничена и определяется индуктивностью катушки; сопротивление катушки растет с увеличением частоты текущего через неё тока; катушка индуктивности при протекании тока запасает энергию в своём магнитном поле и при отключении внешнего источника тока катушка отдаст запасенную энергию, стремясь поддержать величину тока в цепи. Классификация катушек индуктивности показана на рисунке 13 [4]. Катушки индуктивности По назначению 1. Контурные 2. Катушки связи 3. Вариометры 4. Дроссели высокой частоты По диапазону волн 1. Длинноволновые (ДВ) 2. Средневолновые (СВ) 3. КВ иУКВ По конструкторским признакам 1. Бескаркасные 2. С каркасом 3. С сердечником 4. Экранированные и неэкранированные 5. Однослойные и многослойные По технологии изготовления 1. Вожженные 2. Намотанные 3. Печатные 4. Тонкопленочные Рисунок 13 - Классификация катушек индуктивности Типы катушек индуктивностей показаны на рисунке 14. а) б) д) в) е) г) ж) Рисунок 14 - Типы катушек индуктивностей 42 Типы катушек индуктивности: а — без сердечника; б — без сердечника с отводами; е — с ферромагнитным сердечником; г — с ферромагнитным сердечником, имеющим зазор; д — с ферромагнитным сердечником-подстроечником; е — с немагнитным сердечником-подстроечником; ж — с магнитодиэлсктрическим сердсчником-подстроечником. Графическое обозначение индуктивностей и их описание показано в таблице 13. Таблица 13 - Графическое обозначение индуктивностей и их описание [4] Графическое обозначение Описание элемента Катушка индуктивности. Обмотка (катушка) из медного провода. Может быть бескаркасной, на каркасе, а может исполняться с использованием магнитопровода (сердечника из магнитного материала). Обладает свойством накопления энергии за счёт магнитного поля. Применяется в качестве элемента высокочастотных контуров, частотных фильтров и даже антенны приёмного устройства Подстроечная катушка индуктивности. Катушка с регулируемой индуктивностью, у которой имеется подвижный сердечник из магнитного (ферромагнитного) материала. Как правило, мотается на цилиндрическом каркасе. При помощи немагнитной отвёртки регулируется глубина погружения сердечника в центр катушки, тем самым изменяется её индуктивность Дроссель. Катушка индуктивности, содержащая большое количество витков, которая исполняется с использованием магнитопровода (сердечника). Как и высокочастотная катушка индуктивности, дроссель обладает свойством накопления энергии. Применяется в качестве элементов низкочастотных фильтров звуковой частоты, схем фильтров питания и импульсного накопления Свойство индуктивности сопротивляться переменному электрическому току называют реактивным сопротивлением индуктивности, которое используется при 43 конструировании частотных фильтров и колебательных контуров. Реактивное сопротивление индуктивности обозначается XL или ZL и измеряется в Омах. Реактивное сопротивление индуктивности прямо пропорционально частоте. Чем выше частота, тем больше реактивное сопротивление индуктивности. 3.7 Полупроводниковые диоды и стабилитроны Полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом, работа которого заключается в преобразования одних электрических значений в другие, называют диодом. В конструкции данного изделия предусматривается два вывода для монтажа. В ходе положительного полупериода входного напряжения U1 диод работает в прямом направлении, его сопротивление маленькое и на нагрузке RH напряжение U2 практически равно входящему напряжению. V ~U1 RH U2 Рисунок 15 - Простейший выпрямитель на полупроводниковом диоде Рисунок 16 - График напряжения на входе и выходе простейшего однополупериодного выпрямителя 44 Графическое обозначение диодов и стабилитрона и их описание показано в таблице 14. Таблица 14 - Графическое обозначение диодов и стабилитрона и их описание [4] Графическое обозначение Описание элемента Диод. Полупроводниковый прибор, способный пропускать ток в одну сторону, а в другую нет. Направление тока можно определить по схематическому изображению – сходящиеся линии, подобно стрелке указывают направление тока. Выводы анода и катода буквами на схеме не обозначаются Стабилитрон (стабистор). Специальный полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации приложенного к его выводам напряжения обратной полярности (у стабистора – прямой полярности) Варикап. Специальный полупроводниковый диод, обладающий внутренней ёмкостью и изменяющий её значение в зависимости от амплитуды приложенного к его выводам напряжения обратной полярности. Светодиод. Специальный полупроводниковый диод, кристалл которого светится под действием приложенного прямого тока. Используется как сигнальный элемент наличия электрического тока в определённой цепи. Бывает различных цветов свечения Фотодиод. Специальный полупроводниковый диод, при освещении которого на выводах появляется слабый электрический ток. Применяется для измерения освещенности, регистрации колебаний света и т.д., подобно фоторезистору Основная область применения стабилитрона — стабилизация постоянного напряжения источников питания. 3.8 Источники электропитания Классификация источников электропитания. По роду тока источники: 45 постоянного тока; переменного тока. По напряжению источники: низкого напряжения (до 100 В); среднего напряжения (от 100 В до 1000 В); высокого напряжения (свыше 1000 В). По мощности источники: малой мощности (до 100 Вт); средней мощности (от 100 Вт до 2000 Вт); большой мощности (более 2000 Вт). По степени постоянства выходного напряжения источники: нестабилизированные; стабилизированные. По числу фаз питающей сети: однофазные; многофазные. По типу вентилей на источники: электронными вентилями; ионными вентилями. полупроводниковыми вентилями. По схеме выпрямления: однополупериодную; двухполупериодную с выводом средней точки; однофазную мостовую; удвоения; трехфазную с нулевым выводом; трехфазную мостовую. По типу сглаживающего фильтра на источники с: емкостными; 46 индуктивными; индуктивно-емкостными; активно-емкостными фильтрами. По величине пульсации выпрямленного напряжения на источники с: малыми пульсациями (до 0,1 %); средними пульсациями (от 0,1 % до 2 %); повышенными пульсациями (свыше 2 %). Стабилизированные источники. По роду тока: стабилизаторы постоянного тока; стабилизаторы переменного тока. По методу стабилизации: параметрические; компенсационные; комбинированные. По точности стабилизации (от действия верх дестабилизирующих факторов): стабилизаторы низкой точности (до 5 % ); средней точности ( до 2,0 %); высокой точности (до 0,5 %); прецизионные (менее 0,1 %). По способу включения регулирующего элемента относительно нагрузки: последовательные; параллельные; последовательно-параллельные. По стабилизируемому параметру: стабилизаторы напряжения; стабилизаторы тока. По виду регулирующего элемента стабилизаторы напряжения делятся на: электронные (ламповые, транзисторные и тиристорные); 47 ионные; дроссельные; комбинированные (дроссельно-электронные). Выпрямители переменного напряжения. Выпрямители используются в блоках питания радиоэлектронных устройств для преобразования переменного напряжения в постоянное. Схема любого выпрямителя содержит 3 основных элемента. 1. Силовой трансформатор – устройство для понижения или повышения напряжения питающей сети и гальванической развязки сети с аппаратурой. 2. Выпрямительный элемент (вентиль), имеющий одностороннюю проводимость – для преобразования переменного напряжения в пульсирующее. 3. Фильтр – для сглаживания пульсирующего напряжения. Выпрямители могут быть классифицированы по ряду признаков. 1. По схеме выпрямления – однополупериодные, двухполупериодные, мостовые, с удвоением (умножением) напряжения, многофазные и др. 2. По типу выпрямительного элемента – ламповые(кенотронные), полупроводниковые, газотронные и др. 3. По величине выпрямленного напряжения – низкого напряжения и высокого. 4. По назначению – для питания анодных цепей, цепей экранирующих сеток, цепей управляющих сеток, коллекторных цепей транзисторов, для зарядки аккумуляторов и др. Основными характеристиками выпрямителей являются. 1. Номинальное напряжение постоянного тока – среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями. 2. Номинальный выпрямленный ток – среднее значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями. 3. Напряжение сети Uсети – напряжение сети переменного тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения для бытовой сети – 220 В с допускаемыми отклонениями не более 10 %. 48 4. Пульсация – переменная составляющая напряжения или тока на выходе выпрямителя. 5. Частота пульсаций – частота наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя. 6. Коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания) – отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра. Источник питания радиолюбительского устройства от сети 220 вольт будет иметь в своем составе несколько устройств, показанных на рисунке 17. Трансформатор Выпрямитель Фильтр Стабилизатор Нагрузка Рисунок 17 – Структурная схема источника питания Рассмотрим эти устройства. Трансформатор. Нам нужен трансформатор напряжения, который бы понизил сетевое напряжение в 220 В до нужного нам значения и при этом обеспечивал наше устройство необходимой силой тока. При выборе трансформатора необходимо учитывать, что используя выпрямитель на диодах, в зависимости от типа диодов и схемы выпрямителя, на них будет падать напряжение до 3 В (обычно падение напряжения на диоде указывается в справочниках). Кроме того, так как в основном приборы показывают среднее значение переменного напряжения а не максимальное, то среднее значение напряжения на выходе выпрямителя будет соответствовать: - для схемы однополупериодного выпрямителя - Uср= 0,318*U max; - для схемы двухполупериодного выпрямителя - Uср= 0,7*U max. К примеру - мы измерили тестером напряжение на вторичной обмотке трансформатора и у нас получилось – 10 В. 49 Максимальное напряжение на выходе трансформатора будет равно - Umax= 10/0,7 = 14 В. В выпрямителе мы используем схему двухполупериодного выпрямителя (с падением напряжения на двух диодах по 1 В). Тогда максимальное напряжение на выходе выпрямителя будет равно: Uвых= Umax -1 -1 = 14-1-1= 12 В Из каких соображений выбирается величина емкости сглаживающего конденсатора. Емкость сглаживающего конденсатора С должна быть примерно в 10 раз больше условия: 1/2*п*f*Rн, (25) где f=50 для однополупериодного выпрямителя; f=100 для двухполупериодного выпрямителя; Rн – сопротивление нагрузки, которое можно определить из закона Ома. Пример. Напряжение питания нашего устройства 10 В, потребляемый ток – 0,5 А. Выпрямитель собран по двухполупериодной схеме. Определяем сопротивление нагрузки по закону Ома - R=U/I = 10/0,5 = 20 Ом. Исходя из вышеприведенного условия получаем: 1/2*п*f*Rн = 1/2*3,14*100*20 ≈ 8*10-5 = 80 мкФ Увеличиваем полученное значение в 10 раз – 800 мкФ, и берем ближайший больший номинал конденсатора – 1000 мкФ. Химические источники электрического тока. Для выбора источника питания для вашего устройства надо исходить из двух основных характеристик схемы: – напряжение питания схемы; – ток потребляемый схемой при работе. 50 Химические источники тока – это устройства, работа которых обусловлена преобразованием выделяемой при окислительно-восстановительном процессе химической энергии в энергию электрическую. Конструктивно химические источники тока представляют собой два металлических электрода, разделенных электролитом. Электроды изготавливаются из металла, который является проводником электронов (электронная проводимость), а электролит изготавливается из жидкого или твердого вещества, являющегося проводником ионов (ионная проводимость). Мы пользуемся двумя разновидностями химических источников тока: – гальваническими элементами, в обиходе – батарейки, (которые из-за необратимости протекающих в них реакций невозможно перезарядить); – электрические аккумуляторы (перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока можно перезарядить). Для питания устройства, в зависимости от требуемого напряжения, можно использовать или отдельные гальванические элементы (аккумуляторы) или группу из нескольких штук – батарею [5]. Последовательное соединение (согласное включение), показанное на рисунке 18. - + E1 + E2 + E2 + Рисунок 18 – Последовательное включение источника электрического тока Величина напряжения находится по формуле: Еобщ = Е1 + Е2 + Е3 . (26) Параллельное соединение Такое соединение применяется для увеличения тока в цепи. 51 -E1 + E2 - + - - + E2 + Рисунок 19 – Параллельное включение источника электрического тока Величина напряжения находится по формуле: Еобщ = Е1 = Е2 = Е3 . (27) 3.9 Электромагнитные реле постоянного тока Электромагнитное реле постоянного тока - коммутирующее устройство, работа которого основана на воздействии магнитного поля неподвижной обмотки на подвижный ферромагнитный элемент. Электромагнитное реле состоит из корпуса, который обычно является и частью магнитопровода, сердечника, катушки, якоря, контактной группы, основания и чехла. Реле открытого типа чехла не имеют. Реле выпускают в различных исполнения: зачехленные; завальцованные (пылебрызгозащищенные); герметичные. Реле одного типа различаются обмоточными данными, числом и видом контактных групп и электрическими параметрами. На электрических схемах условное обозначение реле наносится в виде прямоугольника, от наибольших сторон которого отведены линии выводов питания соленоида [5]. 52 Рисунок 20 - Обозначение реле +9...14В 1 VD1 1N4004 K1 K1.1 2 R1 43 1 R2 SB1 1K + C1 3.3мФ X 25B 2 XP1 К источнику питания XS1 К нагрузке VT1 KT315 Рисунок 21 – Схема работы электромагнитного реле постоянного тока 3.10 Трансформаторы Трансформатор - устройство, в котором переменный ток одного напряжения преобразовывается в переменный ток другого напряжения. При преобразовании напряжений одновременно происходит преобразование величины тока (если трансформатор повышает напряжение, то сила тока при этом уменьшается). Трансформатор представляет собой сердечник с двумя катушками, имеющими обмотки. Одна из обмоток называется первичной, другая – вторичной. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС во вторичной обмотке. Сила тока во вторичной обмотке, не присоединенной к цепи, потребляющей энергию, равна нулю. Если цепь подсоединена и происходит потребление электроэнергии, то в соответствии с законом сохранения энергии сила тока в 53 первичной обмотке пропорционально возрастает. Таким образом, и происходит преобразование и распределение электрической энергии. Сердечники силовых трансформаторов бывают - Ш-образный, у которого магнитный поток разветвляется на две ветви, и П-образный, с неразветвленным магнитным потоком. Первый вид сердечников, называемый броневым, применяется более часто, чем второй - стержневой. Ещё бывает третий тип силового трансформатора – спиральный (или ленточный), который является разновидностью первых двух. Основная классификация трансформаторов: по назначению - измерительные трансформаторы тока, напряжения, защитные, лабораторные, промежуточные; по способу установки - наружные, внутренние, шинные, опорные, стационарные, переносные; по числу ступеней - одноступенчатные, многоступенчатые (каскадные); по номинальному напряжения - низковольтные, высоковольтные; по типу изоляции обмоток - c сухой изоляцией, компаундной, бумажномаслянной. Виды сердечников трансформаторов показаны на рисунке 22. Рисунок 22 - Сердечники трансформаторов [5] Основным параметром трансформатора является коэффициент трансформации n: n = W1 /W2 или n = U2 /U1, 54 (28) где W1 и U1 – число витков и напряжение первичной обмотки; W2 и U2 – число витков и напряжение вторичной обмотки. Пример трансформатора с несколькими вторичными обмотками показан на рисунке 23. Рисунок 23 - Пример трансформатора с несколькими вторичными обмотками Использование бустера. Автоматический регулятор напряжения, построенный на основе автотрансформатора с переключаемыми обмотками (рисунки). Применяется в источниках бесперебойного питания (ИБП), собранных по линейно-интерактивной схеме, для ступенчатой корректировки входного напряжения в сторону его повышения (пониженное входное напряжение) или понижения (повышенное входное напряжение). Число обмоток бустера определяет диапазон входных напряжений, при которых ИБП обеспечивает нормальное питание нагрузки без перехода в аварийный режим работы. Схема работы автоматический регулятор напряжения показана на рисунке 24. U вх. ~ 220 В U вх. ~ 220 В 190 В 220 В Нрмальный режим U вх. ~ 220 В 250 В Режим повышения (boost) Режим понижения (buck) Рисунок 24 - Схема работы автоматический регулятор напряжения 55 Расчёт силового трансформатора. Точный расчет трансформатора довольно сложен, но радиолюбитель может сконструировать силовой трансформатор, пользуясь для расчета упрощенными формулами, которые приводятся ниже [5]. Для расчета предварительно необходимо определить, исходя из заданных условий величины напряжений и сил токов для каждой из обмоток. Сначала подсчитывается мощность каждой из вторичных (повышающих, понижающих) обмоток: (29) , где Р2, Р3, Р4 - мощности (Вт), отдаваемые обмотками трансформатора; I2, I3, I4 - силы токов (А); U2, U3, U4 - напряжения (В) этих обмоток. Для определения общей мощности Р трансформатора все мощности, полученные для отдельных обмоток, складываются и общая сумма умножается на коэффициент 1,25, учитывающий потери в трансформаторе: , (30) где Р - общая мощность (Вт), потребляемая всем трансформатором. По мощности Р подсчитывается сечение сердечника (в кв.см): (31) . Далее определяется число витков n0 приходящиеся на 1 вольт напряжения: (32) . После этого переходят к определению числа витков каждой из обмоток. Для первичной сетевой обмотки число витков, учитывая потери напряжения, будет равно: . Для остальных обмоток с учетом потерь напряжения числа витков равны: 56 (33) (34) Диаметр провода любой обмотки трансформатора можно определить по формуле: (35) , где I — сила тока (A), проходящего через данную обмотку; d — диаметр провода (по меди) в мм. Сила тока, проходящего через первичную (сетевую) обмотку, определяется из обшей мощности трансформатора Р: (36) . Остается еще выбрать типоразмер пластин для сердечника. Для этого необходимо подсчитать площадь, которую занимает вся обмотка в окне сердечника трансформатора: , (37) где Sм - площадь (в кв. мм), занимаемая всеми обмотками в окне; d1, d2, d3 и d4 - диаметры проводов обмоток (в мм); n1, n2, n3 и n4 — числа витков этих обмоток. Этой формулой учитывается толщина изоляции проводов, неравномерность намотки, а также место, занимаемое каркасом в окне сердечника. По полученной величине Sм выбирается типоразмер пластины с таким расчетом, чтобы обмотка свободно разместилась в окне выбранной пластины. Выбирать пластины с окном, значительно большим, чем это необходимо, не следует, так как при этом ухудшаются общие качества трансформатора. Наконец определяют толщину набора сердечника - величину b, которую подсчитывают по формуле: (38) , где a – ширина среднего лепестка пластины и b в миллиметрах; 57 Q - в кв. см. Далее необходимо подобрать сердечник с необходимым типоразмером. 3.11 Полупроводниковые транзисторы Транзистор – полупроводниковый триод обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора — изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде. Материал для изготовления транзистора – кремний, германий и галлий [4]. Классификация транзисторов по структуре показана на рисунке 25. Транзисторы Биполярные p-n-p Полевые n-p-n С затвором в виде p-n-перехода С изолированным затвором С каналом p-типа Со встроенным каналом С каналом n-типа С каналом n-типа С каналом p-типа С индуцированным каналом С каналом n-типа С каналом p-типа Рисунок 25 - Классификация транзисторов по структуре Классификация биполярных транзисторов. транзисторы классифицируют по 2-м параметрам: 58 Выпускаемые биполярные по мощности; по частотным свойствам. По мощности они подразделяются на: маломощные ( Рвых ≤ 0,3 Вт); средней мощности (0,3 Вт < Рвых ≤ 1,5 Вт); мощные (Рвых > 1,5 Вт). По частотным свойствам: низкочастотные (fα ≤ 0,3 МГц); средней частоты (0,3 МГц < fα ≤ 3 МГц); высокой частоты (3 МГц < fα ≤ 30 МГц); сверхвысокой частоты (fα > 30 МГц). Биполярный транзистор имеют два электронно-дырочных перехода, которые в полупроводнике создают три области с различными формами электропроводности. Одна часть перехода называется эмиттером Э, другая – коллектором К, а средняя – базой Б. К каждой области отводятся металлические выводы для подключения транзистора в рабочую электрическую цепь. Структура биполярных транзисторов показана на рисунке 26. К Э n-p-n Б Э К p-n-p Б Рисунок 26 - Структура биполярных транзисторов Схемы включения транзистора показаны в таблице 15. Примеры использования транзисторов с различными вариантами включения показаны в таблице 16. 59 Таблица 15 - Схемы включения транзистора показаны в таблице [4] Описание Схема включения транзистора Схема включения транзистора с общим эмиттером – предназначена для усиления V+ амплитуды входного сигнала по напряжению и Rс по току. При этом входной сигнал, усиливаясь Vout транзистором, инвертируется. Фаза выходного К сигнала поворачивается на 180 градусов. Эта Б схема, является основной, для усиления Vin сигналов разной амплитуды и формы. Входное Э сопротивление транзисторного каскада с ОЭ бывает от сотен Ом до единиц килоом, а выходное - от единиц до десятков килоом. Схема включения транзистора с общим коллектором – предназначена для усиления амплитуды входного сигнала по току. Входное V+ сопротивление транзисторного каскада с ОК К бывает от десятков до сотен килоом, а выходное в пределах сотни ом - единиц Б килоом. В цепи эмиттера находится, как Vin Э правило, нагрузочный резистор - следовательно схема обладает большим входным Vout сопротивлением. Так как, входной сигнал, не Rэ усиливаясь по амплитуде «повторяется» на выходе, схему включения транзистора с общим коллектором ещё называют «Эмиттерный повторитель». Схема включения транзистора с общей базой. V+ Эта схема включения в теории есть, но в практике реализуется очень тяжело. Такая Rк схема включения используется в К Vout высокочастотной технике. Особенность её в Б том, что у неё низкое входное сопротивление, и согласовать такой каскад по входу сложно. Э Vin 60 Таблица 16 - Примеры использования транзисторов с различными вариантами включения Схема включения транзистора Uи.п. + Rk Rб Ccв V Выход Описание Схема включения транзистора с общим эмиттером. Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером на основе npn - транзистора (Схема с заземленным эмиттером) Вход Схема включения транзистора с общим коллектором. Эмиттерный повторитель на основе npnтранзистора Uи.п. + Rб Ccв Вход Rвх Rэ Схема включения транзистора с общей базой. Усилительный каскад по схеме с общей базой на основе npn-транзистора Выход V Uи.п. Rб Rk + Выход V Вход Ccв Сб Rэ Работа биполярного транзисторного каскада в режиме усиления происходит при определённом напряжении смещения на переходе база-эмиттер. Для кремниевого транзистора значение напряжения смещения лежит в пределах от 0,6 В до 0,7 В, для германиевого от 0,2 В до 0,3 В. Работа биполярнорго транзистора показана на вольтамперной характеристике (ВАХ). 61 Iб IR C B А Uбэ Uкэ Iб UR Uкэ Входной сигнал UR t Выходной сигнал Рисунок 27 – ВАХ транзистора Полевой транзистор (полупроводниковый прибор, через который протекает поток основных носителей зарядов, регулируемый поперечным электрическим полем, которое создаётся напряжением, приложенным между затвором и стоком или между затвором и истоком) [4] 4 Четырехполюсники 4.1 Определение четырехполюсника Для передачи информации с помощью электромагнитной энергии (волн, сигналов в электрических схемах) применяются различные устройства, имеющие два входных (первичных) зажима и два выходных (вторичных). К входным зажимам подключается источник электрической энергии, к выходным присоединяется нагрузка. Такие устройства называются четырехполюсниками. Четырехполюсниками являются фильтры, трансформаторы, каскады радиопередатчиков и радиоприемников, линии связи и т. д. 62 усилители, Четырехполюсники бывают активные и пассивные. В активном четырехполюснике есть источники энергии, в пассивном - источников энергии нет. Примерами активных радиопередатчиков и четырехполюсников радиоприемников являются и др. усилители, Примером каскады пассивного четырехполюсника может служить кабельная или воздушная линия связи, электрический фильтр и др. Четырехполюсники делятся на линейные и нелинейные. Четырехполюсник является линейным, если напряжение и ток на его выходных зажимах линейно зависят от напряжения и тока на входных зажимах. Примерами линейных четырехполюсников являются линии связи, фильтры, примерами нелинейного выпрямитель, детектор, преобразователь частоты в радиоприемнике. Четырехполюсники могут быть симметричными и несимметричными. Четырехполюсник симметричен, если перемена местами входных и выходных зажимов не изменяет токов и напряжений в цепи, с которой четырехполюсник соединен. В противном случае четырехполюсник несимметричен. Четырехполюсники бывают автономными и неавтономными. На зажимах автономного четырехполюсника остается напряжение, обусловленное наличием внутренних источников, т. е. такой четырехполюсник обязательно является активным. В противном случае четырехполюсник пассивен [1]. Различают также обратимые и необратимые четырехполюсники. В обратимых четырехполюсниках отношение напряжения на входе к току на выходе (передаточное сопротивление) не зависит от того, какая пара зажимов является входной, а какая выходной. В противном случае четырехполюсник необратим. Рисунок 28 - Элементы четырехполюсника 63 4.2 Эквивалентные схемы пассивных линейных четырехполюсников Исходя из структуры схем внутренних соединений элементов – П-образные, Т-образные, Г-образные и мостовые схемы четырехполюсников [1]. Рисунок 29 - Г-образные (а,б), Т-образные (в), П-образные (г) четырехполюсники 4.3 Фильтры Фильтры могут быть созданы только из пассивных LC- или RC–элементов или из RC – элементов в сочетании с активными элементами (операционными усилителями). Поэтому различают пассивные LC- и RC-фильтры и активные RC– фильтры. LC- и RC–цепочки называются звеньями [1]. а) б) в) Рисунок 30 - Схемы Г- (а), Т- (б) и П- (в) образных звеньев LC-фильтров 64 Фильтры могут быть однозвенные (первого порядка), двухзвенные (второго порядка) и многозвенные (n- го). Чем выше порядок фильтра, тем круче его амплитудно-частотная характеристика и тем более она похожа на его идеальную характеристику. Фильтр любого порядка можно построить путем каскадного соединения фильтров первого и второго порядков. Полоса частот, в которой ослабление мало, называется полосой пропускания,(прозрачности) фильтра. Полоса частот, в которой ослабление велико, называется полосой непропускания (задержания) фильтра По частотным свойствам различают следующие фильтры: фильтры нижних частот (ФНЧ) пропускают колебания с частотами от нуля до некоторой верхней частоты ωср1, фильтры верхних частот (ФВЧ) - колебания с частотой не ниже некоторой нижней частоты ωср2. Полосовые фильтры (ПФ) имеют полосу пропускания от ωср1 до ωср2, режекторные (РФ), или заградительные (ЗФ), фильтры не пропускают колебания внутри интервала частот [ωср1, ωср2]. ФНЧ — фильтр нижних частот. K(ƒ) 1 ƒср 0,707 L ƒe ƒ C 0 Полоса ƒср ƒe Полоса пропускания непропускан Переходной ия участок а) б) Рисунок 31 - Схема LC-фильтра нижних частот (а) и его АЧХ (б) [1] LC–фильтр нижних частот пропускает электрические колебания в полосе частот от 0 до: 65 (39) . ФВЧ — фильтр верхних частот. 1 C K(ƒ) 0,707 L ƒ 0 Полоса ƒср ƒe Полоса непропускан пропускания Переходной ия участок а) б) Рисунок 32 - Схема LC-фильтра верхних частот (а) и его АЧХ (б) [1] ПФ — полосовой фильтр (полосовой фильтр — линейная система и может быть представлен в виде последовательности, состоящей из фильтра нижних частот и фильтра частот. верхних Фильтр, который пропускает частоты, находящиеся в некоторой полосе частот). K(ƒ) 1 C1 0,707 L1 L2 C2 ƒ 0 ƒ1 ƒ0 ƒ2 Полоса пропускания а) б) Рисунок 33 - Схема полосового LC-фильтра (а) и его АЧХ (б) ЗФ - заграждающий фильтр (режекторный фильтр, фильтр-пробка - электронный или любой другой фильтр, не пропускающий колебания некоторой 66 определённой полосы частот, и пропускающий колебания с частотами, выходящими за пределы этой полосы). K(ƒ) L1 1 0,707 L2 C1 C2 ƒ 0 ƒ1 ƒ0 ƒ2 Полоса непропускания а) б) Рисунок 34 - Схема режекторного LC-фильтра (а) и его АЧХ (б) 4.4 Колебательные контуры Колебательный контур — электрическая цепь, в которой могут возникать колебания с частотой, определяемой параметрами цепи. Простейший колебательный контур состоит из конденсатора и катушки индуктивности, соединенных параллельно или последовательно. 1. Конденсатор C – реактивный элемент. Обладает способностью накапливать и отдавать электрическую энергию. 2. Катушка индуктивности L – реактивный элемент. Обладает способностью накапливать и отдавать магнитную энергию. Основные свойства индуктивности: - ток, протекающий в катушке индуктивности, создаёт магнитное поле с энергией: - изменение тока в катушке вызывает изменение магнитного потока в её витках, создавая в них ЭДС, препятствующую изменению тока и магнитного потока. (40) . Период свободных колебаний контура LC можно описать следующим образом. 67 Если конденсатор ёмкостью C заряжен до напряжения U, потенциальная энергия его заряда составит: (41) . Если параллельно заряженному конденсатору подключить катушку индуктивности L, в цепи пойдёт ток его разряда, создавая магнитное поле в катушке [2]. Рисунок 35 – Схема колебательного контура Магнитный поток, увеличиваясь от нуля, создаст ЭДС в направлении противоположном току в катушке, что будет препятствовать нарастанию тока в цепи, поэтому конденсатор разрядится не мгновенно, а через время t1, которое определяется индуктивностью катушки и ёмкостью конденсатора из расчёта: (42) t1 = . По истечении времени t1, когда конденсатор разрядится до нуля, ток в катушке и магнитная энергия будут максимальны. Накопленная катушкой магнитная энергия в этот момент составит: (43) . В идеальном рассмотрении, при полном отсутствии потерь в контуре, EC будет равна EL. Таким образом, электрическая энергия конденсатора перейдёт в магнитную энергию катушки. Изменение (уменьшение) магнитного потока накопленной энергии катушки создаст в ней ЭДС, которая продолжит ток в том же направлении и начнётся процесс заряда конденсатора индукционным током. Уменьшаясь от максимума до 68 нуля в течении времени t2 = t1, он перезарядит конденсатор от нуля до максимального отрицательного значения (-U). Так магнитная энергия катушки перейдёт в электрическую энергию конденсатора. Описанные интервалы t1 и t2 составят половину периода полного колебания в контуре. Во второй половине процессы аналогичны, только конденсатор будет разряжаться от отрицательного значения, а ток и магнитный поток сменят направление. Магнитная энергия вновь будет накапливаться в катушке в течении времени t3, сменив полярность полюсов. В течении заключительного этапа колебания (t4), накопленная магнитная энергия катушки зарядит конденсатор до первоначального значения U (в случае отсутствия потерь) и процесс колебания повторится. В реальности, при наличии потерь энергии на активном сопротивлении проводников, фазовых и магнитных потерь, колебания будут затухающими по амплитуде [2]. Время t1 + t2 + t3 + t4 составит период колебаний . Частота свободных колебаний контура ƒ = 1 / T. (44) . Частота свободных колебаний является частотой резонанса контура, на которой реактивное сопротивление индуктивности XL=2πfL равно реактивному сопротивлению ёмкости XC=1/(2πfC). Последовательный колебательный контур является простейшей резонансной (колебательной) цепью, который состоит из последовательно включенной катушки индуктивности и конденсатора. При переменном напряжении, через катушку и конденсатор будет протекать переменный ток, величина которого вычисляется по закону Ома: I = U/ХΣ , (45) 69 где ХΣ – сумма реактивных сопротивлений последовательно включенной катушки и конденсатора. L R C U Рисунок 36 - Последовательный колебательный контур Реактивные сопротивления конденсатора и катушки индуктивности зависят от частоты приложенного переменного напряжения следующим образом: (46) . (47) На рисунок 37 графически представлены зависимости реактивных сопротивлений катушки XL и конденсатора ХC от циклической (круговой) частоты ω, а также график зависимости от частоты ω их алгебраической суммы ХΣ. График, по сути, показывает зависимость от частоты общего реактивного сопротивления последовательного колебательного контура. Из графика видно, что на некоторой частоте ω = ω0, на которой реактивные сопротивления катушки и конденсатора равны по модулю (равны по значению, но противоположны по знаку), общее сопротивление цепи обращается в ноль [2]. Рисунок 37 - Зависимость сопротивлений элементов последовательного колебательного контура от циклической частоты. 70 На этой частоте в цепи наблюдается максимум тока, который ограничен только омическими потерями в катушке индуктивности (т.е. активным сопротивлением провода обмотки катушки) и внутренним сопротивлением источника тока (генератора). Такую частоту, при которой наблюдается рассмотренное явление (резонанс), называют резонансной частотой или собственной частотой колебаний цепи. Также из графика видно, что на частотах ниже частоты резонанса реактивное сопротивление последовательного колебательного контура носит емкостной характер, а на более высоких частотах – индуктивный [2]. 5 Усилители в радиотехнических устройствах Аналоговые электронные устройства (АЭУ) предназначены для усиления и обработки сигналов, к которым относятся сигналы, изменяющиеся по тому же закону. Усилением называется процесс управления энергией, получаемой от местного источника питания. Усиление – это процесс преобразования энергии местного источника, вызываемый действием сигнала и сопровождающийся увеличением его мощности. Управляющая мощность называется мощностью возбуждения усилителя или входной мощностью Р1, управляемая мощность представляет собой мощность, потребляемую от источника питания Ро. Часть потребляемой мощности, отдаваемая во внешнюю цепь, представляет собой выходную мощность Р2. Входная мощность Ро, получаемая от источника возбуждения, например, микрофона, характеризует уровень сигнала так же, как и выходная мощность Р2, отдаваемая нагрузке, например, громкоговорителю. Назначением усилителя является повышение мощности источника сигнала путем использования энергии, питающим усилитель. 71 Для транзистора коэффициент усиления мощности усилителя всегда превышает единицу, т.е.: КР=Р2/Р1>1. (48) Усилитель рассматривается как устройство, управляющее потоком энергии от источника энергии к нагрузке. Управление энергией происходит по закону, определяемому входным сигналом SBX, в результате чего в нагрузке выделяется мощность Р2, соответствующая сигналу SBЫХ. Часть мощности источника энергии Рп составляют тепловые потери в самом усилителе. Энергетическое представление усилителя показано на рисунке 38. Рисунок 38 - Энергетическое представление усилителя Различают электронные усилители низкой и высокой частоты. Под усилителями низкой частоты понимают усилители, предназначенные для усиления естественного (не преобразованного) спектра сигналов. К усилителям низкой частоты относятся усилители звуковой частоты, широкополосные усилители гармонических колебаний, импульсные усилители различного назначения, в том числе видеоусилители, усилители постоянного тока, низкочастотные избирательные усилители. Частотный спектр усилителей звуковых частот соответствует диапазону слышимых звуковых колебаний и характеризуется пределами от 30 Гц до 12000 Гц. Под усилителями высокой частоты понимают усилители, предназначенные для усиления спектров модулированных радиосигналов. 72 Высокочастотные усилители представляют собой в основном усилители высокочастотных трактов радиопередающих и радиоприемных устройств различного назначения (усилители высокой и промежуточной частот). На рисунке 39 представлена типовая структурная схема усилителя, состоящего из четырех каскадов. ИС КПУ1 ПОК КПУ2 ОК Н ООС ИС - источника сигналов; КПУ 1 - 1-й каскад предварительного усиления; КПУ 2 - 2-й каскад предварительного усиления; ПОК - предоконечный каскад; ОК - оконечный каскад; ООС - отрицательной обратной связи; Н – нагрузка. Рисунок 39 - Типовая структурная схема усилителя Все каскады охвачены петлей общей отрицательной обратной связи (ООС). Входной сигнал поступает от источника сигналов (ИС). Назначение каскадов предварительного усиления – усиление по напряжению. Предоконечный каскад (ПОК) обеспечивает на своем выходе сигнал как по напряжению, так и по мощности достаточный для возбуждения транзисторов оконечного каскада. Оконечный каскад (ОК) выделяет в нагрузку (Н) полезную мощность благодаря большому усилению по мощности Кр = n ( от 10 до 1000). Вносимые оконечным и предоконечным каскадами искажения могут быть уменьшены, если усилитель охватить петлей общей отрицательной обратной связи (ООС). 73 Искажения, вносимые усилителем. От электронных усилителей требуется неискаженное усиление сигналов. В усилителе возникают искажения, вследствие чего форма усиленного сигнала в той или иной степени отличается от формы сигнала на входе усилителя. Помехи и шумы. Помехи и шумы, образующиеся в цепях усилителя, могут значительно снижать качество его работы, так как они искажают форму сигналов и обнаруживаются в паузах между сигналами. Различают следующие виды помех и шумов: тепловые шумы (во входных цепях усилителя); шумы контактного происхождения; помехи за счет источников питания усилителя (фон); помехи за счет влияния внешних полей; помехи от механических вибраций (микрофонный эффект). Ек R1 R3 В1 R2 VТ2 C1 C3 VТ1 Uвх Рисунок 40 – Двухкаскадный усилитель низкой частоты Электрический сигнал, поданный через конденсатор С1 на вход первого каскада и усиленный транзистором VТ1, с нагрузочного резистора R2 через разделительный конденсатор С3 поступает на вход второго каскада. Здесь он усиливается транзистором VТ2 и телефонами В1, включенными в коллекторную цепь транзистора, преобразуется в звук. 74 6 Генераторы Измерительные генераторы классифицируются по следующим параметрам. 1. По форме выходного сигнала: генераторы шумовых сигналов; генераторы синусоидальные низкочастотные; генераторы синусоидальные высокочастотные; генераторы импульсных сигналов; генераторы специальной формы. 2. По диапазону частот: НЧ от 20 Гц до 30 кГц; ВЧ от 300 кГц до 300 МГц; СВЧ с коаксиальным выходом от 300 МГц до 10 ГГц; СВЧ с волноводным выходом свыше 10 ГГц. 3. По виду модуляции: с амплитудной модуляцией; с частотной модуляцией; с фазовой модуляцией; с импульсной модуляцией; с несколькими видами модуляции. По выходной последовательности основных импульсов различают приборы, генерирующие: одиночные импульсы; парные импульсы; кодовые пакеты; кодовые комбинации; псевдослучайные последовательности импульсов программного и ручного управления параметрами. По числу каналов выделяются генераторы: 75 одноканальные; многоканальные. Генератор линейно изменяющегося напряжения (формируют напряжение пилообразной формы, которое необходимо для создания разверток на экранах осциллографов, телевизоров и др.); VD1 Ек C2 R2 VТ2 Uвых C1 VТ1 Uc Um C3 t R3 Uвх R1 0 t1 Рисунок 41 – Схема генератора линейно изменяющегося напряжения Электронный ключ собран на транзисторе VT1 и управляется импульсами положительной полярности, транзистор VT2 - эмиттерный повторитель - является следящей связью. В исходном состоянии, когда на входе отсутствует прямоугольный импульс, транзистор VT1 закрыт и конденсаторе С3 заряжается. Ток заряда все время остается постоянным, т. к. напряжение на верхнем выводе R2 следит за напряжением на конденсаторе С3 на его нижнем выводе. Диод VD1 закроется и в течение всего времени дальнейшего формирования линейного нарастания напряжения будет закрыт. Формируется рабочий ход пилообразного напряжения. При воздействии входного импульса транзистор VT1 открывается и конденсатор С3 быстро через него разряжается. Формируется обратный ход пилообразного напряжения. В это время конденсатор С2 подзаряжается до своего первоначального значения. 76 7 Антенны в радиотехнических устройствах 7.1 Назначение и классификация антенн Антенна - устройство, предназначенное для излучения и приема электромагнитных волн. Сигнал в виде частотных колебаний (электромагнитных волн) передается от антенны передатчика к антенне приемника, колебательный контур которой настроен на частоту передатчика. Антенна является составной частью радиотехнического устройства, предназначенного для передачи или приёма [7]. Задачи, решаемые антенной. 1. Преобразование энергии токов высокой частоты в энергию излучаемых радиоволн при передаче. 2. Передачу этих радиоволн приемнику. 3. Обратное преобразование радиоволн в электроэнергию на приеме. Классификация антенн. 1. По функциональному назначению: передающие; приёмные; прнёмо-передающие. 2. По конструкции и принципу действия: апертурные; линейные; антенные решётки. Апертурные антенны имеют раскрыв (апертуру), через который проходит поток излучаемой (принимаемой) энергии. Антенны линейного типа характерны тем, что размеры поперечного сечения у них малы по сравнению с длиной волны. Обычно такие антенны выполняются из отрезка провода (нескольких проводов, либо в виде стержня). 77 Линейные и апертурные антенны могут быть представлены как непрерывные системы, состоящие из излучателей - диполей (вибраторов) Герца или рамок. Антенная решётка - это набор идентичных излучающих (приёмных) элементов, расположенных в определённом порядке и питаемых от одного или нескольких источников [7]. 3. По поляризации: антенны с вращающейся поляризацией; антенны с линейной поляризацией. 4. По полосе пропускания: широкодиапазонные; узкополосные; широкополосные. 5. По диапазону радиоволн: антенны диапазона ОВЧ (метровый диапазон); антенны диапазона УВЧ (дециметровый диапазон); антенны диапазона СВЧ (сантиметровый диапазон); антенны диапазона КВЧ (миллиметровый диапазон). 6. По направленным свойствам: узконаправленные; ненаправленные. 7. По месту установки: наземные (стационарные); бортовые (подвижные). 8. По назначению радиотехнических устройств: связные; навигационные; радиолокационные и т.д. Энергетические параметры антенн [7]: мощность излучения Р2; 78 сопротивление излучения RT: коэффициент полезного действия (КПД) пА; входное сопротивление антенны ZA; действующая длина Lд; эффективная площадь раскрыва (ЭПР) АЭф; коэффициент использования площади (КИП) q. Для радио и телевизионных передач антенны абонентов (принимающая сторона) имеют только функции приема. Антенны для систем связи являются приемопередающими. Классификация антенн для систем связи представлена на рисунке 42 [7]. Антенны систем связи делятся на: − базовые антенны - устанавливаются вблизи базовой приемопередающей станции и их задача обеспечить зону покрытия территории; − абонентские антенны - предназначены для обеспечения устойчивой связи в зоне, охватываемой базовой станцией. Антенны для сетей и систем связи Базовые Мобильные Параболические Спиральные Логопериодические Волновой канал Стационарные Панельные Вибраторные Всенаправленные Коллинеарные Коллинеарные с экраном Волноводнощелевые Панельные Секторные Абонентские Рисунок 42 – Классификация антенн для систем связи 79 В системах радиосвязи используются штырьевые и низкопрофильные антенны в радиотелефонных трубках, антенны систем базовых станций, антенны радиорелейных линий (РРЛ), системы ретрансляторов спутниковой связи и РРЛ и т.д. Антенны характеризуются ближней и дальней зонами излучения. Материал, из которого изготовлена антенна, влияет на ее характеристики в процессе эксплуатации. Распространены антенны из алюминия и его сплавов. Они имеют малый вес, слабо подвержены коррозии. Пластиковые антенны также имеют малый вес, но с течением времени подвергаются деформированию под воздействием температуры, осадков и ультрафиолетового излучения. Стальные антенны тяжелее алюминиевых и пластиковых и подвержены коррозии. Классификация некоторых типов антенн показана в таблице 17 [7]. Таблица 17 – Классификация некоторых типов антенн Тип антенны 1 Вибраторные. 1. Одновибраторные. 2. Петлевые. 3. Рамочные. 4. Турникетные. Рупорные. 1. Пирамидальные: H-, E- секторальные; остроконечные; клиновидные. 2. Конические. Антенны поверхностных волн. 1. Плоские с диэлектрическим направителем. 2. Плоские с ребристым направителем. 3. Стержневые. 80 Характеристика 2 Просты в изготовлении, вследствие чего наиболее распространены, особенно на частотах метрового и дециметрового диапазонов. Вследствие низкого КНД используются как приемные. При использовании специальной конструкции могут быть достаточно широкополосные (диполь Надененко) – полоса до 50%. Модификация излучателя в виде открытого конца волновода, видоизмененного для получения большего КНД. Имеют высокий КПД. Применяются в качестве облучателей зеркальных и линзовых антенн, а также (реже) в антенных решетках. Обладают малыми поперечными размерами, хорошими диапазонными свойствами по диаграмме направленности и входному сопротивлению. Технология их изготовления достаточно проста. Недостатком таких антенн являются большие потери в диэлектрическом направителе. Продолжение таблицы 17 1 Волноводно-щелевые антенны. 1. Резонансные. 2. Нерезонансные. Спиральные. 1. Плоские. 2. Цилиндрические. 3. Конические. Линзовые. 1. Замедляющие. 2. Ускоряющие. 3. Геодезические. 4. Неоднородные. 2 Ввиду отсутствия выступающих частей излучающая поверхность может быть совмещена с внешними обводами корпуса летательного аппарата. Распределение поля в раскрыве может выбираться в широких пределах за счет изменения связи излучателя с волноводом; имеет сравнительно простое возбуждающее устройство, проста в эксплуатации. Основное преимущество – легкость обеспечения поляризации ЭМВ, близкой к круговой без введения дополнительных элементов, простота конструкции. Однако для получения высоконаправленной антенны её длина должна быть недопустимо большой (не выполняется условие механической прочности). Обеспечивают высокую направленность излучения/ приема, однако по сравнению с зеркальными менее требовательны к точности изготовления поверхности. Также отсутствует затенение раскрыва облучателем. Недостатками являются большая масса, узкополосность и потери в веществе линзы. 7.2 Основные характеристики антенн Поляризационные параметры антенн. Антенны характеризуются дальней и ближней зонами излучения. Под поляризацией волны понимается ориентация в пространстве вектора электрического поля Е. В общем случае, если вектор Е (и, соответственно, вектор Н) при распространении волны остаётся параллельным самому себе, то поляризация поля линейна. Если вектор Е расположен горизонтально (параллельно земле - рисунок 43,б), а вектор Н вертикально (перпендикулярно земле), то волна является горизонтально поляризованной. В случае, если вектор Е расположен вертикально (перпендикулярно земле – рисунок 43,а), а вектор Н горизонтально, то волна является вертикально поляризованной [7]. 81 Направление распространения электромагнитной волны Е Е Е Е Е Н Е Н Е Н Н Н Н Н Вертикальная Н поляризация а) Е Н Е Н Н Е Н Н Е Е Е Е Н Е Горизонтальная Е поляризация б) Н Н Е Круговая поляризация в) Рисунок 43 - Поляризационные параметры антенн Вид поляризации электромагнитной волны, принимаемой или излучаемой антенной, определяется расположением и формой проводников антенны. Так, например, антенна в виде вертикально расположенных линейных проводников (рисунок 44,а) излучает (принимает) вертикально поляризованные волны. Соответственно антенна с горизонтально расположенными проводниками (рисунок 44,б) – горизонтально поляризованные волны [7]. Н Е а) б) Рисунок 44 – Расположение проводников антенны Антенны с различной поляризацией позволяет уменьшить взаимное влияние радиотехнических систем с близкими рабочими частотами от 10 дБ до 20 дБ (что может решить проблему электромагнитной совместимости). Технические характеристики антенн. Поляризационные параметры антенн. Под поляризацией волны понимается ориентация в пространстве вектора электрического поля Е. В общем случае если 82 вектор Е (и, соответственно, вектор Н) при распространении волны остается параллельным самому себе, то поляризация поля линейна. В частном случае если вектор Е расположен горизонтально (параллельно земле), а вектор Н вертикально (перпендикулярно земле), то волна является горизонтально поляризованной. В случае если вектор Е расположен вертикально (перпендикулярно земле), а вектор Н горизонтально, то волна является вертикально поляризованной [7]. Коэффициент усиления антенны (Ga) показывает, во сколько раз мощность сигнала, принятого антенной, больше мощности сигнала, принятого простейшей антенной - полуволновым вибратором (изотропным излучателем), помещённым в ту же точку пространства. Коэффициент усиления выражается в децибелах dB или дБ. Импеданс. Антенны - имеют характеристику, получившую название импеданс, что означает отношение напряжения и тока на электрических выводах антенны. Если антенна соединяется с передатчиком посредством кабеля и её импеданс согласован с импедансами передатчика и линии передачи, то в антенну передаётся максимальная мощность. Однако, если импедансы не согласованы, часть энергии будет отражаться обратно к источнику, и лишь оставшаяся поступать на антенну. Согласование антенны с фидерным трактом. Количественной характеристикой согласования антенны с фидерным трактом является величина модуля коэффициента отражения по напряжению |Г|, численно равная отношению амплитуды напряжения отражённой волны UOTP к амплитуде напряжения падающей волны UПАД: |Г| = UOTP / UПАД, (49) где |Г| - изменяется в пределах от 0 до 1. При |Г| = 0 тракт идеально согласован (нет отражённой волны). Вследствие наложения падающих и отражённых волн в фидерном тракте устанавливается некоторое распределение напряжения. Характер этого распределения повторяется по длине кабеля L с периодом LК/2 (LК – длина волны в кабеле). 83 Диаграмма направленности (ДН) антенны показывает, как антенна передает (принимает) сигналы с разных направлений. При этом необходимо рассматривать ДН антенны как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. Ненаправленные антенны в какой-либо плоскости имеют ДН в форме круга, то есть антенна может принимать сигналы со всех сторон одинаково (пример - диаграмма направленности вертикального штыря в горизонтальной плоскости). Направленная антенна характеризуется наличием одного или нескольких лепестков ДН, наибольший из которых называется главным. Кроме главного лепестка имеются задний и боковые лепестки, уровень которых значительно меньше главного лепестка и которые ухудшают работу антенны (из-за чего стремятся максимально уменьшить их уровень) [7]. Обычно ограничиваются построением ДН в двух взаимно перпендикулярных E и H плоскостях. Пример ДН показан на рисунке 45 а, б. По радиусу отложено значение амплитуды излучаемого поля, нормированное к значению амплитуды в главном максимуме. Рисунок 45 - Диаграмма направленности ДН характеризуется следующими параметрами: ширина главного лепестка в Е и Н плоскостях по уровню 3 дБ (в градусах); максимальный уровень боковых лепестков АБОК (дБ); максимальный уровень заднего излучения АЗД (дБ). 84 Наличие задних и боковых лепестков свидетельствует о том, что антенна излучает радиоволны не только в области главного лепестка, но и в иных направлениях, что может создавать помехи другим радиотехническим системам и снижает помехоустойчивость, если антенна работает на приём. Поэтому при проектировании антенн стремятся к уменьшению уровней бокового и заднего излучения. Размер диаграммы направленности может быть произвольным. Важно лишь, чтобы в каждом направлении были соблюдены пропорции [7]. Входное сопротивление антенны считают отношение мгновенных значений напряжения к току сигнала в точках питания антенны. Если напряжение и ток сигнала при этом совпадают по фазе, то отношение представляет собой действительную величину и входное сопротивление является чисто активным. При сдвиге фаз кроме активной составляющей появляется реактивная - индуктивная или ёмкостная составляющие в зависимости от того, отстаёт ли по фазе ток от напряжения или опережает его. Входное сопротивление зависит от частоты принимаемого сигнала. Оно определяется отношением напряжения ВЧ UA на зажимах антенны к току питания IA. Затухание. При передаче сигнала в любой среде его интенсивность уменьшается с расстоянием. Такое ослабление, или затухание, в общем случае логарифмически зависит от расстояния. Как правило, затухание можно выразить, как постоянную потери интенсивности (в децибелах) на единицу длины. При рассмотрении затухания важны три фактора: полученный сигнал должен обладать мощностью, достаточной для его обнаружения и интерпретации приёмником; чтобы при получении отсутствовали ошибки, мощность сигнала должна поддерживаться на уровне, в достаточной мере превышающем шум; при повышении частоты сигнала затухание возрастает, что приводит к искажению [7]. Первые два фактора связаны с затуханием интенсивности сигнала и использованием усилителей или ретрансляторов. Для двухточечного канала связи мощность сигнала передатчика должна быть достаточной для уверенного приёма. В 85 то же время интенсивность сигнала не должна быть слишком большой, так как в этом случае контуры передатчика или приёмника могут оказаться перегруженными, что также приведет к искажению сигнала. Третий фактор - это амплитудное искажение. Вследствие того, что затухание является функцией частоты, полученный сигнал искажается по сравнению с переданным, что снижает чёткость приёма. Для устранения этой проблемы используются методы выравнивания искажения в определённой полосе частот. Потери в свободном пространстве. Для любого типа беспроводной связи передаваемый сигнал рассеивается по мере его распространения в пространстве. Следовательно, мощность сигнала, принимаемого антенной, будет уменьшаться по мере удаления от передающей антенны. Для спутниковой связи упомянутый эффект является основной причиной снижения интенсивности сигнала. Даже если предположить, что все прочие причины затухания и ослабления отсутствуют, переданный сигнал будет затухать по мере распространения в пространстве [7]. Причина этого - распространение сигнала по всё большей площади. Данный тип затухания называют потерями в свободном пространстве и вычисляют через отношение мощности излучённого сигнала Р к мощности полученного сигнала РR. Для вычисления того же значения в децибелах следует взять десятичный логарифм от указанного отношения, после чего умножить полученный результат на 10. Мощность, излучаемая антенной P , связана с величиной тока в точках питания антенны соотношением: P I02R 0 2 , где R 0 - сопротивление излучения антенны (при антенне это активная составляющая отсутствии потерь в входного сопротивления антенны) и данное определение относится к проволочным антеннам. 86 (50) Рабочая полоса частот. Ширина рабочей полосы частот, в пределах которой параметры антенны (характеристика направленности, входное сопротивление, КПД и др.) удовлетворяют техническим требованиям. Обычно рабочая полоса частот определяется тем параметром, значение которого при изменении частоты раньше других выходит из допустимых пределов. В зависимости от ширины рабочего диапазона антенны условно разбивают на: узкополосные (настроенные), относительная рабочая полоса которых менее 10 % номинальной частоты; широкополосные, с рабочей полосой частот от 10 % до 50 %; диапазонные, коэффициент перекрытия частот которых (fmax/fmin) составляет примерно от 2 до 5; частотно-независимые (сверхширокополосные), с коэффициентом перекрытия, теоретически не зависящим от частоты (практически fmax/fmin таких антенн > 5). Кроме этих характеристик антенны обладают другими параметрами коэффициент стоячей волны (КСВ), уровень кроссполяризации, диапазон рабочих температур, ветровые нагрузки и т. п. Физические характеристики антенн [7]. 1. Ветровые нагрузки и вибрации. Антенны устанавливаются на мачтовых сооружениях, крышах домов, где ветровые нагрузки достигают максимальных значений. Конструкция антенны и ее элементы крепления должны быть рассчитаны на скорость ветра до 160 км/час. Конструкция антенны должна выдерживать вибрационные перегрузки. 2. Окружающая температура, при которой антенна должна сохранять свою работоспособность от - 40 °С до +50 оС. 3. Антенна должна быть работоспособной (при частичном ухудшении параметров) в условиях влажности до 95 % и обледенении. 4. В параметрах антенны указывают габаритные размеры с учетом элементов крепления (в мм) и массу (в кг). 87 8 Радиоприемные и радиопередающие устройства 8.1 Радиоприемные устройства Детекторный приемник – простой базовый радиоприёмник. Не имеет усилительных элементов и не нуждается в источнике электропитания - использует энергию принимаемого радиосигнала [6]. WA1 VD1 BF1 C1 L1 С2 Рисунок 46 – Схема детекторного приемника Входная цепь предназначена для предварительного осуществления частотной избирательности и передачи энергии принятого радиосигнала из антенны на вход первого каскада радиоприемника. Входное устройство выполняет роль согласующего трансформатора сопротивления антенны и входного сопротивления первого каскада. При согласовании этих сопротивлений на вход первого каскада поступает наибольшая мощность принятого сигнала. Элементы связи ослабляют влияние антенны и входного сопротивления первого каскада на настройку и добротность колебательного контура. Используемые виды связи с антенной следующие - непосредственная (рисунок - 47,а), индуктивная (рисунок - 47,б), емкостная (рисунок - 47,в), комбинированная (рисунок - 47,г). Добротность колебательного контура это величина, показывающая во сколько раз запасы энергии в контуре больше потерь энергии за один период колебаний. Добротность колебательного контура показывает амплитуду и ширину АЧХ (амплитудно-частотной характеристики) резонанса. 88 Варианты связи входной цепи с антенной показаны на рисунке 47. Lсв Ck Lk а) Ck Lk б) Ссв Ссв Ck Lсв Lk в) Ck г) Рисунок 47 - Схемы связи входной цепи с антенной [6] Основные характеристики входной цепи. Коэффициент передачи по напряжению: (51) , где КО - коэффициент передачи по напряжению; – входное напряжение; – Э.Д.С. в антенне. Коэффициент передачи по мощности: (52) где, – входная мощность; – мощность в антенне. Для улучшения свойств избирательности системы используют фильтры с сосредоточенной пьезоэлектрические, селекцией (ФСС). Они электромеханические, бывают - электрические, пьезокерамические и пьезомеханические. Схема фильтра сосредоточенной селекции показана на рисунке 48. 89 к VT1 Сф Сф Сф к VT2 L1 C1 L2 C2 L3 C3 L4 C4 Рисунок 48 - Схема фильтра сосредоточенной селекции [6] Фильтр УВЧ Перестройка частоты Смеситель УПЧ Детектор Декодер УНЧ Оконечное устр-во Гетеродин Преобразов. частоты Рисунок 49 – Структурная схема радиоприемного устройства [6] Усилитель высокой частоты (УВЧ) - усилитель сигналов на частотах радиодиапазона. Применяется преимущественно в радиоприёмных и радиопередающих устройствах в радиосвязи, телевидении и т. д. Усилитель низкой частоты (УНЧ) - служит для усиления электрических колебаний, соответствующих диапазону частот от 20 Гц до 20000 Гц. Может быть выполнен в виде самостоятельного устройства, или использоваться в составе более сложных устройств - телевизоров, музыкальных центров и т. д. Гетеродин - маломощный генератор электрических колебаний, применяемый для преобразования частот сигнала в радиоприемниках и т. д. Гетеродин создаёт колебания вспомогательной частоты, которые в блоке смесителя смешиваются с поступающими извне колебаниями высокой частоты. В результате смешения двух частот, входной (от УВЧ) и гетеродина, образуются ещё две частоты (суммарная и разностная). Разностная частота используется как промежуточная частота (порядка 465 кГц), на которой происходит основное усиление сигнала. Гетеродин должен иметь малый уровень собственных шумов (уровень шумов тем больше, чем выше температура операционных 90 элементов – ОЭ, уровень (мощность) шумов увеличивается пропорционально ширине полосы пропускания - с расширением полосы увеличивается спектр случайных частот флуктуаций, проходящий в эту полосу). Смеситель приемника (преобразователь частоты) представляет собой нелинейный элемент (полупроводниковый диод), на который подается напряжение полезного сигнала и напряжение гетеродина. Служат для преобразования принимаемого сигнала СВЧ (от антенны и УВЧ) в сигнал промежуточной частоты. Основными требованиями, предъявляемыми к смесителям приемников СВЧ, являются: малый уровень собственных шумов; минимальные потери преобразования (энергии сигнала); равномерность коэффициента преобразования в полосе частот. В смеситель подается сигнал от местного маломощного генератора колебаний высокой частоты - гетеродина. В смесителе они преобразуются в колебания промежуточной частоты (ПЧ), равной разности частот гетеродина и принятого сигнала, которые далее усиливаются и детектируются. В большинстве случаев промежуточная частота равна 465 кГц [6]. Усилители промежуточной частоты (УПЧ). К УПЧ относятся каскады радиоприемного устройства (РПУ), которые усиливают принимаемый сигнал на постоянной промежуточной частоте. В радиовещательных приемниках АМ - сигналов ПЧ обычно выбираются порядка 465 кГц, при приеме ЧМ - сигналов – 10 МГц. Полоса пропускания частот УПЧ связных приемников с АМ - модуляцией равна 6 кГц, радиовещательных – от 9 кГц до 13 кГц, а при ЧМ – 250 кГц. УПЧ обеспечивают основное усиление сигнала для нормальной работы детектора и основную избирательность по соседнему каналу. Для этого УПЧ должен иметь большой коэффициент усиления. Обычно УПЧ состоит из 2 - 3 и более каскадов. Особенностью УПЧ является то, что частота усиленного сигнала постоянна. Она не изменяется при изменении частоты принимаемого сигнала, если приемник перестраивается на другую станцию. Работа УПЧ аналогична усилителю 91 радиочастоты (УРЧ), только вместо частоты сигнала промежуточную частоту, поэтому коэффициент fC нужно иметь ввиду усиления по напряжению однокаскадного УПЧ такой же, как у УРЧ. Применение в УПЧ двухконтурных (полосовых) фильтров улучшает характеристики усилителя. Связь между контурами полосового фильтра может быть индуктивной, внешне емкостной, внутри емкостной и комбинированной, как показанной на рисунке 50. Cсв U1 C1 L1 C2 L2 U2 U1 C1 L1 C2 L2 U2 C1 U1 C2 L1 L2 U2 U1 Cсв Индуктивная Комбинированная Внутриемкостная Рисунок 50 – Схема связей между контурами полосового фильтра Для получения постоянной промежуточной частоты при настройке приемника на радиоволну любой длины, необходимо диапазон частот гетеродина сдвинуть по отношению к диапазону частот, перекрываемому входным контуром, на частоту, равную промежуточной. Достигается это соответствующим подбором чисел витков катушек входного и гетеродинного контуров, включением в контуры сопрягающих конденсаторов и одновременной настройкой этих контуров двухсекционным блоком конденсаторов переменной емкости. Детектор. Динамик выдаст звуковые колебания в том случае, если полученные антенной электромагнитные колебания и переведенные смесителем в сигналы промежуточной частоты будут переработаны (детектированы). Для этого в приемнике устанавливают устройство — детектор, который детектирует принятые сигналы и далее отправляет на динамик (акустическую систему) [6]. Детектор обнаруживает в приходящих модулированных колебаниях колебания низкой частоты и, обнаружив эти колебания, пропускает их в громкоговоритель (динамик). 92 Таким образом, детектор забирает с высокочастотных колебаний сигнал звуковой сигнал. Колебания низкой частоты, выделенные детектором, усиливаются и громкоговорителем преобразуются в звуковые колебания. Аппаратура подстроечной частоты (АПЧ). АПЧ должна обеспечивать требуемую точность настройки РПУ при воздействии гетеродина дестабилизирующих приводят к факторов. изменению Случайные промежуточной изменения частоты частоты fПР=fZ . fC . Поэтому задача АПЧ сводится к подстройке частоты гетеродина для точного соответствия промежуточной частоты частоте, на которую настроен тракт ПЧ. Для АПЧ вводится специальная цепь АПЧ, показанной на рисунке 51, состоящая из измерительного элемента (ИЭ), фильтра (Ф) и регулятора частоты (РЧ). Uвх Аппаратура подстроечной частоты (АПЧ) Регулятор Фильтр частоты Гетеродин Рисунок 51 - Структурная схема АПЧ [6] 8.2 Радиопередающие устройства Структурная схема радиопередающего устройства показана на рисунке 52. Источник информ. Преобразов. в эл. сигнал УНЧ Кодер Модулятор УВЧ Генератор Рисунок 52– Структурная схема радиопередающего устройства [6] 93 Модулятор - устройство, изменяющее параметры несущего сигнала в соответствии с изменениями передаваемого (информационного) сигнала. Этот процесс называют модуляцией, а передаваемый сигнал модулированным. Модуляторы делятся по виду управляемых параметров на амплитудные, частотные, фазовые, квадратурные, однополосные и т.д. Если несущими являются импульсные сигналы, то их модулируют с помощью амплитудно-импульсных, частотно-импульсных, время-импульсных и широтно-импульсных модуляторов. Модулятор в радиотехнике (дальней связи) - это устройство, осуществляющее модуляцию - управление параметрами высокочастотного электромагнитного переносчика информации в соответствии с электрическими сигналами передаваемого сообщения. Модулятор является одной из частей передающих устройств радиотехники. Переносчиком информации обычно служат гармонические колебания или волны с частотой (называемой несущей) - от 104 Гц до 1015 Гц. В результате модуляции сигналы переносятся в область более высоких частот. Использование модуляции позволяет: согласовать параметры сигнала с параметрами линии (преобразовать параметры сигналов для передачи их в блок назначения – разные уровни напряжений, форматы и т.д,); повысить помехоустойчивость сигналов; увеличить дальность передачи сигналов; организовать многоканальные системы передачи (МСП с ЧРК) [6]. 9 Радиотехнические средства съема и обнаружения источников побочного электромагнитного излучения и наводок Классификация каналов утечки информации представлена на рисунке 53 Особенности технических каналов утечки информации определяются физической природой информационных сигналов и характеристиками среды распространения 94 сигналов утекаемой информации. Ниже приведены некоторые особенности технических каналов утечки информации [3]. Рисунок 53 - Технические каналы утечки информации [3] Технические каналы утечки информации, обрабатываемой ТСПИ. 1. Электромагнитные: электромагнитные излучения элементов ТСПИ; электромагнитные излучения на частотах работы ВЧ-генераторов ТСПИ; излучения на частотах самовозбуждения усилителей низкой частоты. 2. Электрические: наводки электромагнитных излучений элементов ТСПИ на посторонние проводники; просачивание информационных сигналов в линии электропитания; просачивание информационных сигналов в цепи заземления; 95 съем информации с использованием закладных устройств. 3. Параметрические: перехват информации путем «высокочастотного облучения» ТСПИ. 4. Вибрационные: соответствие между распечатываемым символом и его акустическим образом. Технические каналы утечки информации при передаче ее по каналам связи 1. Электромагнитные каналы: электромагнитные излучения передатчиков связи, модулированные информационным сигналом (прослушивание радиотелефонов, сотовых телефонов, радиорелейных линий связи). 2. Электрические каналы: подключение к линиям связи. 3. Индукционный канал: эффект возникновения вокруг высокочастотного кабеля электромагнитного поля при прохождении информационных сигналов. 4. Паразитные связи: паразитные емкостные, индуктивные, резистивные связи и наводки близко расположенных друг от друга линий передачи информации. Технические каналы утечки речевой информации 1. Акустические каналы: среда распространения – воздух. 2. Виброакустические каналы: среда распространения – ограждающие строительные конструкции. 3. Параметрические каналы: результат воздействия акустического поля на элементы схем, что приводит к модуляции высокочастотного сигнала информационным. 4. Акустоэлектрические каналы: преобразование акустических сигналов в электрические. 5. Оптико-электронный (лазерный) канал: 96 облучение лазерным лучом вибрирующих поверхностей. Технические каналы утечки видовой информации 1. Наблюдение за объектами. Для наблюдения днем применяются оптические приборы и телевизионные камеры. Для наблюдения ночью – приборы ночного видения, тепловизоры, телевизионные камеры. 2. Съемка объектов. Для съемки объектов используются телевизионные и фотографические средства. Для съемки объектов днем с близкого расстояния применяются портативные камуфлированные фотоаппараты и телекамеры, совмещенные с устройствами видеозаписи. 3. Съемка документов. Съемка документов осуществляется с использованием портативных фотоаппаратов [3]. Электромагнитные каналы утечки информации. Основным каналом утечки информации при ее обработке ТСПИ является электромагнитный канал, обусловленный побочными информативными электромагнитными излучениями основных технических средств обработки информации. К электромагнитным относятся каналы утечки информации, возникающие за счет различного вида побочных электромагнитных излучений ТСПИ. Побочные электромагнитные излучения (ПЭМИ) – это паразитные электромагнитные излучения радиодиапазона, создаваемые в окружающем пространстве устройствами, специальным образом для этого не предназначенными. Индукционный канал утечки информации. Данный канал чаще всего используется для съема информации с симметричных высокочастотных кабелей. Непосредственное электрическое подключение аппаратуры перехвата легко обнаруживается специальными контролирующими средствами. Индукционный канал перехвата, не требующий контактного подключения к каналам связи, свободен от этого недостатка. Электромагнитное поле, возникающее вокруг проводников кабеля под действием информационных токовых сигналов, наводит в специальных индукционных датчиках адекватные информационные сигналы [3]. 97 Современные индукционные датчики способны снимать информацию с кабелей, защищенных не только изоляцией, но и двойной броней из стальной ленты и стальной проволоки, плотно обвивающих кабель. Зона с возможностью перехвата разведывательным оборудованием побочных электромагнитных излучений, содержащих конфиденциальную информацию, называется опасной зоной. Пространство вокруг техническими средствами приёма, обработки и хранения информации (ТСПИ), в котором на случайных антеннах наводится информационный сигнал выше допустимого уровня, называется опасной зоной 1. Случайными антеннами могут быть цепи вспомогательных технических средств и систем (ВТСС) или посторонние проводники, воспринимающие побочные электромагнитные излучения от средств ТСПИ. Случайные антенны бывают сосредоточенными и распределёнными. Сосредоточенная случайная антенна представляет собой техническое средство с сосредоточенными параметрами (телефонный аппарат, громкоговоритель радиотрансляционной сети и т.д.). Распределённые случайные антенны образуют проводники с распределёнными параметрами - кабели, соединительные провода, металлические трубы [3]. Под техническим каналом утечки информации (ТКУИ) понимают совокупность объекта разведки, технического средства разведки (TCP) и физической среды, в которой распространяется информационный сигнал. В сущности, под ТКУИ понимают способ получения с помощью TCP разведывательной информации об объекте. Рисунок 54 - Технический канал утечки информации (ТКУИ) 98 Причины образования технических каналов утечки информации. Работа систем информатизации и связи, а также ведение переговоров по закрытым вопросам сопровождаются возникновением электромагнитных, акустических полей и электрических сигналов, распространяющихся в различных средах (в воздухе, в токопроводящих конструкциях и т.д.). Поэтому существуют определенные предпосылки для образования каналов утечки информации (или технических каналов утечки информации) при работе различных технических средств и систем. Необходимым условием образования таких каналов является наличие опасного сигнала (т. е. сигнала, содержащего закрытую информацию) в тех полях, электрических и других сигналах, которые порождаются работой технических средств. Обнаружение, прием и анализ носителей опасного сигнала техническими средствами разведки позволяют несанкционированно получить закрытую информацию, обрабатываемую техническими средствами систем информатизации и связи [6]. В общем случае под техническим каналом утечки информации будем понимать совокупность источника опасного сигнала, среды распространения носителя опасного сигнала и средства разведки. Источник опасного сигнала Среда распространения Средство разведки Рисунок 55 – Причины образования технических каналов утечки [6] Возможность образования технических каналов утечки информации в системах и средствах информатизации и связи обусловлена следующими причинами: наличием информационных радио, оптических и электрических сигналов в различных технических средствах передачи и обработки информации; наличием нежелательных электромагнитных излучений систем и средств информатизации и связи; 99 образованием наводок электромагнитных излучений на различные токоведущие цепи и конструкции; применением специальных воздействий на элементы технических средств; применением различных закладных устройств; возникновением и распространением в окружающей среде акустических колебаний при обсуждении вопросов, содержащих секретные сведения; наличием случайных электроакустических преобразователей в отдельных элементах технических средств. Прямой перехват сигналов. Автоматизированные системы управления (АСУ), системы связи и информационного обмена включают в себя радиотехнические средства специального назначения; информационно-вычислительные средства, в общем случае объединенные в вычислительные сети; средства регистрации и отображения информации; средства управления; средства контроля и диагностики [6]. Сигналы, поступающие в радиоприемник, могут быть акустическими, электрическими, радио и оптическими. Эти сигналы являются носителями (потенциальными) закрытых данных, находящихся в передаваемой информации. Обнаружение и анализ таких сигналов приводят к утечке закрытой информации. При наличии в АСУ и системах информационного обмена радиотехнических средств специального назначения передача информации осуществляется путем излучения радиосигналов в направлениях на пункты размещения аппаратуры потребителей. Таким образом, основное радиоизлучение радиотехнических средств (т. е. радиоизлучение, предназначенное для передачи информации) неизбежно является носителем охраняемых сведений при их наличии в передаваемой информации. Распространение радиоволн в свободном пространстве позволяет осуществлять 100 перехват основного радиоизлучения средствами радио- и радиотехнической разведки (РРТР), размещаемыми на трассе распространения радиосигнала. При использовании в системах информационного обмена проводных, кабельных или волоконно-оптических линий передача информации осуществляется соответственно с помощью электрических, радио и оптических сигналов без целенаправленного излучения электромагнитной энергии в окружающее пространство. Перехват опасных сигналов в таких линиях может быть осуществлен путем несанкционированного подключения специальных средств разведки к этим линиям или к элементам технических средств и систем обработки информации [6]. 9.1 Устройства незаконного съема информации с дальнейшей передачей её по радиоканалу Звуковое поле представляет собой пространство, в котором распространяются звуковые колебания. Звуковые колебания в газообразной и жидкой средах являются продольными, так как частицы вещества среды колеблются вдоль линии распространения звука r, как показанной на рисунке 56,а. Под воздействием источника звука, например, гармонического характера, образуются сжатия и разрежения среды, которые перемещаются от источника со скоростью звука. Скорость звука в воздушной среде при нормальном атмосферном давлении и температуре 20 °С примерно равна сзв ≈ 340 м/c. а) б) Рисунок 56 - Звуковые колебания (а) и изменение звукового давления в фиксированной точке звукового поля (б) 101 Волнообразное изменение плотности р среды, обусловленное звуковыми колебаниями, называют звуковым лучом, а поверхность с одинаковыми фазами колебаний – фронтом волны. Фронт волны перпендикулярен звуковому лучу [3]. Частота колебаний f =1 T определяется периодом колебаний, а длина звуковой волны λ = cT. Частоты звуковых колебаний находятся в полосе частот от 20 Гц до 20000 Гц. Не воспринимаемые органом слуха частоты ниже 20 Гц называют инфразвуковыми, а выше 20000 Гц – ультразвуковыми. В системах связи длины звуковых волн находятся в пределах от 17 м до 11,3 м, от 2,27 см до 1,7 см. Частоты колебаний подразделяются на низкие, средние и высокие звуковые частоты. К низким относятся частоты в диапазоне от 20 Гц до 500 Гц, к средним – от 500 Гц до 2000 Гц, к высоким – от 2000 Гц до 20000 Гц. Звуковое поле характеризуется некоторыми линейными и энергетическими величинами. Микрофоны. Устройств нелегального съема информации с дальнейшей передачей её по радиоканалу являются: радиомикрофоны (радиозакладки); радиокапсулами («жучки»). Радиозакладки работают как обычный AM или ЧМ передатчик (требуют постоянного питания). Радиомикрофоны классифицируются на: радиомикрофоны с параметрической стабилизацией частоты; радиомикрофоны с кварцевой стабилизацией частоты. Радиомикрофоны с параметрической стабилизацией частоты не могут обеспечить высокое качество передачи из-за ухода частоты в зависимости от места расположения, t° и других дестабилизирующих факторов (особенно, если радиомикрофон выполнен как носимый вариант и размещается на теле человека). Радиомикрофоны с кварцевой стабилизацией частоты называемые часто специалистами «кварцованными закладками» лишены этого недостатка. Простейшие радиозакладки содержат три основных узла, которые определяют технические возможности и методы их использования: 102 микрофон, определяющий зону акустической чувствительности радиозакладки; радиопередатчик, определяющий дальность действия и скрытность работы; источник питания, от которого зависит продолжительность ее непрерывной работы. Микрофоны, используемые в радиозакладках, могут быть встроенными или выносными: акустические (чувствительные в основном к действию звуковых колебаний воздуха и предназначенные для перехвата речевых сообщений); вибрационные (преобразующие в электрические сигналы колебания, возникающие в разнообразных жестких конструкциях). Рабочая частота передатчиков обычно находится в диапазоне от 20 МГц до 1000 МГц. При этом наиболее часто используются следующие его участки от 20 МГц до 25 МГц, от 130 МГц до 174 МГц, от 400 МГц до 512 МГц. Имеются и более высокочастотные радиозакладки. Характеристики микрофонов. Все средства акустической разведки в своей основе используют микрофоны различных типов и назначения. К основным характеристикам микрофонов относятся: чувствительность, частотная характеристика, характеристика направленности и уровень собственного шума. Чувствительность определяется отношением напряжения U на выходе микрофона к звуковому давлению р на его входе при номинальной нагрузке: E=U/P. (53) Чувствительность микрофона определяется частотой акустического сигнала, так как от частоты зависит внутреннее сопротивление. Для определения средней чувствительности вводится понятие среднеквадратичного значения в номинальном диапазоне частот. Чувствительность, выраженная в децибелах относительно величины называется уровнем чувствительности: (54) . 103 Характеристика направленности представляет собой зависимость чувствительности микрофона от угла между рабочей осью микрофона (направление, по которому микрофон имеет наибольшую чувствительность) и направлением на источник звука. Эту характеристику определяют для полосы частот. Нормированная характеристика направленности, т.е. зависимость отношения чувствительности Eq , измеренной под углом q , к осевой чувствительности E0 определяется выражением (55) . Большинство микрофонов имеет осевую симметрию. По характеристике направленности микрофоны, используемые для ведения акустической разведки, делятся на направленные (односторонне направленные) и остронаправленные. Графическое представление характеристик направленности называют диаграммой направленности, которую часто представляют в полярных координатах [3]. Устройство и работа микрофонов. Ниже на рисунок 57 приведена структурная схема радиомикрофона. Микрофон Блок питания Радиопередатчик Устройство записи Антенна Устройство управления Рисунок 57 - Структурная схема радиопередающего устройства [6] Направленные микрофоны. Направленные микрофоны предназначены для акустического контроля источников звуков на открытом воздухе. В таких ситуациях решающим фактором оказывается удаленность источника звука от направленного микрофона, что приводит к значительному ослаблению уровня контролируемого звукового поля (кроме того, при большой дистанции становится заметным ослабление звука из-за разрушения пространственной когерентности поля вследствие наличия естественных рассеивателей энергии, например средне- и крупномасштабных турбулентностей атмосферы, создающих помехи при ветре). 104 Так, на дистанции 100 м давление звука ослабляется на величину не менее 40 дБ (по сравнению с дистанцией 1 м), и тогда степень громкости обычного разговора в 60 дБ окажется в точке приема не более 20 дБ. Такое давление существенно меньше не только уровня реальных внешних акустических помех, но и пороговой акустической чувствительности обычных микрофонов. В отличие от обычных, направленные микрофоны должны иметь высокую пороговую акустическую чувствительность, чтобы ослабленный звуковой сигнал превышал уровень собственных (в основном тепловых) шумов приемника. Даже при отсутствии внешних акустических помех это является необходимым условием контроля звука на значительном расстоянии от источника [3]. Виды направленных микрофонов. Существует четыре вида направленных микрофонов: параболические; плоские акустические фазированные решетки; трубчатые, или микрофоны "бегущей" волны; градиентные. Параболический микрофон состоит из отражателя звука параболической формы, в фокусе которого расположен обычный (ненаправленный) микрофон. Отражатель изготавливается как из оптически непрозрачного, так и прозрачного материала. Величина внешнего диаметра параболического зеркала может находиться в пределах от 200 мм до 500 мм. Принцип работы этого микрофона поясняется на рисунке 58. Рисунок 58 - Параболический микрофон [3] 105 Звуковые волны с осевого направления отражаются от параболического зеркала и суммируются в фазе в фокальной точке А. За счет этого эффекта возникает усиление звукового поля. Чем больше диаметр зеркала, тем большим усилением характеризуется микрофон. Если направление волны звука не осевое, то сложение отраженных от различных частей параболического зеркала звуковых волн в точке А произойдет со сдвигом по фазе и усиление микрофона будет меньшим. Ослабление тем сильнее, чем больше угол прихода звука по отношению к оси. Параболический микрофон является примером высокочувствительного, но слабонаправленного микрофона. Плоские фазированные решетки обеспечивают одновременный прием звукового поля в дискретных точках некоторой плоскости, перпендикулярной к направлению на источник звука, показанной на рисунке 59. Торцы звуководов Усилитель Звуковая волна Микрофон Звуководы Осевое направление Накопитель Приемная плоскость Аккустический сумматор Рисунок 59 - Плоская фазированная решетка [3] Трубчатый микрофон представляет собой звуковод в форме жесткой полой трубки диаметром 10–30 мм со специальными щелевыми отверстиями, размещенными рядами вдоль оси звуковода, с круговой геометрией расположения для каждого из рядов. При приеме звуковой волны с осевого направления будет происходить сложение в фазе сигналов, проникающих в звуковод через все щелевые отверстия, в силу равенства скоростей осевого распространения звука вне трубки и внутри нее. 106 Звуковая волна Микрофон Ось Щели Трубчатый звуковод Накопитель Усилитель Рисунок 60 - Трубчатый микрофон [3] Когда же звук приходит под некоторым углом к оси микрофона, то это ведет к неравенству длин путей распространения звуковых волн и фазовому рассогласованию, в результате чего снижается чувствительность приема. Обычно длина трубчатого микрофона находится в пределах от 15 мм до 1 м. Чем больше его длина, тем сильнее подавляются помехи с боковых и тыльного направлений. Радиомикрофоны. Принцип действия радиозакладок микрофонного типа основан на преобразовании акустических сигналов с помощью микрофона в электрические сигналы и передачи их по радиоканалу на приемное устройство. Такие подслушивающие устройства получили наибольшее распространение благодаря простоте исполнения и дешевизне. В качестве источника питания могут служить автономные источники питания, электрическая и телефонная сети. 1. Микрофон, воспринимающий акустические колебания разговаривающих лиц и превращающий их в электрические сигналы. 2. Радиопередатчик, воспринимающий электрические сигналы от микрофона и передающий их по радиолинии на приемник, позволяющий злоумышленнику воспринимать содержание переговоров. 3. Источник питания радиопередатчика, определяющий продолжительность непрерывной работы радиозакладок. Микрофон определяет зону акустической чувствительности (от 20 м до 30 м), радиопередатчик – дальность действия радиолинии. Важными параметрами с точки зрения дальности действия для передатчика являются мощность, стабильность несущей частоты, диапазон частот, вид модуляции [3]. 107 Контроль и прослушивание телефонных каналов связи. Для прослушивания телефонных переговоров используются следующие способы подключения. 1. Параллельное подключение к телефонной линии. В этом случае телефонные радиоретрансляторы (телефонные закладки) труднее обнаруживаются, но требуют внешнего источника питания. 2. Последовательное включение телефонных радиоретрансляторов в разрыв провода телефонной линии. В этом случае питание телефонного радиоретранслятора осуществляется от телефонной линии и на передачу он выходит с момента подъема телефонной трубки абонементом. Для приема информации от телефонных радиотрансляторов применяют такие же приемники, как в акустических устройствах съема информации по радиоканалу. Схемы возможных вариантов подключения к телефонной линии без использования радиоканала показана на рисунке 61. Прямое подключение к линии связи Рисунок 61 - Схемы возможных вариантов подключения к телефонной линии без использования радиоканала [3] Схемы возможных вариантов подключения к использованием радиоканала показана на рисунке 62. 108 телефонной линии с Рисунок 62 - Схемы возможных вариантов подключения к телефонной линии с использованием радиоканала [3] На рисунке 63 приведена схема прослушивания помещения способом, называемым высокочастотным навязыванием. Этот способ аналогичен способу высокочастотной накачки и состоит в следующем. На один из проводов телефонной линии, идущий от АТС к телефонному аппарату ТА-2, подаются колебания частотой 150 кГц и выше от генератора Г. К другому проводу линии подключается детектор, выполненный на элементах Cl, C2, VD1, VD2 и R1. Корпус передатчика (генератор Г) и приемника (детектор) соединены между собой или с общей землей, например с водопроводной трубой. 109 Рисунок 63 - Прослушивание через микрофон телефонного аппарата Недостаток этого метода состоит в том, что его случайно может обнаружить всякий, кто позвонит по тому же номеру, а также необъяснимая занятость контролируемой линии для других абонентов. СВЧ- и ИК-передатчики. Для повышения скрытности передачи речевой информации используется инфракрасный канал. В качестве передатчика звука от микрофона используется полупроводниковый лазер. В качестве примера приведем устройство TRM-1830. Дальность действия днем составляет 150 м, ночью – 400 м, время непрерывной работы – 20 ч. К недостаткам подобной системы можно отнести необходимость прямой видимости между передатчиком и приемником и влияние помех на качество передачи сигналов. Повысить скрытность получения информации можно также с помощью использования канала СВЧ в диапазоне более 10 ГГц. Передатчик, выполненный на диоде Ганна, может иметь очень небольшие габариты. К преимуществам такой системы можно отнести отсутствие помех, простоту и отсутствие в настоящее время эффективных средств контроля. К недостаткам следует отнести необходимость прямой видимости, хотя и в меньшей степени, так как СВЧ-сигнал может все-таки огибать небольшие препятствия и проходит хотя и с ослаблением сквозь тонкие диэлектрики, например, шторы на окнах [3]. Оптико-электронный технический канал утечки речевой информации. Оптико-электронный технический канал утечки информации образуется путем 110 облучения лазерным лучом вибрирующих в акустическом поле тонких отражающих поверхностей (стекол, картин, зеркал). Схема простейшего лазерного микрофона показана на рисунке 64. Звуковая волна, генерируемая источником акустического сигнала, падает на границу раздела воздух-стекло со стороны помещения и создает вибрацию (отклонения поверхности стекла от исходного положения). Эти отклонения вызывают дифракцию света, отражающегося от внешней стороны стекла. Рисунок 64 - Схема простейшего лазерного микрофона Если размеры падающего оптического пучка малы по сравнению с длиной «поверхностной» волны, то в составе различных компонент отраженного света будет доминировать дифракционный пучок нулевого порядка. В этом случае, вопервых, фаза световой волны оказывается промодулированной по времени с частотой звука и однородной по сечению пучка, а во-вторых, пучок «качается» с частотой звука вокруг направления зеркального отражения. Отраженное лазерное излучение принимается от сплиттера чувствительным приемником лазерного излучения (детектором). Применение сплиттера (делителя пучка) позволяет свести падающий и отражённый луч одну точку. При демодуляции отраженного лазерного излучения выделяется речевая информация. Лазер и приемник образуют сложную лазерную акустическую локационную систему («лазерный микрофон»), работающую в ближнем инфракрасном диапазоне волн. 111 Реально лазер, сплиттер и детектор могут быть совмещены в одном устройстве [3]. Например, система SIPE LASER 3-DA SUPER производства США использует в качестве источника излучения гелий-неоновый лазер. Наведение прибора на объект осуществляется с помощью телескопического визира, а съем речевой информации с оконных рам с двойным остеклением обеспечивается с расстояния до 250 м хорошим качеством. Другое лазерное устройство HPO150 фирмы HEWLETT PACKARD обеспечивает регистрацию разговоров, ведущихся в помещениях, на дальности до 1000 м. Качество принимаемой информации зависит от следующих факторов: параметров используемого лазера (длина волны, мощность, когерентность и т. д.); параметров фотоприемника (чувствительность и избирательность фотодетектора, вид обработки принимаемого сигнала и т.д.); параметров атмосферы (рассеяние, поглощение, турбулентность, уровень фоновой засветки и т.д.); качества обработки зондируемой поверхности (шероховатости и неровности, обусловленные как технологическими причинами, так и воздействием среды); уровня фоновых акустических шумов; уровня перехваченного речевого сигнала [3]. Технические средства выявления радиоканалов утечки акустической информации. Устройства обнаружения радиомикрофонов можно разделить на две группы: устройства, обеспечивающие анализ со скоростью, определяемой быстротой перестройки используемого радиоприемного устройства; устройства, обеспечивающие обнаружение и идентификацию излучений с повышенной скоростью анализа. Устройство защиты от диктофонов и радиомикрофонов. 112 Предназначено для предотвращения несанкционированной записи акустической информации в помещении на диктофон или же ретрансляции информации при помощи носимого радиомикрофона. Подавление осуществляется путем постановки неслышной для уха человека помехи [6]. Способы улучшения характеристик аппаратуры обнаружения подслушивающих устройств. Повышение быстродействия. Максимально сократить время обнаружения подслушивающих устройств и автоматизировать этот процесс позволяет повышение скорости сканирования в рабочем диапазоне путем дискретно-шаговой перестройки частоты приемника), о требует модернизации серийных приемников) в сочетании со спектральной обработкой радиосигналов. Повышение надежности обнаружения и идентификации излучений. Кроме снижения времени анализа электромагнитных излучений повысить надежность обнаружения и идентификации излучений можно также путем адаптации к окружающей электромагнитной обстановке. Повысить надежность идентификации излучений на их принадлежность к прослушивающим устройствам способно и использование взаимокорреляционной обработки демодулированного сигнала и специального зондирующего акустического сигнала, излучаемого акустической системой, распределенной в контролируемом помещении. При этом необходимо, чтобы структура зондирующего сигнала учитывала неравномерность поля акустических сигналов внутри помещения, и использовались алгоритмы, обеспечивающие идентификацию радиомикрофонов с произвольным видом модуляции и наличием скремблирования. 9.2 Скрытие и защита информации от утечки по техническим каналам Электромагнитное экранирование и развязывающие цепи. Для снижения наводок необходимо устранять или ослаблять до допустимых значений паразитные связи. В первую очередь ослабление паразитных связей должно производиться 113 прямым уменьшением паразитной емкости, взаимной индуктивности и паразитного сопротивления. Экранирование – это локализация электромагнитной энергии в пределах определенного пространства путем преграждения ее распространения. Развязывающий фильтр – это устройство, ограничивающее распространение помехи по проводам, являющимся общими для источника и приемника наводки. Под экранированием в общем случае понимается как защита приборов от воздействия внешних полей, так и локализация излучения каких-либо средств, препятствующая проявлению этих излучений в окружающей среде. В любом случае эффективность экранирования – этo степень ослабления составляющих поля (электрической или магнитной), определяемая как отношение действующих значений напряженности полей в данной точке пространства при отсутствии и наличии экрана. Подавление емкостных паразитных связей. Емкостная паразитная связь между двумя электрическими цепями возникает через ближнее электрическое поле. Для снижения паразитной емкости между электрическими цепями вводится токопроводящий экран, соединенный с общим проводом и замыкающий на общий провод большую часть электрических силовых линий. Введением экрана, имеющего сопротивление, равное нулю относительно общего провода, теоретически наводку можно снизить до нуля. Практически же всегда из-за наличия проводников и технологических отверстий и возникновения краевых эффектов имеется остаточное ближнее электрическое поле и, следовательно, остаточная емкость. При экранировании электрического поля очень важно создать низкое сопротивление экрана относительно корпуса (общего провода). Появление любого сопротивления, особенно индуктивного, в цепи соединения экрана с общим проводом создает эффект паразитной связи через посторонний провод, поэтому все металлические элементы конструкции всегда должны тщательно соединяться между собой и с общим проводом [3]. 114 Подавление индуктивных паразитных связей. Паразитная индуктивная связь возникает между двумя электрическими цепями через ближнее магнитное поле. Для снижения величины магнитных полей используют два вида экранирования - магнитостатическое и динамическое. Магнитостатическое экранирование или экранирование шунтированием магнитного поля основано на применении экранов из ферромагнитных материалов с большой магнитной проницаемостью. Линии магнитного поля как бы втягиваются в материал с более высокой магнитной проницаемостью, в результате внутри экрана поле ослабляется. Эффективность магнитостатического экранирования зависит от магнитного сопротивления экрана. Сущность динамического экранирования заключается в том, что переменное магнитное поле ослабляется по мере проникновения в металл, так как внутренние слои экранируются вихревыми токами, возникающими в слоях, расположенных ближе к поверхности. Экранирование проводов и катушек индуктивности. При экранировании реальных элементов, например трансформаторов, катушек индуктивности, проводов и т. д., обычно требуется одновременное экранирование от электрических и магнитных полей. На эффективность магнитного экрана влияют проводимость, магнитная проницаемость и частота колебаний магнитного поля [3]. При разработке экранов высокочастотных катушек желательно выбирать материалы с малым сопротивлением (медь, латунь, алюминий). Размеры экрана рекомендуется выбирать таким образом, чтобы зазор между катушкой и экраном был не менее 0,5dкат . 9.3 Демаскирующие признаки объектов Демаскирующие признаки объектов в видимом диапазоне электромагнитного спектра. Оптические характеристики объектов и окружающей среды играют важную роль как для разведки, так и для эффективной защиты объектов от ТСР. Оптическое изображение объектов и их отдельных элементов по 115 отношению к фону отличаются контрастами по яркости, цвету, размеру, форме. В видимом диапазоне волн видимость объектов определяется яркостным контрастом, при этом в видимом диапазоне дополнительной информацией является цветовой контраст между объектом и фоном. Контраст по яркости между объектом и фоном возникает в результате различной световой отражательной способности объекта и фона. Контраст по яркости К определяется как: (56) , где Bmin и Bmax – минимальная и максимальная яркости поверхностей объекта и фона. При маскировке объекта необходимо принять меры к тому, чтобы яркости объекта и фона были максимально возможно близки друг к другу. В этом случае объект будет малозаметен на фоне окружающей среды. Яркость поверхности предметов зависит от освещенности Е, с увеличением которой она пропорционально возрастает. Демаскирующие электромагнитного признаки спектра. объектов в Демаскирующим инфракрасном признакам диапазоне объектов в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра относятся: собственное (естественное) излучение нагретых тел и отраженное объектами (искусственное) ИК-излучение. Естественные источники ИК-излучений бывают наземными (почва, лес и т.д.), атмосферными (облака, атмосферные газы) и космическими (солнце, луна, звезды). Естественные источники ИК-излучений создают фоновое излучение, затрудняющее распознавание объектов Обнаружение цели возможно за счет различий в тепловой излучательной способности объекта и фона. Каждый предмет при температуре, отличной от абсолютного нуля, испускает электромагнитное излучение, называемое тепловым. Излучение тел зависит от их температуры и излучательной способности, которые можно характеризовать эффективной температурой тела. Собственное тепловое 116 излучение нагретых тел связано понятием абсолютно черного тела, поглощающего все падающие на него излучения во всем спектре. Демаскирующие признаки радиоэлектронных средств. Демаскирующие признаки радиоэлектронной аппаратуры в связаны с излучением электромагнитных волн радиодиапазона. Электромагнитные волны могут нести информацию о назначении и характеристиках технических средств и систем. Излучение возможно в основных и побочных средствах, в контрольно-измерительной аппаратуре, тренажерах, имитаторах и т.д. Все демаскирующие признаки, связанные с радиоизлучениями, определяются техническими характеристиками радиосигналов, которые можно разделить на следующие группы з частотные, временные, энергетические, спектральные, пространственно-энергетические, фазовые, поляризационные. Частотные характеристики радиоизлучений определяют их место в диапазоне частот. К ним относятся - несущая частота, закон несущей модуляции, количество фиксированных частот и величина разноса между ними, диапазон изменения при частотной модуляции, стабильность несущей [3]. Технические признаки радиоизлучений можно разделить на групповые, индивидуальные и оперативные. Групповые технические признаки позволяют установить принадлежность радиоэлектронных систем (РЭС) к определенному классу. Они определяются по характеристикам или совокупности характеристик, соответствующих определенным типам РЭС. К ним относятся: характеристики обзора пространства; скорость вращения антенны; вид излучения; закон и границы перестройки частоты; вид и закон модулирующего сигнала; значения параметров сигнала (несущие частоты, длительности импульсов, частоты следования импульсов и др.). 117 Индивидуальные технические признаки содержат информацию о конкретном образце из совокупности РЭС одного типа. Наличие у РЭС индивидуальных демаскирующих признаков обусловлено технологическим и эксплуатационным разбросом параметров сигнала. Индивидуальные технические признаки могут проявляться в следующих характеристиках РЭС: форме огибающей сигнала (форма вершины импульса, его переднего и заднего фронтов); спектре сигналов (форма огибающей спектра сигнала, отношение амплитуд главного и боковых лепестков спектра); величине нестабильностей параметров сигнала; виде паразитной модуляции. 9.4 Детекторы радиоизлучений для защиты акустической информации от утечки Обзор различных схем детекторов радиоизлучений. В ходе поиска радиозакладок необходимо установить, не передается ли информация за пределы здания. Для этого необходимо проверить все радиоизлучения, произвести поиск опасных электрических сигналов в проводах и линиях связи. Применяются специальные измерительные приемники, автоматически сканирующие по конкретному частотному диапазону. С их помощью осуществляется поиск и фиксация рабочих частот, а также определяется местонахождение радиозакладок. Простой детектор радиоволн. С его помощью можно отыскивать в помещении работающую радиозакладку Детектор радиоволн чувствителен к частотам ниже частот радиовещания и выше, вплоть до 500 МГц. Настраивать детектор при поиске радиозакладок можно изменением длины телескопической антенны Схема детектора приведена на рисунке 65. 118 Рисунок 65 – Схема простейшего детектора [6] Телескопическая антенна воспринимает высокочастотные электромагнитные колебания, которые детектируются диодом VD1 (Д 312А). Высокочастотная составляющая сигнала отфильтровывается катушкой индуктивности L1 и конденсатором С. Низкочастотный сигнал поступает через резистор R1 на базу транзистора VT1 (КТ 315). Усиленный сигнал (транзисторы VT1, VT2 (КТ 315) и резисторы R2 и RS) подается на пьезокерамический звуковой преобразователь сигнала ЭП-3. Для питания используется батарея типа «Крона». Когда сигнал в антенне отсутствует, ток, потребляемый схемой близок к нулю. При монтаже необходимо, чтобы выводы деталей, относящиеся к высокочастотной части детектора радиоволн, были как можно короче. Это VD1, LI, C1, R1 и гнездо антенны. Корпус детектора желательно выполнить из металла. Когда нет приемников для поиска радиозакладок, а необходимо быть уверенным, что вас не подслушивают, можно воспользоваться передатчиком помех для подавления приемников, которые снимают информацию с радиозакладок. На рисунке - 66 приведена схема простого, но очень надежного передатчика помех диапазона 130 МГц - 170 МГц с мощностью излучения 100 мВт. Рисунок 66 - Генератор-передатчик помех [6] 119 Передатчик помех состоит из задающего генератора, выполненного в виде мультивибратора на транзисторах VT1, VT2 (МП 42Б) и усилителя мощности на транзисторе VT3 (ГТ 313Б). В нем применена частотная манипуляция с частотой примерно 8 Гц и девиацией около 80 кГц. Катушка L1 имеет 4 витка провода ПМП0,8 (диаметр катушки 5 мм, шаг намотки 1,5 мм). Катушка связи L2 содержит один виток (диаметром 9 мм) провода ПЭВ-2 0,6 мм вокруг катушки L1.Передатчик собран в металлической коробке размерами менее 100 мм. Высокочастотная часть собрана навесным монтажом. Антенна - полуволновой вибратор из проволоки [6]. 9.5 Системы радиомониторинга Система удалённого многоканального мониторинга RS Digital Jet M - оптимальное решение задачи тотального радиоконтроля: новое слово в разработке многоканальных систем; экономичное решение для стационарной системы; новая версия системы с новой версией приёмника [8]. Последовательное включение ретрансляторов позволяет транслировать СВЧ сигнал на расстояния до 100 м и более. Расстояние между ретрансляторами может быть до 25-ти метров (в системе до 12 ГГц). Сигналы на вход могут поступать через коммутатор с нескольких ветвей, содержащих, например, от 4 до 5 последовательных ретрансляторов. Управление системой удалённых антенных точек с ретрансляторами и коммутаторов осуществляется по сети международного стандарта CAN, используемого в промышленных и военных системах. Все ретрансляторы и коммутаторы подключены последовательно к управляющему компьютеру через восьмижильную витую пару и преобразователь USB-GYN. В соответствие со стандартом пять свободных жил кабеля управления используются для подачи питания оконечных устройств (от 24 В до 36 В). 120 W1, W2 - кабель коаксиальный RG-58; W3-кабель коаксиональьный DX-10A (20 м); W4-кабель "Витая пара" UTP 5Е. Рисунок 67 – Структурная схема ретранслятора Основой системы является ретранслятор RS/R-12. Структурная схема ретранслятора показана на рисунке 67. Ретранслятор содержит систему СВЧ коммутаторов и программно управляемый аттенюатор для выравнивания усиления. На рисунке 68 показана структурная схема системы многоканального радиомониторинга. Она содержит 4 ветви, в каждой из которых включено по три ретранслятора [8]. 121 А10 А11 А12 А7 А8 А9 А4 А5 А6 W3 W1 W2 ретранслятор A2 ретранслятор A3 ретранслятор W4 Ȣ cеть CAN A13 NETCAN CAN W5 USBA-Bx2 Коммутатор A14 Управляющи й компьютер РПУ RS Jet new Ethernet 220V W1, W2 - кабель коаксиальный RG-58; W3-кабель коаксиальный DX-10A (20 м); W4-кабель "Витая пара" UTP 5Е. Рисунок 68 - Структурная схема системы многоканального радиомониторинга Системы интеллектуального блокирования. В с утечками информации по каналам беспроводного доступа (WiFi, 3G, LTE 4G) запрещено пользование смартфонами и устройствами со встроенным радиодоступом (в некоторых государствах). Сигналы в стандарте GSM являются узкополосными и имеют назначенный частотный канал. Рассмотрим универсальный формирователь сигнала Структурная схема формирователя приведена на рисунке 69. 122 блокирования. Квадратурный модулятор Синтезатор 3 ГГц CAN RS Internet Усилитель мощности Формирователь сигнала блокировки Цифровой синтезатор Контроллер Рисунок 69 - Блок-схема формирователя сигнала блокирования [8] Формирователь содержит: синтезатор ВЧ сигнала, работающий в широком диапазоне частот от 30 МГц до 3 ГГц; цифровой синтезатор (DDS) c квадратурными выходами (тактовая частота 500 МГц); квадратурный модулятор; управляющий контроллер; широкополосный усилитель мощности; систему переключаемых формирующих фильтров; антенну. Высокочастотный поступающий на широкополосный квадратурный синтезатор модулятор. Прямой вырабатывает цифровой сигнал, синтезатор формирует квадратурные составляющие модулирующего сигнала, позволяющие получить на выходе модулятора сигналы с различными видами амплитудной, частотной и фазовой модуляции. Полоса сигнала может варьироваться в пределах от 0 МГц до 200 МГц. Сигнал с модулятора поступает на широкополосный усилитель мощности и на антенну. Для уменьшения уровня побочных составляющих применена система переключаемых диапазонных фильтров. Работой формирователя управляет контроллер. Формирователь содержит соответствующие интерфейсные модули CAN, LAN и по необходимости WiFi. 123 Простейшая конструкция ВЧ детектора. Это детектор электромагнитных волн. При помощи этого детектора можно настроить любой радиопередатчик, который работает на частотах до 600 МГц, а также найти различные подслушивающие устройства – «жучки». ANT D1 1N4148 C1 25пФ + C2 R1 V - 0.05мкФ 2,2 К Рисунок 70 – Схема детектора электромагнитных волн В качестве индикатора, можно использовать стрелочный индикатор уровня записи от усилителей или стрелочный микроамперметр от 50 мкА до 200 мкА [8]. 10 Способы проникновения в канал передачи сообщений содержащий радиоэлектронные системы различного назначения Системы и средства, обеспечивающие решение следующих задач: передачи сообщений в беспроводных каналах связи; управления различными техническими объектами (воздушными и космическими летательными аппаратами, морскими судами и соединениями). К техническим проблемам, возникающим при создании и использовании средств разведки, примыкают проблемы проектирования и эксплуатации радиоэлектронных средств, систем экологического мониторинга и исследования ресурсов Земли, средств контроля за выполнением международных договоров [7]. Состав аппаратуры средств радиотехнической разведки (РТР). Для всех РТР можно привести следующую схему станции РТР, показанной на рисунке 71. 124 … .. ВЧ часть fвх приемника fвых УПЧ fгет Индикация и регистрация Гетеродин Программа перестройки Рисунок 71 - Сканирующий приемник РТР [7] Составляющие приемника РТР: fвх - частота принятого сигнала; fгет - частота гетеродина; fвых - частота выходного сигнала; УПЧ - усилитель промежуточной частоты (фильтр). Антенно-фидерное устройство средства (станции) РТР обеспечивает широковещательный прием во всем диапазоне частот. Для пеленгования чужого источника необходимо исключить ложное определение направления на пеленгyемый источник. С помощью одной антенны это невозможно, поэтому обычно используют несколько антенн, перекрывающих весь исследуемый частотный диапазон. Для более детальной исследования (разведки) применяют устройства с узкополосными приемными каналами - сканирующие и многоканальные приемники. Параллельные узкополосные фильтры (УПЧ) на выходе смесителя перекрывают своими полосами пропускания весь частотный диапазон, как на рисунке 72. 125 … .. ВЧ часть УПЧ1 приемника УПЧ2 fвх Смеситель fвых ………. fгет УПЧN Гетеродин Индикатор Рисунок 72 - Многоканальный приемник РТР [7] Пеленгация РЭС средствами РТР. Пеленгаторы служат для определения пространственных координат объектов. Все пеленгаторы (радиотехнические измерители угловых координат объектов, излучающих или отражающих радиоволны) и радиосистемы углового сопровождения отождествляют направление прихода сигнала с направлением нормали к фронту волны, созданной источником излучения. К пеленгаторам предъявляются требовании по: быстродействию (возможность измерения пеленга по максимально короткой реализации сигнала, в пределе - по одному импульсу); по точности пеленгации, по разрешающей способности. Амплитудный способ радиопеленгации дает три разновидности амплитуднoгo способа: пеленrование по максимуму; по минимуму; пеленгование на основе сравнения. Способ максимума в принципе может применяться средствами РТР, работающими с остронаправленными антеннами. При пеленговании пространственного положения диаrрамма направленности (ДНА) изменяется и направление максимума совмещается с направлением на источник излучения. По угловому положению ДНА отсчитывается пеленг. При 126 использовании метода максимума ДНА обеспечивается большая дальность пеленгации, поскольку средство радиотехнического излучения работает с большим уровнем сигнала. Структурная схема амплитудного радиопеленгатора, работавшего по способу максимума или минимума, представлена на рисунке 73. ДНА такого пеленгатора имеет два одинаковых главных лепестка, соответственно F1(φ) и F2(φ), максимумы которых развернуты в пространстве на углы ±φ0 относительно некоторого среднего направления [7]. Антенна Линейная часть приемника Механизм поворота антенны Датчик угла поворота Измеритель и индикатор Рисунок 73 - Структурная схема следящий пеленгатор РТР Пеленгаторы, использующие последовательное сравнение амплитуд сигнала, принимаемого одной сканирующей антенной в разные моменты времени, обладают недостатками. Они весьма чувствительны к таким колебаниям уровня принимаемого сигнала, которые искажают информативную для них огибающую сигнала. Измерители угловых координат с одновременным сравнением сигналов с использованием несколькими антеннами. Амплитудная обработка сигнала в моноимпульсных пеленгаторах основывается на использовании систем из нескольких антенн (минимум - двух для пеленгации в одной плоскости). Амплитуды сигналов, принятых двумя антеннами, оси диаграмм направленности которых развернуты на угол ε0 относительно равносигнальноrо направления ε=0, представляются теми же соотношениями, а работа моноимпульсного пеленгатора с амплитудной обработкой показана на рисунке 74. 127 При одинаковых формах ДНА и точно равных коэффициентах усиления приемников (ПРМ на рисунке - 19,а) отношение амплитуд, вычисляемое схемой сравнения, составит A1 ПРМ Е1 ϕ ϕ0 ϕ E1 — E2 d Оценка ϕ 1 E1 — E2 0 ПРМ A2 Е2 ϕ0 Рисунок 74 - Моноимпульсный пеленгатор с амплитудной обработкой сигнала [7] 11 Лабораторные работы 11.1 Описание программного пакета Multisim Multisim – это интерактивный эмулятор схем, он позволяет создавать лучшие продукты за минимальное время. Multisim включает в себя версию Multicap, что делает его идеальным средством для программного описания и немедленного последующего тестирования схем. Multisim позволяет объединить процессы разработки электронных устройств и естирования на основе технологии виртуальных приборов для учебных и производственных целей Подразделение Electronics Workbench Group компании National Instruments анонсировало выпуск Multisim 10.0 и Ultiboard 10.0, самых последних версий программного обеспечения для интерактивного SPICE- моделирования и анализа электрических цепей, используемых в схемотехнике, проектировании печатных плат и комплексном тестировании. Эта платформа связывает процессы тестирования и проектирования, предоставляя разработчику электронного 128 оборудования гибкие возможности технологии виртуальных приборов. Совместное использование программного обеспечения для моделирования электрических цепей Multisim 10.0 компании National Instruments со средой разработки измерительных систем LabVIEW, позволяет сравнивать теоретические данные с реальными непосредственно в процессе создания схем обычных печатных плат, что снижает количество проектных итераций, число ошибок в прототипах [8]. Таблица 18- Возможные обозначения приставок и множителей Приставка Тера Гига Мега Кило Милли Микро Нано Пико Фемто Другие обозначения Вольт Ампер Ватт Герц Секунда Обозначение русское Т Г м к м мк н п ф Обозначение Multisim Т G М k m u n р f Множитель 1012 1010 106 103 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 В А Вт Гц с V А W Hz S Напряжение Ток Мощность Частота Время Таблица 19 - Горячие клавиши Название Ctrl+N Ctrl+O Ctrl+S Ctrl+P Ctrl+Z Ctrl+X Ctrl+C Ctrl+V Ctrl+D Ctrl+F Функции Создать новый файл Открыть файл Сохранить текущий файл Печать графиков / текущий файл Отмена действия Вырезать Копировать Вставить Открывает Circuit Description Box Поиск 129 Продолжение таблицы 19 Название Delete Ctrl+W Ctrl+J Ctrl+Q Ctrl+I Ctrl+B Ctrl+T F5 F6 Alt+Y Alt+X Ctrl+R Ctrl+Shift+R Клавиши курсора Функции Удалить выделенную группу Выбор устройств Вставка узла Добавление провода Вставка коннектора Вставка подсхемы Вставка текста Запуск схемы Пауза Зеркальное отображение по вертикали Зеркальное отображение по горизонтали Поворот на 90 вправо Поворот на 90 влево Перемещает выделенное устройство влево, вправо, вверх, вниз Рисунок 75 - Среда ПО Multisim 130 Рисунок 75 - Обзор компонентов программы [8] В Multisim есть базы данных трех уровней. 1. Из Главной базы данных (Master Database) можно только считывать информацию, в ней находятся все компоненты. 2. Пользовательская база данных (User Database) соответствует текущему пользователю компьютера. Она предназначена для хранения компонентов, которые нежелательно предоставлять в общий доступ. 3. Корпоративная база данных (Corporate Database). Предназначена для тех компонентов, которые должны быть доступны другим пользователям по сети. Средства управления базами данных позволяют перемещать компоненты, объединять две базы в одну и редактировать их. Все базы данных разделяются на группы, а они, в свою очередь, на семейства. Когда пользователь выбирает компонент и помещает его в схему, создается новая копия. Все изменения с ней никак не затрагивают информацию, хранящуюся в базе данных. База данных Master Database разделена на группы. 131 1. Sources. Cодержит все источники напряжения и тока, заземления. Например, power sources (источники постоянного, переменного напряжения, заземление, беспроводные соединения - VCC, VDD, VSS, VEE), signal voltage sources (источники прямоугольных импульсов, источник сигнала через определенные промежутки времени), signal current sourses (постоянные, переменные источники тока, источники прямоугольных импульсов). 2. Basic. Содержит основные элементы схемотехники: резисторы, индуктивные элементы, емкостные элементы, ключи, трансформаторы, реле, коннекторы и т.д. 3) Diodes. Содержит различные виды диодов: фотодиоды, диоды Шоттки, светодиоды и т.д. 3. Transistors. Содержит различные виды транзисторов: pnp-,npn- транзисторы,биполярные транзисоры, МОП-транзисторы, КМОП- транзисторы и т.д. 4. Analog. Содержит все виды усилителей: операционные, дифференциальные, инвертирующие и т.д. 5. TTL. Содержит элементы транзисторно-транзисторной логики. 6. CMOS. Содержит элементы КМОП-логики. 7. MCU Module – управляющий модуль многопунктовой связи (от англ. multipoint control unit). 8. Advanced_Peripherals. Содержит подключаемые внешние устройства (дисплеи, терминалы, клавишные поля). 9. Misc Digital. Содержит различные цифровые устройства. 10. Mixed. Содержит комбинированные компоненты. 11. Indicators. Содержит измерительные приборы (вольтметры, амперметры), лампы и т.д. Мультиметр. Мультиметр предназначен для измерения переменного или постоянного тока или напряжения, сопротивления или затухания между двумя узлами схемы. Диапазон измерений мультиметра подбирается автоматически. Его внутреннее сопротивление и ток близки к идеальным значениям, но их можно изменить. 132 Рисунок 77 - Вкладка «Мультиметр» [8] Генератор сигналов. Генератор сигналов (function generator) – это источник напряжения, который может генерировать синусоидальные, пилообразные и прямоугольные импульсы. Можно изменить форму сигнала, его частоту, амплитуду, коэффициент заполнения и постоянный сдвиг. Диапазон генератора достаточен, чтобы воспроизвести сигналы с частотами от нескольких герц до аудио и радиочастотных. Рисунок 78 – Вкладка «Генератор сигналов» Осциллограф. В Multisim есть несколько модификаций осциллографов, которыми можно управлять как настоящими. Они позволяют устанавливать параметры временной развертки и напряжения, выбирать тип и уровень запуска измерений. Данные осциллографов можно посмотреть после эмуляции с помощью 133 самописца (Grapher) из меню Вид\Плоттер (View/Grapher). В Multisim есть следующие осциллографы: - 2-х канальный - 4-х канальный - осциллограф смешанных сигналов Agilent 54622D - 4-х канальный цифровой осциллограф с записью Tektronix TDS 2024. Рисунок 79 – Вкладка «Осциллограф» Построитель частотных характеристик. Отображает относительный фазовый или амплитудный отклик входного и выходного сигналов. Это особенно удобно при анализе свойств полосовых фильтров [8]. Рисунок 80 – Вкладка «Построитель частотных характеристик» Спектральный анализатор. Спектральный анализатор (spectrum analyzer) служит для измерения амплитуды гармоники с заданной частотой. Также он может 134 измерить мощность сигнала и частотных компонент, определить наличие гармоник в сигнале. Результаты работы спектрального анализатора отображаются в частотной области, а не временной. Обычно сигнал- это функция времени, для её измерения используется осциллограф. Иногда ожидается синусоидальный сигнал, но он может содержать дополнительные гармоники, в результате, невозможно измерить уровень сигнала. Если же сигнал измеряется спектральным анализатором, получается частотный состав сигнала, то есть определяется амплитуда основной и дополнительных гармоник. Рисунок 81 – Вкладка «тральный анализатор» Ваттметр. Прибор предназначен для измерения мощности и коэффициента мощности [8]. Рисунок 82 – Вкладка «Ваттметр» 135 В Multisim предусмотрено множество режимов анализа данных эмуляции, от простых до самых сложных, в том числе и вложенных. Основные виды анализа: 1. DC – анализ цепи на постоянном токе. Анализ цепей на постоянном токе осуществляется для резистивных схем. Это правило следует напрямую из теории электрических цепей; при анализе на постоянном токе конденсаторы заменяют разрывом, катушки индуктивности – коротким замыканием, нелинейные компоненты, такие как диоды и транзисторы, заменяют их сопротивлением постоянному току в рабочей точке. Анализ цепи на постоянном токе выявляет узловые потенциалы исследуемой схемы. 2. AC – анализ цепи на переменном токе. Анализ цепей на переменном токе заключается в построении частотных характеристик. 3. Transient – анализ переходных процессов Анализ переходных процессов в цепях позволяет определить форму выходного сигнала, то есть построить график сигнала как функции времени. Чтобы начать анализ, выберите пункт меню Simulate\ Analyses и выберите требуемый режим. Общие правила моделирования. При моделировании схем необходимо соблюдать следующие общие правила. 1. Любая схема должна обязательно содержать хотя бы один символ заземления. 2. Любые два конца проводника либо контакта устройства, встречающихся в точке, всегда считаются соединенными. При соединении трех концов (Тсоединение) необходимо использовать символ соединения (узел). Те же правила применяются при соединении четырех и более контактов. 3. В схемах должны присутствовать источники сигнала (тока или напряжения), обеспечивающие входной сигнал, и не менее одной контрольной точки (за исключением анализа схем постоянного тока). Топология схем. 1. В схеме не должны присутствовать контуры из катушек индуктивности и источников напряжения. 2. Источники тока не должны соединяться последовательно. 136 3. Не должно присутствовать короткозамкнутых катушек. 4. Источник напряжения должен соединяться с катушкой индуктивности и трансформатором через последовательно включенный резистор. К конденсатору, подключенному к источнику тока, обязательно должен быть параллельно присоединен резистор. 11.2 Лабораторная работа № 1. Спектральное представление сигналов Цель работы. Цель исследования состоит в изучении характеристик гармоник сигнала с помощью анализатора спектра и ваттметра. Теоретические сведения. Теоретически синусоидальные сигналы представляются одной спектральной линией на графике зависимости амплитуды от частоты. При искажении исходного сигнала появляются дополнительные гармоники, отличные от основной. Математически, складывая мощность каждой гармоники с мощностью основной гармоники, можно восстановить весь исходный сигнал. Другие формы сигнала, такие как, прямоугольная, треугольная и пилообразная содержат в себе бесконечное количество гармоник, сложение которых, дает форму сигнала, его амплитуду и частоту. Сколько бы ни было параметров у сигнала, спектральный анализ является основным средством для изучения отдельных его компонентов. В лабораторной работе 9 применяется спектральный анализ амплитудно-модулированного сигнала [8]. Сигнал пилообразной формы может быть представлен суперпозицией бесконечного количества синусоидальных сигналов, частоты которых кратны основной частоте. Амплитуда и мощность этих синусоид уменьшаются с увеличением их частоты. Ряд Фурье пилообразного сигнала выглядит следующим образом: (57) . 137 При вычислении среднеквадратического значения напряжения гармоник будем пользоваться формулой: (58) . Основная частота: (59) . Хотя ƒ0 могла бы описывать несущую частоту сигнала прямоугольной формы без учета сложения нечетных гармоник, в данном случае это просто синусоида. Частота второй гармоники равна 3ƒ0, третьей - 5ƒ0 и т.д.. По мере добавления каждой гармоники, форма сигнала становится более похожей на прямоугольную. Идеальный сигнал прямоугольной формы включает в себя бесконечное количество нечетных гармоник. Например, если несущая частота прямоугольного сигнала 1 кГц, тогда 3ƒ 0 = 3 кГц, 5ƒ0 = 5 кГц, 7ƒ0 = 7 кГц. В таком случае ряд Фурье выглядит как: (60) . В данном случае напряжение, будем вычислять по формуле: (61) . Так как амплитуда гармоник высоких порядков во много раз меньше амплитуды несущей частоты, то вычисление гармоник, как правило, происходит до 5-го порядка [8]. Используемые компоненты. Резистор: 1 кОм. Оборудование. 1. «Генератор функций» (Function Generator). 2. Осциллограф (Oscilloscope). 3. Ваттметр (Wattmeter). 138 4. Анализатор спектра (Spectrum Analyzer). Рабочие формулы. Мощность в ваттах: (62) . Напряжение гармоники прямоугольного сигнала n-го порядка: (63) . . (64) Напряжение гармоники пилообразного сигнала n-го порядка: (65) . (66) . Порядок выполнения работы. 1. Соберите схему, изображенную на рисунке 83. Подсоедините «Генератор функций», осциллограф, ваттметр и анализатор спектра. При подключении ваттметра помните, что клеммы, обозначенные V, подключается параллельно с нагрузкой, а клеммы, обозначенные I, – последовательно с нагрузкой. 2. Дважды щелкните на осциллографе, для настройки его параметров. Установите масштаб Time Base (Временная ось) равным 50 µs/Div, установите значение Channel 1 (Канал 1) равным 10 V/Div. Выберите режим автоматического запуска (Auto Triggering) и режим пропускания постоянной составляющей сигнала (DC coupling). 3. Дважды щелкните на «генераторе функций», для настройки его параметров. Выберите Frequency (Частота) = 10 кГц, Duty Cycle (Производительность) = 50 %, Amplitude (Амплитуда) = 10 V, Offset = 0, Выберите Square Wave (Прямоугольная форма). 139 4. Двойным щелчком на анализаторе спектра откройте его дисплей. Выделите Set Span. Установите Start (Начало) = 10 k, End (Конец) = 100 k и Amplitude (Амплитуда) = Lin. Нажмите Enter. 5. Начните моделирование. 6. Два раза щелкните на осциллографе и убедитесь, что значение амплитуды равно 10V. 7. Дважды щелкните на анализаторе спектра. Сдвиньте вертикальный маркер в левую часть окна и измерьте частоту и амплитуду несущего сигнала с частотой 10 кГц. Эти значения будут отображаться в левом нижнем углу окна. Рассчитайте общую мощность в мВт, используя формулу 57. 8. Вычислите предполагаемое среднеквадратическое (rms) напряжение по формуле 59. Рассчитайте предполагаемую мощность. Проделайте такие же измерения и вычисления для 3-ей и 5-ой гармоник. Увеличьте мощность 3-ей и 5-ой гармоник и вычислите суммарную мощность. Сверьте полученные результаты, нажав два раза на Wattmeter. Полученные результаты занесите в таблицу. 9. Два раза нажмите на Function Generator (Генератор функций) и выберите Triangle Waveform (Треугольная форма сигнала). 10. Понаблюдайте за экраном в окне Oscilloscope (Осциллограф). 11. Опишите спектр, включающий множество гармоник. 12. Ещё раз дважды нажмите производительность равным 80 на Function %. Понаблюдайте Generator за и выставьте дисплеемOscilloscope (Осциллограф) отмечая изменения формы сигнала. 13. Два раза щелкните на Spectrum Analyzer (Спектральный Анализатор) и понаблюдайте за спектром пилообразной формы сигнала. 14. Заполните таблицу для пилообразной формы сигнала. 140 Рисунок 83 – Экранная форма схемы генератора сигналов [8] Предполагаемый результат показан на рисунке 84. Рисунок 84 - Частотный спектр сигнала прямоугольной формы частотой 10 кГц Таблица 20 - Результаты для сигнала прямоугольной формы Измеренная частота (Гц) Измеренное среднеквадратическое напряжение (В) Измеренная мощность (мВт) Предполагаемое среднеквадратическое напряжение (В) Предполагаемая мощность (мВт) f0 f3 f5 141 Таблица 21 - Результаты для сигнала пилообразной формы Измеренная частота (Гц) Измеренное среднеквадратическое напряжение (В) Измеренная мощность (мВт) Предполагаемое среднеквадратическое напряжение (В) Предполагаемая мощность (мВт) f0 f3 f5 Дополнительное задание. Дважды щелкните на Function Generator. Выберите сигнал треугольной формы при частоте равной 1 кГц, амплитуде равной 5 В, а значение производительности поставьте 50%. Повторите пункты 2-5 для измерения характеристик. Содержание отчёта. 1. Цель работы. 2. Теоретическая справка. 3. Этапы проведения работы. 4. Экранная форма схемы генератора сигналов. 5. Результаты работы. 6. Выводы. 11.3 Лабораторная работа № 2. Амплитудная модуляция Цель работы. Цель моделирования заключается в исследовании характеристик и принципа действия амплитудной модуляции. Теоретические сведения. Передача информации с помощью амплитудной модуляции является методом, при котором сигнал совмещается (модулируется) с высокочастотным сигналом и посылается в передающую среду, а в приемнике идет обратный процесс демодуляция. Аудио сигналы необходимо модулировать по двум причинам. 142 Диапазон частот, воспринимаемый человеком – от 20 Гц до 20 000 Гц. Поэтому для передачи сигнала на этих частотах потребуется более большая антенна, чем при передаче на высоких частотах. Такое ограничение накладывается из-за требования к длине антенны, длина антенны должна равняться половине длины волны. Так как длина волны равна c , то для передачи сигнала с частотой fc 2 кГц потребуется очень длинная антенна. Если этот же сигнал смешать с высокочастотным 1050 кГц сигналом, длина антенны необходимой для приема значительно уменьшится. Вторая причина, по которой необходимо использование несущей частоты является требование к разделению сигналов приемником. При настройке радиоприемника на определенную станцию, роль разделителя сигналов играет несущая частота. Жесткие требования к приему/передаче сигналов регламентируют использование высокочастотных несущих с маленькой шириной и именно благодаря этому предотвращается наложение информационных сигналов (для амплитудно модулированных сигналов, частота несущего сигнала – 10 кГц). При условии, что информационный сигнал – неискаженная синусоида, в процессе модуляции получим несущую частоту с нижней боковой полосой fc - fm, fc, и верхней боковой полосой fc + fm. При этом на амплитудный спектр несущей будет представлен 3 линиями. С ограничением на ширину полосы сигнала, каждая боковая полоса уменьшится до 5 кГц. Это означает, что на практике ширина полосы аудио сигнала ограничена 5 кГц [8]. В среде модулированный амплитудный Multisim сигнал из модулятор низкочастотного позволяет информационного получить сигнала и высокочастотной несущей fc. Наблюдение модулированного сигнала проведем во временной и частотной областях. Используемые приборы. 1. Амплитудный модулятор (AM Modulator). 2. Осциллограф (Oscilloscope). 3. Анализатор спектра (Spectrum Analyzer). 143 Рабочие формулы. Нижняя боковая полоса: flower = fc – fm. (10-1) (67) fupper = fc + fm. 10-2 (68) Верхняя боковая полоса: Порядок выполнения работы. 1. Соберите схему, изображенную на рисунке 85. 2. Кликните на пиктограмме амплитудного модулятора. Установите значение несущей амплитуды (Carrier Amplitude) 10 В, значение несущей частоты (Carrier Frequency) 100 кГц, частоту модуляции (Modulating Frequency) 800 Гц коэффициент модуляции (Modulation Index) 0,6. 3. Кликните на пиктограмме осциллографа Установите масштаб по оси времени 1 мс/дел., а канала А (Channel A) 10 В/дел. Выберите автоматический пуск и связь по постоянному току. 4. Кликните на пиктограмме спектрального анализатора. Установите параметры масштаба: диапазон частот (Span) 10 кГц, центральная частота 100 кГц и амплитуду (Amplitude) = LIN. 5. Запустите процесс моделирования, по полученным данным нарисуйте график кривой. Измерьте частоты несущей и модулированного сигнала, сравните полученные результаты с частотами амплитудного модулятора. 6. Кликните на пиктограмме спектрального анализатора. В открывшемся окне-экране, используя вертикальный маркер исследуйте амплитудный спектр, измерьте частоту частоты нижней и верхней боковой полосы, а также частоту несущей. Сравните с теоретическими значениями, запишите полученные результаты [8]. 144 Рисунок 85 - Схема амплитудного модулятора Предполагаемый результат показан на рисунке 86. Рисунок 86 - Амплитудный спектр амплитудно-модулированного сигнала Таблица 22 – Результаты выполнения работы Измеренные значения Аналитические значения Нижняя частота боковой полосы Верхняя частота боковой полосы Дополнительное задание. Кликните на пиктограмме амплитудного модулятора. Установите значение несущей частоты 200 кГц, частоту модуляции 500 Гц, коэффициент модуляции 1. 145 Запустите процесс моделирования и исследуйте полученные результаты во временной и частотной областях. Измените коэффициент модуляции 1,2 и проанализируйте полученные результаты. Содержание отчёта. 1. Цель работы. 2. Теоретическая справка. 3. Этапы проведения работы. 4. Экранная форма схемы амплитудного модулятора. 5. Результаты работы. 6. Выводы. 11.4 Лабораторная работа № 3. Исследование показателя амплитудной модуляции Цель работы. Цель работы состоит в исследовании различных характеристик АМ модуляции, способов её измерения и выхода по энергии в АМ спектре. Теоретические сведения. Показатель модуляции модулированного по амплитуде сигнала пропорционален несущей амплитуде передаваемого сигнала. Важной частью процесса модуляции является его показатель модуляции или процентное соотношение модуляции. Ниже модулированный АМ сигнал не является эффективным способом передачи информации, вследствие, потери мощности. При показателе модуляции 1, верхняя и нижняя боковые полосы имеют амплитуды равные половине несущей амплитуды. Перемодуляция происходит, когда показатель модуляции больше 1. Причинами перемодуляции являются помехи, возникающие на приемнике, вследствие, вмешательства нежелательных частот боковых полос других станций. В идеале желателен показатель модуляции 1. На практике огибающая должна модулироваться незначительно, чтобы можно было пренебречь потерями при падении напряжения на диоде в процессе демодуляции. 146 Показатель модуляции может быть определен своей огибающей, которая будет отображена на дисплее осциллографа. По мере увеличения амплитуды передаваемого сигнала, на огибающей появятся дополнительные полуволны. Эти полуволны указывают на перемодуляцию. Как только амплитуда передаваемого сигнала уменьшится ниже 100 % модуляции, измерения максимума и минимума огибающей амплитуды удовлетворяют показателя модуляции: (69) . Показатель модуляции определяется как: m Амплитуда модулируемого сигнала . Несущая амплитуда сигнала (70) Процент модуляции вычисляется путем умножения показателя модуляции на 100. Показатель модуляции также может быть определен из частоты спектра, посредством измерения разницы в дБ между амплитудой несущей частоты и амплитудой частоты боковых полос. Эта разница используется для вычисления показателя модуляции: m = 2/10[(несущая, дБ – боковой полосы, дБ)/20]. (71) Амплитудная модуляция не является эффективным средством передачи голосовой и музыкальной информации. При показателе модуляции 1, АМмодуляторы дают только 33 % эффективности. Это связано с тем, что боковые полосы содержат только 1/3 общей мощности. Остальные 2/3 используются несущей, которая не несет полезной информации. Иногда используются другой, более эффективный метод, такой как использование двух боковых полос, подавляющий несущую, а также может использоваться метод одной боковой полосы, которая подавляет несущую и одну боковую полосу. Неотъемлемой проблемой этих 2-х методов является сложность приемников, необходимых для демодуляции сигналов. Амплитудная модуляция остается популярным методом модуляции, из-за простоты приемников, их дешевизной и маленькими размерами. 147 Общая мощность, содержащаяся внутри АМ сигнала, является суммой (в мВт) мощности боковой полосы и несущей мощности: PT = PUSB + PLSB + PC . (72) Эффективность передачи есть сравнение полезной мощности, содержащейся в боковых полосах с неиспользуемой мощностью, содержащейся в несущей. Эффективность передачи может быть определена через показатель модуляции m: u = m2/(2 + m2). (73) То есть при показателе модуляции 1, максимальная эффективность равна: u = 12/(2 + 12) = 1/3. (74) Используемые приборы. 1. Источник амплитудной модуляции (AM Source). 2. Осциллограф (Oscilloscope). 3. Спектральный анализатор (Spectrum Analyzer). Рабочие формулы. Показатель модуляции: (75) . m = 2/10[(несущая, дБ – боковой полосы, дБ)/20]. m Амплитуда модулируемого сигнала . Несущая амплитуда сигнала (76) (77) Эффективность: (78) . Мощность, Вт: PT = PUSB + PLSB + PC . (79) P = Vrms2/RL . (80) PT = PC (1 = m2/2). (81) Порядок выполнения работы. 1. Соберите схему, изображенную на рисунке 87. 148 2. Дважды щелкните на источнике амплитудной модуляции. Выберите несущую частоту (Carrier Frequency) = 100 кГц, частоту модуляции (Modulation Frequency) = 800 Гц, показатель модуляции (Modulation Index) = 0,6. 3. Двойным щелчком мыши откройте экран осциллографа. Установите масштаб временной оси 1 ms/Div и по амплитудной оси (Channel A) 10 V/Div. Выберите режим автоматического запуска (Auto Triggering) и режим пропускания постоянной составляющей сигнала (DC coupling). 4. Двойным щелчком мыши откройте анализатор спектра. Выберите Set Span (установка диапазона измерений). Установите параметры Span (диапазон) = 10 кГц, Center (центр) = 100 кГц, и Amplitude (амплитуда) = LIN. Нажмите Enter. 5. Запустите моделирование и двойным щелчком мыши откройте экран осциллографа. Измерьте vmax, которое представлено максимальным размахом амплитуды несущей частоты в модулированной форме сигнала. Измерьте vmin, которое представлено минимальным размахом амплитуды несущей частоты в модулированной форме сигнала. Вычислите показатель модуляции и сравните его со значением показателя модуляции АМ-источника. Запишите Ваши результаты в таблицу. 6. Двойным щелчком мыши откройте анализатор спектра. Сдвиньте красный вертикальный флажок над значением несущей частоты и измерьте амплитуду (в дБ). Измерьте число децибелов, приходящихся на одну из боковых полос, используя тот же метод. Вычислите показатель модуляции и запишите Ваши результаты в таблицу. Вычислите амплитуду модулируемого сигнала и запишите Ваши результаты в таблицу. 7. Проделайте то же самое при показателе модуляции 0,33. 8. Дважды щелкните на источнике амплитудной модуляции. Установите несущую амплитуду (Carrier Amplitude) = 20 В, несущую частоту (Carrier Frequency) = 100 кГц, частоту модуляции (Modulation Frequency) = 500 Гц, показатель модуляции (Modulation Index) = 0,5. 9. Перезапустите моделирование и пронаблюдайте за огибающей на экране осциллографа и за спектром на экране анализатора спектра. Используя 149 спектральный анализатор, сдвиньте красный указатель к каждой боковой полосе и несущей. Запишите уровни напряжения. Посчитайте мощность каждого, затем значение PT. Определите измеренное значение μ. 10. Установите значение показателя модуляции АМ-источника = 0,5, для того, чтобы определить вычисленное значение эффективности. Запишите Ваши результаты в таблицу. 11. Поменяйте показатель модуляции на 0,7 и повторите. Запишите Ваши результаты в таблицу. Повторите действие, описанное выше, для показателей модуляции 0,8 и 1. Запишите Ваши результаты в таблицу. Рисунок 87 - Образец показателя модуляции и мощности [8] Предполагаемый результат показан на рисунке 88. Рисунок 88 - Дисплей осциллографа при m=0,5 150 Рисунок 89 - Частотный спектр при m=0,5 Таблица 23 – Результаты работы Vmax Vmin mизм Несущая, дБ Боковая mизм mпредполагаемое %m полоса, дБ Амплитуда модулированного сигнала m=0,6 m=0,33 Таблица 24 - Эффективность Измеренное значение Вычисленное значение m = 0,5 m = 0,7 m = 0,8 m=1 Дополнительное задание. Повторите шаг 2 для показателя модуляции 0,80. Установите показатель модуляции равным 1,2, на экране осциллографа и анализатора спектра пронаблюдайте за эффектами перемодуляции. Установите показатель модуляции равным 0,6. Вычислите эффективность амплитуды модулированного сигнала, используя измерения мощности несущей и боковых полос, взятых из частоты спектра. Используйте анализатор спектра для того, чтобы получить Ваши данные и формулы, приготовленные для Ваших вычислений. 151 Содержание отчёта. 1. Цель работы. 2. Теоретическая справка. 3. Этапы проведения работы. 4. Экранная форма схемы показателя модуляции и мощности. 5. Результаты работы. 6. Выводы. 11.5 Лабораторная работа № 4. Частотная модуляция Цель работы. Цель моделирования состоит в исследовании характеристик и принципа действия частотной модуляции с использованием встроенного частотного модулятора (Frequency Modulator) Multisim. Теоретические сведения. В частотной модуляции (ЧМ), колебания частоты в модулированной волне наблюдаются вместе с изменениями в информационном (передаваемом) сигнале. Амплитудная модуляция легко подвергается воздействию шумов в атмосфере, а также помехам со стороны близкорасположенных источников, которые генерируют сигналы с частотой из полосы модулирующего сигнала. Эти ложные частоты оказывают влияние на модулированный сигнал даже после демодуляции и имеют вид радиопомех. Шум также изменяет амплитуду и ЧМ-сигналов, но поскольку модулирующие взаимоотношения проявляются именно в частотных (а не амплитудных) колебаниях, то помехи, в сущности, не приносят никакого вреда и с легкостью устраняются в процессе демодуляции. Даже если шум попадает между синусоидальными волнами несущей, таким образом потенциально влияя на частоту, почти полное подавление помехи возможно благодаря гарантированно большому отклонению несущей. Девиация частоты – это величина частотного отклонения от несущей частоты. ЧМ-радиопередача девиации частоты до 75 кГц. 152 ограничивает максимальное значение Модулирующий сигнал большой амплитуды приводит к большой максимальной девиации частоты. Модулирующий сигнал с малой амплитудой приводит к малой максимальной девиации частоты. Амплитуда информационного сигнала не влияет на амплитуду модулированной волны. Индекс модуляции устанавливается отношением максимального значения отклонения частоты несущей к частоте модулирующего сигнала m f / f m . Поскольку колебания амплитуды прямо пропорционально влияют на частотную девиацию в ЧМ, отсюда следует, что низкочастотный модулирующий сигнал повлечет за собой меньшее отношение частотного отклонения, так как ЧМсигнал будет подвергаться меньшим колебаниям амплитуды информационного сигнала в секунду, чем при высокочастотном информационном сигнале. Поэтому, важно отметить, что отношение частотного отклонения зависит от частоты информационного сигнала. Правилом ЧМ радиопередачи является ограничение максимальной частоты звуковой волны до 15 кГц. Ширина полосы пропускания W ЧМ-сигнала зависит от числа пар боковых частот с ослаблением не более 20 дБ от высоты наибольшей спектральной линии. Боковые всплески наиболее значительны и представляют собой примерно 98 % общей мощности. Число пар боковых частот зависит от индекса модуляции и это значение предсказуемо. Например, при индексе модуляции равном 3 предполагается наличие шести существенных пар боковых частот [8]. Связанные во времени колебания можно наблюдать при помощи осциллографа. Вернемся к тому, что частотный спектр АМ-волны содержит две боковых частоты для каждого модулирующего сигнала. Одна боковая частота равна fc - fm и располагается ниже несущей частоты. Другая боковая частота равна fc + fm и располагается выше несущей частоты. В ЧМ, однако, в добавление к основным боковым частотам образуемых единственно модулирующим сигналом, появляется большое количество дополнительных боковых частот. fc - 3fm, fc - 2fm, fc - fm, fc , fc + fm, fc + 2fm, fc + 3fm – лишь несколько спектральных линий, наблюдаемых в частотном диапазоне. Мощность спектральных линий убывает с удалением от 153 несущей частоты. Увеличение индекса модуляции приводит к распределению мощности между бОльшим числом спектральных линий. Используемые приборы. 1. ЧМ модулятор (FM Modulator). 2. Осциллограф (Oscilloscope). 3. Анализатор спектра (Spectrum Analyzer). Рабочие формулы. Ширина полосы пропускания: 6 существенных пар боковых частот соответствуют m=3. W =2(# существенных пар боковых частот)fm. (82) Индекс модуляции: m f / f m . (83) Порядок выполнения работы. 1. Соедините элементы схемы как это показано на рисунке 90. 2. Дважды щелкните мышью на иконке частотного модулятора для изменения его параметров. Установите Voltage Amplitude (амплитуду напряжения) = 10 В, несущую Carrier Frequency (несущую частоту) = 100 кГц, Modulation Index (индекс модуляции) = 5 и Signal Frequency (частоту сигнала) = 10 кГц. 3. Двойным щелчком мыши откройте экран осциллографа. Установите масштаб на временной оси 20 мкс/дел и на амплитудной оси Channel А 10 В/дел. Выберите Auto triggering and DC coupling (автозапуск и связь по постоянному току). 4. Запустите процесс моделирования и пронаблюдайте частотно модулированный сигнал в области зависимости амплитуды от времени. Зарисуйте соответствующую форму выходного сигнала в разделе Данные к лабораторной работе. 5. Дважды щелкните мышью на иконке частотного модулятора и измените значение Modulation Index (индекса модуляции) на 3. 6. Двойным щелчком мыши войдите в меню дисплея анализатора спектра. Во вкладке Set Span (установка диапазона измерений) установите Span (диапазон) = 154 125 кГц и Central (центральная частота) = 100 кГц. Нажмите Enter. Это позволит Вам пронаблюдать несущую частоту вместе с некоторыми из боковых. Рассчитайте и запишите предполагаемую девиацию частоты. 7. Изучите частотный спектр. Используйте вертикальный красный маркер для определения несущей частоты на 100 кГц. Проверьте, что выше и ниже лежащие боковые частоты соответствуют значениям fc - 3fm, fc - 2fm, fc - fm, fc , fc + fm, fc + 2fm, fc + 3fm и т.д. Передвигайте красный маркер через несущую для определения их положения. 8. Делая заметки об амплитуде каждой из спектральных линий, найдите наибольшую справа от несущей частоты. Запишите её значение и посчитайте число спектральных линий справа от несущей, чья амплитуда не более чем на 20 дБ ниже наибольшей. Рассчитайте ширину полосы пропускания в разделе Данные к лабораторной работе. 9. Установите индекс модуляции равным 5, запустите процесс моделирования и изучите спектр. Измените индекс модуляции на 1.5 и опишите Ваши наблюдения. Рисунок 90 - ГУН (генератор, управляемый напряжением) АМ-модулятора (VCO AM Modulator). Предполагаемый результат показан на рисунке 91. 155 Рисунок 91 - Частотный спектр ЧМ-сигнала График ЧМ-сигнала (зависимость амплитуды от времени): Дополнительное задание. Дважды щелкните мышью на иконке частотного модулятора и измените значение Modulation Index (индекса модуляции) на 2,4. Запустите процесс моделирования. Опишите спектр и объясните основные характеристики (для объяснения воспользуйтесь коэффициентами Бесселя). Содержание отчёта. 1. Цель работы. 2. Теоретическая справка. 3. Этапы проведения работы. 4. Экранная форма схемы генератора ЧМ-модулятора. 5. Результаты работы. 6. Выводы. 156 11.6 Лабораторная работа № 5. Пассивный полосовой фильтр Цель работы. Цель данного моделирования состоит в исследовании характеристик и принципа действия пассивного полосового фильтра. Теоретические сведения. Полосовые фильтры задерживают сигналы всех частот за исключением тех, которые находятся в полосе пропускания фильтра. Частота входного сигнала, при которой выходной сигнал максимален, называется основной частотой или резонирующей частотой. В пассивной полосовой схеме маленький коэффициент LC обеспечивает широкую полосу пропускания, а большой коэффициент LC вызывает сужение полосы. Ширина полосы пропускания LC цепей определяется частотами, входящими в полосу 3Дб. В полосовом фильтре, изображенном на Рисунок - 4-1, спад амплитудно-частотной характеристики наблюдается с обеих сторон основной частоты [8]. Преобразование Лапласа используется для вычисления полюсов заданного фильтра. В данной лабораторной работе для фильтра второго порядка спад амлитудно-частотной характеристики должен достигать 40 Дб/дек вблизи интересующей нас частоты. В результате преобразования Лапласа, заданная функция для схемы на рисунке 92 будет иметь вид: v0 R s . R 1 vi L 2 s s L LC (84) Изменение значений R, L, или С отразится на расположении полюсов. Изменение значения сопротивления R отразится на изменении полосы пропускания, но не основной частоты. Изменение емкости конденсатора C2 повлияет на изменение резонансной частоты, но не полосы пропускания. Изменение значения индукции L вызовет изменение и основной частоты и полосы пропускания [8]. 157 Элементная база. 1. Резисторы (Resistors): 1.1 Ом, 1 Ом. 2. Катушка индуктивности (Inductor): 33 мкГн μH. 3. Конденсатор (Capacitor): 2.4 нФ. Оборудование. 1. Осциллограф (Oscilloscope). 2. Графопостроитель диаграммы Боде(Bode Plotter). 3. Источник переменного напряжения (AC Voltage Source). Рабочие формулы. Ширина полосы пропускания: BW R . 2L (85) Добротность: Q fc L 1 L . BW R R C (86) Основная частота: 1 LC . (87) Децибелы: dB 20 log V . (88) Порядок выполнения работы. 1. Соберите схему как показано на рисунке 92. 2. Вычислите резонансную частоту и запишите значение в таблицу. 3. Двойным щелчком мыши войдите в меню AC Voltage Source (источника переменного напряжения) и введите полученное значение Frequency (частоты). 4. Двойным щелчком мыши войдите в меню Oscilloscope (осциллографа), установите масштаб по оси времени 5 мкс/дел и Channel A (канал А) в 200 мкВ/дел. Поставьте флажки Auto triggering (автоматический запуск) и DC coupling (связь по постоянному току). 5. Запустите процесс моделирования и измерьте частота колебаний выходного сигнала. Запишите соответствующие значения амплитуды в таблицу. 158 6. Изменяя частоту (при значении амплитуды =1) AC Voltage Source (источника переменного напряжения), в соответствии с данными таблицы, измерьте и запишите напряжение выходного сигнала при всех частотах. С помощью формулы 4-5, вычислите соответствующие значения в дБ. Необходимо запускать процесс моделирования для каждого измерения. Изобразите амплитудно-частотный спектр для полученных данных. Прокомментируйте полученные результаты. 7. Двойным щелчком мыши войдите в меню Bode Plotter (графопостроитель диаграммы Боде) и установите значения Magnitude LOG F = 5 дБ, 1.3 МГц, I = -60 дБ, 200 КГц. 8. Перезапустите процесс моделирования и рассчитайте ширину полосы пропускания фильтра, перемещая красный маркер к уровню 3 дБ и к уровню в нижней правой части Bode Plotter. Сравните полученные амплитудно-частотные спектры с результатами, полученными с помощью Bode Plotter. 9. Сравните полученные значения ширины полосы пропускания с теоретическими и заполните таблицу. Рисунок 92 - Схема пассивного полосового фильтра Предполагаемый результат показан на рисунке 93. 159 Рисунок 93 - Диаграмма Боде полосового фильтра Таблица 25 – Результаты выполнения работы Measured Value (измеренные значения) Calculated Value (вычисленные значения) BW Fc Q Таблица 26 – Результаты выполнения работы Frequency (частота) fc = _______ 600 Гц 6 кГц 60 кГц 600 кГц 6 МГц 60 МГц 600 МГц Amplitude (V) (амлитуда) Decibel Gain (dB) (коэффициент) Дополнительное задание. При помощи приведенных формул, изменяя значения элементов схемы, получите значение fc = 455 кГц. Замена элементов моделирования осуществляется двойным нажатием на интересующем элементе. Запустите процесс моделирования и сравните получившиеся данные с ожидаемыми. 160 Содержание отчёта. 1. Цель работы. 2. Теоретическая справка. 3. Этапы проведения работы. 4. Экранная форма схемы пассивного полосового фильтра. 5. Результаты работы. 6. Выводы. 11.7 Лабораторная работа № 6. Проектирование фильтров нижних и высоких частот Цель работы. Цель данной работы состоит в демонстрации характеристик и операций, относящихся к формированию фильтров нижних и высоких частот, используя встроенную функцию Multisim 10. Будут рассмотрены характеристики активных и пассивных схем. С помощью встроенной в Multisim 10 функции, будут сформированы фильтры Баттерворта и Чебышева. Фильтр нижних частот не пропускает частоты, которые выше заданной частоты. Фильтр высоких частот не пропускает частоты, находящиеся ниже заданной частоты. Значение -3 дБ или угловая частота, это такая частота, где амплитуда сигнала ослабляется до 0,707 или -3 дБ. Оборудование. 1. Bode Plotter (графопостроитель диаграммы Боде). 2. Источник переменного напряжения. Рабочие формулы. Угловая частота = 0,707 Vin. Порядок выполнения работы. 1. Выберите Tools/Circuit Wizards/Filter Wizard из главного меню. Выберите Low Pass Filter (Фильтр нижних частот), нижнюю частоту задайте около 9 кГц, а запирающую частоту примерно 19 кГц, также укажите Butterworth Type и Active 161 Topology. Когда вы выбираете тип Active, вы выбираете проектирование вашего фильтра по операционному усилителю. Если вы выберите Passive, то проектирование фильтра будет происходить посредством пассивных компонентов, т. е. резисторов, индукторов и конденсаторов. 2. Нажмите Verify (Проверить). Если вычисления успешны, нажмите Build Circuit (Построить схему), схема будет построена автоматически. Укажите на рабочее пространство, где бы вы хотели все это разместить. Выберите АС Source (Источник переменного тока) вверху, на панели компонентов источников энергии. Два раза нажмите на нем и выставьте частоту в 500 Гц и напряжение 12 В. 3. Выберите Bode Plotter (графопостроитель диаграммы Боде) из панели инструментов (в правой части рабочей области). IN соединения Bode Plotter (графопостроитель диаграммы Боде) должны находится напротив входа, а OUT соединения должны находится напротив выхода. Запустите моделирование. Вы должны увидеть обычный выход фильтра нижних частот, как показано на рисунке. 4. Выберите правый красный указатель и перетащите его до точки -3 дБ. Посчитайте число дБ на декаду. 5. Повторите то же самое, выбрав High Pass Filter (Фильтр высоких частот) с верхней частотой равной 3 кГц и запирающей частотой в 3,75 кГц, выберите Chebyshev Type и Passive Topology. Перезапустите моделирование, наблюдая за выходом фильтра высоких частот. 6. Переключите дисплей Bode Plotter на PHASE (Фаза) и измерьте фазовый сдвиг (опережения или запаздывания) на частотах, установленных ранее: фазовый сдвиг, когда выход равен 90 % = _______ градусов; фазовый сдвиг, когда выход равен 70,7 % = _______ градусов; фазовый сдвиг, когда выход равен 10 % = _______ градусов [8]. Предполагаемый результат показан на рисунке 94. 162 Рисунок 94 – Предполагаемый результат выполнения работы Содержание отчёта. 1. Цель работы. 2. Теоретическая справка. 3. Этапы проведения работы. 4. Результаты работы. 5. Выводы. 11.8 Лабораторная работа № 7. Анализ работы усилителя высокой частоты Цель работы. Цель моделирования состоит в исследовании характеристик и принципа действия рабочей точки усилителя высокой частоты по постоянному и переменному току. Теоретические сведения. По названию усилителя частоты можно судить о выполняемых им функциях. Они усиливают избранную узкую полосу радиочастот. Благодаря большому количеству свойств они получили широкое распространение в радиотехнике. 163 Усилители мощности, напряжения, частоты, буферный усилитель получили широко используются в электронной промышленности. На рисунке 95 изображена схема радиочастотного усилителя, используемого для усиления сигналов в диапазоне 1,5 МГц. Для описания характеристик постоянного напряжения схемы, будем пользоваться анализатором рабочей точки по постоянному току (Multisim’s DC Operating Point Analysis). При этом все источники напряжения переменного тока установлены на нуль, все конденсаторы открыты. Далее, мы будем использовать анализатор по переменному току (Multisim’s AC Analysis) для получения примерного вида графика выходного напряжения в заданном диапазоне частот. Такие операции позволяют инженеру получить общее представление о параметрах схемы, избегая при этом лишних вычислений. Используемые компоненты и оборудование. 1. Резисторы (Resistors): 10 кОм, 1 кОм, 5 кОм, 50 кОм. 2. Катушка индуктивности (Inductor): 125 мкГн. 3. Конденсаторы (Capacitors): 80 пФ, 1 мкФ. 4. Биполярный плоскостной транзистор n-p-n структуры (BJT NPN Transistor IDEAL). 5. Источник напряжения переменного тока (AC Voltage Source). 6. Осциллограф (Oscilloscope). Рабочие формулы. По постоянному току: R2 Vcc . R1 R2 (89) VBB VBE . RBB ( 1) RE (90) IC I B . (91) Vbb IB По переменному току: fc 164 1 2 LC . (92) Z L . RC (93) Q Z . XL (94) BW (95) fC . Q Порядок выполнения работы. 1. Соберите схему, изображенную на рисунке 95. 2. Кликните на пиктограмме осциллографа Установите масштаб по оси времени 1мс/дел., а канала А (Channel A) 5 мВ/дел. Выберите автоматический пуск и связь по постоянному току. Выберите установки (Simulate/Interactive Simulation Settings) и в начальных Conditions) установите - автоматически определять моделирования условиях (Initial исходные состояния (Automatically determine initial conditions). 3. Запустите процесс моделирования и измерьте частоту осцилляции на выходе усилителя частоты. Для этого используйте приведенные рабочие формулы. Для исследования по постоянному току используйте соответствующие формулы. 4. Выберите Моделирование/Анализ/Рабочая точка по постоянному току. (Simulate/Analyses/DC Operating Point). Соедините выходной узел с коллектором транзистора, а узел подачи напряжения к базе. 5. Запустите процесс моделирования и сравните исследования по постоянному току с вашими вычислениями. 6. Выберите Моделирование/Анализ/Анализ по переменному току (Simulate/Analyses/AC Analysis). Выберите вывод в таблицу (Output Variable tab) и установите номер выходного порта. Запустите процесс моделирования и получите эскиз амплитудного спектра в заданном диапазоне частот. Вычислите ширину полосы частот, сравните результаты с полученными ранее [8]. 165 Рисунок 95 Схема радиочастотного усилителя Предполагаемый результат показан на рисунке 96. Рисунок 96 - Зависимость выходного напряжения усилителя от времени. Таблица 27 – Результаты выполнения работы Измеренные значения fc Vc Vb BW 166 Аналитические значения Дополнительное задание. Переделайте схему усилителя частоты, для усиления частоты 1.3 МГц. Запустите процесс моделирования, включая анализ рабочей точки по переменному току для проверки рассчитанных параметров. Содержание отчёта. 1. Цель работы. 2. Теоретическая справка. 3. Этапы проведения работы. 4. Экранная форма схемы радиочастотного усилителя. 5. Результаты работы. 6. Выводы. 11.9 Лабораторная работа № 8. Исследование колебательного контура Цель работы. Цель данного моделирования состоит в исследовании характеристик и принципа действия контуров устойчивости. Теоретические сведения. Для того, схема была устойчивой, несмотря на любые скачки в усилителе, частота осцилляции или же частота самого прибора должна быть меньше частоты выходного сигнала. Контуры устойчивости используют различные частоты для определения устойчивости исследуемых схем. Контуры устойчивости в Multisim использует круговую диаграмму полных сопротивлений, (диаграмму Водьперта – Смита) входной и выходной устойчивой схемы. Любые неустойчивые участки отображаются на диаграмме электрическими шумами. Термин означает, что любой источник тока (напряжения), любое входное сопротивление может быть использовано и в этом случае никаких помех не будет. Термин потенциально неустойчивая означает, что любое входное сопротивление выбранное для проектирования схемы должно быть за границей шума ВХОДНОГО 167 КРУГА УСТОЙЧИВОСТИ, а выходное сопротивление должно быть за границей шума ВЫХОДНОГО КРУГА УСТОЙЧИВОСТИ. По значения параметров delta и K в окне Match Net также можно судить о условиях устойчивости. Если K > 1 и delta < 1, схема – абсолютно устойчива. Если K < 1 или delta > 1, то будут происходить хаотические колебания, и усилитель будет потенциально неустойчивым. Используемые компоненты и оборудование. 1. Резисторы (Resistors): 10 Ом, 1 кОм, 5 кОм, 25 кОм. 2. Катушка индуктивности – значение будет вычислено во время выполнения работы. 3. Конденсаторы: 0.01 Ф, значение будет вычислено во время выполнения работы. 4. Радиотехнический транзистор n-p-n структуры (RF NPN Transistor MMBR901L). 5. Анализатор соединения (Network Analyzer). Рабочие формулы. Условие устойчивости: delta < 1 and K > 1. (96) Частота резонанса: fC 1 2 LC . (97) Порядок выполнения работы. 1. На рисунке 97 изображена схема радиочастотного усилителя. Переделайте её таким образом, чтобы она резонировала на частоте 1,59 ГГц. Замените идеальный (NPN transistor) n-p-n транзистор на радиочастотный транзистор. Выберите транзистор MMBR901L. Добавьте конденсаторы емкостью 100 Ф. Добавьте оставшиеся компоненты L1 и С2 с рассчитанными значениями. 2. Кликните по пиктограмме анализатора соединения. 168 3. Запустите процесс моделирования. Выберите условие устойчивости (Stability Factor) в меню параметров (Parameter). Измените частоту до 2,29 ГГц и запишите значения коэффициентов delta и K для этой частоты. 4. Выберите Match Net Designer в меню Mode. Измените частоту до 2,29 ГГц. Проследите появление шумов на диаграмме Водьперта – Смита. Увеличьте частоту до 3,981 ГГц. Исследуйте параметры шума и запишите значения коэффициентов delta и K. Уменьшите частоту до частоты резонанса – 1,59 ГГц и запишите значения коэффициентов delta и K. Опишите параметры шумов [8]. Рисунок 97 - Усилитель радиочастоты Рассчитанное значение C2 @ f = 1.59 ГГц ______________ Рассчитанное значение L1 @ f = 1.59 ГГц _______________ 169 Таблица 28 - Результаты выполненной работы Delta X f = 2.29 ГГц f = 3.36 ГГц f = 1.59 ГГц Дополнительное задание. Переделайте схему таким образом, чтобы она резонировала на частоте 5 ГГц. Добавьте необходимые элементы. Повторите шаг 1. Прокомментируйте полученные результаты. Содержание отчёта. 1. Цель работы. 2. Теоретическая справка. 3. Этапы проведения работы. 4. Экранная форма схемы усилителя радиочастоты. 5. Результаты работы. 6. Выводы. 11.10 Лабораторная работа № 9. Исследование процедуры согласование сопротивлений Цель работы. Цель данного моделирования заключается в исследовании характеристик согласования сопротивлений. Теоретические сведения. Анализ входного и выходного импеданса, как правило, осуществляется с передачей мощности и требованиям к полосе пропускания. Согласование сопротивлений играет важную роль, потому что не подходящее соответствие входа или выхода может явиться результатом потери мощности, Идеальная передача мощности без потерь невозможна из-за внутреннего сопротивления, присущего источникам напряжения и тока. Это внутреннее сопротивление ограничивает ток, 170 который предоставляется источником тока и уменьшает выходное напряжение, переданное нагрузке. Значение оптимального импеданса достигается в тот момент, когда достигнута максимальная мощность. Максимальное значение передачи мощности ограничивает возможности схемы к более узкой полосе пропускания. Используемые компоненты и оборудование. 1. Резисторы: 10 Ом, 1 кОм, 5 кОм, 25 кОм. 2. Индукторы: вычисляются. 3. Конденсаторы: 100 Ф, вычисляются. 4. Радиочастотный n-p-n транзистор MMBR901L. 5. Сетевой анализатор (Network Analyzer). Рабочие формулы. Условие стабильности: Delta < 1 и K > 1. (98) Резонирующая частота: . (99) Порядок выполнения работы. 1. Цепь, изображенная на рисунке 98 похожа на модель схемы, которую мы рассмотрим в нашем эксперименте с радиочастотным усилителем. Перестройте схему, изображенную на рисунке, чтобы резонирующая частота была равна 5,3 ГГц. Замените радиочастотный транзистор с идеальным n-p-n транзистором. Выберите транзистор MMBR901L. Вставьте конденсаторы емкостью 100 Ф. Выберите остальные компоненты из панели компонентов, включающие в вашу схему значения L1 и C2. 2. Двойным щелчком на сетевом анализаторе (Network Analyzer) откройте его дисплей. 3. Запустите моделирование и выберите «Коэффициент устойчивости» (Stability Factor) в качестве «Параметра» (Parameter). Используя панель прокрутки, измените частоту до 5,2481 ГГц. Запишите значения для delta и для K при такой частоте. Проверьте, что усилитель «безоговорочно устойчивый» при этой частоте. 171 4. Выберите (Match Net Designer) в качестве «Режима» (Mode). Измените частоту до 5,2481 ГГц в качестве желаемой рабочей точки и выберите ярлык «Согласование сопротивлений» (Impedance Matching). Включите параметр «Авто согласование» (Auto Matching). 5. Перестройте схему, чтобы резонирующая частоты была равна 7 ГГц. 6. Перезапустите моделирование и «Коэффициент устойчивости» в качестве «Параметра». Используя панель прокрутки, измените частоту до 6,9183 ГГц. Повторите шаги 2 - 4, используя эту частоту [8]. Рисунок 98 - Схема радиочастотного усилителя Данные для лабораторной работы. Расчетные данные для С2, f = 5,3 ГГц. Расчетные данные для L1, f = 5,3 ГГц. Расчетные данные для С2, f = 7 ГГц. Расчетные данные для L1, f = 7 ГГц. 172 Дополнительное задание. Перестройте радиочастотный усилитель так, чтобы значение резонирующей частоты было равным 1,59 ГГц. Выполните модель, заменяя необходимые компоненты. Повторите шаги 2 - 4, используя значение рабочей частоты как можно ближе к 1,59 ГГц. Содержание отчёта. 1. Цель работы. 2. Теоретическая справка. 3. Этапы проведения работы. 4. Экранная форма схемы радиочастотного усилителя. 5. Результаты работы. 6. Выводы. 11.11 Лабораторная работа № 10. Исследование свойств волноводов Цель работы. Цель моделирования состоит в демонстрации характеристик волноводов. Волноводом является любая среда, проводящая волны. Теоретические сведения. Волноводы применяются для частот свыше нескольких гигагерц, когда использование коаксиального кабеля приводит к скин-эффекту, затуханию радиоизлучения и потерям сигнала. Электромагнитная волна, подаваемая на вход при помощи пусковой установки, ограничивается волноводом и отражается от его проводящих стенок. Предусматривается большой разброс, позволяющий передавать сотни тысяч ватт мощности без пробоя каких-либо несуществующих диэлектрических барьеров между проводниками, как в случае с коаксиальным кабелем. Это выражается в очень малых потерях. Затем сигнал принимается поглотителем сигналов. Очень важно обратить внимание на размеры волновода. Полосы частот волновода имеют определенные буквенные обозначения для диапазонов указанных размеров, частот и критических длин волн. Критическая 173 частота волновода – наименьшая частота, с которой сигнал распространяется по проводящему каналу действующего волновода. Эта частота обычно выражается как длина волны, которая ограничивает её (волны) способность к распространению. Поведение действующих волноводов очень схоже с фильтрами верхних частот, обеспечивая высокое подавление сигнала на частотах меньше критической. Характеристический импеданс – это полное сопротивление, которое может быть измерено на входе волновода бесконечной длины, и выражается следующим образом: Z OL где fS 120 fS 2 1 ( ) CL 1 , 2 (100) c - произвольная длина волны; f CL 2. Используемые компоненты и оборудование. 1. Резисторы: 55 Ом (Resistors). 2. Образцовый волновод (Sample Waveguide). 3. Источник напряжения переменного тока (AC Voltage Source). 4. Осциллограф (Oscilloscope). Рабочие формулы Характеристический импеданс: Z OL где fS 120 fS 2 1 ( ) CL 1 . 2 c - произвольная длина волны; f CL 2-критическая длина волны; f CL c CL - критическая частота; c 2.9974 1010 см / с . Волновод прямоугольного сечения (С-band waveguide). 174 (101) Диапазон частот от 4,9 ГГц до 7,05 ГГц. Broadwall dimension of the waveguide в см = 4,039. Волновод круглого сечения (P-band waveguide). Диапазон частот от 18 ГГц до 26,5 ГГц. Broadwall dimension of the waveguide в см = 1,580. Порядок выполнения работы. 1. Соберите схему, изображенную на рисунке 99. 2. Вычислите нижнюю допустимую для распространения сигнала частоту для волновода прямоугольного сечения. Запишите результаты в разделе Данные для лабораторной работы. Задайте частоту для источника напряжения переменного тока равную 4,9 ГГц. 3. 3. Дважды щелкните на образцовом волноводе. Выберите Edit Model (изменить модель). Измените Spice- параметры так, чтобы LEN=4,039*10-2. 4. Двойным щелчком мыши откройте окно осциллографа. Установите масштаб по временной оси 0,2 нс/дел и на амплитудной оси Channel A = 1 В/дел. Запустите процесс моделирования и изучите сигнал на выходе. Измерьте частоту для того, чтобы убедиться в правильности распространения сигнала смоделированным волноводом. Запишите результаты. 5. Задайте частоту для источника напряжения переменного тока равную 7,05 ГГц. Перезапустите процесс моделирования и запишите результаты. Убедитесь в правильности распространения сигнала смоделированным волноводом. Снова запустите процесс моделирования и запишите результаты. 6. Вычислите характеристический импеданс для волновода прямоугольного сечения. Запустите процесс моделирования [8]. 175 Рисунок 99 - Пример работы волновода Предполагаемый результат показан на рисунке 100. Рисунок 100 - Зависимость амплитуды от времени для сигнала на выходе волновода Таблица 29 – Результаты выполнения работы Предполагаемая Измеренная Предполагаемая Измеренная (нижняя) (нижняя) (верхняя) (верхняя) Частота распространения (волновод прямоугольного сечения) 176 Дополнительное задание Повторите все перечисленные шаги для волновода круглого сечения. Сверьте результаты. Содержание отчёта. 1. Цель работы. 2. Теоретическая справка. 3. Этапы проведения работы. 4. Экранная форма схемы работы волновода. 5. Результаты работы. 6. Выводы. 11.12 Лабораторная работа № 11. Анализ работы различных схем на транзисторах и интегральных микросхемах Цель работы. Использование программы Multisim для моделирования и анализа различных электронных схем на транзисторах и интегральных микросхемах. Порядок выполнения работы. 1. Запустите программу Multisim, ознакомьтесь с интерфейсом программы. 2. Соберите схему триггера Шмидта на транзисторах, изображенную на рисунке 101. 3. Установите следующие параметры функционального генератора: форма выходного напряжения - синусоида, частота 1 кГц, амплитуда 10 Вольт, смещение 0. На осциллографе установите масштаб по оси X 0,2 ms/div, по осям Y 5 V/div. 4. Активизируйте схему. Срисуйте с экрана изображение осциллограмм. Используя маркеры, осциллографа, определите значения выходных напряжений и уровни срабатывания Ucp и отпускания UOTn триггера - значения входного синусоидального напряжения во время фронта и спада выходного импульса соответственно [8]. 177 Рисунок 101 – Схема на транзисторах Отметим, что при установках программы по умолчанию моделирование триггера Шмитта обычно производится неточно - вместо прямоугольного импульса на выходе получается трапециидальный импульс с помехами. В связи с этим имеет смысл повысить точность моделирования. Для этого нужно войти в меню SimulateMnteractive Simulation Settings (Установки режимов моделирования) и установить режим Set initial time step (Установить начальный временной интервал), для чего поставить «галочку» перед названием режима. В окне рядом нужно указать длительность временного интервала примерно 10-6 сек (1 е-6) или меньше - чем меньше интервал, тем результат получается точнее, но моделирование идет медленнее. Нажать ОК, затем повторно запустить моделирование. Сравните полученные значения с теоретическими, рассчитанными по формулам: UСР = EnRe/(Re + R2c) + ΔU , (102) UOTn = EnRe/(Re + R1c) + ΔU , (103) где En - напряжение питания; ΔU - напряжение между базой и эмиттером транзистора, примерно 0,7 В. 5. Установите сопротивление эмиттерного резистора Re 430 Ом. Повторите измерения и расчеты п.4. Сделайте выводы. 178 6. Соберите схему для моделирования триггера Шмидта на интегральной микросхеме 74LS14 (российский аналог - 555ТЛ1), изображенную на рисунке 102. Микросхема выбирается из библиотеки TTL/74LS. Установите амплитуду выходного напряжения генератора 5 В, остальные параметры - прежние. Рисунок 102 – Схема на микросхеме 7. Запустите моделирование схемы. Получите и срисуйте с экрана изображение осциллограмм на входе и выходе микросхемы. Определите уровни срабатывания UСР и отпускания UOTП интегрального триггера Шмидта по величине синусоидального напряжения во время фронта и спада выходного импульса соответственно. Сделайте выводы [8]. Содержание отчёта. 1. Цель работы. 2. Этапы проведения работы. 3. Экранная форма схем. 4. Результаты работы (измерения, расчеты и графики). 5. Выводы. 11.13 Лабораторная работа № 12. Изучение транзисторного усилителя Цель работы. Исследование влияния режима работы резистивного транзисторного усилителя на параметры выходного сигнала. Изучение влияние емкостей схемы на АЧХ усилителя. 179 Порядок выполнения работы. 1. Соберите схему для исследования режима работы транзисторного усилителя, приведенную на рисунке 103. Рисунок 103 – Схема транзисторного усилителя 2. Установите частоту колебаний генератора входного напряжения усилителя Gin – 1 кГц, амплитуду – 10 мВ, режим работы вольтметров на измерение постоянного напряжения (DC), сопротивление переменного резистора базового делителя 25 %. Запишите величины постоянных напряжений на выводах транзистора и зарисуйте форму входного и выходного напряжения с экрана осциллографа в подходящих масштабах. Определите коэффициент усиления усилителя как отношение двойных амплитуд выходного и входного сигналов. 3. Повторите измерения для сопротивления переменного резистора базового делителя 15 % и 100 %. Сделайте выводы о влиянии режима работы транзистора на форму и амплитуду выходного напряжения усилителя. 4. Восстановите сопротивление переменного резистора 25 % , а амплитуду напряжения генератора увеличьте до 100 мВ. Повторите измерения. Сделайте выводы. 5. Измените схему с целью изучения влияния на АЧХ усилителя емкостей разделительных конденсаторов и нагрузки, как показано на рисунке 104. 180 6. Установите амплитуду напряжения генератора Gin 10 мВ, режим работы вольтметров – на измерение переменного напряжения (AC), сопротивление переменного резистора – 25 %. Установите емкость конденсатора С2 = 0 мкФ, С1 = 50 мкФ. Определите и запишите коэффициент усиления усилителя как отношение выходного и входного напряжения на частотах 0,1 кГц, 1 кГц и 10 кГц. Сделайте то же самое для С1= 5 мкФ и С1 = 1 мкФ. Постройте на одном графике в логарифмическом масштабе по оси частот и амплитуд (в дБ) семейство из трех АЧХ для каждого значения емкости С1. Сделайте выводы о влиянии емкости разделительного конденсатора на АЧХ усилителя на различных частотах. 7. Установите емкость конденсатора С1 = 50 мкФ, С2 = 0 мкФ. Определите и запишите коэффициент усиления усилителя на частотах 0,1 кГц, 1 кГц и 10 кГц. Сделайте то же самое для С2= 0,01 мкФ и С2 = 0,05 мкФ. Постройте на одном графике в логарифмическом масштабе по оси частот и амплитуд (в дБ) семейство из трех АЧХ для каждого значения емкости С2. Сделайте выводы о влиянии емкости нагрузки на АЧХ усилителя на различных частотах [8]. Рисунок 104 - Схема транзисторного усилителя Содержание отчета. 1. Цель работы. 2. Исследуемые схемы. 181 3. Полученные характеристики и параметры. 4. Выводы. 11.14 Лабораторная работа № 13. Изучение операционных усилителей Цель работы. Изучение устройств на операционных усилителях (ОУ). Порядок выполнения работы. 1. Для снятия передаточной характеристики ОУ с ООС в схеме не инвертирующего усилителя соберите схему, приведенную на рисунке 105. Активизируйте схему. Изменяя входное напряжение ОУ и фиксируя значение выходного напряжения, снимите прямую ветвь передаточной характеристики. Необходимое количество измерений установите самостоятельно с учетом точного определения величины входного напряжения, соответствующего насыщению выходного напряжения. Измените полярность включения генератора входного напряжения и аналогично снимите обратную ветвь передаточной характеристики. Постройте передаточную характеристику ОУ и определите коэффициент усиления и рабочий диапазон входных и выходных напряжений. 2. Для снятия передаточной характеристики ОУ с ООС в схеме инвертирующего усилителя, соберите схему, приведенную на рисунке 106. Повторите измерения п. 1. Постройте передаточную характеристику усилителя на том же графике и определите коэффициент усиления и рабочий диапазон входных и выходных напряжений. Сделайте выводы [8]. 182 Рисунок 105 – Схема усилителя 3. Соберите схему дифференциального усилителя на ОУ, приведенную на рисунке 106. Установите величину входного напряжения 0,1 В, а величину напряжения помехи на генераторе РР 0 В. Активизируйте схему, запишите величину выходного напряжения. Повторите измерения при напряжении помехи 5 В и 10 В. Сделайте выводы о влиянии сигнала помехи на выходное напряжение усилителя. Рисунок 106 - Схема дифференциального усилителя на ОУ Содержание отчета. 5. Цель работы. 6. Исследуемые схемы. 7. Полученные характеристики и параметры. 8. Выводы. 183 11.15 Лабораторная работа № 14. Изучение схемы и работы радиомикрофона Цель работы. Изучить схему и принцип работы радиомикрофона. Теоретические сведения. Микрофон имеет высокое качество сигнала, отсутствует также перемодуляция при громком разговоре вблизи микрофона, хотя чувствительность от микрофона высокая. При напряжении питания 3 вольта, мощности передатчика достаточно для приема на расстоянии до 300 метров. Схема хорошо работает и при напряжении 1,5 вольта. Дальность действия и расход питания при этом уменьшаются. Схема приведена на рисунке 107. Рисунок 107 – Схема радиомикрофона Все каскады имеют непосредственную связь по постоянному току. Сигнал с электретного микрофона подается через С2, который с резистором R2 образовывает цепь частотной коррекции. На транзисторе VT1 собран модулирующий каскад, который одновременно является стабилизатором рабочей точки для VT2,VT3, что позволяет выровнять резкое изменение мощности при изменении напряжения питания и уменьшить уход частоты. Задающий генератор собран на VT2 по схеме емкостной трехточки. Колебательный контур задающего генератора для улучшения 184 электрических характеристик имеет два резонанса, последовательный L1, C5 и выше по частоте параллельный L1, C5, C4, C6. Возбуждение происходит на частоте параллельного резонанса. Частотная модуляция осуществляется за счет изменения емкости базового перехода транзистора VT2 под воздействием НЧ напряжения. Начальная емкость контура подобрана так (C4 от 18 пф до 30 пф), что максимальные изменения емкости базового перехода не вызывают чрезмерной девиации. Выходной каскад собран на VT3, работающий в режиме класса В, с высоким КПД. Ток коллектора зависит в основном от размаха подводимого к базе ВЧ напряжения, которое мало изменяется под воздействием модулирующего сигнала и паразитная амплитудная модуляция практически отсутствует. Антенна, отрезок провода длиной 25 см, подключается к коллектору через удлиняющую катушку L2, подстройкой которой добиваются максимального излучения. Емкость С8 служит для уменьшения влияния посторонних влияний на настройку антенны. Ее можно увеличить до 10 пф для носимого варианта, но эффективность излучения снизится. Такое включение антенны позволяет улучшить фильтрацию высших гармоник. Конденсатор С3 должен быть безиндуктивным и по монтажу подключен вблизи коллектора VT2. Дроссели наматываются на резисторах МЛТ-0,125 100 кОм, проводом ПЭЛ 0,1 и содержат от 40 до 60 витков. Если потребуется поднять мощность передатчика до 100 мВт, можно увеличить напряжение питания до 9 В, но резисторы дросселей в этом случае нужно уменьшить до 1 ком, а выходной каскад перевести в класс. С, путем закорачивания R5. Если нужно уменьшить чувствительность от микрофона, в цепь эмиттера VT1 можно включить резистор от 100 Ом до 300 Ом. Количество витков L1 зависит от выбранного диапазона и составляет 5 витков для 88 МГц - 108 МГц и 7 витков для 66 МГц - 73 МГц, намотанных проводом ПЭЛ 0,65 на оправке 4.5 мм. L2 выполнена проводом ПЭЛ 0,35 намотанных виток к витку на каркасе диаметром 5 мм с подстроечным ферритовым сердечником. Количество витков зависит от длины антенны. При указанной длине составляет 7 или 10 витков соответственно диапазону. 185 Содержание отчета. 1. Цель работы. 2. Исследуемые схемы. 3. Принцип работы радиомикрофона. 4. Выводы. 11.16 Лабораторная работа № 15. Изучение схемы и работы индикатора поля Цель работы. Изучить работу и схему индикатора поля. Теоретические сведения. Характеристики индикатора поля. Рабочая частота от 20 MГц до 1300 MГц. Чувствительность 1 мВ. Пределы локализации от 0,05 м до 7 м. Напряжение питания от 4,5 В до 9 В. Ток потребления 8 мА. Тип антенны – телескопическая. Схема индикатора поля (поискового прибора) показана на рисунке 108. 186 Рисунок 108 – Схема индикатора поля Прибор удобно использовать для контроля за работой и настройки маломощных передающих устройств, работающих в широком диапазоне частот. Это устройство предназначено для локального поиска радиозакладок. Его отличительными особенностями являются простота повторения, надежность, малые габариты. Недостаток - немного реагирует на посторонние излучения радиоэфира от телерадиопередающих станций, радиотелефонов. Входной сигнал, наведенный телескопической антенной, поступает на входной усилитель ВЧ, построенный на транзисторе VT1, и далее, через фильтр C1, L1, C3 на детектор-компаратор DA1. Порог включения компаратора устанавливается резистором R5. Сигнал компаратора с выхода 6 через инвертор DD1.3 и ключ VT2 управляет генератором прямоугольных импульсов на элементах DD1.4, DD1.5 с частотой 1 Гц, который, в свою очередь, включает генератор звуковой частоты на DD1.1, DD1.2. Светодиод VD1-двухцветный. VD1.1 сигнализирует о включении питания зеленым светом, VD2.2 - об обнаружении источника радиоизлучений красным. 187 Настройка прибора заключается в выборе ОУ DA1 с возможно большим коэффициентом усиления. Расстояние на котором индикатор должен устойчиво реагировать имея антенну длиной 30 см, на радиопередатчик мощностью 1 мВт, должно быть не менее 50 см. Транзистор КТ3101 можно заменить на КТ371, КТ368 с коэффициентом усиления не менее 150. Операционный усилитель – К140УД608. К140УД708. Светодиод АЛС331 можно заменить обычными, типа АЛ307, включив их вместо VD1.1 и VD1.2. Катушка индуктивности имеет 19 витков, намотанных в ряд на любом резисторе МЛТ 0,125, проводом ПЭЛ-0,1. Содержание отчета. 1. Цель работы. 2. Исследуемые схемы. 3. Принцип работы индикатора поля. 4. Выводы. 11.17 Лабораторная работа № 16. Расчет помех в каналах связи при внешней параллельной паразитной связи Цель работы. Изучение причин появления и методов расчета помех в каналах связи при внешней параллельной паразитной связи, моделирование эквивалентных схем замещения в среде программы EWB. Задание для работы. 1. По эквивалентным схемам замещения внешней емкостной и резистивной параллельной паразитной связи между двумя каналами рассчитать взаимное влияние каналов друг на друга. 2. Экспериментально проверить результаты расчетов. 3. Составить отчет о проделанной работе. Порядок выполнения работы. 1. Запустить моделирующую программу EWB. Набрать схему, которая 188 изображена на рисунке 109. 2. Произвести расчет наводок в первом канале. Рисунок 109 – Эквивалентная схема внешней емкостной параллельной паразитной связи между каналами Напряжение сигнала во втором канале: (104) . Uc2=50 В. При гармоническом сигнале во втором канале амплитуда помехи определяется по выражению: (105) Определить постоянную времени первого канала связи: (106) . (107) . Ск1=200 нФ . (108) Rk1=500 Ом 189 Тк1=100 мкс Определить постоянную времени цепи паразитной связи первого канала со вторым: . Тп1=25мкс Uп.п12= 2.24В Произвести измерение наводки в 1-ом канале: Рисунок 110 – Измерение наводки в первом канале Напряжение наводки составило ___________В. Измерить наводку первого канала на второй: 190 (109) Рисунок 111 - Измерение наводки во втором канале Напряжение наводки составило __________мВ. Определить визуально наводки при включенных обоих сигналах: Рисунок 112 – Наводки в цепях с внешней емкостной параллельной паразитной связью Изобразить схему внешней резистивной параллельной паразитной связи между каналами: 191 Рисунок 113 – Схема внешней резистивной параллельной паразитной связи между каналами Провести расчет наводок в первом канале от влияния второго канала. Амплитуда помехи равна: . Uп.п12= ______В Произвести измерение наводки в 1-ом канале: Рисунок 114 – Влияние наводки второй цепи на первую 192 (110) Из рисунка 114 видно, что напряжение наводки составило _____В. Измерить наводку первого канала на второй: Рисунок 115 – Влияние наводки первой цепи на вторую Напряжение наводки составило ______В. Определить визуально наводки при включенных обоих сигналах: Рисунок 116 - Наводки при включенных обоих сигналах Содержание отчета. 1. Цель работы. 2. Исследуемые схемы. 193 3. Полученные характеристики и параметры. 4. Выводы. 11.18 Лабораторная работа № 17. Расчет помех в каналах связи при внешней паразитной связи Цель работы. Изучение причин появления и методов расчета помех в каналах связи при внешней паразитной связи последовательного типа, моделирование эквивалентных схем замещения в среде программы EWB. Порядок выполнения работы. 1. По эквивалентным схемам замещения последовательной паразитной связи через паразитную взаимную индуктивность между двумя каналами рассчитать взаимное влияние каналов друг на друга. 2. Экспериментально проверить результаты расчетов. 3. Запустить моделирующую программу EWB. Набрать схему, которая изображена на рисунке 117. 4. Произвести расчет наводок в первом канале. Рисунок 117 – Исследуемая схема последовательной паразитной связи через взаимную паразитную индуктивность 194 При гармоническом сигнале токовая наводка: (111) Uт.п.12=3.454 В В случае импульсных сигналов величина токовой наводки в первом канале: (112) . Uт.п.12=55 кВ Произвести измерение наводки в 1-ом канале: Рисунок 118 – Измерение наводки в первом канале Из рисунка 118 видно, что напряжение наводки составило ____В. Измерим наводку первого канала на второй: 195 Рисунок 119 – Наводки во втором канале Определить визуально наводки при включенных обоих сигналах: Рисунок 120 – Наводки в цепях с последовательной паразитной связью через взаимную паразитную индуктивность Содержание отчёта. 1. Цель работы. 196 2. Этапы проведения работы. 3. Экранная форма схемы работы волновода. 4. Результаты работы. 5. Выводы. 11.19 Лабораторная работа № 18. Изучение работы детекторов излучений Цель работы. Изучить принцип работы детектора излучений. Теоретические сведения. Настоящее руководство знакомит пользователя с конструкцией, правилами эксплуатации (использование по назначению, техническое обслуживание, ремонт, хранение) изделия «Индикатор поля». Изделие является портативным прибором, предназначенным для обнаружения в ближней зоне радиопередающих устройств - беспроводных «жучков», радиомикрофонов, скрытых беспроводных видеокамер, раций, работающих сотовых телефонов, подавителей и глушителей сотовой связи. Параметры которыми должен обладать детектор излучений. 1. Охват всего возможного диапазона частот, на котором работают беспроводные «жучки» (от 50 МГц до 3000 МГц). 2. Одинаково высокая чувствительность во всем заявленном частотном диапазоне. 3. Расширенный динамический диапазон. 4. Возможность обнаружения как аналоговых, так и цифровых беспроводных «жучков» (коротких импульсов). 5. Автоматическая подстройка под фоновый уровень излучения. 6. Расширенный диапазон рабочих температур. 7. Разработка и производство изделия осуществляются в России с использованием высококачественной комплектации. 197 8. Возможность подключения наушников для скрытого предупреждения о наличии беспроводных «жучков». 9. Возможность работы в трех режимах: поиск, охрана и акустозавязка. 10. Расширенные функции энергосбережения (повышенная длительность работы). 11. Наличие индикации разряда батареи. 12. Наличие дополнительной внешней антенны (позволяет увеличить чувствительность прибора). 13. Самодиагностика. 14. Возможность обнаружения подавителей сотовой связи и других радиочастот. 15. Возможность не учитывать при поиске радиофон, создаваемый базовыми станциями сотовой связи. Изделие состоит из корпуса, изготовленного из ударопрочного пластика AБС поз.1, с установленными в нем: электронным микропроцессорным модулем, оснащенным приемной антенной поз.2; пленочной клавиатурой поз.3; комплектом элементов питания поз.5, расположенным в закрытом крышкой поз.6 батарейном отсеке корпуса. На лицевой панели корпуса размещаются следующие кнопки управления и индикаторы: две кнопки регулировки чувствительности изделия («ВЫШЕ» поз.7, «НИЖЕ» поз.8); копка выбора режима работы - «РЕЖИМ» поз.9; кнопка включения/отключения изделия - «ВК/ВЫК» поз.10; индикатор включения - «РЕЖ» поз.11; индикатор режима «Акустозавязка» - «АК» поз.12; индикатор разряда элементов питания - «БАТ» поз.13; индикаторная шкала уровня принимаемого сигнала поз.14. 198 На торцевой поверхности корпуса расположен разъем поз.15 для подключения наушников, которые так же входят в состав изделия. 1. Изделие работает под управлением программного обеспечения, установленного в микроконтроллер процессорной платы. 2. С помощью клавиатуры поз.3 осуществляется: включение и отключение изделия (нажатие и удержание не менее 3 сек кнопки «ВК/ВЫК»); при включении изделие производит самодиагностику, в процессе которой раздается звуковой сигнал, поочередно зажигаются все светодиоды, по окончании диагностики остаются гореть светодиоды «РЕЖ» и «БАТ», сигнализирующие о том, что изделие готово к работе; последовательным нажатием кнопки «ВЫШЕ» регулируется в сторону увеличения чувствительность изделия, при нажатии и удержании (не менее 3 сек.) кнопки «ВЫШЕ» устанавливается максимальный уровень чувствительности. последовательным нажатием кнопки «НИЖЕ» регулируется в сторону уменьшения чувствительность изделия, при нажатии и удержании (не менее 3 сек.) кнопки «НИЖЕ» чувствительность изделия автоматически подстраивает под уровень окружающего излучения. 3. Режимы работы изделия переключаются поочередным нажатием кнопки «РЕЖИМ», при этом: если индикатор «РЕЖ» горит непрерывно – изделия находится в режиме поиска постоянного (аналогового) сигнала. если индикатор «РЕЖ» часто мигает – изделие находится в режиме поиска импульсных (цифровых) передатчиков (цифровых подслушивающих устройств, сотовых телефонов). если индикаторы «РЕЖ», «АК» и «БАТ» загораются на короткое время и гаснут – изделие переходит в режим охраны (сигнализирует только при появлении в помещении новых источников радиосигнала). Позволяет держать детектор в режиме оптимальной чувствительности и существенно экономить ресурс элементов питания. 199 4. Перевод изделия в режимы с дополнительной звуковой сигнализацией осуществляется длительным (более 3 сек) нажатием кнопки «РЕЖИМ» при этом: если индикатор «АК» мигает – включен режим звуковой сигнализации уровня сигнала (частота и периодичность звуковых сигналов зависит от уровня радиосигнала). если индикатор «АК» светится непрерывно – изделие находится в режиме «акустозавязки». (позволяет обнаружить радиомикрофоны в зоне до 0,5 м). если индикатор «АК» не светится – звуковое оповещение отключено. 5. Если изделие включено, то при коротком нажатии кнопки «ВК/ВЫК» на светодиодной шкале на короткое время отображается уровень заряда элементов питания: высвечивается полная шкала – напряжение элементов питания 3 В; не светится ни один светодиод - напряжение элементов питания 2 В; каждый светящийся светодиод шкалы – плюс 0,1 вольт к 2В. Порядок выполнения работы. 1. Включите изделие кнопкой «ВК/ВЫК», а затем нажмите и удерживайте не менее 3 секунд кнопку «НИЖЕ», изделие автоматически подстроит чувствительность под уровень окружающего излучения. 2. Начните обход помещения, держа изделие на расстоянии 0,3-0,5 метра от исследуемых поверхностей. Если на шкале изделия отобразится максимальный уровень сигнала (светятся все светодиоды шкалы), нажмите и удерживайте не менее 3 секунд кнопку «НИЖЕ». Повторяйте эти действия, пока не будет выявлено место, в котором есть явный максимум излучения. 3. Найденное место, в котором наблюдается максимальный уровень излучения, тщательно обследуйте на наличие беспроводных «жучков», при желании можно вручную регулировать чувствительность кнопками «ВЫШЕ» (увеличение) и «НИЖЕ» (уменьшение). 4. Если в режиме поиска постоянного сигнала все (или часть) светодиодов будут быстро зажигаться и гаснуть, переключитесь в режим поиска импульсного сигнала. 200 5. При явном локальном максимуме неизвестного излучения можно перевести детектор в режим акустозавязки, характерный свист, издаваемый изделием, говорит о том, что работает радиомикрофон («жучок»). 6. В режим «охраны» изделие следует переводить, когда в помещении нет неизвестных излучений, при этом, некоторое время (около 30 сек.) прибор автоматически подстраивается к фону излучения, индикатор «АК» производит короткие частые вспышки. По окончании подстройки изделие переходит в сторожевой режим - индикаторы «РЕЖ», «АК» и «БАТ» загораются на короткое время. При появлении неизвестного излучения изделие перейдет в непрерывную индикацию уровня излучения со звуковой сигнализацией, при прекращении излучения – снова включится сторожевой режим. Несколько рекомендаций по работе с изделием. 1. Перед началом поиска, по возможности, необходимо выключить радиоизлучающие приборы (Wi-Fi, сотовый телефон в режиме разговора, компьютеры и другую бытовую и офисную технику). Это сильно облегчит поиск, исключив лишние помехи, и позволит установить на изделии более высокую чувствительность. 2. В режиме «поиск» следует отрегулировать уровень чувствительности изделия и обойти исследуемый объект. Изделие желательно провести около любых предметов, где возможна установка «прослушки». 3. Вероятные места установки подслушивающих и подглядывающих устройств: полости и щели в плинтусах, стенах, за батареями отопления, труднодоступные места на шкафах, карнизах, полости подвесного потолка, вентиляционные шахты, элементы мебели, предметы бытового назначения, цветы, бортовая панель автомобиля, сиденья и т.д. 4. В случае обнаружения радиопередающего устройства изделие отобразит это на светодиодной шкале и обозначит звуковым сигналом. Чем ближе изделие к источнику излучения, тем выше уровень светодиодной шкалы. 5. При обследовании, желательно произвести поиск как обычных аналоговых беспроводных «жучков», так и цифровых (два разных режима поиска).- В режим 201 «Охрана» переводят изделие, когда необходим постоянный скрытый контроль за обстановкой, например, во время переговоров. При этом изделие постоянно сканирует окружающее пространство. Изделие просигнализирует, если активируется беспроводной «жучок» либо сотовый телефон для негласной передачи информации. 6. Режим «Акустозавязка» используется для поиска скрытых микрофонов (беспроводных «жучков»), работающих в аналоговом режиме. При этом беспроводной «жучок» улавливает звук издаваемый изделием, и передает его в эфир, радиосигнал улавливается изделием, что приводит к усилению звука издаваемого изделием, в итоге цикл замыкается - и получается характерный "свист". Режим акустозавязки позволяет наиболее точно обнаружить, где именно установлен «жучок», что сокращает время поиска. Содержание отчёта. 1. Цель работы. 2. Теоретическая справка. 3. Этапы проведения работы. 4. Результаты работы. 5. Выводы. 11.20 Лабораторная работа № 19. Изучение работы частотомера АСН 3001 Цель работы. Изучить возможности прибора АСН-3001. Теоретические сведения. Частотомер АСН 3001 измеряет частоту в диапазоне до 3 ГГц. Максимальное разрешение всего 0,1 Гц. В комплекте к частотомеру есть телескопическая антенна. С ее помощью можно измерить частоту излучения радиопередающего устройства (например, сотового телефона). Особенности частотомера АСН-3001: индикатор ЖКИ 10 разрядов; 202 анодированный алюминиевый корпус; удержание измеренного значения (HOLD); тип входного разъема: BNC (СР-50); фильтр случайного шума; автономное питание: 4 аккумулятора АА (600 мА*ч); время работы от полностью заряженных аккумуляторов: 12 часов - 16 часов; регулятор для калибровки частоты опорного генератора; 16-ти сегментная графическая шкала для отображения уровня сигнала на входе; расстояние до передатчика при приеме на телескопическую антенну: беспроводной телефон - 0,3 м; сотовый телефон – от 3 м до 20 м; CB-трансивер – от 2 м до 8 м; VHF/UHF - трансивер – от 3 м до 30 м; бесконтактное измерение частоты с помощью внешней выносной антенны. Таблица 30 - Технические характеристики частотомера АСН-3001 Общие характеристики Диапазон измеряемых частот от 1 МГц до 3 ГГц Разрешающая способность 1 кГц / 100 Гц / 10 Гц / 1 Гц / 0,1 Гц Время измерения 0,0625 / 0,25 / 1/4 с Чувствительность на частоте 100 МГц 0,8 мВ Входной импеданс 50 Ом Габаритные размеры 80x68x31 мм Вес 0,21 кг Комплектация частотомера АСН-3001 частотомер АСН-3001; телескопическая антенна; зарядное устройство; руководство по эксплуатации. Порядок выполнения работы. 1. Изучить техническую документацию на частотомер АСН-3001, занести в отчет. 203 2. Назначение прибора. 3. Технические характеристики. 4. Описание органов управления 5. Порядок работы. Содержание отчёта. 1. Цель работы. 2. Теоретическая справка. 3. Этапы проведения работы. 4. Результаты работы. 5. Выводы. 11.21 Лабораторная работа № 20. Определения величины реального затухания электромагнитного поля на основе оборудования «Зонд» (ГСУ-002) Цель работы. Изучить принцип работы оборудования «Зонд» в стационарном и автономном режимах. Задачи. Для выполнения лабораторной работы необходимо решить следующие задачи: изучить технические характеристики оборудования «Зонд»; произвести установку драйвера оборудования (если оно не установлено); подготовить генератор к работе либо в стационарном режиме при управлении непосредственно от ПЭВМ или в стационарном режиме с применением аппаратуры удаленного управления; запустить программу «ZOND» и «Автоматический» режим работы; провести работу с комплексом; разработать отчет о проделанной работе. 204 установить «Ручной» или Теоретические сведения. Оборудование обеспечивает: генерацию и излучение в пространство радиосигналов во время проведения работ по определению величины реального затухания электромагнитного поля при проведении аттестационных испытаний объектов информатизации; генерацию сигналов по установленному списку частот; регулирование выходной мощности сигнала; настройку различных временных интервалов излучения. В состав оборудования входит. 1. Генератор синусоидальных высокочастотных сигналов «ГСУ-002». Количество - 1 шт. Параметры: диапазон частот генератора - от 9 кГц до 3 000 МГц; максимальная мощность выходного сигнала - 1 Вт; нестабильность мощности выходного сигнала в течение 10 минут - 3 дБ; шаг изменения выходной мощности: пониженная и полная; количество записываемых программ - 5. 2. Специальное программное обеспечение «Зонд». Количество - 1 шт. Параметры: управление работой генератора; реализована возможность обработки, хранения рабочих материалов при проведении аттестационных испытаний объектов информатизации; тип носителя специального программного обеспечения - CD-диск; пользование специальным программным обеспечением не ограничено количеством инсталляций и сроком использования. 3. Специальное программное обеспечение СПО «Контакт». Количество - 1 шт. Параметры: 205 управление работой генератора; реализована возможность обработки, хранения рабочих материалов при проведении аттестационных испытаний объектов информатизации; тип носителя специального программного обеспечения - CD-диск; пользование специальным программным обеспечением не ограничено количеством инсталляций и сроком использования; реализована возможность совместной работы с ПАК «Навигатор». 4. Излучающие антенны. Количество - 2 шт. Параметры: излучающая антенна «А002» для работы в частотном диапазоне от 9 кГц до 30 МГц; излучающая антенна «А001» для работы в частотном диапазоне от 30 МГц до 3000 МГц. 5. Штатив антенны. Количество - 2 шт. Параметры - вертикальная нагрузка на штатив 2 кг. 6. Коаксиальные кабели для подключения антенны к генератору. Количество - 1 шт. Параметры - волновое сопротивление 50 Ом. 7. Комплект кабелей для работы с проводными линиями. Количество - 1 комплект. Параметры: возможность подключения к электросети; возможность подключения к телефонной линии; возможность подключения к линии Ethernet. Эксплуатация генератора. Работа генератора может осуществляться в двух режимах - стационарном и автономном. В стационарном режиме работы управление генератором ведется от ПЭВМ с помощью специального программного обеспечения. В автономном режиме работы управление генератором ведется 206 данными, поступающими из его внутренней памяти, предварительно записанными туда из ПЭВМ на этапе подготовки. Питание генератора в обоих режимах работы может осуществляться от сети переменного тока 220 В 50 Гц. Режим излучения генератора отображается либо на экране ПЭВМ, либо миганием соответствующих светодиодов на передней панели генератора. В момент подачи питания на генератор автоматически запускается процедура его самодиагностики. При проведении процедуры самодиагностики производится проверка исправности и работоспособности следующих узлов и блоков генератора: блока питания; средства индикации; блока управления; блока задающего генератора; блока усилителя мощности (контроль работоспособности по косвенным признакам). Результаты проведения этой процедуры (норма или авария) отображаются либо на экране ПЭВМ (стационарный режим) либо миганием соответствующих светодиодных индикаторов (автономный режим). В случае обнаружения неисправности одного из блоков генератора, его работа на излучение блокируется до устранения причины неисправности. При работе генератора на излучение, к его выходным ВЧ разъемам должны быть присоединены соответствующие излучающие антенны, входящие в комплект поставки генератора. Состав присоединенных антенн зависит от диапазона частот, излучаемых генератором. В случае не присоединения необходимой излучающей антенны, в режиме излучения возможно повреждение генератора. Внешний вид лицевой панели генератора приведен представлен на рисунке 121. 207 1 - разъем для подключения радиостанции «Midland G-225» для организации канала удаленного управления генератором; 2 - разъем для подключения интерфейсного кабеля управления в стационарном режиме работы; 3 - аварийный индикатор (красного цвета); 4 - индикатор программы №1 (зеленого или желтого цвета); 5 - индикатор программы №2 (зеленого или желтого цвета); 6 - индикатор программы №5 (зеленого или желтого цвета); 7 - индикатор программы №4 (зеленого или желтого цвета); 8 - индикатор программы №3 (зеленого или желтого цвета); 9 - кнопка запуска/останова излучения (красного цвета); 10 - управляющая кнопка (зеленого цвета). Рисунок 121 - Внешний вид лицевой панели генератора 1 - выход ВЧ сигнала диапазона частот от 30 МГц до 3000 МГц (тип разъема — розетка N-типа, подключается вибраторная антенна УКВ); 2 - разъем для подключения источника питания от сети 220 В (входящего в комплект поставки) 3 - выход ВЧ сигнала диапазона частот от 9 кГц до 30000 кГц (тип разъема — розетка N-типа, подключается магнитноштыревая антенна КВ). Рисунок 122 - Внешний вид генератора со стороны ВЧ разъемов 208 Рисунок 123 - Вибраторная антенна диапазона частот от 30 МГц до 3000 МГц на штативе Рисунок 124 - Магнитно-штыревая антенна диапазона частот от 9 кГц до 30000 кГц Для соединения антенн с генератором в комплект поставки входят два коаксиальных ВЧ кабеля с разъемами N-типа. Антенны предназначены для установки на штативы (входят в комплект поставки). Установка драйвера оборудования. 1. Перед подключением оборудования к ПЭВМ установите СПО. Вставьте компакт диск, установка начнётся автоматически или запустите файл setup.exe. Следуйте указаниям установщика. После установки СПО, установщик предложит установить драйвера ключа защиты Guardant. Драйверы для работы с генератором и модемом необходимо установить самостоятельно. 2. Подключите генератор к USB входу ПЭВМ. Начнётся установка драйвера оборудования. Укажите путь к драйверу генератора, который после установки СПО 209 (если путь установки не менялся), будет находиться в папке C:\Program Files\Nelk\СПО ЗОНД 3\GSU_drivers_XP_Win7. Укажите его. 3. После завершения установки драйвера, генератор должен появиться в списке «Диспетчер устройств», в разделе «Порты» под именем GSU-002. Диспетчер устройств можно найти выполнив: Мой компьютер –> Свойства –> закладка Оборудование –> Диспетчер устройств. Рисунок 125 - Место установки драйвера GSU-002 4. Если после установки драйвера GSU-002 появился в разделе Модемы, следует переустановить драйвер вручную. Для этого удалите его из раздела Модемы и нажмите кнопку «Обновить конфигурацию оборудования». В появившемся окне «Мастер обновления оборудования» укажите «Установка из указанного места» и нажмите «Далее». Рисунок 126 - Ручная установка драйвера генератора 210 5. В следующем окне укажите «Не выполнять поиск. Я сам выберу нужный драйвер» и нажмите кнопку «Далее». Рисунок 127 - Ручная установка драйвера генератора Рисунок 128 - Выбор драйвера вручную «GSU Serial» 211 6. Выберите GSU Serial и нажмите «Далее». После завершения ручной установки убедитесь, что теперь в «Диспетчере устройств» GSU-002 появился в разделе «Порты». 7. Для работы по радиоканалу необходимо установить драйвер модема. Для этого отключите генератор от ПЭВМ и подключите модем к USB входу ПЭВМ. Начнётся установка драйвера оборудования. Укажите путь к драйверу модема, который после установки СПО (если путь установки не менялся), будет находиться в папке C:\Program Files\Nelk\СПО ЗОНД 3\Driver for Modem. Укажите его. 8. Драйверы оборудования установлены. Порядок выполнения работы. 1. Подготовка к работе и работа генератора в стационарном режиме при управлении непосредственно от ПЭВМ. На рисунке 129 приведена схема подключения генератора для работы в стационарном режиме. Рисунок 129 - Схема подключения генератора в стационарном режиме работы В этом режиме управление работой генератора ведется от ПЭВМ с помощью специального программного обеспечения. Питание генератора осуществляется от сети переменного тока 220 В. Нажатие кнопок (п. 9 и 10 на рисунке внешнего вида лицевой панели генератора) на передней панели генератора блокируется. Порядок подключения аппаратуры: запуск специального программного обеспечения (СПО) на ПЭВМ; подать питание на генератор; соединить кабелем управления генератор и ПЭВМ. 212 После чего, если не появляется сообщение об ошибке, аппаратура готова к работе. При появлении сообщения об ошибке, следовать приведенным в нем инструкциям или связаться с поставщиком оборудования. 2. Подготовка к работе и работа генератора в стационарном режиме при управлении от ПЭВМ при помощи аппаратуры удаленного управления. На рисунке 130 приведена схема подключения генератора для работы в стационарном режиме. Рисунок 130 - Схема подключения генератора в стационарном режиме работы с применением аппаратуры удаленного управления Для организации канала удаленного управления применяется комплект радиостанций «Midland G-225» и специальное устройство «Модем». В режиме удаленного управления возможно управление следующими функциями генератора: установка рабочей частоты; установка требуемого уровня мощности выходного ВЧ сигнала; старт/стоп формирования ВЧ сигнала; запуск/останов внутренней программы генератора. Настройка аппаратуры на работу в режиме удаленного управления никакой дополнительной настройки специального программного обеспечения на ПЭВМ для работы в таком режиме не требуется; 213 подключить устройство «Модем» к ПЭВМ при помощи USB-кабеля управления; настроить обе радиостанции на работу в режиме VOX (согласно инструкции на радиостанции); установить на радиостанциях средний уровень громкости; настроить обе радиостанций на одинаковый частотный канал (согласно инструкции на радиостанции); подключить одну из радиостанций к устройству «Модем»; подключить другую радиостанцию к генератору «ГСУ-002». После чего, аппаратура готова для удаленного управления от ПЭВМ. В зависимости от уровня мешающих сигналов на выбранном для радиостанции в рабочем частотном канале, время передачи одной команды управления может составлять от 5 с до 25 с. Возможное расстояние между ПЭВМ и генератором в таком режиме управления зависит от внешних условий и может достигать 300 м. При передаче управляющих команд и получении подтверждения о выполнении команды, на экране радиостанции загораются индикаторы TX (на передающей радиостанции), RX (на приёмной радиостанции). Если эти индикаторы не загораются в процессе передачи управляющих команд, то необходимо проверить соединительные кабели между радиостанциями, модемом и генератором. При выполнении команд модем пытается 3 раза передать команду по радиоканалу. В управляющем СПО команда считается выполненной, если было получено подтверждение от генератора при одной из 3-х передач. Работа с управляющей программой «ZOND». 1. Перед началом работы с управляющей программой «ZOND» необходимо установить драйверы для работы с генератором и модемом, расположенные на инсталляционном компакт-диске. При подключении генератора или модема (при работе по радиоканалу) к USB-порту операционная система попросит указать место расположения драйверов. 214 2. После установки драйверов и запуска программы, необходимо установить связь с генератором, нажав кнопку. После подключения становятся доступными функции установки частот, выбора режима работы, составления списка излучаемых частот и другие предусмотренные функции управления генератором. При правильном подключении, цвет индикатора «Генератор включен» сменится с серого на красный, и в поле «Отчет» появится сообщение – «Генератор подключен и готов к работе», как показано на рисунке 131. Рисунок 131 – Экранная форма работы программы 3. Выбрать единицу измерения частоты, которая будет использоваться при вводе - Гц, кГц либо МГц. 4. Установить режим работы с комплексом выбрав режим работы «Ручной» или «Автоматический», как показано на рисунке 132. 215 Рисунок 132 – Экранная форма работы программы 5. Для работы в ручном режиме необходимо набрать на панели «Установка частоты» значение необходимой частоты, с учетом заранее выставленных единиц измерения (Гц, кГц либо МГц), и нажать клавишу «Включить». 6. Управляющая программа отправляет команду генератору. Генератору последовательно передаются две команды: установка частоты и включение излучения. После выполнения каждой команды управляющая программа ждет подтверждение её выполнения. Результаты выполнения команд генератором и получение ответов отображаются в окне «Отчёт». На индикаторном поле частоты отображается излучаемая частота, а индикатор «Излучение выключено» переходит в состояние «Излучение включено» и становится красным. При работе по радиоканалу прохождение команды и получение ответа от генератора может занять несколько десятков секунд. Корректная работа генератора и достоверное получение ответов о выполнении команд зависит от выбранного номера канала радиостанций и отсутствия помех. 7. Для отключения излучения на заданной частоте необходимо нажать клавишу «Выключить». 8. Работа в автоматическом режиме предусматривает работу комплекса со списком частот, который может загружаться как из отдельных (ранее созданных пользователем с помощью программы и сохраненных) файлов формата «*.LMT», 216 так и задаваться вручную с помощью набора необходимой частоты на панели ввода данных и добавлении ее в список частот нажатием клавиши «Добавить». При этом все частоты добавляются в список частот, отображаемый в правой части окна программы управления. Предусмотрена так же возможность удаления ненужных частот. 9. Для загрузки отдельных файлов формата «*.LMT» со списками частот, необходимо перевести курсор мыши на поле списка частот и, воспользовавшись правой кнопкой мыши, выйти в соответствующее меню, откуда можно как загрузить списки, так и сохранить их, либо полностью очистить. 10. После загрузки (или задания) списка частот, в случае необходимости, можно задать время «Отложенного старта», показанным на рисунке 132 - время через которое генератор начнет излучать первую частоту, указанную в списке частот, после нажатия клавиши «Старт авторежим». Так же необходимо задать время «интервала излучения», показанным на рисунке 132 - время в течении которого генератор будет излучать на каждой частоте. Излучаемые частоты следуют по очереди списка сверху вниз, независимо от значения частоты. 11. Любое событие во время работы управляющей программы с генератором отображается в нижнем окне «Отчет». События, которые некорректно были отработаны, либо команды, которые некорректны или по той или иной причине не сработали, отображаются флажком красного цвета, показанными на рисунке 133. Рисунок 133 – Экранная форма работы программы 12. Оператор, запустив автоматический режим работы комплекса, заранее может свериться по часам с временем начала излучения списка частот, и с длительностью излучения каждой частоты, что дает ему возможность удалиться к 217 точке измерения где расположен заранее развернутый измерительный комплекс, и синхронизировавшись с временем работы списка частот проводить измерения по списку заданных частот. 13. Для программирования памяти генератора необходимо воспользоваться закладкой «Программирование устройства», показанной на рисунке 134. Рисунок 134 – Экранная форма работы программы 14. После загрузки программы в память генератора его можно использовать автономно, без подключения по USB. Выбор программы генератора для излучения производится нажатием управляющей кнопкой №10 (зелёного цвета), на лицевой панели генератора. Для включения излучения необходимо нажать кнопку №9 (красного цвета), на лицевой панели генератора и удерживать её несколько секунд. Для выключения излучения генератора необходимо нажать кнопку №9 (красного цвета), на лицевой панели генератора один раз. При отсутствии нагрузки 50 Ом на ВЧ выходе усилителя мощности, канал генерации сигнала может быть поврежден. Проверка работоспособности комплекса. 1. Установить произвольную частоту излучения генератора с помощью управляющей программы. 218 2. Установить частоту приема на измерительном комплексе равной частоте излучения генератора. 3. Пошагово уменьшать значение входного аттенюатора измерительного комплекса до тех пор, пока не на дисплее не отобразится и выделится из уровня шумов сигнал на установленной несущей частоте. Проведение измерений. С использованием комплекса оператор может решать следующие задачи: измерять значение напряженности поля в диапазоне частот от 0,009 МГц до 3000 МГц, на разных удалениях от источника излучения; определять значение коэффициента затухания поля; измерять коэффициенты ослабления ограждающих конструкций в диапазоне частот от 0,009 МГц до 3000 МГц. Порядок работы с комплексом. 1. Выполнить сборку комплекса. Аппаратура, необходимая для создания электромагнитного поля (генератор ВЧ сигналов со встроенным усилителем мощности, излучающие антенны) размещается, как правило, внутри помещения, в котором располагается источник электромагнитного излучения, параметры затухания которого исследуются. 2. Излучающую антенну расположить непосредственно на месте размещения источника излучения, параметры затухания которого исследуются. 3. Измерительную аппаратуру (измерительный приемник и измерительные антенны) разместить на удалении от источника излучения с учетом требований нормативно-методических документов ФСТЭК России. 4. Включить генератор высокочастотных сигналов для создания электромагнитного поля. С помощью управляющей программы установить частоту выходного сигнала генератора равной частоте излучения источника, параметры затухания которого исследуются. При проведении измерений в ближней точке уровень измеряемого сигнала в некоторых случаях может превышать установленное ограничение по входному уровню измерительного комплекса (90 дБм). В этом случае необходимо предварительно, до включения канала генерации сигнала, 219 установить входной аттенюатор измерительного комплекса на максимальное значение. 5. Первое измерение (либо серию измерений), необходимо выполнить на небольшом удалении от излучающей антенны (в ближней точке, на расстоянии R1). При проведении данного измерения необходимо уменьшать значение входного аттенюатора измерительного комплекса до тех пор, пока не будет наблюдаться уверенный прием сигнала, после чего зафиксировать значение уровня принимаемого сигнала «Ref level» (дБ). Измерение проводится в направлении распространения наибольшего лепестка диаграммы направленности источника излучения, параметры затухания которого исследуются. 6. Второе измерение (либо серию измерений) необходимо выполнить на возможно большем удалении от излучающей антенны (на расстоянии R2), с учетом требований уверенного приема излучаемого сигнала (соотношение сигнал шум 3 дБм). При проведении измерений уменьшать значение входного аттенюатора с минимально возможным шагом до тех пор, пока не будет наблюдаться уверенный прием сигнала. 7. Частота излучаемого сигнала при проведении всего цикла измерений, должна оставаться неизменной. 8. Коэффициент ослабления поля на расстоянии R2 - R1 рассчитывается как разность значений уровней сигналов на входе измерительного комплекса (дБ) с учетом коэффициента ослабления входного аттенюатора (дБ), при первом и втором измерениях. Содержание отчёта. 1. Цель работы. 2. Задачи для проведения лабораторной работы. 3. Краткая теоретическая справка. 4. Этапы проведения работы. 5. Результаты работы. 6. Выводы. 220 11.22 Лабораторная работа № 21. Измерение затухания акустической волны анализатором спектра «Тритон» Цель работы. Приобрести навыки работы при проведении измерений утечки информации по акустическому и виброакустическому каналу выделенного помещения для конфиденциальных переговоров. Задачи. Для выполнения лабораторной работы необходимо решить следующие задачи: подготовить комплекс «Тритон» согласно паспорту изделия; установить ПО «Тритон» согласно инструкции; установить ПО «Генератора частот»; провести измерения затухания акустических сигналов; разработать отчет о проделанной работе. Теоретические сведения. Анализатор спектра цифровой интегрирующий «Тритон» предназначен для измерения значений звукового давления, виброускорения и переменного напряжения, а также осуществления спектрального анализа входных сигналов. Анализатором спектра «Тритон» представлен на рисунке 135. Рисунок 135 – Анализатором спектра «Тритон» Для генерации тестовых акустических сигналов применяется программное 221 обеспечение «Генератор сигнала звуковой частоты» экранная форма представлена на рисунке 136. Рисунок 136 – Экранная форма программы «Генератор сигнала звуковой частоты» На рисунке 137 схематично показано выделенное помещение с некоторыми важными потенциальными каналами утечки акустической и виброакустической информации, к которым относятся оконные и дверные проемы, стены и перегородки, перекрытия потолка и пола, система вентиляции, система отопления. Согласно схеме помещения акустические исследования необходимо проводить для ограждающих конструкций (дверные проемы, стены и перегородки, перекрытия потолка и пола), а виброакустические – для инженерных конструкций (системы отопления и вентиляции), окон и железобетонных элементов ограждающих конструкций. При акустических измерениях измерительные приборы располагаются согласно стандартной схемы – излучатель тестового сигнала (экранированная акустическая колонка) располагается на расстоянии 1,0 м от конструкции на высоте 1,5 м от пола; первый микрофон, измеряющий уровень падающей на конструкцию звуковой волны, располагается на расстоянии 0,5 м перед конструкцией; второй микрофон, измеряющий уровень прошедшей через конструкцию звуковой волны, устанавливается на расстоянии 0,5 м за конструкцией. 222 Рисунок 137 – Схема выделенного помещения Если стена однородна, то достаточно одного или двух замеров вдоль стены. Если же стена неоднородна или имеет трещины и отверстия, то число контрольных точек необходимо увеличить, располагая их через 1,5 (2) м друг от друга. Для неоднородной стены измерению подлежит каждый ее элемент в отдельности и выводы делаются по наиболее «слабому» элементу. Аналогично выполняются измерения и по виброакустическому каналу, как при первоначальных исследованиях, так и при проверке эффективности средств активной звуковой защиты. Рисунок 138 – Схема измерения акустических и виброакустических характеристик стены (перегородки) 223 Измеритель вибрационных ускорений (акселерометр) крепится плотно к стене с противоположной стороны с помощью специального клея или приспособлений. Крепление акселерометра к рыхлой штукатурке, обоям и прочим мягким покрытиям недопустимо, так как в этом случае результаты измерений будут ошибочны из-за гашения виброколебаний этими материалами. На рисунке 139 показана типовая схема измерения перекрытия пола. Расположение акустического излучателя согласно регламентирующим документам может быть иным, чем показано на схеме – допускается его установка на месте источника звука (рабочий стол руководителя, трибуна для выступлений и т.д.). При этом размещение датчиков не меняется. Рисунок 139 – Схема измерения акустических и виброакустических характеристик перекрытия пола Схема измерения перекрытия потолка несколько отличается от схемы измерения перекрытий пола. Излучатель в обоих случаях размещается над полом, а микрофоны А и В по обе стороны ограждающей конструкции. При измерениях перекрытия потолка микрофон А размещается под потолком на расстоянии 0,5 м и развернут вертикально вниз (к источнику тестсигнала). Микрофон В располагается над полом вышерасположенного помещения (т.е. над перекрытием потолка) на высоте 0,5 м и направлен вертикально вниз. Расположение микрофона В не зависит от наличия фальш-потолка. 224 Вибрационный канал утечки надо рассматривать (кроме окон) на границе контролируемой зоны, так как внутри зоны перехват информации обязаны исключить службы защиты информации заказчика. На рисунке 140 показана схема измерения акустических характеристик двойного дверного проема. Рисунок 140 – Схема измерения акустических характеристик двойного дверного проема При акустических измерениях необходимо следить, чтобы полотна дверей были плотно прикрыты и имели звукопоглощающие уплотнения. На рисунке 141 показана схема измерений на окне. Следует заметить, что окна в общем случае могут служить оптическим, акустическим, виброакустическим и оптико-электронным каналами утечки речевой информации. Если окна расположены на нижних этажах, то проведение акустических измерений на звукоизоляцию оконных проемов не представляет особого труда. Они проводятся по рассмотренной схеме. 225 Рисунок 141 – Схема измерений на окне Измерения защищенности по вибрационному каналу на остеклении окон с помощью оптико-электронной аппаратуры дистанционного прослушивания речи надо проводить с учетом некоторых особенностей, связанных с вертикальными размерами окон. Верхняя часть окон в большинстве случаев расположена значительно выше осевой линии акустического излучателя (выше 1,5 м от пола). При проведении измерений в нижней и верхней частях окна на одинаковых предписанных расстояниях микрофона А (0,5 м) от плоскости стекол значение уровня падающей звуковой волны в верхней части окна будет на 8 дБ ниже, чем в нижней части. При расчетных соотношениях сигнал/шум вблизи нормативных значений это может привести к ошибочным выводам. Поэтому для исключения подобной ситуации необходимо повторить измерения, поместив микрофон напротив центров верхних фрамуг. Измерение в каналах вентиляционной системы производится по схеме, представленной на рисунке 142. Излучатель располагается вблизи входа канала вентиляции на высоте 1,5 м от пола (расстояние от стены в 1 м не регламентируется). Микрофон А устанавливается на расстоянии в 0,5 м по нормали к плоскости вентиляционной решетки с ориентацией на нее. 226 Микрофон В устанавливается в плоскости ближайшего по ходу вентиляционного канала окна также с ориентацией на решетку окна. Это связано с тем, что при непреднамеренном прослушиванием, например, во время ремонтнопрофилактических работ, ухо постороннего может оказаться в этой же плоскости. Рисунок 142 – Схема измерения в канале системы вентиляции В коробе распространяется сферическая звуковая волна со снижением звукового давления пропорционально третьей степени расстояния от источника звука. Поэтому расчеты защищенности в плоскости решетки и на расстоянии 0,5 м будут отличаться в несколько раз. Уровень тестирующего сигнала зависит от характера решаемой задачи, общей рекомендацией является установка его не менее 10 дБ выше уровня шумов. При измерениях на окнах при одиночных стеклах вполне достаточно давления от 60 дБ до 65 дБ, для стеклопакетов от 70 дБ до 80 дБ. При измерениях на дверных проемах общего типа, в том числе и двойных, необходим уровень тестирующего сигнала от 70 дБ до 75 дБ, а для дверей с усиленной звукоизоляцией – до 90 дБ. Для стен и капитальных перегородок уровень тест-сигнала необходимо поднимать до допустимого максимума. Измерения на системе отопления, показанная на рисунке 143, представляющей собой виброакустический канал утечки речевой информации, на трубах отопления рекомендуется проводить в следующем порядке. 227 Рисунок 143 – Схема измерений на системе отопления Акустический излучатель располагается относительно плоскости батареи, являющейся наиболее эффективным приемником звуковой волны. Микрофон А направляется на излучатель и располагается на расстоянии 0,5 м от плоскости батареи по ее центру. Если границей контролируемой зоны являются ограждающие конструкции выделенного помещения, то акселерометр закрепляется поочередно на трубах на расстоянии от 10 см до 15 см от места выхода трубы из выделенного помещения. Если же границей контролируемой зоны являются стены здания, в котором находится контролируемое помещение, то в связи со значительным затуханием вибрационного тест-сигнала до точки установки акселерометра прямой замер защищенности становится невозможным. В подобном случае надо размещать акселерометр на таком расстоянии от выделенного помещения, на котором тестсигнал надежно измеряется, а результаты измерения защищенности от утечки удовлетворяют требованиям. На этом основании делается вывод, что на границе контролируемой зоны вследствие дальнейшего затухания тест-сигнала результаты будут еще лучше. Другой метод заключается в измерении реального затухания в канале утечки. Суть его заключается в генерации в канал с большим затуханием достаточно мощного 228 вибрационного тест-сигнала не от акустической колонки, а непосредственно от вибропреобразователя (ВП), позволяющего создавать тестсигнал с уровнем от 120 дБ до 130 дБ относительно 10−6 м/с2. Заметим, что акустическая колонка с уровнем звукового давления 100 дБ не способна создать в трубе вибрационный сигнал более 80 дБ. Рисунок 144 – Схема измерения в вибрационном канале с учетом реального затухания Для определения затухания необходимо измерить уровень тест-сигнала во всех пяти октавных полосах в 15 см от возбуждающего вибропреобразователя (точка № 1), а второй замер сделать на границе контролируемой зоны (точка № 2). Разность между значениями этих двух измеренных уровней вибросигнала и будет являться реальным затуханием в канале. Обычно тест-сигнал удается выделить над уровнем шумов на расстоянии не менее 75 м от источника вибросигнала. Если тест-сигнал не выявляется на границе контролируемой зоны, то допустимо точку ввода тест-сигнала перенести к границе контролируемой зоны на расстояние, при котором тест-сигнал надежно выявляется, и измерить реальное затухание на этом участке. Если реальное затухание удается измерить не во всех октавных полосах, то рекомендуется для тех октав, в которых затухание определить не удалось, принять 229 минимальное значение из полученных затуханий по октавным полосам. В большинстве случаев значение уровня тест-сигнала в точке № 2 соизмеримо с уровнем шумов и фактически измеряется смесь сигнала с шумом. Поэтому в этой точке необходимо измерять вибропреобразователе) и раздельно смесь уровни сигнала с шума (при шумом (при выключенном включенном вибропреобразователе). Реальное затухание в каждой октавной полосе рассчитывается по формуле: (113) , где для каждой i-й октавной полосы: ΔVi – реальное затухание, дБ; V1i – уровень тест-сигнала в точке его ввода (точка № 1), дБ; V2i,с+ш– уровень тест-сигнала в смеси с шумом на границе контролируемой зоны (точка № 2), дБ; V2i,ш – уровень шума на границе контролируемой зоны (точка № 2), дБ. В случае невыполнения норм защищенности по акустическим и виброакустическим каналам утечки при исчерпанных возможностях средств пассивной защиты применяются средства активной защиты (САЗ), принцип работы которых заключается в зашумлении каналов утечки речевой информации. Порядок выполнения работы. 1. Составьте план-схему размещения технических средств в помещении, отметьте линии, выходящие за пределы помещения. План помещения аудитории 170115 представлен на рисунке 145. 230 0 170113 170114 170115 170116 Рисунок 146 – План помещений кафедры 2. Подготовьте комплекс «Тритон» для проведения акустических измерений. Структурная схема акустической системы представлена на рисунке 147. 220 В 220 В 12 В ПЭВМ Колонка акустическая Рисунок 147 – Структурная схема акустической системы (источник тестового акустического сигнала) Для проведения работы выполните следующее: включите ПЭВМ; подключите модуль сопряжения к ПЭВМ; подключите измерительный микрофон к измерительному модулю; подключите источник тестового акустического сигнала к акустической системе; включите питание источника тестового акустического сигнала; 231 включите питание акустической системы; запустите с помощью аппаратного ключа программное обеспечение для управления комплексом. Содержание отчёта. 1. Цель работы. 2. Задачи для проведения лабораторной работы. 3. Краткая теоретическая справка. 4. Этапы проведения работы. 5. Результаты работы. 6. Выводы. 12 Задание для самостоятельной работы Задание № 1. Знакомство с программой «Multisim». Проверка законов Ома для простых цепей постоянного и переменного тока Цель. Знакомство с интерфейсом и порядком работы с программой моделирования электронных схем «Multisim» и анализ простейших цепей постоянного и переменного тока. Порядок выполнения работы. 1. Ознакомьтесь с описанием программы по методическому пособию. Соберите схему для проверки закона Ома с генератором напряжения, приведенную на рисунке 148. Сопротивление резистора R1 установите 2 кОм. 2. Установите режим работы амперметра на измерение постоянного тока (DC). Установите напряжение генератора Е1 0 В. Активизируйте схему и запишите показания амперметра. 3. Повторите измерения п.2. для напряжения генератора Е1 1 В, 2 В и т.д. до 10 В. Результаты запишите в виде таблицы. 4. Измените полярность входного напряжения, для чего удалите из схемы 232 генератор Е1, переверните его на 180 градусов и затем снова установите в схему. Повторите измерения пп. 2. – 3. 5. Соберите схему для проверки закона Ома с генератором тока, приведенную на рисунке. Сопротивление резистора R1 установите 500 Ом. 6. Установите режим работы вольтметра на измерение постоянного напряжения (DC). Установите ток генератора I1 0 мА. Активизируйте схему и запишите показания вольтметра. 7. Повторите измерения п.6. для тока генератора I1 1 мА, 2 мА и т.д. до 10 мА. Результаты запишите в виде таблицы [8]. Рисунок 148 - Схему для проверки закона Ома с генератором тока 8. Измените полярность входного тока, для чего удалите из схемы генератор I1, переверните его на 180 градусов и затем снова установите в схему. Повторите измерения пп. 6. – 7. Рисунок 149 - Схему для проверки закона Ома с генератором тока 9. Соберите схему для проверки закона Ома в цепи переменного тока, приведенную на рисунке 149. Установите сопротивление резистора R1 1 кОм и емкость конденсатора C1 0,2 мкФ. 233 10. Установите форму выходного напряжения функционального генератора синусоида, частоту 1 кГц, амплитуду 10 Вольт, смещение 0 Вольт. Установите режим работы амперметра и вольтметра на измерение переменного тока (AC), а режим работы осциллографа таким, чтобы на экране наблюдалось 2 - 3 периода сигнала. 11. Активизируйте схему и запишите показания приборов, определите и запишите период и амплитуду исследуемых сигналов, затем зарисуйте графики с экрана осциллографа. 12. Установите частоту функционального генератора 10 кГц и повторите измерения пп. 10. – 11. Рисунок 150 - Схема для проверки закона Ома в цепи переменного тока Обработка результатов. По результатам измерений пп. 1. – 8. постройте на одном графике вольтамперные характеристики (ВАХ – зависимости тока от напряжения) для резисторов 2 кОм и 500 Ом. Объясните вид полученных зависимостей. Сделайте выводы о выполнении закона Ома. По результатам измерений пп. 9 – 12., используя закон Ома для участка цепи с конденсатором для схемы на рисунке 150, рассчитайте экспериментальные значения емкостного сопротивления конденсатора Xcэ = U/I (Ом), где U – напряжение на конденсаторе в В, I – ток через конденсатор в А, и сравните эти значения с рассчитанными по формуле Xcр = 1/(2fC), f – частота переменного напряжения в Гц, C – емкость конденсатора в Ф. Сделайте выводы о зависимости емкостного 234 сопротивления конденсатора от частоты [8]. Содержание отчета. 1. Цель задания. 2. Исследуемые схемы. 3. Результаты измерений, расчеты и графики. 4. Выводы. Задание № 2. Изучение полупроводниковых диодов и стабилитронов Цель. Исследование вольтамперных характеристик, определение основных параметров различных типов полупроводниковых диодов и стабилитронов и анализ простейших схем с полупроводниковыми диодами и стабилитронами. Порядок выполнения работы. 1. Соберите схему для получения вольтамперных характеристик диодов и стабилитронов, приведенную на рисунке 151. Для исследования выберите кремниевый диод 1N4148 или другой по указанию преподавателя. Рисунок 151 - Схема для получения вольтамперных характеристик диодов и стабилитронов 2. Установите режим работы вольтметра на измерение постоянного напряжения (DC). Изменяя выходной ток генератора тока от 0.5 мА до 20 мА, занесите в таблицу результаты измерений напряжения на диоде для соответствующих значений тока. 235 Таблица 31 - Результаты проведения работы Тип и способ включения диода (стабилитрона) Кремниевый–прямое Шотки–прямое Стабилитрон 1– прямое Стабилитрон 1–обратное Стабилитрон 2– прямое Стабилитрон 2–обратное I, мА Uпр, В Uпр, В Uпр, В Uобр, В Uпр, В Uобр, В 0.5 1 2 3 5 10 15 20 3. Измените тип диода на диод Шотки MBR1035 или другой по указанию преподавателя и повторите измерения в соответствии с п. 2. 4. Смените диод на стабилитрон 1N957A (стабилитрон 1) или другой по указанию преподавателя и повторите измерения в соответствии с п. 2. 5. Измените полярность включения стабилитрона путем удаления и последующей вставки перевернутого на 180 градусов генератора тока и повторите измерения в соответствии с п. 2. 6. Измените тип стабилитрона на 1N961A (стабилитрон 2) или другой по указанию преподавателя и повторите измерения в соответствии с п.п. 4 – 5. 7. Соберите схему, приведенную на рисунке 162. Установите частоту генератора 50 Гц, напряжение 20 В, тип диода тот же, что и в п. 1. Активизируйте схему и зарисуйте полученные осциллограммы (масштаб по оси X - 5ms/div, по оси Y в каналах A и B – 10 V/div). 8. Замените диод на стабилитрон 1 из п. 4 и повторите измерения в соответствии с п. 7. 9. Соберите схему, приведенную на рисунке 152 и повторите измерения для того же типа диода и стабилитрона аналогично пп. 7 - 8. 236 Рисунок 152 – Схема для получения вольтамперных характеристик Обработка результатов измерений. 1. Постройте на одном графике (ось напряжений от -15 В до +1 В, ось токов от -20 мА до +20 мА) прямые и обратные ветви ВАХ исследованных диодов и стабилитронов. Сделайте выводы о сходстве и различии ВАХ разных типов диодов. 2. Определите прямые статические Rст и дифференциальные Rдифф сопротивления для всех типов диодов и стабилитронов при токах 2 мА и 10 мА по формулам: Rст = U/I , (114) Rдифф = dU/dI. (115) (дифференциальные сопротивления определяются численным дифференцированием с использованием заданного и следующего за ним по таблице значения тока). Сделайте выводы о зависимости полученных значений сопротивлений от тока, а также соотношении статических и дифференциальных сопротивлений для каждого типа диода и у различных диодов. 3. По тем же формулам определите обратные статические и дифференциальные сопротивления для всех типов стабилитронов при токах 2 мА и 10 мА. По данным таблицы запишите величины напряжения стабилизации стабилитронов при тех же токах. Объясните, каким образом происходит стабилизация напряжения и как на нее влияют параметры стабилитрона. 237 4. Постройте графики зависимостей входного и выходных напряжений от времени с экрана осциллографа для схем на рисунке 152 в одном масштабе один под другим. Объясните вид полученных зависимостей для каждого типа диода [8]. Содержание отчета. 1. Цель работы. 2. Схемы для снятия ВАХ и осциллограмм. 3. Таблицы с результатами измерений. 4. Вольтамперные характеристики диодов и стабилитронов. 5. Расчет параметров, определяемых по результатам измерений. 6. Экранные формы осциллограмм. 7. Выводы. Задание № 3. Изучение биполярных и полевых транзисторов Цель. Исследование статических характеристик и определение параметров биполярных и полевых транзисторов. Порядок выполнения работы. Соберите схему для изучения семейства входных характеристик биполярного транзистора, приведенную на рисунке 153. Выберете транзистор 2N2712 или другой по указанию преподавателя. Рисунок 153 - Схема для изучения семейства входных характеристик биполярного транзистора 1. Установите режим работы вольтметра на измерение постоянного 238 напряжения (DC), выходное напряжение генератора EC – напряжение коллекторэмиттер транзистора Uкэ = 0 В. Изменяя выходной ток генератора тока IB – ток базы транзистора Iб от 0.06 мА до 1 мА, согласно верхней строке таблицы, запишите во вторую строку таблицы величины напряжения база-эмиттер Uбэ транзистора для указанных значений тока базы Iб при Uкэ = 0 В. 2. Установите напряжение Uкэ = 10 В. Действуя аналогично п. 2, запишите в третью строку таблицы величины напряжения база-эмиттер Uбэ для указанных значений тока базы при напряжении Uкэ = 10 В. Таблица 32 - Результаты проведения работы Uкэ , В 0 10 Iб , мА Uбэ , В Uбэ , В 0.06 0.1 0.3 0.5 0.75 1 4. Соберите схему для изучения семейства выходных характеристик транзистора, приведенную на рисунке 154. Рисунок 154 - Схема для изучения семейства выходных характеристик биполярного транзистора 5. Установите режим работы амперметра на измерение постоянного тока (DC), выходной ток генератора IB – ток базы транзистора Iб = 0,02 мА. Изменяя выходное напряжение генератора EC – напряжение коллектор-эмиттер транзистора Uкэ от 0 до 15 В согласно верхней строке таблицы, запишите во вторую строку таблицы результаты измерений тока коллектора Iк при токе базы Iб = 0,02 мА. 239 6. Действуя аналогично, повторите измерения п. 5 для других значений тока базы Iб, указанных в первом столбце таблицы. Таблица 33 - Результаты проведения работы Iб , мА 0.02 0.05 0.10 0.15 Uкэ , В Iк , мА Iк , мА Iк , мА Iк , мА 0 0,2 0,5 1 2 5 10 15 7. Соберите схему для изучения семейства стокозатворных (передаточных) и стоковых (выходных) характеристик полевого МОП транзистора с n- каналом, изображенную на рисунке 155. Выберете транзистор 2N7000 или другой по указанию преподавателя. Рисунок 155 - схему для изучения семейства стокозатворных (передаточных) и стоковых (выходных) характеристик полевого МОП транзистора Таблица 34 - Результаты проведения работы Uси , В 5 10 Uзи, В Iс, мА Iс, мА Uпор Uпор +0,1В Uпор +0,2В Uпор +0,4В Uпор +0,7В Uпор+1В 8. Установите режим работы амперметра на измерение постоянного тока (DC). Чтобы снять стокозатворные характеристики транзистора активизируйте схему. Затем, увеличивая выходное напряжения генератора ЕG – напряжение затвор-исток 240 транзистора Uзи, определите пороговое напряжение Uпор, соответствующее току стока Iс 10 мкА, далее проведите измерения Iс при значениях Uзи , указанных в первой строке таблицы 34, и запишите результаты. 9. Установите выходное напряжение генератора ED – напряжение сток-исток транзистора Uси =10 В. Повторите измерения п.8. 10. Чтобы снять выходные характеристики полевого транзистора, установите напряжение Uзи = Uпор + 0,1В. Изменяя напряжение Uси от 0 до 10 В, согласно первой строке таблицы, запишите во вторую строку результаты измерений Iс. Таблица 35 - Результаты проведения работы Uзи, В Uпор + 0,1В Uпор + 0,3В Uпор + 0,6В Uпор + 1В Uси, В Iс, мА Iс, мА Iс, мА Iс, мА 0 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 11. Повторите измерения п.10 для других значений Uзи , указанных в первом столбце таблицы [8]. Обработка результатов измерений. 1. Постройте на отдельных графиках семейства входных и выходных характеристик биполярного транзистора (2 графика). Масштабы по осям выберите так, чтобы полученные кривые заметно различались. 2. По входным характеристикам для рабочих участков ВАХ определите параметры h11 и h12 транзистора по следующим формулам: h11 = Uбэ / Iб = (Uбэ2 - Uбэ1) / (Iб2 - Iб1) при Uкэ =const, (116) h12 = Uбэ / Uкэ = (Uбэ2 - Uбэ1) / Uкэ2 при Iб = const. (117) 3. Аналогично по выходным характеристикам определите параметры h21 и h22 транзистора по следующим формулам: h21 = Iк / Iб = (Iк2 - Iк1) / (Iб2 - Iб1) при Uкэ = const, (118) h22 = Iк / Uкэ = (Iк2 - Iк1) / (Uкэ2 - Uкэ1) при Iб = const. (119) 4. Постройте на отдельных графиках семейства стокозатворных и выходных характеристик полевого транзистора (2 графика). Масштабы по осям выберите так, 241 чтобы полученные кривые заметно различались. 5. На рабочих участках характеристик определите крутизну стокозатворной характеристики S, выходное сопротивление Ri и коэффициент усиления по следующим формулам: S = dIc/dUзи при Uси = const, (120) Ri = dUси/dIc при Uзи = const, (121) = dUси/dUзи = SRi . (122) Содержание отчета. 1. Цель работы. 2. Схемы для снятия характеристик. 3. Таблицы с результатами измерений. 4. Вольтамперные характеристики транзисторов. 5. Расчеты параметров. 6. Выводы. 13 Требования к современным системам защиты информации Требования к современным системам защиты информации основаны на материалах отечественных стандартов по информационной безопасности и руководящих документов (РД) по технической защите информации Государственной технической комиссии (ГТК) России. Общие требования и рекомендации. Система (подсистема) автоматизированных системах защиты информации, различного уровня и обрабатываемой назначения, в должна предусматривать комплекс организационных, программных, технических и, при необходимости, криптографических средств и мер по защите информации при ее автоматизированной обработке, хранении и передаче по каналам связи. Основными направлениями защиты информации являются: 242 обеспечение защиты информации от хищения, утраты, утечки, уничтожения, искажения и подделки в результате несанкционированного доступа (НСД) и специальных воздействий; обеспечение защиты информации от утечки по техническим каналам при ее обработке, хранении и передаче по каналам связи. В качестве основных мер защиты информации рекомендуются: документальное оформление перечня сведений конфиденциального характера с учетом ведомственной и отраслевой специфики этих сведений; реализация разрешительной системы допуска исполнителей (пользователей, обслуживающего персонала) к информации и связанным с ее использованием работам и документам; ограничение доступа персонала и посторонних лиц в защищаемые помещения и помещения, где размещены средства информатизации и коммуникации и хранятся носители информации; разграничение доступа пользователей и обслуживающего персонала к информационным ресурсам, программным средствам обработки (передачи) и защиты информации; регистрация действий пользователей автоматизированной системы (АС) и обслуживающего персонала, контроль за НСД и действиями пользователей, обслуживающего персонала и посторонних лиц; учет и надежное хранение бумажных и машинных носителей информации, ключей (ключевой документации) и их обращение, исключающее их хищение, подмену и уничтожение; использование специальных защитных знаков (СЗЗ), создаваемых на основе физико-химических технологий для контроля доступа к объектам защиты и для защиты документов от подделки; необходимое резервирование технических средств и дублирование массивов и носителей информации; использование сертифицированных серийно выпускаемых в защищенном исполнении технических средств обработки, передачи и хранения информации; 243 использование технических средств, удовлетворяющих требованиям стандартов по электромагнитной совместимости; использование сертифицированных средств защиты информации; размещение объектов защиты на максимально возможном расстоянии относительно границы контролируемой зоны (КЗ); размещение понижающих трансформаторных подстанций электропитания и контуров заземления объектов защиты в пределах КЗ; развязка цепей электропитания объектов защиты с помощью защитных фильтров, блокирующих (подавляющих) информативный сигнал; электромагнитная развязка между линиями связи и другими цепями вспомогательных технических средств и систем (ВТСС), выходящими за пределы КЗ, и информационными цепями, по которым циркулирует защищаемая информация; использование защищенных каналов связи и криптографических средств защиты информации (СЗИ); размещение дисплеев и других средств отображения информации, исключающее несанкционированный просмотр информации; организация физической защиты помещений и собственно технических средств с помощью сил охраны и технических средств, предотвращающих или существенно затрудняющих проникновение в помещения посторонних лиц, хищение документов информатизации, и информационных исключающих нахождение носителей, внутри самих средств контролируемой зоны технических средств разведки или промышленного шпионажа; криптографическое преобразование информации, обрабатываемой и передаваемой средствами вычислительной техники и связи; предотвращение внедрения в АС программ-вирусов и программных закладок. В целях дифференцированного подхода к защите информации, обрабатываемой в АС различного уровня и назначения, проводится классификация АС. Классификация АС осуществляется на основании требований РД ГТК России 244 «Автоматизированные системы. Защита от несанкционированного доступа к информации. Классификация автоматизированных систем и требования по защите информации». Конкретные требования по защите информации и мероприятия по их выполнению определяются в зависимости от установленного для АС класса защищенности. Рекомендуемые классы защищенности АС, СЗЗ, средств защиты информации по уровню контроля отсутствия недекларированных возможностей, а также показатели по классам защищенности СВТ и МЭ от НСД к информации. Лица, допущенные к автоматизированной обработке конфиденциальной информации, несут ответственность за соблюдение установленного в учреждении (на предприятии) порядка обеспечения защиты этой информации. 245 Список использованных источников 1 Догадин, Н. Б. Основы радиотехники: учебное пособие. / Н.Б. Догадин Издательство: Лань, 2008. – 272 с. 2 Задорин, А. С. Основы радиотехники: учебное пособие к лекционному курсу для студентов по направлению подготовки бакалавра 090900.62«Информационная безопасность» / Задорин А. С. — Томск: ТУСУР, 2015. — 162 с. 3 Зайцев, А. П. Технические средства и методы защиты информации: учебник для вузов / Зайцев А.П., Шелупанов А.А., Мещеряков Р.В.; под ред. А.П. Зайцева и А.А. Шелупанова. – М.: ООО «Издательство Машиностроение», 2009. – 508 с. 4 Мощенский, Ю.В. Теоретические основы радиотехники: учеб. пособие для высшей школы/ Ю. В. Мощенский, А. С. Нечаев - Издательство: Лань, 2016. – 212 с. 5 Надольский, А.Н. Теоретические основы радиотехники: учеб. пособие для студ. спец. «Радиотехника», «Радиоинформатика» и «Радиотехнические системы» всех форм обуч./ А.Н. Надольский. - Минск.: БГУИР, 2005. - 232 с. 6 Никитин, Н.П. Проектирование радиоприемных устройств на базе аналоговых блоков: учебно-методическое пособие /Н.П. Никитин, В.В. Кийко. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004. - 113 с. 7 Синицын, Ю.И. Антенно-фидерные устройства в сетях и системах связи: методические указания к практическим работам/ Ю.И. Синицын, Е.И. Ряполова; Оренбургский гос. ун-т. – Оренбург: ОГУ, 2014. – 113 с. 8 Штрапенин, Г.Л. Электротехника и электроника: методическое руководство к лабораторным работам / Г.Л. Штрапенин - Екатеринбург: УрГУПС, 2010. – 54 с. 246 Учебное пособие Юрий Иванович Синицын Елена Ивановна Ряполова ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ 247
