Радиосенсоры и радиолокаторы

Цель лекции: ознакомить слушателей с возможностями современных аналоговых и цифровых радиоприемников и перспективами цифрового радиовещания. Изложить непростую историю разработки, постепенного усовершенствования и внедрения мобильных телефонов, принципы их работы, многогранные возможности. Обратить внимание на большие возможности применения радиосенсоров Bluetooth для создания локальных сетей, установления и поддержания беспроводной скоростной связи между любыми "разумными" электронными устройствами. Дать представление о современных портативных радиолокаторах, о возможностях и областях их применения, объяснить новейшие достижения в их совершенствовании.

13.1. Радиоприемники

Сквозь окружающее нас пространство всегда проходят миллионы радиоволн – электромагнитных колебаний с длиной волны от 0,3 мм до 3 км. Мы, люди, практически их не ощущаем. Воспринимать их, разобраться в них, получить из них ценную информацию нам помогают радиосенсоры. К этой группе интеллектуальных сенсоров принадлежат, в первую очередь, радиоприемники.

За столетие от изобретения радиосвязи они в своем развитии прошли впечатляющий путь от первых малочувствительных детекторных и ламповых радиоприемников к высококачественным современным. Двести лет назад люди и вообразить себе не могли, что можно слушать музыку, которую играют, или сказку, которую рассказывают детям, – вообще запросто слушать то, что происходит за сотни и тысячи километров от нас. Сегодня же это стало настолько привычным, что никого уже не удивляет.

Задача, возлагаемая на радиоприемники, не из легких: из миллионов разных радиоволн всех диапазонов и частот, поляризаций, фаз, способов модуляции, направлений распространения надо поймать слабые радиосигналы лишь требуемого пользователю радиоканала. Надо усилить их, отделить от других радиосигналов и разнообразных помех, осуществить демодуляцию, превратить в четкие высококачественные звуковые волны.

13.1.1. Аналоговые радиоприемники

Чтобы справиться с этой задачей, радиоприемники почти с самого начала уже должны были проектироваться как умные, "интеллектуальные" радиосенсоры. Чувствительным их элементом является антенна, в которой электромагнитные волны наводят переменное электрическое напряжение с амплитудой часто лишь в микровольты.

Выбор и наладка антенн, принципы работы радиоприемников, усиления, селекции, демодуляции сигналов, способы подавления помех и т.д. – это предмет целой самостоятельной науки – "радиотехники". Эти принципы многократно и хорошо описаны в сотнях учебников и книг [, , , , , ]. И повторять их мы не будем. Обратим Ваше внимание лишь на то, что на протяжении почти всей истории своего развития и совершенствования радиоприемники были аналоговыми.

Популярнейшим из радиодиапазонов среди населения является поддиапазон ультракоротких волн с частотой 64 - 108 МГц и длиной волны 2,8-4,7 м ("FM диапазон"). Именно в этом диапазоне работает большинство коммерческих радиоканалов. Здесь можно обеспечить высокое качество радиоприема, стереофоническое вещание. Популярным является также поддиапазон средних волн с частотой 520-1610 кГц и длиной волны 185-580 м ("АМ диапазон"), хотя качество приема здесь заметно ниже. Большинство бытовых радиоприемников рассчитано именно на эти диапазоны радиоволн.

На рис 13.1 слева представлена фотография типичного современного аналогового радиоприемника PANASONIC RF-2400 размером 234x122x82 мм и массой 670 г, предназначенного для приема радиопередач в FM и АМ диапазонах. Он имеет телескопическую антенну, автоматическую регулировку усиления (АРУ) и автоматическое слежение за частотой выбранной радиостанции, возможность регулирования тембра, светодиод для точного подбора частоты наилучшего приема. Слушать радиопередачи и музыку можно как через динамик, так и через наушники.

Близкий по своим возможностям к описанному аналоговый радиоприемник "карманного" размера RF-P50EG-S с выходной мощностью динамика 0,15 Вт, размером 117x70x30 мм, показан на рис 13.1 справа.

13.1.2. Цифровые радиоприемники

Лишь в последнее десятилетие радиоэлектронные фирмы начали массово производить и выпускать на широкий рынок цифровые радиоприемники – интеллектуальные сенсоры, в состав которых входит микропроцессор. Они намного удобнее аналоговых. При пользовании ими не нужно каждый раз крутить ручку настройки, искать интересующий Вас радиоканал. Достаточно найти его один раз и занести параметры настройки в память. После этого цифровой радиоприемник сам автоматически отыскивает и выделяет заданный радиоканал. Он значительно лучше следит за частотой избранного радиоканала, а также может выполнять немало дополнительных функций.

На рис 13.2 показан цифровой радиоприемник PHILIPS AE2380, размером 225x15x55 мм, который работает в FM, MW (средние волны, 550–1600 кГц) и LW (длинные волны, 150–350 кГц) диапазонах, запоминает настройки до 30 избранных Вами радиостанций, имеет громкоговоритель с выходной мощностью 0,4 Вт. Для настройки на другой радиоканал достаточно нажать соответствующую кнопку.

Радиоприемник обеспечивает регулирование тембра, воспроизведение стереозвука и возможность прослушивания радиопередач через наушники. Он имеет в своем составе также sleep-таймер, цифровые часы с автоматическим регулированием по радиосигналам точного времени, а также будильник с автоматическим включением радиоприемника или звукового сигнала по Вашему выбору и в заданное Вами время (http://www.consumer.philips.com/). Питание радиоприемника возможно как от стандартной электросети, так и от батареек или аккумуляторов. Поэтому он одинаково хорошо может служить Вам как дома, так и в дороге, на природе, в путешествиях.

На рис 13.3 слева показан карманный цифровой радиоприёмник Philips АЕ6775/00 размерами 80x78x18 мм и массой лишь 65 г.

Цифровой радиоприемник Philips АЕ6775/00 работает в FM и MW диапазонах, имеет память на 10 радиостанций, обеспечивая отличное стереозвучание с выходной мощностью 2x5 мВт. Радиопередачи можно прослушивать также через стереонаушники. Имеется динамическое усиление нижних частот.

Передача и прием стереозвука обеспечиваются тем, что звуки, воспринимаемые двумя пространственно разнесенными микрофонами, передаются по двум отдельным радиоканалам (или по двум разным подканалам одного радиоканала). В радиоприемнике они разделяются и воспроизводятся двумя разными, пространственно разнесенными динамиками, что и создает эффект стереофонического звучания.

Справа рис 13.3 показан портативный спутниковый радиоприемник Delphi MyFi, с помощью которого владелец может прослушивать радиопередачи и музыку, находясь в любой точке земного шара. Благодаря встроенной памяти с помощью этого приемника можно записать и потом воссоздавать до 5 часов высококачественной музыки и другой аудиоинформации.

13.1.3. Радиоприемники для цифрового радиовещания

Цифровые радиоприемники стали также "прокладывать дорогу" для перехода на цифровое радиовещание. Это – технология радиовещания, при которой звуковые сигналы с самого начала представляются и передаются в цифровой форме и которая, благодаря этому, может обладать более высокой помехоустойчивостью и обеспечить гораздо более высокое качество передачи звуковых сигналов. Эта технология при использовании цифровой компрессии сигналов позволяет также передавать по одному радиоканалу несколько независимых потоков аудиоинформации и других данных, расширяя палитру предоставляемых пользователям услуг.

Уже в цифровых приемниках аналоговых радиосигналов появилась возможность наряду с приемом и воспроизведением аналоговых звуковых сигналов через отдельный подканал принимать параллельно передаваемые цифровые коды и воспроизводить на своем дисплее "бегущую" текстовую строку. В этой строке могут сообщаться, например, название радиоканала и наименование ведущейся радиопередачи, имена авторов, исполнителей, ведущих, сопроводительная информация. Могут передаваться срочные сообщения и предупреждения, сведения о погоде, о пробках на дорогах, рекламные сообщения, сведения, дополняющие звуковые сообщения (адреса, номера телефонов, цены и проч.).

В 90-х гг. стало совершенно очевидно, что наличие в радиоприемнике микроконтроллера позволяет принимать, обрабатывать и воспроизводить также и звук, представленный в цифровой форме. А переход на цифровую форму передачи звуковой информации потенциально может обеспечить возможность её надежной защиты от шумов и помех, значительное "уплотнение" передачи, а значит, и возможность мультивещания по одному радиоканалу, другие преимущества. Это делает цифровое радиовещание весьма перспективным.

Уже разработаны и практически опробованы несколько различных технологий и стандартов цифрового радиовещания. На европейском континенте пока лидируют технология "Eureka-147", которую именуют также "DAB", и технология "DRM". Стандарт цифрового аудиовещания DAB (Digital Audio Broadcasting) Eureka-147 используется, например, в Великобритании. Технологию "DRM" продвигает некоммерческий международный консорциум DRM (Digital Radio Mondiale), созданный в 1998 г., в состав которого сейчас входит более 80-ти компаний. Свои программы передают в этом формате уже более 60 радиокомпаний. DRM предназначен для использования в диапазонах радиоволн с частотой ниже 30 МГц. Эти диапазоны по дальности распространения могут конкурировать со спутниками. Дальнодействие особенно актуально для России с ее огромными пространствами и низкой плотностью населения. Сигнал DRM, в отличие от DAB, можно передавать с помощью уже существующих аналоговых передатчиков, в которых меняется только модулятор. В DRM заложены возможности использования как более ранних, так и последних, наиболее эффективных систем компрессии сигналов, предусмотрены гибкие возможности помехоустойчивого кодирования. Для повышения надежности предполагается также использовать многочастотное вещание. В этом случае одна и та же передача ведется сразу на нескольких частотах. А радиоприемник автоматически настраивается на волну с оптимальным сигналом.

В 2006 г. на региональной конференции радиосвязи в Женеве было принято решение о том, что все страны Европы до 2015 г. должны перейти на цифровое телерадиовещание.

На рис 13.4 вверху представлена функциональная схема радиоприемника для цифрового радиовещания. Чувствительным элементом здесь, как и в других радиоприемниках, является антенна А. Наводимые в ней электрические колебания поступают в радиоприемный тракт РПТ, где из них выделяются колебания, вызванные радиоволнами только выбранного пользователем канала. Они там усиливаются, демодулируются и превращаются в последовательность импульсов цифровой информации.

Эта последовательность импульсов поступает в микроконтроллер МК, который в соответствии с установленным протоколом связи выделяет из неё потоки данных, нужных пользователю. Он осуществляет их цифровую фильтрацию, декодирует их, формирует аудиосигналы и информацию для отображения на текстовом дисплее ТД. Аудиосигналы поступают на выходной усилитель ВУ, а с него – на звуковые колонки Зв. По желанию пользователя текстовая или аудиоинформация могут запоминаться во флэш-памяти ФП и потом воспроизводиться радиоприемником по указанию пользователя. Для того, чтобы пользователь мог управлять работой радиоприемника, используются клавиши или кнопки управления КУ.

Типовая функциональная схема радиоприемного тракта внизу. Она, в принципе, такая же, как и в большинстве аналоговых и цифровых радиоприемников. Сигнал от антенны через вход 1 поступает в усилитель высокой частоты УВЧ. Он содержит высокодобротный колебательный контур, благодаря чему из широкого спектра колебаний выделяются лишь сигналы нужной частотной полосы. Резонансная частота устанавливается с помощью узла настройки Н. Этот узел обычно состоит из переключателя радиодиапазонов, который подключает в контур катушки индуктивности разных номиналов, и варикапов (конденсаторов переменной емкости). В аналоговых радиоприемниках настройка на нужный радиоканал производится вручную с помощью ручек грубой и точной настройки, используя шкалу длин волн (частот) и светодиодный индикатор настройки. В цифровых радиоприемниках настройка производится микроконтроллером через вход 2. Выделенные и усиленные сигналы нужной пользователю частоты поступают в смеситель См, на который подаются также сигналы опорной частоты от гетеродина Г. Это – генератор незатухающих электромагнитных колебаний небольшой амплитуды, частота которых тоже регулируется узлом настройки Н так, чтобы разность между ней и частотой выделенных высокочастотных колебаний оставалась постоянной. При смешивании выделенных сигналов нужной пользователю частоты и опорного сигнала от гетеродина на выходе смесителя См появляется сигнал разностной частоты, которую называют "промежуточной". Она остается одной и той же при настройке УВЧ на любую радиостанцию.

Сигналы промежуточной частоты отфильтровываются фильтром промежуточной частоты ФПЧ от помех и усиливаются в усилителе промежуточной частоты УПЧ. Узел автоматической регулировки усиления АРУ обеспечивает оптимальную амплитуду выходного сигнала промежуточной частоты, поступающего на демодулятор Дм. Последний выполняет действия, обратные тем, которые производятся в модуляторе передающей радиостанции. В случае амплитудной (частотной, фазовой) модуляции Дм выполняет амплитудную (соответственно частотную, фазовую) демодуляцию. Благодаря этому на выходе Дм появляются сигналы звуковой частоты или последовательности цифровых импульсов. Они усиливаются в усилителе низкой частоты УНЧ. В аналоговых и в цифровых радиоприемниках получаемый на выходе 3 аналоговый звуковой сигнал воспроизводится в звуковой колонке (или в наушниках). В радиоприемниках для цифрового радиовещания последовательность цифровых импульсов с выхода 3 передается сначала в микроконтроллер. В аналоговых радиоприемниках тембр звучания регулируется вручную по входу 4, а в цифровых – от микрокомпьютера.

Фотографии двух образцов радиоприемников для цифрового радиовещания приведены на рис 13.5. Их характерной особенностью, отличающей их от радиоприемников аналогового радиовещания, является наличие дисплея для вывода текстовой информации.

Более детально с тонкостями цифрового радиовещания можно ознакомиться в книге [].

13.2. Мобильные телефоны

Вместе с радиоприемниками к семейству интеллектуальных радиосенсоров принадлежат также широко известные ныне мобильные телефоны. Сто лет назад даже фантасты не писали о том, что люди будут носить беспроводный телефон в кармане и будут разговаривать с коллегами, родственниками или друзьями, сидя далеко-далеко от них где-нибудь на пляже.

13.2.1. История создания мобильных телефонов

Поучительная история создания и совершенствования мобильных телефонов началась в середине XX в. Уже тогда функционировали системы мобильной радиосвязи в полиции и в других силовых ведомствах. Но теперь речь шла уже о мобильных телефонах, которые могли бы служить нам всем. В 1947 году такую цель поставили перед собой американская Bell Laboratories (компания ATT) и шведская компания Televerker.

И уже 3 декабря 1950 г. инженер-изобретатель Стюре Лаурен (Sture Lauhren), сидя за рулем автомобиля, поднял трубку сконструированного им мобильного телефона и набрал телефонный номер службы точного времени. Спустя мгновение он услышал четкий ответ, – и радости его не было границ. Ведь это был первый в мире сеанс мобильной телефонной связи! Правда, мобильный телефонный аппарат Лаурена имел массу около 40 кг и размещался на двух задних сидениях автомобиля, а телефонная трубка с наборным диском располагалась между двумя передними сидениями. Лишь в 1956 г. разработанная шведами система мобильной телефонии (Mobil-telefonsystem А) была введена в эксплуатацию в Стокгольме и в Гетеборге. Но из-за высокой цены, которая составляла тогда половину стоимости автомобиля, частных абонентов набралось лишь несколько десятков.

Первым сотовую систему мобильной связи, которая может покрывать территорию нескольких государств, предложил в 1969 г. выпускник Стокгольмской высшей технической школы Естен Мякотило в своем проекте NMT (Nordisk MobilTelefon – скандинавская мобильная телефония). К сожалению, полноценную реализацию проекта надолго задержало отсутствие недорогих экономных микропроцессоров, пригодных для применения в мобильных телефонах.

Первой успешной коммерческой сотовой телефонной сетью была финская сеть Autoradiopuhelin (автомобильный радиотелефон), запущенная в эксплуатацию в 1971 г. Она работала на частоте 150 МГц и обслуживала свыше 30 тыс. клиентов.

В конце 70-х гг. ХХ в. для пяти североевропейских стран (Дания, Исландия, Норвегия, Финляндия, Швеция) был разработан стандарт NMT-450 (Nordic Mobile Telephone) с рабочей частотой 450 МГц. В разработке проекта NMT приняли участие свыше 40 фирм. Благодаря их совместным усилиям и появлению на рынке подходящих по техническим параметрам и приемлемых по цене микропроцессоров, удалось в короткие сроки разработать и наладить выпуск не только мобильных телефонов нового образца, но и новых базовых телефонных станций и линейных коммутаторов. Финансово проект очень своевременно поддержала Саудовская Аравия, где были и острая потребность в телефонизации, и необходимые деньги. В 1981 г. система NMT была введена в эксплуатацию именно в Саудовской Аравии – на несколько месяцев раньше её старта на родине. Система NMT качественно опережала системы мобильной связи, которые функционировали тогда в США и Японии, и стала на самом деле массовой. Но и она была рассчитана лишь на автомобилистов, так как мобильные телефоны имели тогда еще сравнительно большие габариты и массу.

Первый портативный мобильный телефон Motorola DynaTAC 8000X с массой порядка 1 кг появился на рынке в 1983 г. Он открыл первое поколение аналоговых мобильных телефонов с частотной или фазовой модуляцией.

13.2.2. Мобильные телефоны 2-го поколения

Следующим этапом была разработка мобильных телефонов с цифровыми методами обработки сигналов. В 1990 г. были утверждены стандарты цифровой сотовой связи в США (IS-54 или D-AMPS), Великобритании (PCN-Personal Communication Networks, 1989 г.) и странах ЕС (GSM – Global System for Mobile Communications). Эти стандарты, благодаря значительному уменьшению влияния помех, позволили заметно улучшить качество мобильной телефонной связи и позволили пользователям обмениваться также текстовыми сообщениями (SMS).

На рис 13.6 показан один из типичных мобильных телефонов 2-го поколения Nokia 1112. Он работает в стандарте GSM с частотой 900 или 1800 МГц. Масса 80 г, размеры 104x44x17 мм. Имеются встроенная антенна, монохромный экран 96x68 пикселей с подсветкой, 4-позиционная клавиша для работы по меню. Кроме голосовой связи, обеспечивается также передача SMS сообщений. Телефон выполняет также много сервисных функций: определение номера вызывающего абонента; запоминание вызовов и SMS сообщений; регулирование звука; возможность бесшумного вибровызова; запоминание номеров абонентов и ускоренный набор номера, автодозвон; подсчет времени и стоимости разговора; запрет звонков от некоторых указанных владельцем абонентов. Мобильный телефон запрограммирован и может использоваться также как цифровые часы, будильник, секундомер, таймер, калькулятор, записная книжка, электронная игра. Эти функции получили название функций "органайзера".

Работает мобильный телефон следующим образом. В режиме ожидания вызова чувствительные элементы, антенна и миниатюрный радиоприемник мобильного телефона, принимают радиоволны выделенной ему частотной полосы, усиливают полученные высокочастотные колебания, демодулируют их, формируя цифровые сигналы, которые передаются в микропроцессор. Микропроцессор согласно предусмотренному протоколу связи сравнивает полученные цифровые коды с позывными абонента, записанными на так называемой SIM-карте. Если они совпадают, то микропроцессор активирует предусмотренный сигнал вызова (звонок, зуммер, мелодию, вибрацию, световой сигнал и т.п. – по желанию абонента).

В режиме вызова, если абонент отвечает на вызов, микропроцессор организовывает передачу радиосигнала на ближайшую базовую станцию, определение телефонного номера звонящего абонента и отображение его на дисплее мобильного телефона. Звуковые колебания голоса владельца воспринимаются чувствительным микрофоном, превращаются в электрические аналоговые сигналы. Последние с помощью аналого-цифрового преобразователя трансформируются в цифровые коды, которыми модулируются выходящие радиосигналы. Микропроцессор организовывает передачу исходных радиосигналов согласно предусмотренному протоколу сотовой связи. Их воспринимает ближайшая базовая станция, усиливает и передает к той базовой станции, из которой был передан вызов. А последняя обеспечивает передачу этих радиосигналов на мобильный телефон позвонившего. Так организовывается и поддерживается разговор. При этом один или оба абонента могут свободно перемещаться. Когда абонент переходит из зоны одной базовой станции в зону другой, радиопередачи автоматически переадресовываются так, что абоненты этого даже не замечают.

Если владелец не отвечает на вызов, микропроцессор выполняет передачу предусмотренного на этот случай радиосообщения на базовую станцию, через которую информация о невозможности связи передается звонящему. Он может отменить вызов или отправить короткое текстовое сообщение (SMS), которое передается на мобильный телефон адресата и запоминается в нем. Когда адресат активирует свой мобильный телефон, микропроцессор сообщит ему об имевших место входящих звонках и о принятых SMS сообщениях.

В режиме исходящего звонка микропроцессор сначала организовывает диалог с пользователем через клавиатуру и дисплей мобильного телефона. В ходе диалога выясняется телефонный номер, на который пользователь желает позвонить по телефону. Для номеров, на которые абонент звонит по телефону часто, может быть организована сокращенная процедура вызова. Такие телефонные номера фиксируются в памяти мобильного телефона вместе с коротким именем или кодом. Микропроцессор выводит их на дисплей в виде меню. При выборе одного из них микропроцессор сам выполняет автоматический набор соответствующего телефонного номера. С помощью исходящего радиосигнала этот номер передается к ближайшей базовой станции, которая передает вызов по всей сети. Дальше, как описано выше, организовывается связь или приходит сообщение о том, что соответствующий телефонный номер недоступен или не отвечает. В последнем случае можно отправить ему короткое SMS сообщение.

Как видно из описания работы мобильного телефона, он является на самом деле комбинированным сенсором. Ведь он "чувствует", воспринимает не только радиоволны, но и звуки живой речи пользователя, касания его пальцев к клавишам. И в этом смысле мобильный телефон можно отнести также к классам акустических и электрических сенсоров. Но всё-таки основным в нем является радиотелефонная связь. Не будь её, все остальные сенсорные функции утрачивают свое значение. Поэтому мы и относим мобильный телефон к классу интеллектуальных радиосенсоров.

Удобство мобильной связи и цены, которые уже стали доступными для многих клиентов, сделали мобильные телефоны в конце ХХ века товаром массового потребления. Производители мобильных телефонов и компании-операторы сотовой связи начали получать большие прибыли.

Как видим, от возникновения идей и первых разработок мобильных телефонов до их массового применения прошли десятки лет.

Так происходит с разработками и многих других интеллектуальных сенсоров, вообще со многими сложными научно-техническими инновационными разработками. Десятки лет могут отделять "посев от жатвы". И основные прибыли получают, как правило, не авторы идеи и разработчики первых образцов, а те компании, которые уже на заключительных этапах своевременно сделали инвестиции в организацию производства и массового внедрения инноваций. Настоящие же новаторы, изобретатели и разработчики нередко не имеют даже морального вознаграждения: остаются неизвестными, забытыми. Стоит ли при таком положении вещей удивляться тому, что подавляющее большинство талантливой молодежи отдает сейчас предпочтение коммерции, бизнесу, менеджменту, финансовой деятельности, и лишь совсем небольшая часть молодых людей стремится стать изобретателями, разработчиками, исследователями?

13.2.3. Мобильные телефоны "2,5G"

Мобильные телефоны второго поколения (2G) еще не позволяли быстро передавать значительные объемы информации (файлы электронной почты, музыку, изображения). Поэтому шла интенсивная работа по решению этих задач. В конце ХХ в. произошел переход от сетей сотовой связи 2G к так называемым "сетям 2,5G". Мобильные телефоны усовершенствованного второго поколения позволили обмениваться уже и "EMS" и "МMS" сообщениями" объемом до 100 килобайт, "скачивать" на телефон облюбованные мелодии, расширить палитру возможных дополнительных услуг.

О мобильных телефонах третьего поколения (3G) мы расскажем Вам в следующей лекции.

13.3. Радиосенсоры "Bluetooth"

Одним из примечательных достижений этого периода стало создание миниатюрных близкодействующих радиосенсоров "Bluetooth", разработка коммуникационного стандарта Bluetooth и внедрение в жизнь технологии передачи данных на небольшие расстояния с помощью радиосигналов. Эти разработки обеспечили условия эффективного беспроводного обмена информацией между компьютерами, мобильными телефонами, принтерами, видеокамерами и любыми другими приборами и устройствами, оснащенными радиосенсором Bluetooth. Это небольшое устройство (рис 13.7) работает в частотном диапазоне от 2400 до 2483,5 МГц, который является открытым и не лицензируется в большинстве стран мира.

Поскольку в этом диапазоне могут работать и другие источники радиоволн, для защиты от них выбран так называемый метод FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum) [, http://www.bluetooth.com]. При таком методе несущая частота передачи информации скачками изменяется 1600 раз в секунду в соответствии с квазислучайным "шаблоном", составленным из 79 разных частот этого диапазона, с гауссовским распределением вероятностей. Поэтому "понять" друг друга могут лишь радиосенсоры, которые используют один и тот же шаблон изменения частот. Такой алгоритм работы позволяет легко избежать "конфликтов" с другими приборами, работающими на той же частоте, поскольку находящиеся на связи сенсоры могут автоматически заменить данную частоту в своем шаблоне на другую, свободную.

При мощности миниатюрного радиопередатчика 4 дБм связь устанавливается на расстоянии до 10 м, при мощности 20 дБм – до 100 м. Инфракрасные беспроводные сенсоры, которые применяются во всем известных телевизионных дистанционных пультах, обмениваются информацией, лишь "глядя глаз в глаз". В отличие от них, радиосенсоры Bluetooth могут связываться, "не видя друг друга", находясь в разных комнатах, будучи разделены стенами, дверями, мебелью или другими неметаллическими преградами.

Контакт между радиосенсорами Bluetooth устанавливается автоматически, как только они оказываются в зоне "радиодосягаемости". Для этого при изменении окружения сенсор Bluetooth автоматически излучает радиозапрос. Если рядом находится другой активный сенсор Bluetooth, работающий в "открытом" режиме ("Discoverable mode"), то он всегда отвечает на этот запрос. В режиме "ограниченных контактов" ("Limited discoverable mode") сенсор отзывается лишь в случае выполнения запрограммированных в нём условий. Каждый Bluetooth-сенсор имеет свой уникальный 48-разрядный двоичный код. Согласно протоколу Bluetooth сенсоры, которые вступили в контакт, сообщают друг другу свой код, выясняют, должны ли они в соответствии со своими предписаниями обмениваться информацией. Если должны, то "договариваются" о шаблоне общения и о шифрах, которые будут применять для защиты информации.

Связь между Bluetooth-сенсорами возможна не только по принципу "один к одному", но и в соответствии с иными схемами, показанными на рис 13.8.

Чтобы образовалось простое звено (так называемый " , а ), один из Bluetooth-сенсоров при отладке (инсталляции) назначается "старшим" ( М, "master"), другие – "младшими" ( S, "slave"). До одного "старшего" могут присоединяться до семи "младших". "Старший" сенсор определяет шаблон, с которым работает все звено.

Чтобы образовался так называемый " , б ), "старшие" Bluetooth-сенсоры некоторых простых звеньев назначаются одновременно "младшими" по отношению к определенным другим. В "скатернет" могут быть объединены до десяти простых звеньев. А с помощью специальных коммутаторов, так называемых "gates", можно образовать еще более сложные сети.

После "выяснения отношений" все соединенные в сеть Bluetooth-сенсоры получают список имен и адреса доступных им сенсоров и доступных через них услуг (service discovery). Младшие радиосенсоры могут обмениваться между собой информацией через старший сенсор, если такое предусмотрено в списке его услуг.

Таким способом относительно просто, быстро и с небольшими затратами при помощи Bluetooth-сенсоров удаётся организовать локальные сети из многих устройств (компьютеров, мобильных телефонов, принтеров, цифровых фото- и видеокамер и других автоматизированных устройств) с беспроводным обменом информации со скоростями 0,4-1,0 Мб/с в пределах одной квартиры, дома, одного двора. Можно без проводов информационно соединить все, во что удается встроить миниатюрный Bluetooth-сенсор. Это могут быть, например, холодильник и микроволновая печь, радиоприемник и электропривод передвижной стены. В ходе эксплуатации, в зависимости от нужд, конфигурацию сети можно дополнять и изменять.

Примеры одного из распространенных ныне применений сенсоров Bluetooth показаны на рис 13.9. Это – наушники для высвобождения рук, которые продаются как дополнение к мобильным телефонам, оснащенным сенсором Bluetooth, – так называемые " гарнитуры hands-free ". В них тоже встроен такой сенсор, а также мини-микрофон и динамик с усилителями.

Такой наушник настраивают на связь со своим мобильным телефоном и цепляют за ухо. Мобильный телефон может оставаться в кармане, в сумке или может вообще лежать где-то в десятке метров от Вас. Благодаря двусторонней радиосвязи с мобильным телефоном через наушник можно принимать входные звонки, вести телефонный разговор. При этом руки остаются свободными для другой работы. Это удобно и нравится многим пользователям. И к тому же мощность радиоизлучения гарнитуры hands-free в сотни раз меньше, чем мощность излучения мобильного телефона. И это сводит к минимуму влияние коротковолнового радиоизлучения на организм человека во время сеансов радиосвязи.

Практика использования радиосенсоров Bluetooth показала, что защита передаваемой через них информации от несанкционированного перехвата и преступного использования пока еще недостаточна. Наиболее уязвим процесс установления первичного контакта между такими сенсорами, когда они обмениваются ключами и информацией о себе в незакодированном виде. Специально запрограммированные Bluetooth-сенсоры злоумышленников ("хакеров") могут активно вступить в такой контакт и получить доступ к шаблонам и шифрам, а с их помощью – ко всей информации, циркулирующей в локальной сети. Задача хакеров особенно облегчается, если сами пользователи пренебрегают вопросами безопасности: выбирают короткие, типовые пароли; не настраивают свои Bluetooth сенсоры на индивидуальные специфические требования, не меняют коды, не используют личное шифрование, особенно конфиденциальной информации. Тем не менее, можно не сомневаться, что выявленные слабые стороны Bluetooth технологии беспроводного информационного взаимодействия уже в скором времени будут ликвидированы в новых версиях протокола взаимодействия.

Конкуренцию радиосенсорам Bluetooth составляют радиосенсоры RadioEthernet IEEE 802.11, тоже предназначенные для создания беспроводных локальных компьютерных сетей под названием Wi-Fi. Они действуют на расстояниях до 100 м и обеспечивают более высокую скорость передачи данных – до 11 Мб/с. По этим важным параметрам и по уровню защиты информации радиосенсоры и вся технология RadioEthernet IEEE 802.11 выигрывают у технологии Bluetooth. Однако они проигрывают по размерам мини-сенсоров, по цене, энергопотреблению, уровню радиоизлучения.

13.4. Радиолокаторы

Еще одним известным видом радиосенсоров являются радиолокаторы или радары. Их функционирование базируется на излучении импульсов радиоволн, регистрации и анализе их отражений от объектов.

Первый патент на изобретение радиолокатора еще в 1934 году получил шотландский физик Роберт Ватсон-Уат. Особенно быстро радиолокация начала развиваться в годы второй мировой войны и после ее окончания. Тогда радиолокаторы использовались в основном для раннего выявления вражеских самолетов на больших расстояниях.

Радиолокатор всегда имеет минимум четыре блока: генератор радиоимпульсов, антенну для их излучения в заданном направлении и для приёма отраженных от объектов сигналов, усилитель-селектор сигналов и индикатор. Отраженный от объекта радиосигнал запаздывает относительно импульса излучения на время, необходимое для распространения электромагнитной волны к объекту и обратно. Измерив время запаздывания, можно вычислить расстояние до объекта. А структура отраженного сигнала несет информацию о свойствах объекта. По изменению частоты отраженного радиосигнала можно определить, движется ли объект, и вычислить радиальную скорость его движения. Если диаграмма направленности излучения антенны достаточно узка, то можно определить также, в каком направлении находится обнаруженный объект. Для этого антенна радиолокатора должна поворачиваться, сканируя пространство по азимуту или по высоте.

Принцип функционирования радиолокатора требует, чтобы период времени между моментами излучения радиоимпульсов $$T$$ был больше, чем время прохождения радиоволны туда и обратно на наибольшее расстояние $$L$$, на котором локатор может обнаруживать цели. Т.е. должно выполняться условие$$T\geq 2L/c,$$ где $$c$$ – скорость распространения радиоволн.

Из-за необходимости все более сложной селекции и обработки сигналов, радиолокаторы уже давно стали интеллектуальными сенсорами.

В зависимости от поставленных задач в радиолокаторах используют следующие частотные диапазоны:

3-30 МГц (длина волны соответственно 100-10 м) – в радиолокаторах береговой охраны и в "загоризонтных" радиолокационных станциях (дальнего обнаружения);

50-1000 МГц (длина волны 6-0,3 м) – для дальнего обнаружения воздушных целей на больших высотах и для исследования поверхности Земли;

1-2 ГГц (длина волны 30-15 см) – для контроля за воздушным движением;

2-8 ГГц (15-3,75 см) – в морских радарах, в метеорологии;

8-12 ГГц (3,75-2,5 см) – для наведения ракет, для картографии средней разрешающей способности, для обслуживания движения самолетов в аэропортах;

12-18 ГГц (длина волны 2,5-1,65 см) – для картографии высокой разрешающей способности, для спутниковой альтиметрии;

27-40 ГГц (длина волны 11-7,5 мм) – в специальных радиолокаторах (например, для управления наземным дорожным движением);

40-100 ГГц (длина волны 7-2,7 мм) – для высокоточных исследований, в сенсорах автоматизированных транспортных средств.

13.4.1. Компактные бортовые радиолокаторы

Сначала радиолокаторы были очень громоздкими. Но с развитием электроники их размеры удалось значительно уменьшить и создать компактные, экономичные радары, удобные для эксплуатации даже на небольших судах (легких самолетах, яхтах и т.п.). Применение микрокомпьютеров позволило сделать радиолокаторы еще более интеллектуальными, использовать всё более изобретательные методы излучения зондирующих радиоимпульсов и обработки отраженных сигналов, которые значительно улучшили эксплуатационные характеристики и надежность радаров.

В качестве примера на рис 13.10 показан бортовой радиолокатор Furuno M1712. Его закрытый, рассчитанный на любую погоду, сканер диаметром 46 см может вращаться с угловой скоростью до 24 об./мин. Благодаря наличию микропроцессора на жидкокристаллическом экране с диагональю 17,5 см данные могут быть представлены в 14 различных масштабах от 1/8 до 24 морских миль (вдоль радиуса) – в зависимости от потребности. Погрешность определения расстояний не превышает 1% от максимального значения установленной шкалы расстояний, а погрешность определения азимута – до 1 $$\deg$$. Расстояние до объекта можно определить с помощью концентрических колец расстояния, которые автоматически воспроизводятся на экране, либо с помощью курсора. Для самых точных измерений используют маркер переменного расстояния. Направление на объект также измеряется с помощью этого маркера или "электронного пеленга" – луча, проведенного от центра экрана через центр объекта, который автоматически воспроизводится при наведении курсора на объект. Углы отсчитываются от направления движения судна.

При наличии спаренного с радиолокатором цифрового магнитного или гирокомпаса углы могут отсчитываться также и от направления на магнитный или географический север (по выбору пользователя). Радиолокатор может быть информационно связан с системой спутниковой навигации. Тогда на экране будут отображаться также географические широта и долгота объекта, на который наведен курсор. Небольшие объекты (другие суда, буи, островки и т.п.) отображаются на экране в виде ярких точек.

Наличие микропроцессора сделало возможным сложный "полиэкранный" режим работы. В нижней части экрана может высвечиваться "окно данных", на которое выводится информация от компаса, эхолота, лага, от системы спутниковой навигации и т.п. В других "окнах" можно наблюдать общую радиолокационную картину, цветную навигационную карту с индикацией собственного местонахождения и трассы движения, изображение маршрутов и ориентиров движения с прогнозом времени прохождения. Могут быть выделены также окна для отображения сообщений о погоде, о важных событиях в окружающем регионе, данные от рыбопоисковых эхолотов и т.д. [].

Подобный портативный судовой радиолокатор RADAR 2000, работающий на частоте 9,4 ГГц, описан также на сайте http://www.fordewind.spb.ru/Info/jrc/Radar2000.htm.

В отличие от навигационных радиолокаторов так называемые " георадары " направляют свои радиоимпульсы не в свободное пространство, а в исследуемую среду (в землю, воду, стены и т.п.) []. Зондирующий радиоимпульс, проходя сквозь среду, отражается от имеющихся в ней неоднородностей. Отраженные радиосигналы несут информацию о структуре среды. При перемещении георадара вдоль поверхности среды формируется картина, которая позволяет определить наличие, местонахождение, глубину залегания и размеры скрытых объектов [, , ].

На ].

Его назначение – радиолокационное выявление в грунтах, в насыпях, оползнях, под автомобильным или железнодорожным полотном, под водой, во льду и под ним разных структурных неоднородностей, карстовых пустот, промоин, трещин, разломов, инородных тел и т.д. Радар имеет 8 сменных антенных блоков, рассчитанных на разную глубину зондирования и соответственно на разную частоту и продолжительность радиоимпульсов. Среди них имеются и герметичные антенные блоки, рассчитанные на погружение в воду на десятки метров. Низкочастотные антенны используют для исследований на глубину до 10-30 м с точностью определения глубины залегания 0,5 м, а более высокочастотные – для исследований на меньшие глубины (первые метры). Наиболее высокочастотная антенна АБ-1700 излучает импульсы с центральной частотой 1,7 ГГц. Это обеспечивает разрешающую способность 3 см на глубинах до 1 м. Антенные блоки устанавливают на самодвижущуюся тележку, способную перемещаться со скоростью 5-10 м/с, поддерживая радиосвязь с блоком обработки в радиусе до 100 м. На ней установлены автоматические сенсоры перемещения. Для сканирования антенны на большие расстояния тележку цепляют к автомобилю, трактору и т.п. С целью привязки к абсолютным геофизическим координатам предусмотрены связь со спутниковыми навигационными системами GPS и GLONACC.

Некоторые примеры применения георадаров приведены на рис. ]. Черными линиями выделены профили повышенного отражения радиоволн на границах раздела между разными слоями. Полученные профили позволяют рассчитать запасы мела и определить границы продуктивных залежей.

Другой пример можно увидеть на рис 13.13, где сверху показано первичное радиолокационное изображение, а снизу – уточненное и обработанное изображение после выборочного геологического исследования слоёв и их интерпретации специалистами.

Верхний уровень (0,0 м) соответствует положению поверхности воды в болоте. На отредактированном изображении хорошо видны контуры и размеры продуктивного слоя торфа.

С целью радиолокационного выявления местонахождения людей, которые оказались под завалами после землетрясения или после другой стихийной или техногенной катастрофы, разработан специальный режим зондирования и обработки сигналов. В этом режиме из общего отраженного сигнала вычитается сигнал отражения от неподвижных объектов, находящихся на той же глубине. Благодаря этому достигают высокой чувствительности при выявлении подвижных объектов, например, дыхательных колебаний грудной клетки человека и других его движений. Сигналы от подвижных объектов выделяют по изменению частоты принятых радиосигналов вследствие эффекта Доплера. Этот режим работы показан на рис 13.14: сверху – уровень сигналов отражения от неподвижных объектов, снизу – профиль разностного сигнала при наличии человека за стенами. Прямоугольником выделен весьма существенный разностный сигнал, обусловленный движениями человека и его грудной клетки.

13.4.3. Широкополосная радиолокация

В георадарах сейчас все шире применяют "широкополосную" (UltraWideBand – UWB) радиолокацию, когда ширина спектра радиосигнала превышает 25 % его центральной частоты. Проще говоря, излучаются лишь несколько периодов колебаний на центральной частоте или короткие одиночные импульсы [, , , , ].

Широкая полоса частот предопределяет небольшой пространственный размер "волнового пакета" и обусловленную этим высокую пространственную разрешающую способность. Например, радиоимпульсу продолжительностью 0,1 нс соответствует волновой пакет длиной лишь 3 см. Такой "пакет" различает уже сантиметровые детали структуры объекта, от которого он отражается. Короткие импульсы предопределяют также низкую среднюю (во времени) мощность излучения. При средней мощности лишь в несколько милливатт можно обеспечить дальность выявления целей от нескольких метров до километров.

В 1994 году Томас МакЕрван из Ливерморской национальной лаборатории (США) разработал миниатюрный радиолокатор MIR (Micropower Impulse Radar – микромощный импульсный радиолокатор ) с продолжительностью импульсов 200 пс и пространственной разрешающей способностью 1 см. Интервалы времени между излучениями импульсов являются случайными и задаются генератором шума. А прием отраженных сигналов синхронизируется с моментами излучения. Таким образом достигаются: сведение к минимуму помех, создаваемых несколькими одновременно работающими антеннами; очень высокая селективность отбора "своих" сигналов; а также практически незаметная работа радиолокатора, так как его излучение для постороннего наблюдателя сливается с фоновым шумом. Средняя частота излучения импульсов составляет 1-2 МГц. Усреднение по десяткам тысяч – миллионам импульсов повышает соотношение сигнал/шум. Благодаря очень коротким импульсам и большой скважности средняя мощность излучения MIR радиолокатора в сотни раз меньше, чем у мобильных телефонов. Всю его СВЧ электронику удалось разместить на печатной плате площадью около 4 см².

Используя MIR технологию, Ливерморская лаборатория разработала, например, радиолокационную систему HERMES (High-speed Electromagnetic Roadway Mapping and Evaluation System) для контроля за состоянием бетона и внутренней арматуры мостов. Система состоит из 64 миниатюрных MIR радиолокаторов, смонтированных на метровых штангах слева и справа от оси автомобиля так, что они перекрывают полосу шириной 2 м. Автомобиль движется со скоростью общего транспортного потока, и система на основе получаемой радиолокационной информации формирует трехмерное изображение внутренней структуры покрытия моста с разрешающей способностью до 5 см. Опыт показал, что благодаря высокому контрасту изображения, надежно обнаруживаются трещины в бетоне и арматуре шириной от 1 см.

В той же лаборатории создана радиолокационная система LANDMARC (Land-Mine Detection Advanced Radar Concept) для поиска зарытых в землю противопехотных мин, изготовленных из пластмасс и покрытых резиновой оболочкой, которые невозможно обнаружить с помощью металлоискателя. Для этого несколько миниатюрных MIR радиолокаторов монтируют на легкой штанге, которую переносят вручную, или устанавливают на небольшой роботизированной тележке. При перемещении, оставаясь на высоте порядка 10 см над поверхностью земли, система собирает радиолокационные сигналы отражения, которые после обработки бортовым микрокомпьютером превращаются в двух- или 3-мерное томографическое изображение структуры подземной среды. В "ручном" варианте изображение формируется на мини-экране, подвешенном на шлем оператора, а в роботизированном варианте – на экране пульта управления тележкой. Испытания подтвердили, что система легко отличает пластиковые мины от грунта, камней, корней, останков животных и деревянных предметов. Аналогичная система создана также в шведском Институте оборонительных исследований FOA.

Миниатюрные MIR радиолокаторы уже используются в автомобилях для предупреждения о возможности столкновения, для срочного приведения в действие воздушных подушек безопасности, для помощи при парковке. Начинается их широкое применение в охранных системах для выявления фактов проникновения и присутствия посторонних лиц или животных, в том числе и за стенами помещения.

13.4.4. "Нелинейные" радиолокаторы

В конце ХХ в. стали применять и так называемые " нелинейные радиолокаторы " []. Принцип их действия основан на том, что нелинейные электронные компоненты при взаимодействии с высокочастотными радиоволнами не только отражают их. Они также генерируют и излучают в виде вторичных волн их "более высокие гармоники", т.е. радиоволны с частотами в целое число раз больше частоты падающей волны. Поэтому по появлению высших гармоник можно обнаружить и установить местонахождение нелинейных электронных компонентов. На рис 13.15 показан один из современных нелинейных радиолокаторов Orion NGO-4000, предназначенный для поиска и выявления устройств, в состав которых входят полупроводниковые электронные элементы, например, тщательно спрятанных подслушивающих устройств, скрытых видеокамер, записывающих устройств, управляемых по радио взрывных устройств и т.п. ORION обнаруживает скрытые электронные устройства независимо от того, находятся они в работе или отключены. Работой локатора управляет микропроцессор, который организует проверку и автоматически отыскивает свободные рабочие частоты в диапазоне от 850 МГц до 1005 МГц. Радиоволны одной из выбранных частот облучают пространство за антенной, а приемник контролирует отраженный сигнал этой же частоты, а также второй и третьей гармоник. Мощность излучения подбирается автоматически или (по желанию оператора) вручную, начиная от 14 мВт до 1,4 Вт. Круговая поляризация антенны и быстрые изменения частоты обеспечивают выявление полупроводниковых элементов любой ориентации и расположения. Цифровая обработка сигналов позволяет оптимизировать чувствительность локатора.

Результаты измерений интенсивности отраженных сигналов 2-й, 3-й гармоник и основной частоты выводят на дисплей в виде столбчатых диаграмм, как показано на рис. 13.16. Если интенсивность 2-й гармоники выше, чем интенсивность 3-й (справа), то это указывает на присутствие полупроводниковых электронных элементов. А более высокая интенсивность 3-й гармоники (рис 13.14 слева) свидетельствует о наличии лишь коррозионных нелинейных контактов между металлами. В случае обнаружения скрытых электронных устройств автоматически подается предупредительный звуковой сигнал в наушники, которые соединены с основным блоком через беспроводный инфракрасный канал связи.

(рис 13.15)

Рис. 13.16. Примеры изображений на дисплее радиолокатора Orion NGO-4000

Краткие итоги

Большую группу электромагнитных интеллектуальных сенсоров составляют радиоприемники, которые из миллионов разных радиоволн всех частот, поляризаций, фаз, способов модуляции, направлений распространения выделяют слабые радиосигналы лишь требуемого пользователю радиоканала, усиливают их и превращают в четкие высококачественные звуковые волны. Чувствительным элементом радиоприемника является антенна, в которой распространяющиеся радиоволны наводят переменное электрическое напряжение небольшой амплитуды. В конце ХХ в. на смену чисто аналоговым радиоприемникам пришли цифровые. Они намного удобней для пользователей и обеспечивают им ряд ценных дополнительных услуг. А сейчас начался уже постепенный переход на "цифровое радиовещание", при котором звуковые сигналы с самого начала представляются и передаются в цифровой форме. Благодаря этому можно обеспечить более высокую помехоустойчивость и гораздо более высокое качество передачи звуковых сигналов по радио. При использовании цифровой компрессии сигналов появляется также возможность передавать по одному радиоканалу несколько независимых потоков аудиоинформации и других данных, расширяя палитру предоставляемых пользователям услуг.

В конце ХХ в. началось также массовое использование таких интеллектуальных радиосенсоров, как мобильные телефоны. Для многих они стали уже такой же необходимой вещью, как носовой платок, расческа, авторучка. Сплошной сетью беспроводной сотовой телефонной связи "покрыты" уже целые континенты. В дополнение к мобильным телефонам разработаны и массово выпускаются также " гарнитуры hands-free " – наушники, которые настраивают на связь со своим мобильным телефоном и цепляют за ухо. Благодаря двусторонней радиосвязи с мобильным телефоном через наушник можно принимать входные звонки, вести телефонный разговор. При этом руки остаются свободными для другой работы. Мощность радиоизлучения гарнитуры hands-free в сотни раз меньше, чем мощность излучения мобильного телефона.

Это обеспечивается благодаря радиосенсорам "Bluetooth" – миниатюрным приемо-передающим радиосенсорам, обеспечивающим эффективный беспроводный обмен информацией между компьютерами, мобильными телефонами, принтерами, видеокамерами и любыми другими оснащенными таким сенсором приборами и устройствами. Радиосенсоры Bluetooth могут связываться, находясь в разных комнатах, будучи разделены стенами, дверьми, мебелью или другими неметаллическими преградами. При помощи Bluetooth-сенсоров можно относительно просто, быстро и с небольшими затратами организовать локальные сети из многих устройств. Это могут быть, например, компьютеры, мобильные телефоны, принтеры, цифровые видеокамеры, холодильник и микроволновая печь, электропривод передвижной стены, – все, во что удается встроить миниатюрный радиосенсор Bluetooth.

Благодаря применению встроенных микрокомпьютеров и других достижений микроэлектроники удалось значительно уменьшить размеры и улучшить характеристики радиолокаторов. Ныне они применяются не только для дальнего обнаружения воздушных целей, контроля за воздушным движением и наведения ракет, но и для ориентации самолетов и судов, в метеорологии, для исследования поверхности Земли, картографии, береговой охраны, управления наземным дорожным движением. Развиты и широко используются такие новые технологии, как широкополосная и MIR радиолокация, нелинейная радиолокация и т.д.

Набор для практики

Вопросы для самопроверки

Упражнения

Упражнение 13.1. Составьте функциональную схему радиоприемника и вкратце опишите его работу.

Вариант 1. Аналоговый супергетеродинный радиоприемник.

Вариант 2. Цифровой радиоприемник.

Вариант 3. Цифровой радиоприемник для приема стереопередач.

Вариант 4. Радиоприемник для цифрового радиовещания.

Упражнение 13.2. Опишите вкратце работу мобильного телефона.

Вариант 1. В режиме ожидания вызова.

Вариант 2. В режиме вызова, если владелец отвечает на вызов.

Вариант 3. В режиме вызова, если владелец не отвечает на вызов.

Вариант 4. В режиме активного вызова.

Упражнение 13.4. Назовите блоки (узлы), которые должны обязательно входить в состав радиолокатора, и рассчитайте:

Вариант 1. Время запаздывания отраженного радиосигнала от объекта, находящегося на расстоянии 150 м.

Вариант 2. Время запаздывания отраженного радиосигнала от объекта, находящегося на расстоянии 30 км.

Вариант 3. Расстояние до объекта, если отраженный от него радиосигнал запаздывает на 10 мкс.

Вариант 4. Расстояние до объекта, если отраженный от него радиосигнал запаздывает на 150 мкс.

Вариант 5. Максимальную дальность обнаруживаемых целей, если период излучения радиолокатором радиоимпульсов составляет 100 мкс.

Вариант 6. Максимальную дальность обнаруживаемых целей, если частота излучения радиолокатором зондирующих радиоимпульсов составляет 400 Гц.

Вариант 7. С какой периодичностью от начала развертки надо генерировать импульсы для получения на индикаторе дальности радиолокатора меток дальности через 5 км.

Вариант 8. С какой точностью надо отсчитывать время запаздывания отраженного сигнала, чтобы обеспечить точность определения дальности не хуже 30 м.

Упражнение 13.5. Расскажите вкратце о следующих методах радиолокации.

Вариант 1. Выявление живых людей под завалами с использованием эффекта Доплера.

Вариант 2. Широкополосная радиолокация и ее преимущества.

Вариант 3. MIR технология радиолокации и ее преимущества.

Вариант 4. Нелинейная радиолокация и для чего она используется?

Ответы

Ответы на вопросы

1. Радиоприемники предназначены для приема радиосигналов интересующего пользователя радиоканала. Задачи, возлагаемые на радиоприемники таковы. Из миллионов разных радиоволн всех частот, поляризаций, фаз, способов модуляции, направлений распространения надо выделить слабые радиосигналы лишь требуемого пользователю радиоканала. Надо усилить их, отделить от других радиосигналов и помех, осуществить демодуляцию, превратить в четкие высококачественные звуковые волны.

2. Чувствительным элементом радиоприемника является антенна, в которой распространяющиеся электромагнитные волны наводят переменное электрическое напряжение небольшой амплитуды, – часто лишь в микровольты и менее.

3. Можно назвать такие преимущества цифровых радиоприемников перед аналоговыми: а) достаточно настроиться на нужные радиоканалы один раз и занести параметры настройки в память, после чего радиоприемник сам автоматически отыскивает и выделяет заданный радиоканал; б) цифровой радиоприемник значительно лучше следит за частотой избранного радиоканала; в) он может выполнять много дополнительных функций – цифровых часов, будильника и т.д.; г) при наличии встроенной флэш-памяти приемник может автоматически записать и потом воссоздавать интересующие пользователя радиопередачи.

4. "Цифровое радиовещание" – это технология радиовещания, при которой звуковой сигнал с самого начала представляется в цифровой форме, и которая, благодаря этому, обладает более высокой помехоустойчивостью и обеспечивает гораздо более высокое качество передачи звуковых сигналов по радио. Эта технология при использовании цифровой компрессии сигналов позволяет также передавать по одному радиоканалу несколько независимых потоков аудиоинформации и других данных, расширяя палитру предоставляемых пользователям услуг.

5. Мобильный телефон является также и акустическим сенсором, поскольку первичные информационные сигналы появляются в нем и при восприятии живой речи. Мобильный телефон является также и электрическим сенсором, поскольку при нажатиях на его клавиши первичные информационные сигналы имеют вид электрических сигналов. Но мы относим мобильный телефон к классу интеллектуальных радиосенсоров потому, что восприятие информации в форме радиосигналов является в мобильном телефоне определяющим. Если не работает только микрофон, то пользователь еще может слышать, что говорит ему вызывающий абонент, и ответить ему SMS сообщением. Если не работают только клавиши набора SMS сообщений, то можно общаться с партнером по связи голосом. А вот если не работает радиосвязь, то остальные чувствительные элементы теряют свое значение.

6. Функции "органайзера" – это функции мобильного телефона, непосредственно не связанные с телефонией. Мобильный телефон может выполнять их, благодаря наличию в нем встроенного микрокомпьютера, дисплея и кнопок управления. Это, например, такие функции, как цифровые часы, будильник, секундомер, таймер, калькулятор, записная книжка, электронная игра.

7. Радиосенсоры "Bluetooth" – это миниатюрные приемо-передающие радиосенсоры, обеспечивающие эффективный беспроводный обмен информацией между компьютерами, мобильными телефонами, принтерами, видеокамерами и любыми другими оснащенными таким сенсором приборами и устройствами. Радиосенсоры Bluetooth могут связываться, находясь в разных комнатах, будучи разделены стенами, дверью, мебелью или другими неметаллическими преградами. При помощи Bluetooth-сенсоров можно относительно просто, быстро и с небольшими затратами организовать локальные сети из многих устройств. Это могут быть, например, компьютеры, мобильные телефоны, принтеры, цифровые видеокамеры, холодильник и микроволновая печь, электропривод передвижной стены, – все, во что удается встроить миниатюрный Bluetooth-сенсор.

8. "Гарнитура hands-free" (или "гарнитура Bluetooth") – это наушники для высвобождения рук, которые продаются как дополнение к мобильным телефонам. В них, как и в мобильный телефон, встроен сенсор Bluetooth, а также мини-микрофон и динамик с усилителями. Такой наушник настраивают на связь со своим мобильным телефоном и цепляют за ухо. Мобильный телефон может оставаться в кармане, в сумке или лежать где-то в десяти метрах от пользователя. Благодаря двусторонней радиосвязи с мобильным телефоном через наушник можно принимать входные звонки, вести телефонный разговор. При этом руки остаются свободными для другой работы. Мощность радиоизлучения гарнитуры hands-free в сотни раз меньше, чем мощность излучения мобильного телефона. И это сводит к минимуму влияние коротковолнового радиоизлучения на организм человека во время сеансов телефонной радиосвязи.

9. Принцип работы радиолокатора состоит в том, что из его антенны периодически излучаются радиоимпульсы и принимаются их отражения от окружающих объектов. По времени запаздывания отраженного радиоимпульса можно определить расстояние до соответствующего объекта, а по величине и характеру отраженного сигнала – некоторые характеристики объекта. По изменению частоты отраженного сигнала можно определить, движется ли объект, и вычислить скорость его перемещения. Если диаграмма направленности излучения антенны достаточно узка, то можно определить также, в каком направлении находится обнаруженный объект.

10. Можно назвать следующие области применения радиолокаторов: а) дальнее обнаружение воздушных целей; б) контроль за воздушным движением; в) наведение ракет; г) картография; д) ориентация самолетов и судов; е) метеорология; ж) исследования поверхности Земли; з) береговая охрана; и) управление наземным дорожным движением.

11. "Георадар" – это радиолокатор, направляющий свои радиоимпульсы не в свободное пространство, а в исследуемую среду – в землю, воду, стены и т.д. Радиоимпульс, проходя сквозь зондируемую среду, отражается от имеющихся в ней неоднородностей. Отраженные радиосигналы несут информацию о структуре среды. При перемещении георадара вдоль поверхности среды формируется картина, позволяющая определить наличие, местонахождение, глубину залегания и размеры скрытых объектов. Георадары применяют для выявления в глубине земли, в насыпях, оползнях, под автомобильным или железнодорожным полотном, под водой, во льду и под ним разных структурных неоднородностей, карстовых пустот, промоин, трещин, разломов, инородных тел. Важными применениями являются также определение глубины залегания полезных ископаемых и поиск живых людей, оказавшихся под завалами в результате природных или техногенных катастроф.

12. "MIR радиолокатор" (Micropower Impulse Radar – микромощный импульсный радиолокатор) – это миниатюрный радиолокатор, который излучает сверхкороткие радиоимпульсы продолжительностью 200 пс. Интервалы времени между излучениями импульсов являются случайными и задаются генератором шума. А прием отраженных сигналов синхронизируется с моментами излучения. Таким путем достигаются: сведение к минимуму помех, создаваемых несколькими одновременно работающими антеннами; очень высокая селективность отбора "своих" сигналов; а также практически незаметная работа радиолокатора, так как его излучение для постороннего наблюдателя сливается с фоновым шумом. Средняя частота излучения импульсов составляет 1-2 МГц. Усреднение по десяткам тысяч – миллионам импульсов повышает соотношение сигнал/шум. Благодаря очень коротким импульсам средняя мощность излучения MIR радиолокатора в сотни раз меньше, чем у мобильных телефонов.

Ответы к упражнениям

Упражнение 13.1.

Вариант 1. Функциональная схема аналогового супергетеродинного радиоприемника имеет следующий вид.

Чувствительным элементом является антенна А. Наведенные в ней электрические колебания усиливаются в усилителе высокой частоты УВЧ. Он содержит высокодобротный колебательный контур, благодаря чему из широкого спектра колебаний выделяются лишь сигналы нужной частотной полосы. Резонансная частота устанавливается вручную с помощью узла настройки Н. Этот узел обычно содержит переключатель радиодиапазонов, ручки грубой и точной настройки, шкалу и светодиодный индикатор настройки. Выделенные и усиленные сигналы нужной пользователю частоты поступают в смеситель См, на который подаются также сигналы опорной частоты от гетеродина Г. Это – генератор незатухающих электромагнитных колебаний, частота которых тоже регулируется узлом настройки Н так, чтобы разность между ней и частотой выделяемых высокочастотных колебаний оставалась постоянной. При смешивании выделенных сигналов нужной пользователю частоты и опорного сигнала от гетеродина на выходе смесителя См появляется сигнал разностной частоты, которую называют "промежуточной". Она остается одной и той же при настройке УВЧ на любую радиостанцию. Сигналы промежуточной частоты отфильтровываются фильтром промежуточной частоты ФПЧ от помех и усиливаются в усилителе промежуточной частоты УПЧ. Узел автоматической регулировки усиления АРУ обеспечивает оптимальную амплитуду выходного сигнала промежуточной частоты, поступающего на демодулятор Дм. Последний выполняет действия, обратные тем, которые производятся в модуляторе передающей радиостанции. В случае амплитудной (частотной, фазовой) модуляции Дм выполняет амплитудную (соответственно частотную, фазовую) демодуляцию. Благодаря этому на выходе Дм появляются сигналы звуковой частоты. Они усиливаются в УНЧ и воспроизводятся в звуковой колонке (или в наушниках) Зв. Узел РТ, изменяя частотную характеристику УНЧ, позволяет оптимально отрегулировать тембр звучания.

Вариант 2. Функциональная схема цифрового радиоприемника для приема аналоговых сигналов имеет следующий вид.

Весь радиоприёмный тракт, включая усилитель низкой частоты УНЧ, работает так же, как описано в предыдущем варианте. Но только блоком настройки Н управляет микрокомпьютер МК. Он же выводит на дисплей Д интересующую пользователя информацию (текущее время, дату, наименование принимаемого радиоканала и т.д.). Пользователь может управлять работой радиоприемника (выбирать интересующий его радиоканал, устанавливать время, дату, программировать на включение в нужный момент, на самовыключение и т.д.) через кнопки или клавиши управления КУ.

Вариант 3. Функциональная схема цифрового радиоприемника для приема стереопередач имеет следующий вид.

Поскольку радиосигнал стереопередач имеет две связанных несущих (или поднесущих) частоты, то он и принимается на 2 различных радиоприемных тракта РПТ 1 и РПТ 2. Выход каждого из них подключается к своей звуковой колонке Зв, благодаря чему и создается стереофоническое звучание. Настройка обоих радиоприемных трактов на нужный пользователю радиоканал производится через общий блок настройки Н. Функциональная схема радиоприемного тракта такая же, как описано в предыдущем варианте. Радиоприемные тракты РПТ 1 и РПТ 2 могут иметь общую высокочастотную или даже и промежуточную ступень усиления.

Вариант 4. Функциональная схема цифрового радиоприемника для цифрового радиовещания имеет следующий вид.

Наводимые в антенне А электрические колебания поступают в радиоприемный тракт РПТ, где из них выделяются колебания, вызванные радиоволнами только выбранного пользователем канала. Они там усиливаются, демодулируются и превращаются в последовательность импульсов цифровой информации. Эта последовательность поступает в микроконтроллер МК, который в соответствии с установленным протоколом связи выделяет из неё потоки данных, нужных пользователю. Он осуществляет их цифровую фильтрацию, декодирует их, формирует аудиосигналы и информацию для отображения на текстовом дисплее ТД. Аудиосигналы поступают на выходной усилитель ВУ, а с него – на звуковые колонки Зв. По желанию пользователя текстовая или аудиоинформация могут запоминаться во флэш-памяти ФП и потом воспроизводиться радиоприемником. Для того, чтобы пользователь мог управлять работой радиоприемника, используются клавиши или кнопки управления КУ.