Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику
На память приходит броский лозунг: «ЭВМ управляет бытовым радиокомплексом». Странно? До сих пор бытовым радиокомплексом управлял человек, слушатель или, как теперь все чаще говорят, пользователь. Давайте определим число органов управления современным бытовым радиокомплексом. Тюнер: ручка настройки, переключатель диапазонов, ручка выбора полосы пропускания, переключатель «Местный дальний прием», общий выключатель — итого пять органов управления. Примерно по стольку же, если не больше, органов управления и у других устройств, входящих в радиокомплекс. Всего набирается несколько десятков органов управления. Есть у вас гарантии, что все они установлены в оптимальные для данного режима работы и воспроизводимой программы положения?
Наверное, нет, особенно если вы не слишком искушенный в радиотехнике человек. Радиовещательную программу вы можете слушать не на той волне, в то время как другая станция передает ее же с лучшим качеством и в условиях меньших помех; полосу пропускания вы наверняка выбрали неоптимальную; включая проигрыватель, забыли, что надо сделать прежде: пустить двигатель или поставить звукосниматель на пластинку, а уж выбор оптимального уровня записи в магнитофоне для вас вообще темный лес. Рядовой пользователь часто решает и более прозаические проблемы: подключив магнитофон к усилителю, долго не может понять, почему нет звука, когда кассета вертится, и пытается отрегулировать положение головки, хотя на самом деле он просто взял не тот соединительный кабель.
Все эти проблемы снимаются, если в радиокомплекс встроен микропроцессор, управляющий его работой. В этом случае управление комплексом больше напоминает работу с микрокалькулятором. Например, вы заказываете микропроцессору, чтобы во вторник вечером (укажите время) был записан концерт Раймонда Паулса (или кого-нибудь еще, кто вам больше нравится). Частота нужной станции внесена в память цифрового устройства настройки компьютера заранее, микропроцессору надо только указать ее код и время. Сделав «заказ», вы можете забыть о нем и во вторник вечером спать, гулять или засидеться на работе. Микропроцессор сам в нужное время включит нужные агрегаты (тюнер и магнитофон), сделает запись и все выключит. Придя домой или проснувшись, вы нажмете кнопку на клавиатуре процессора, он сделает необходимые переключения, и вы услышите любимые мелодии. А уж об установке полосы пропускания, регулировке тембра, громкости, баланса стереоканалов вам можно не заботиться процессор сделает это сам, как всегда что-нибудь оптимизируя, например отношение сигнал-шум.
Сказка? Она вполне осуществима. Вся необходимая техника уже есть. А по мере усложнения управляющего компьютера возможности еще больше расширятся. Я не говорю о встроенных часах, календаре, программе передач, хранящейся в электронной памяти и беспроводном дистанционном управлении на ИК лучах. Все это уже есть и иногда используется. Возможно и голосовое управление компьютером. Сейчас современные компьютеры этому обучаются, распознать речь «хозяина» им уже не составляет труда. А когда компьютеры научатся исполнять и некорректно сформулированные задачи, возможно, будет, например, такое. Усевшись в кресло, вы объясняете компьютеру (который круглые сутки настороже!): «А поставь-ка мне, приятель, Пугачеву, ну, там, где она про лето поет…». И через несколько миллисекунд (компьютер «думает» и работает быстро) слышите голос певицы: «Лето, ах, лето…».
Пройдет еще какое-то время, компьютеры станут совсем умными, а дети в семье совсем избалованными обилием обслуживающей их техники, и тогда может случиться и такое. «Покажи-ка мне «Ну, погоди!» семьдесят третью серию», — скажет ребенок, устраиваясь перед телевизором. «Ничего не выйдет, малыш, — ответит бытовой радиокомплекс, — у тебя еще не сделан английский». И немедленно изобразит на экране телевизора (он же дисплей) страницу учебника и прочитает ее с идеальным оксфордским произношением. Согласитесь, что ради создания таких умных и полезных радиокомплексов стоит работать! Но мы замечтались, а в радиоэлектронике еще столько вопросов, о которых не то что поговорить, а даже упомянуть мы еще не успели. Поэтому перевернем страницу и начнем следующую главу.
9. РАДИОЛОКАЦИЯ
Глава рассказывает о спрутax-звукоулавливателях, возникновении и развитии советской радиолокации, первых опытах по обнаружению самолетов с помощью радиоволн, гибели немецких и американских линкоров и многом другом, что может очень заинтересовать не только любителей военно-приключенческой литературы. В частности, посмотрим на арбуз с расстояния полутора тысяч километров, обсудим проблему небесных «ангелов», поговорим об обнаружении ливневых облаков и составлении подробных карт в плохую погоду.
Что такое радиолокация?
Когда вы стоите на краю обрыва, а перед вами, за рекой, стеной поднимается крутой берег, заросший густым лесом, трудно удержаться, чтобы не крикнуть или громко не хлопнуть в ладоши. В ответ раздается эхо. То что вы делаете, называется звуколокацией.
Звук, отраженный от противоположного берега, запаздывает во времени и искажается, часть его накладывается на посылаемый звук, и начало фразы принять (услышать) уже нельзя, а конец фразы звучит вполне отчетливо. Налицо многие проблемы, встречающиеся в радиолокации.
Звуколокация.
О принципах радиолокации вы, читатель, уже наверняка немало наслышаны. Мощный луч радиолокационного передатчика фокусируется большой антенной в направлении исследуемого объекта цели, как говорят специалисты по радиолокации. Разумеется, это название пошло от военных, для которых, собственно, и создавались первые радиолокаторы. Теперь уже у радиолокатора (радара) появилась масса мирных профессий, о которых мы еще поговорим. Итак, «цель» облучена зондирующим сигналом (привыкайте к радиолокационной терминологии!). Целью может быть самолет, корабль, ракета, поверхность Земли или другой планеты. Радиоволны рассеиваются целью, а часть их приходит назад к радару, где и регистрируется приемником. Итак, первая задача радиолокации — обнаружение цели решена. Вторая задача сложнее надо определить координаты цели. На уроках физики и математики вас учили, что прежде, чем измерять координаты, надо задать систему координат. Разные радары работают в различных системах координат. Сразу становится ясно, что чем «тоньше» луч радара, т. е. чем уже диаграмма направленности его антенны, тем точнее можно определить координаты цели.
Система координат обзорной РЛС:
α — азимут; β — угол места: R — наклонная дальность
Для слежения за целью антенну надо поворачивать. Различают два основных режима работы РЛС: режим обзора (сканирования) пространства и режим слежения за целью. В режиме обзора луч РЛС по строго определенной системе просматривает все пространство или заданный сектор. Антенна, например, может медленно поворачиваться по азимуту и в то же время быстро наклоняться вверх и вниз, сканируя по углу места. В режиме слежения антенна все время направлена на выбранную цель и специальные следящие системы поворачивают ее вслед за движущейся целью.
Третья координата — дальность-определяется по запаздыванию отраженного сигнала относительно излучаемого. Так и хочется сказать, что запаздывание сигнала очень мало, поскольку радиоволны распространяются со скоростью света, равной 300000 км/с, или 3·108 м/с. Действительно, для самолета, находящегося на расстоянии 3 км от РЛС, запаздывание составит всего 20 мкс (20·10-6 с). Такой результат получился из-за того, что радиоволна проходит путь в обоих направлениях, к цели и обратно, так что общее расстояние, пройденное волной, составит 6 км. Но вот при радиолокации Марса, успешно проведенной в начале 60-х годов, задержка сигнала составила около 11 мин, а это время уж никак не назовешь малым!
И еще один аспект этой интереснейшей техники. Если посланный сигнал будет «путешествовать» в просторах космоса целых 11 мин, насколько же он ослабнет! И как выделить его в приемнике из собственных шумов приемника и шумов космического происхождения? Ослабление сигнала при радиолокации вполне поддается расчету, который основан на простых физических соображениях. Их мы уже рассматривали в гл. 4. Если в какой-то точке излучается мощность Р, то поток мощности через единичную площадку, находящуюся на расстоянии R, будет пропорционален P/4πR2. В знаменателе стоит площадь сферы радиусом R, окружающей источник. Таким образом, при обычной радиосвязи мощность, принятая нами, обратно пропорциональна квадрату расстояния. Этот закон — закон сферической расходимости пучка энергии выполняется всегда при распространении волн в свободном пространстве.
