Основы радиоэлектроники и связи

М осква
Горячая линия – Телеком
2012

Основы 
радиоэлектроники 
и связи

В. И. Каганов
В. К. Битюков

Допущ ено М инистерством образования и науки РФ  
в качестве учебного пособия для студентов высш их учебных 
заведений, обучаю щ ихся по специальности 
«Проектирование и технология радиоэлектронных средств» 
направления «Проектирование и технология 
электронных средств»

2-е издание

УДК 621.39 
ББК 32.88 
        К12 
 
Р е ц е н з е н т ы :   
             канд. техн. наук, профессор  В.Ф. Борисов; доктор техн. наук, профессор 
А.А. Головков; доктор техн. наук, профессор  А.В. Гуреев; заслуженный 
деятель науки РФ, доктор техн. наук, профессор  И.Г. Мироненко 

Каганов В. И., Битюков В. К. 
  К12          Основы радиоэлектроники и связи: Учебное пособие для 
вузов. – 2 изд., стереотип.  – М: Горячая линия–Телеком, 2012. – 
542 с.: ил. 

ISBN 978-5-9912-0252-7. 

Изложены сведения по всем разделам вузовской программы одноименного курса. Рассмотрены основы теории информации, способы кодирования сообщений, принципы их передачи и приема с помощью радиосигналов, спектральная теория сигналов и их генерирование, усиление, преобразование, модуляция, детектирование, демодуляция и обработка. Изложена 
теория радиоэлектронных линейных, нелинейных и параметрических цепей 
аналогового и цифрового типа, устройство и принципы функционирования 
радиоэлектронных устройств и систем радиосвязи. 
Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Проектирование 
и технология радиоэлектронных средств» направления «Проектирование и 
технология электронных средств». Может быть использовано для повышения квалификации специалистами. 
ББК 32.88 

Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 

Учебное издание 
Каганов  Вильям Ильич 
Битюков  Владимир Ксенофонтович 

ОСНОВЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И СВЯЗИ 

Учебное пособие 
 
Редактор  В.Н. Минкин 
Корректор  Е.Н. Мартьянова 
Обложка художника  В.Г. Ситникова 
Подготовка оригинал-макета  Ю.Н. Рысева 
 
Подписано к печати 21.02.2012.  Формат 60×88 1/16. 
Усл. печ. л. 34.  Изд. № 120252.  Тираж 100 экз. 

 

 

ISBN 978-5-9912-0252-7                               ©  В. И. Каганов, В. К. Битюков, 2007, 2012 
                                                                                  ©  Оформление издательства 
                                                                                 «Горячая линия–Телеком», 2012 

Предисловие 

«Основы радиоэлектроники и связи» являются базовой учебной 
дисциплиной в системе подготовки дипломированных специалистов 
по направлению «Проектирование и технология электронных средств», 
в том числе по специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств». Данный курс опирается и тесно взаимодействует с такими дисциплинами как «Физика», «Информатика», «Общая 
электротехника и электроника», «Физические основы преобразовательной техники» и со всеми математическими дисциплинами.  
Содержанием самой дисциплины «Основы радиоэлектроники и 
связи» являются вопросы теории информации, имеющие прямое 
отношение к проблемам радиосвязи, и основополагающие проблемы радиотехники, связанные с генерированием, усилением, модуляцией, детектированием, демодуляцией, преобразованием и обработкой сигналов, анализом процессов, протекающих в радиоэлектронных цепях разнообразного назначения, изучением принципов устройства и функционирования радиоэлектронных устройств      
и систем радиосвязи. 
Все перечисленные вопросы рассматриваются в настоящем 
учебном пособии, написанном в соответствии с Государственным 
образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению «Проектирование и технология электронных средств».  
Материал книги основан на лекциях, читаемых авторами в Московском государственном институте радиотехники, электроники и 
автоматики (техническом университете) − МИРЭА.  
Настоящее учебное пособие состоит из семи частей, в которых 
последовательно рассматриваются основополагающие вопросы 
радиоэлектроники и связи: формирование сообщений и сигналов, 
разнообразные виды цепей, устройство и функционирование радиопередатчиков, радиоприемников и систем радиосвязи. Остановимся более подробно на содержании этих частей. 
В первой части (гл. 1, 2) излагаются основы информатики как 
теоретической базы по кодированию сообщений, пропускной способности канала связи и сжатию передаваемой информации, а также 
общие принципы передачи и приема сообщений.  

Предисловие 

 
4 

Вторая часть (гл. 3 − 5) посвящена основам спектральной теории детерминированных сигналов – периодических и одиночных, 
исследованию сигналов при модуляции и связанным со случайными процессами. 
В третьей части (гл. 6 – 11) проводится анализ линейных и нелинейных цепей распределенного типа и с переменными параметрами, предназначенных для прохождения непрерывных сигналов; 
особое внимание уделяется фильтрам, согласующим и иным цепям 
линейного типа. 
В четвертой части (гл. 12, 13) рассматриваются цепи дискретного 
типа, методы их анализа и основы цифровой обработки сигналов. 
Пятая часть (гл.14 − 16) посвящена вопросам формирования 
радиосигналов – их генерированию, усилению по мощности и основным видам модуляции – амплитудной, однополосной, частотной, фазовой и импульсной. 
В шестой части (гл. 17, 18) рассматриваются назначение, параметры, характеристики, структурные схемы и устройство связных 
радиопередатчиков и радиоприемников; особое внимание уделяется вопросам оптимальной обработки радиосигналов. 
Седьмая часть (гл. 19 − 21) посвящена принципам построения, 
расчету, методам множественного доступа и функционированию 
современных систем радиосвязи: спутнико-космических, сотовых и 
производственного назначения. Приведены примеры построения 
таких систем и кратко рассмотрены перспективы развития радиоэлектроники.  
Во всех главах рассматривается физическое содержание исследуемых проблем, вопросы математического моделирования сигналов и цепей, анализ и решение некоторых задач с помощью компьютера.  
 

Введение  

Радиоэлектроника есть составная часть радиотехники – науки о 
методах и средствах передачи и приема сообщений на расстояние 
посредством электромагнитных волн, распространяющихся в свободном пространстве. В рамках собственно самой радиоэлектроники 
в первую очередь изучается устройство и функционирование радиотехнических устройств и систем с применением электронных приборов – полупроводниковых, электровакуумных, акустоэлектронных, 
оптоэлектронных и других.  
Сначала несколько слов о зарождении радиотехники. Два человека стоят у ее истоков: русский ученый Александр Степанович Попов 
(1859 – 1906 г.) и итальянский изобретатель Гульельмо Маркони 
(1874 – 1937 г.). Но кто из них все же первым передал на расстояние 
информацию с помощью электромагнитных волн, распространяющихся в свободном пространстве или, как было принято говорить, с помощью беспроволочного телеграфа? Прежде чем ответить на этот вопрос, кратко о предшественниках двух великих изобретателей. 
В 1873 г. английский ученый Джеймс Клерк Максвелл опубликовал 
работу «Трактат по электричеству и магнетизму». Как следствие из 
составленных им уравнений, следовал вывод о возможности распространения электромагнитных волн в свободном пространстве со скоростью света. Но полученному теоретическим путем открытию мало 
кто поверил, даже известные в ту пору физики. Однако спустя 15 лет 
немецкий ученый Генрих Рудольф Герц экспериментальным путем 
доказал справедливость теории Максвелла.  
Сущность опытов Герца состояла в следующем. К двум латунным 
стержням с малым зазором между ними подключалась индукционная 
катушка, создающая высокое напряжение. Когда это напряжение 
превышало напряжение пробоя, в зазоре проскакивала искра и происходило возбуждение электромагнитных колебаний. Излученные 
колебания регистрировались на расстоянии в несколько десятков 
метров, что неопровержимо доказывало распространение электромагнитных волн. Герцем была получена минимальная длина волны  
λ = 60 см. В современном представлении осциллятор Герца есть открытый колебательный контур, в котором при возбуждении его искровым способом возникают затухающие колебания, излучаемые в пространство. 

Введение 

 
6 

От опытов Герца, опубликовавшего результаты своих экспериментальных исследований, отталкивались как Попов, так и Маркони. 
7 мая 1895 г. А.С. Попов впервые продемонстрировал на заседании 
физического отделения Русского физико-химического общества свой 
чувствительный радиоприемник, названный в начале грозоотметчиком, принимавший колебания, излучаемые видоизмененным осциллятором Герца. Этот день в нашей стране отмечается как день радио. Отчет о знаменательном заседании с описанием доклада и эксперимента А.С. Попова был опубликован в журнале общества в августе 1895 г. и январе 1896 г.  
24 марта 1896 г. на заседании того же общества А.С. Попов помимо радиоприемника демонстрирует и созданный им искровой радиопередатчик, передав из одного здания в другое азбукой Морзе 
первую в мире радиотелеграмму. Текст ее был краток: «ГЕНРИХ 
ГЕРЦ». Этой телеграммой Александр Степанович продемонстрировал дань уважения своему предшественнику. В 1897 г. при испытаниях на кораблях дальность связи с помощью аппаратов Попова достигла 5 км, а к 1900 г. она возросла до 47 км во время спасательных 
работ севшего на камни корабля в Балтийском море. 
Другой изобретатель радио – Маркони – также приступил к своим 
экспериментальным исследованиям, отталкиваясь от опытов Герца. 
Вот что говорил о себе итальянский изобретатель в зрелом возрасте: 
«Я никогда не изучал физику и электротехнику систематически, хотя 
еще мальчиком я очень интересовался этими вопросами. Однако я 
прослушал полный курс лекций по физике …и я был достаточно хорошо знаком с публикациями того времени, относящимися к научным 
вопросам, включая также работы Герца, Бранли и Риги». 
В 1896 г. Маркони из Италии переселяется в Великобританию, где 
его изобретением заинтересовались Почтовое ведомство и Адмиралтейство. В 1896 г. Маркони подает заявку на изобретение, связанное с передачей импульсов, а в июле 1897г. получает на него 
первый английский патент. В том же году он создает крупное акционерное общество «Маркони и К0», сумев привлечь к своему изобретению значительные финансовые средства. Маркони в Великобритании зарекомендовал себя не только великим изобретателем, но 
крупным предпринимателем, сумевшим быстро и эффективно внедрить в промышленное производство изобретенные им радиотелеграфные аппараты, приносившие созданной им компании большую 
прибыль. В 1901 г. с помощью аппаратов Маркони была установлена 
радиосвязь через Атлантический океан с Америкой, а в 1918 г. – с 
Австралией. В 1909 г. за изобретение радио Маркони была присуждена Нобелевская премия по физике. За три года до этого события 

Введение 

 
7 

скончался А.С. Попов. Поскольку Нобелевская премия присуждается 
только при жизни, то кандидатура последнего не рассматривалась. 
Внимательно изучая различные источники, в том числе и такой 
авторитетный как «Британская энциклопедия», можно сделать вывод 
о том, что первым публично продемонстрировал и сделал сообщение 
о своем изобретении радио А.С. Попов. А вот в деле патентования          
и продвижения в промышленное производство созданных им радиотелеграфных аппаратов преуспел Маркони. 
В России громадный вклад в развитие радиоэлектроники внесли 
М.А. Бонч-Бруевич, М.В. Шулейкин, В.П. Вологдин, Б.А. Введенский, 
Л.И. Мандельштам, Н.Д. Папалекси, А.И. Берг, А.Л. Минц, Ю.Б. Кобзарев, А.М. Прохоров, Н.Г. Басов, В.А. Котельников, Ж.И. Алферов, 
Ю.В. Гуляев и многие другие ученые и инженеры. 
Кратко рассмотрим, что представляет собой современная радиоэлектроника как сформировавшаяся научно-техническая дисциплина 
из числа высоких технологий. 
В техническом плане радиоэлектроника объединяет разнообразные устройства, предназначенные для передачи, приема и обработки информации в рамках определенной радиотехнической системы – радиосвязи, радиовещания, радиолокации, радионавигации, 
радиоуправления и т.д.  
В технологическом плане радиоэлектронные устройства представляют собой сборки из микросхем, транзисторов, диодов, конденсаторов, электровакуумных приборов и множества иных элементов, 
соединенных между собой согласно определенной электрической 
схеме. Наиболее совершенные конструкции полностью состоят из 
полупроводниковых гибридных и интегральных микросхем. Микроэлектроника, акустоэлектроника и оптоэлектроника позволили перейти к принципиально новому поколению радиоэлектронных устройств, 
обеспечили возможность формирования и обработки с высокой скоростью громадных объемов информации в цифровой форме.  
В научном плане радиоэлектроника занимается анализом, синтезом и расчетом радиотехнических устройств и исследованием протекающих в них процессов, связанных с формированием, приемом и 
обработкой радиосигналов. 
В математическом плане радиоэлектроника опирается на такие 
разделы математики как линейные и нелинейные дифференциальные уравнения, матричная алгебра, нелинейное программирование, 
теория вероятностей и случайных процессов, математический анализ и другие. Причем анализ и решение большинства сложных задач 
проводится с использованием компьютера по специальным программам. 

Часть 1. Принципы передачи  
и приема сообщений 

Глава 1. Основы теории информации и кодирования 
сообщений 

1.1. Определение информации 

Радиотехника, как наука о методах и средствах передачи  
и приема сообщений на расстояние, тесно связана с теорией информации. Поэтому первый вопрос, который следует внимательно 
рассмотреть, приступая к изучению радиотехники, состоит в определении понятия «сообщения», вытекающего, в свою очередь, из 
более обширной категории – «информация». Последний термин 
происходит от латинского слова «informatio», означающего изложение, разъяснение. 
В обыденном смысле под информацией мы обычно понимаем совокупность передаваемых или хранящихся сведений об окружающем 
нас мире и происходящих в нем явлениях и событиях. Информация 
может быть представлена в различных формах, например, в виде: 
устной речи, передаваемой от одного человека слушателям; печатного текста книги, журнала или газеты; фотографии или художественной картины; кинофильма или телевизионного изображения, объединяемых общим понятием «видеоинформация»; совокупности 
электронных данных, хранящиеся на магнитных носителях или компакт-дисках, используемых в компьютерах. 
Последний вид информации получил название электронной. Ее 
роль в повседневной жизни человека и во всех сферах его деятельности – производственной, торговой, финансовой, военной и других – 
с каждым годом все более возрастает, что позволяет утверждать, что 
ХХI век будет столетием информационных технологий. Internet (Интернет) – глобальная мировая сеть, объединившая миллионы компьютеров и позволяющая обмениваться электронной информацией 
миллионам людей, является наглядным тому подтверждением. 
Теория информации используется в самых разнообразных науках: связи, радиолокации, телевидении, медицине, биологии, генетике, лингвистике и других областях [29, 30, 36]. Поэтому понятие 

Глава 1. Основы теории информации и кодирования сообщений 

 
9 

«информация» требует более точного определения, основанного 
на количественных критериях. Поскольку сведениям, поступающим 
с некоторого физического объекта или иного носителя информации, 
почти всегда присуща некоторая неопределенность, то данные критерии вытекают из понятий теории вероятностей. Например, к диспетчеру на аэродроме поступают данные о высоте, направлении и 
скорости полета, расходе топлива и другие сведения с самолетов, 
находящихся в его зоне контроля. При медицинском обследовании 
человека врач анализирует сведения о температуре тела пациента, 
кровяном давлении, остроте зрения и слуха и т.д. Однако какие 
точно сведения будут получены в каждом конкретном случае, ни 
диспетчеру, ни врачу неизвестно. Они могут только знать о возможном разбросе значений различных параметров. 
В этой связи рассмотрим простой случай. Положим в ящик стола 
восемь шаров, на которых нанесем цифры 1, 2, 3, 4 ,5, 6, 7, 8. Вероятность того, что мы вынем из ящика шар с той или иной цифрой, 
очевидно, равна 1/8. Такая вероятность, определяемая до проведения опыта, называется априорной. Обозначим ее через р1. Вынув 
из ящика шар и взглянув на его номер, мы перейдем к апостериорной вероятности, которая в рассматриваемом случае равна 1. Обозначим ее через р2.  
Отношение вероятности р2 (после опыта) к вероятности р1 (до 
опыта) и может явиться количественным носителем информации. 
Однако, поскольку значение этого отношения может быть очень 
большим, то информация оценивается как логарифм данной величины: I = logа (р2 / р1). 
Из сказанного следует, что понятие «информация» связано с 
получением новых сведений. Если заранее со 100%-ной вероятностью известно содержание принятого сообщения (р1 = р2 = 1), то никакой новой информации получено не будет и, следовательно, значение I = 0. Так, например, сообщение о событии, прослушанное 
нами по второму каналу телевидения, о котором мы уже узнали из 
передачи по первому каналу, не принесло нам новой информации 
и, следовательно, в этом случае значение I = 0.  
В качестве основания логарифма «а» может использоваться 
любое число. Однако в большинстве случаев в технических приложениях теории информации принимают а = 2, поскольку передача 
сообщений в технике связи и компьютерах базируется на двоичной 
системе счисления.  
При равной вероятности всех передаваемых М сообщений или 
событий, происходящих с физическим или иным объектом, и пред

Часть 1. Принципы передачи и приема сообщений 

 
10 

ставлении р1 в виде р1 = 1/М = 1/2n получим из последнего выражения при а = 2 и р2 = 1:  

I = log2 М = log2 (2n) = n.  
 (1.1) 

Таким образом, при основании логарифма а = 2 величина I равна числу двоичных единиц, называемых битами.  
В рассмотренном выше примере с восемью шарами (М = 8) значение n = log2 (8) = 3 и, следовательно, I = 3 битам. Очевидно, при 
16 шарах значение n = I = 4 битам; при 32 шарах значение n = I = 5 
битам и т.д.  
Рассмотрим теперь случай буквенно-цифрового текста, содержащего К знаков – букв, цифр и иных значков, общее число которых 
равно М. Будем считать появление в тексте любой буквы или цифры равновероятным, т.е. примем для априорной вероятности  
р1 = 1/М. Следовательно, при хранении этого текста на магнитном 
диске, записанного с помощью двоичного кода, получим для общего 
количества информации: 

А = К log2 М = К n.  
(1.2) 

Например, при К = 1000, М = 64 и n = log2 М = 6 получим для общего количества информации, содержащейся в хранимом тексте,  
А = 6000 бит = 6 кбит. 
С учетом разной вероятности появления в тексте той или иной 
буквы или цифры количество информации будет несколько отличаться от значения, полученного согласно (1.2). 
Рассмотрим теперь случай, когда возможен прием множества 
символов x1, x2, x3, x4, …, xM с разными априорными вероятностями 
р1, р2, р3, р4, ..., рМ . 
Сумма вероятностей  

∑
=
=
M

i
ip
1
.
1  

Для информационного описания такого сообщения или состояний системы вводится понятие энтропии, как мера неопределенности ожидаемой информации: 

∑
=
−
=
M

i
i
i
p
p
H
1
a
.
log
 
(1.3) 

Поскольку вероятность рi < 1, то знак минус в (1.3) позволяет получить значение энтропии Н > 0. При основании логарифма а = 2,