Радиосигналы и радиоустройства в информационных системах. Часть 2. Основные радиотехнические процессы, устройства и системы

А.И. Куприянов

Радиосигналы и радиоустройства 
в информационных системах

Учебное пособие
В двух частях

Часть 2
Основные радиотехнические процессы, 
устройства и системы

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана 
(национальный исследовательский университет)»

 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018
ISBN 978-5-7038-4969-9 (ч. 2) 
 Оформление. Издательство
ISBN 978-5-7038-5007-7 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018

УДК 621.396
ББК 32.64
 
К92

Издание доступно в электронном виде по адресу 
ebooks.bmstu.press/catalog/274/book1890.html

Факультет «Информатика и системы управления» 
Кафедра «Защита информации»

Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Рецензент
заведующий  кафедрой теоретической       
радиотехники 
 
Московского авиационного института (национального технического  
университета), д-р техн. наук, профессор Ю.В. Кузнецов

Куприянов, А. И.

К92  
Радиосигналы и радиоустройства в информационных системах : 

  
учебное пособие : в 2 ч. / А. И. Куприянов.  — Москва : Издательство 

  
МГТУ им. Н. Э. Бау мана, 2018. 

ISBN 978-5-7038-5007-7
Ч. 2 : Основные радиотехнические процессы, устройства и систе
мы. — 120, [2] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-4969-9

Приведены начальные сведения об основах теории и техники радио технических 

устройств как о материальной базе современных систем и методов и средств защиты информации. 
Для студентов технических вузов, изучающих методы и средства обеспечения 

информационной безопасности, также может представлять интерес для спе циалис тов в области защиты информации. 

 

УДК 621.396
ББК 32.64

Предисловие

Издание предназначено для самостоятельной проработки студентами раздела 
дисциплины «Основы радиотехники», входящей в образовательную программу 
специалитета по направлению подготовки 10.00.00 «Информационная безопасность».
Материал, изложенный в ч. 2 «Основные радиотехнические процессы, 
устройства и системы», методически и терминологически связан с ч. 1 «Радиосистемы и радиосигналы» учебного пособия и преследует ту же цель — обеспечить базовую подготовку по радиотехнике, необходимую для успешного изучения 
специальных дисциплин и развития профессиональных компетенций специалиста 
по защите информации. Пособие предназначено для самостоятельной подготовки 
студентов, которым в будущей профессиональной деятельности предстоит заниматься проблемами контроля и обеспечения эффективного функционирования 
технических и организационно-технических систем в информационной среде при 
возможных негативных и деструктивных информационных воздействиях, т. е.  
в условиях информационного конфликта.
Учебное пособие подготовлено на основе материалов учебного курса, который 

автор вел в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Основное внимание уделено принципам работы радиоэлектронных систем, их основным моделям для описания, представления 
и исследования сигналов и помех, необходимым для оценки эффективности и 
качества информационных систем, рассматриваемых в данном учебном пособии. 
Учебное пособие построено по модульному принципу и содержит шесть 
модулей (глав). Для каждого модуля приведен набор оценки результатов обучения 
по программе дисциплины.
Каждый модуль завершается списком контрольных вопросов и заданий, 
которые необходимо проработать самостоятельно, учитывая, что аналогичные 
задания будут предложены при текущем контроле усвоения каждого модуля дисциплины. 
Приведенные вопросы для самоконтроля и упражнения помогают усвоению 
курса «Основы радиотехники». Упражнения выполняются на моделях, для создания которых используются средства пакета Simulink, входящего в состав системы 
MATLAB и предоставляющего очень удобные возможности для визуализации результатов преобразования сигналов основными радиотехническими устройствами.
Технологический прогресс, раздвигая границы возможностей информационных систем вообще и радиоэлектронных систем в частности, предъявляет повышенные требования к научным обоснованиям технических решений, принимаемых при 
разработке радиоэлектронных систем, и к уровню профессиональной компетенции 
специалистов по проектированию и применению РЭС. 

Список сокращений

АИМ — амплитудно-импульсная модуляция
АМ 
— амплитудная модуляция

АМн 
— амплитудная манипуляция

АЧХ 
— амплитудно-частотная характеристика

БМ 
— балансная модуляция

ВИМ 
— временная импульсная модуляция

ВЧ 
— высокая частота

ГУН 
— генератор, управляемый напряжением

ДПКД — делитель с переменным коэффициентом деления
КНД 
— коэффициент направленного действия

КПД 
— коэффициент полезного действия

КФМС — квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом
ЛЧМ 
— линейная частотная модуляция

НЧ 
— низкая частота

ОБП 
— одна боковая полоса

ОУ 
— операционный усилитель

РТС 
— радиотехническая система

РЭС 
— радиоэлектронная система

РЭПр — радиоэлектронное противодействие
СВЧ 
— сверхвысокая частота

УМ 
— угловая модуляция

УМн 
— угловая манипуляция

УПЧ 
— усилитель промежуточной частоты

УПТ 
— усилитель постоянного тока

ФАПЧ — фазовая автоподстройка частоты
ФД 
— фазовый детектор

ФМ 
— фазовая модуляция

ФМн 
— фазовая манипуляция

ФНЧ 
— фильтр низкой частоты

ФЧХ 
— фазочастотная характеристика

ЦАП 
— цифроаналоговый преобразователь

ЧИМ 
— частотно-импульсная модуляция

ЧМ 
— частотная модуляция

ЧМн 
— частотная манипуляция

ЧМС 
— частотная модуляция с минимальным сдвигом

ШИМ — широтно-импульсная модуляция

1. Усиление и фильтрация радиосигналов

В гл. 1 рассмотрены способы и устройства усиления и фильтрации 

радио сигналов. Приведены алгоритмы и схемные решения радиотехнических 
устройств для преобразования сигналов.
Существует множество направлений обработки сигналов в зависимости 
от их природы.
Аналоговые сигналы подвергаются усилению, фильтрации, модуляции 
и демодуляции. Обработка цифровых сигналов заключается в сжатии, обнаружении, исправлении и осуществляется с помощью цифровых схем. Радиосигналы преобразуются в различных технических устройствах — усилителях 
сигналов, цифровых фильтрах, модуляторах, детекторах и др.

1.1. Усилители сигналов

Уже при первом знакомстве со схемами радиоэлектронных систем и 
устройств нельзя не обратить внимание на большое число квадратиков с 
надписью «УС» — усилитель. Действительно, усилителей, используемых 
в радиоэлектронной аппаратуре, великое множество — в зависимости от 
типов, назначений и технических особенностей. Широко применяются усилители низкочастотных (НЧ) сигналов (так называемые НЧ-усилители). 
В радиоприемных устройствах используются усилители высокочастотных 
(ВЧ) или сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов, а также усилители промежуточной частоты (УПЧ). Это усилители радиосигналов. В радиопередатчиках и некоторых других радиоустановках используются мощные усилители — усилители мощности. Классифицируя усилители, кроме диапазона их 
рабочих частот перечисляют еще ряд признаков: вид усиливаемых сигналов 
(синусоидальные, импульсные), свойства нагрузки, на которую работает 
усилитель (усилитель напряжения, тока или мощности), и некоторые другие. В особую категорию выделяют операционные усилители (ОУ) — универсальные усилительные устройства с высоким коэффициентом усиления, низким уровнем собственного шума и способностью усиливать сигналы в очень широком диапазоне частот — от постоянного тока вплоть до  
нескольких мегагерц.

Самая важная характеристика усилителя — его коэффициент усиления, 
или коэффициент передачи. Комплексный коэффициент усиления определяется отношением

К
j
S
j

S
j
ус
вых

вх
ω
ω
ω
(
) =
(
)
(
) , 
(1.1)

где Sвых(  jw), Sвх(  jw) — комплексные амплитуды выходного и входного сигналов; w — частота. 

Такое описание усилителя позволяет при 
исследовании отвлечься от особенностей его 
схемотехнического построения и рассматривать только схему (рис. 1.1).
Для усилителя тока Kус( jw) определяется 
отношением амплитуд токов в выходной нагрузке и на входе, а коэффициент усиления по 
мощности равен отношению соответствующих 
мощностей и всегда является действительной 
величиной.
Комплексный коэффициент усиления может быть представлен в виде 
произведения его модуля и фазового множителя:

 
K
j
К
e j
ус
ус
ω
ω
ϕ ω
(
) =
( )
( ),  
(1.2)

где K
K
j
ус
ус
ω
ω
( ) =
(
)  — амплитудно-частотная характеристика усилителя 

(АЧХ); ϕ ω
ω
( ) =
(
)
{
}
arg K
j
ус
 — фазочастотная характеристика (ФЧХ).

Современной радиоэлектронной технике приходится сталкиваться с  
необходимостью гигантского усиления сигналов вплоть до Kус = 1012 раз (по 
мощности). При этом происходит искажение формы усиливаемых сигналов. 
Главный вид искажения — задержка сигнала на выходе относительно сигнала, поступающего на вход. Кроме задержки — изменения временной структуры сигнала — в процессе усиления может проявляться нелинейность зависимости амплитуды выходного сигнала от амплитуды на входе. Этот эффект 
характеризуется амплитудной характеристикой усилителя K
U
ус
вх
(
).  Естественно, чем меньше искажения, тем лучше усилитель.
Несмотря на разнообразие решаемых с помощью усилителя задач методов усиления и схемотехнических принципов построения, эффект усиления 
главным образом состоит в преобразовании энергии источника питания в 
активном приборе: работой управляет входной сигнал. В качестве активного прибора используются полупроводниковые приборы, электронные 
лампы, специальные приборы СВЧ-электроники (лампы бегущей волны, 
клистроны, магнетроны) и многие др. Широко применяются квантовые 
приборы СВЧ (мазеры) и оптического (лазеры) диапазонов. В простейшем 
виде квантовые усилители представляют собой активную среду, распространяясь в которой сигнал усиливается за счет индуцированного излучения 
внешнего источника.
Для произвольного входного сигнала усилителя sвх(t) можно определить 
спектральную плотность S
j
вх
ω
(
), произведение которой и K
j
вх
ω
(
)  в соответствии с формулой (1.2) является спектральной плотностью выходного 
сигнала S
j
вых
ω
(
). Применение к произведению S
j
K
j
вх
вх
ω
ω
(
)
(
)  обратного 

Рис. 1.1. Передаточная функция Kус( jw) и преобразование 
комплексных сигналов линейным усилителем

преобразования Фурье дает возможность найти выходной сигнал усилителя 
как функцию времени. 
Таким образом, если задан входной сигнал в виде

 
S
j
s
t e
dt
j t
вх
вх
ω
ω
(
) =
( )
−

−∞

∞
∫
,  
(1.3)

то выходной сигнал представляется обратным преобразованием Фурье

 
s
t
S
j
К
j
e
d
j t
вых
вх
ус
( ) =
(
)
(
)

−∞

∞
∫
1
2π
ω
ω
ω
ω
. 
(1.4)

Как следует из соотношения (1.4), передаточная функция усилителя 
определяет относительный вклад различных спектральных составляющих 
входного сигнала в процесс на выходе.
Вместо разложения входных и выходных сигналов усилителя на спектральные составляющие для анализа преобразований, совершаемых усилителем, можно воспользоваться представлением входного сигнала в виде суммы 
коротких примыкающих друг к другу импульсов (в пределе d-импульсов) 
(рис. 1.2). Амплитуды этих импульсов равны мгновенным значениям сигнала.

Отклик линейной системы (в частности, усилителя) на d-импульс называется импульсной характеристикой этой системы g(t). Но если на вход некоторого линейного четырехполюсника действует d-импульс, имеющий постоянную и равной единице спектральную плотность для всех частот от нуля до 
бесконечности, то спектральная плотность выходного сигнала будет как раз 
равна K
j
ус
ω
(
).  
Следовательно, реакция на d-импульс, т. е. импульсная характеристика 

усилителя, определяется с помощью обратного преобразования Фурье от 
передаточной функции (комплексного коэффициента передачи):

 
g t
К
j
e
d
j t
( ) =
(
)

−∞

∞
∫
1
2π
ω
ω
ω
ус
. 
(1.5)

Если требуется найти выходной сигнал усилителя s
t
вых ( ),  для которого 
(усилителя) задана импульсная характеристика, то можно поступить следу
Рис. 1.2. Импульсное представление входного сигнала усилителя

ющим образом. Входной сигнал разбивается на последовательность элементарных импульсов (см. рис. 1.2, один такой импульс заштрихован), действующих на интервалах времени θ θ
θ
,
.
+
(
)
∆
 Если бы площадь этого импульса 

равнялась единице, то импульс можно было бы рассматривать как d-импульс, 
возникающий в момент времени q. При импульсной характеристике g t( )  
отклик в момент времени t был бы, очевидно, равен g t −
(
)
θ .  Но, поскольку 
заштрихованная на рис. 1.2 площадь равна s θ
θ
( )∆ , отклик в момент времени t 
будет составлять s
g t
вх θ
θ
θ
( )
−
(
)
∆
. 
Для определения полного значения выходного сигнала в момент времени t нужно просуммировать действие всех импульсов в промежутке от θ = 0  
до θ = t. При ∆θ → 0  суммирование сводится к интегрированию:

 
s
t
s
g t
d

t

вых
вх
( ) =
( )
−
(
)
∫
θ
θ
θ

0
.  
(1.6)

В общем случае, если начало сигнала sвх θ
( )  не совпадает с началом 

отсчета времени q, выражение (1.6) можно записать в виде

 
s
t
s
g t
d

t

вых
вх
( ) =
( )
−
(
)

−∞∫
θ
θ
θ. 
(1.7)

В реальных, физически осуществимых, системах следствие не может 
предшествовать причине, поэтому всегда выполняется условие

 
g t
t
−
(
) =
<
θ
θ
0,
,  
(1.8)

т. е. при отрицательном аргументе функция g(t – q) должна обращаться в 
нуль. 
Поэтому ничего не изменится, если условие (1.7) представить в виде

 
s
t
s
g t
d
вых
вх
( ) =
( )
−
(
)

−∞

∞
∫
θ
θ
θ. 
(1.9)

При замене в условии (1.7) q на t – q отклик усилителя на входное воздействие примет следующий вид:

 
s
t
s
t
g
d

t

вых
вх
( ) =
−
(
) ( )
∫
θ
θ
θ

0
.  
(1.10)

Интеграл в правой части выражения (1.9) — это свертка функций s
t
вх ( )  

и g(t). Поэтому сигнал на выходе s
t
вых ( )  линейной системы является сверткой входного сигнала s
t
вх ( )  с импульсной характеристикой системы g(t).
В некоторых случаях используют не импульсную характеристику g(t), 
а переходную функцию h(t), которая определяется как реакция системы на 
воздействие в виде единичного скачка. Поскольку единичный скачок — это 
интеграл от d-импульса, функции h(t) и g(t) будут связаны следующими соотношениями:

h t
g
d

g t
dh t

dt
h t

t
( ) =
( )

( ) =
( ) = ′( )

∫
θ
θ;

.

0
 
(1.11)

В большинстве современных усилителей используется обратная связь — 

электрическая цепь, подающая сигнал с выхода усилителя на его вход. В усилителях, как правило, организуется отрицательная обратная связь, которая 
способствует уменьшению коэффициента усиления. Однако снижение уровня усиления окупается резким увеличением устойчивости (стабильности), 
расширением полосы пропускания, уменьшением искажений, увеличением 
входного и уменьшением выходного сопротивлений. Физический смысл введения отрицательной обратной связи состоит в непрерывном сравнении форм 
выходного и входного сигналов. При обнаружении расхождения (ошибки) 
система обратной связи вырабатывает сигнал коррекции и, передавая его на 
вход усилителя, в какой-то мере компенсирует искажение формы усиливаемого сигнала. 
Амплитудно-частотная характеристика является настолько полной и важной характеристикой, что ее вид используют в качестве классификационного 
признака усилителя. 
Усилители постоянного тока (УПТ), называемые также операционными усилителями (ОУ), предназначены для усиления медленно изменяющихся НЧ-сигналов, включая такие медленные сигналы, как постоянный ток 

fmin
.
=
(
)
0  В настоящее время технология производства УПТ в интегральном 
исполнении достаточно хорошо освоена, и промышленность выпускает 
большое число разных типов УПТ. Они отличаются компактностью, дешевизной, устойчивостью основных характеристик качества при изменении 
внешних условий работы и другими полезными свойствами. Эти положительные стороны УПТ делают их базовым элементом современного усилителя.
Усилители низких частот подразделяют на два больших подкласса: усилители управляющих (первичных) сигналов низких или звуковых частот и 
усилители импульсных видеосигналов (видеоусилители). В области звуковых 
частот (30 Гц … 20 кГц) перекрытие по диапазону превышает два порядка, а 
для видеосигналов (30 Гц … 6 МГц и более) — четыре-пять порядков. Видеоусилители применяют тогда, когда нужно усиливать импульсные сигналы. 
Современные радиоэлектронные системы, работающие с очень быстро изменяющимися сигналами, также предполагают широкое использование импульсных усилителей, пропускающих с минимальными искажениями сигналы 
очень широкого диапазона частот.
Частотно-избирательные (резонансные) усилители предназначены для 
выделения и усиления сигналов, сосредоточенных в определенном, заданном 
участке спектра частот. Если этот участок (ширина полосы частот, в которой 
сосредоточены усиливаемые сигналы) намного меньше средней частоты усиливаемых сигналов, усилители называются резонансными.

Если K ус  усилителя существенно отличается от нуля в некоторой полосе частот (рис. 1.3), то он пропустит на выход не все колебания, составляющие входной сигнал. На рис 1.3 частотные составляющие входного сигнала 
изображены пунктирными линиями, а выходного отфильтрованного сигнала — сплошными. В этом случае частотно-избирательный усилитель обладает 
способностью фильтровать сигналы. Часто такие усилители называют фильтрами. Фильтрующее свойство усилителей очень важно в тех случаях, когда 
полезный сигнал необходимо отделить (очистить) от мешающих колебаний — 
помех и шумов. Без фильтров не обходятся никакие радиоэлектронные системы.

Для того чтобы наделить усилитель способностью фильтровать сигналы, 
в его схему включают резонансную систему. Обычно это колебательный контур, состоящий из конденсаторов и катушек индуктивности, но может быть 
и резонатор, другой по принципу действия и по конструкции.

1.2. Резонансные цепи с сосредоточенными параметрами

Как отмечалось выше, основным узлом усилителя, выполняющего функции фильтрации сигнала, является резонансная система. Самые распространенные резонансные системы — это колебательные контуры. 

Колебательный контур (рис. 1.4) образуется при соединении индуктивности и емкости.
На резонансной частоте w0 реактивная составляющая полного сопро
тивления колебательного контура Z
r
j
L
C
=
+
−




ω
ω
1
 обращается в нуль, т. е.

 
ω

π

0

1
1
=
=

LC
f
LC
или
2
0
. 
(1.12)

Другими словами, резонансной частоте соответствует равенство реактивных сопротивлений индуктивности L и емкости C.
Характеристическим сопротивлением называется сопротивление полной 
индуктивности или емкости контура на резонансной частоте:

 
ρ
ω
ω
=
=
0
0

1
L
C . 
(1.13)

Рис. 1.3. Фильтрующее свойство частотно- 
избирательного усилителя