Методы и устройства передачи сигналов

  
 
 
 
 
 
 
 
 
А. Г. САМОЙЛОВ 
 
 
 
 
МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА 
ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ 
 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 621.396  
ББК 32.848 
С17 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроника и сети ЭВМ»  
Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева  
Бабанов Николай Юрьевич; 
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Радиотехнические системы» 
Рязанского государственного радиотехнического университета им. В. Ф. Уткина  
Кошелев Виталий Иванович; 
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Цифровые технологии  
и машинное обучение» Ярославского государственного университета им. П. Г. Демидова 
Приоров Андрей Леонидович 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Самойлов, А. Г.  
С17  
Методы и устройства передачи сигналов : учебник / А. Г. Самойлов. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 292 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2029-7 
 
Рассмотрены аналоговые, импульсные, цифровые сигналы, каналы передачи информации, методы и устройства формирования и управления сигналами. Повышенное 
внимание уделено устройствам генерации сигналов, методам формирования и управления цифровыми сигналами и схемным решениям основных устройств передачи сигналов. 
Для студентов и магистрантов, обучающихся по направлениям «Радиотехника» 
и «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», и будет полезно инженерам при разработке и проектировании радиотехнических устройств и систем. 
 
УДК 621.396  
                                                                                                                                           ББК 32.848 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-2029-7 
” Самойлов А. Г., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
В настоящее время наблюдается неуклонный рост объемов информационных потоков, передаваемых по каналам связи. Причины этого в успешном росте методов и средств фиксированной и подвижной связи, постоянном расширении Интернета вещей, развитии новых информационных технологий, локальных и глобальных сетей передачи информации. А способствует этому развитию 
совершенствование как самих передаваемых сигналов, так и методов их передачи. В этой связи учебный курс «Методы и устройства передачи сигналов», 
относящийся к основному профессиональному циклу обучения для направлений «Радиотехника» и «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 
непрерывно обновляется, в стремлении поспеть за развитием методов и средств 
передачи сигналов. 
Стимулом для написания учебника стали наблюдающиеся в наши дни и 
охватывающие весь мир сложные процессы в области передачи информации. К 
таким процессам можно отнести успешный переход от аналоговой техники к 
цифровой, развитие новых видов модуляции, непрерывное освоение для передачи информации все более высоких частот, перспективные достижения в создании элементной базы для радиоэлектроники, парадигма совместного использования старой ламповой и новой полупроводниковой элементной базы, а 
также новые технологии передачи информационных сигналов и многое другое. 
На этом фоне уходит в прошлое телеграфия и факсимильная связь, наблюдается 
стагнация проводной телефонии, уходит в небытиё маломощная радиоламповая 
техника и возникают невозможные в прошлом технологии, как например, регенерация сигналов. 
Целью книги является обобщение известных и описание новых методов 
генерации, формирования и управления сигналами переносящими информацию. Для усвоения культурно-просветительных компетенций в учебнике кратко 
изложены описания основных открытий по тематике предмета и, наряду с поясняющими техническими рисунками, приведены фотографии ученых – авторов этих открытий. Книга написана на основе лекций, читаемых автором студентам Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых и обобщает материал нескольких учебных пособий, подготовленных автором в разные годы и написанных на 
основе результатов многочисленных научно-исследовательских работ по проектированию мощных генераторов сигналов, сверхвысокочастотных усилителей мощности, устройств помехоустойчивого кодирования и фильтрации. Значительная часть изложенного в учебнике материала прошла экспериментальную проверку при выполнении научно-исследовательских работ и апробирована автором на различных научно-технических конференциях и семинарах.  
Структурно учебник разделен на три раздела, в которых последовательно 
рассматриваются виды передаваемых информационных сигналов, методы 
управления сигналами, принципы и устройства для их формирования. Революционное развитие радиоэлектроники и, как следствие, многообразие методов и 
систем передачи сигналов, заставило автора ограничиться подробным рассмот3 

рением в основном практически значимых и перспективных методов и 
устройств передачи сигналов, по остальным вопросам отсылая читателя к известной литературе. 
В первом разделе учебника, включающем в себя четыре главы, рассматриваются сигналы разных видов и каналы для их передачи. Описаны истории появления и развития информационных сигналов, начиная от сигнальных костров 
и до беспроводной передаче информации. Рассмотрены виды информационных 
сигналов и основы их гармонического и спектрального анализа. Изложены основные методы обработки сигналов – основы методов сигнального, помехоустойчивого и пространственно-временного кодирования, основы криптографической обработки и умножение частоты сигналов, формирование групповых 
сигналов, а также методы сложения сигналов при разнесенном приеме и их 
особенности.  
Четвертая глава первого раздела посвящена описанию кабельных и беспроводных каналов передачи информации. В ней рассмотрены пропускная способность и передаточные функции информационных каналов, приведены особенности распространения сигналов по радиолиниям, использующим витую 
пару, коаксиальный кабель или оптоволокно. Описана специфика беспроводных радиоканалов и особенности распространения радиоволн различных частотных диапазонов, влияние как расстояния, так и свойств ионосферы и атмосферы на качество передачи сигналов. 
Второй раздел книги, содержащий три главы, направлен на изложение методов управления сигналами для качественной передачи информации. Раздельно и достаточно подробно рассмотрены известные виды аналоговой, импульсной и цифровой модуляции. В соответствии с учебным планом лекционный 
курс «Методы и устройства передачи сигналов» сопровождается лабораторными занятиями и разработкой курсового проекта. Поэтому, кроме изложения 
теории управления сигналами и описания различных видов модуляции, в этом 
разделе показаны и методы построения модуляторов, указаны их особенности, 
достоинства и недостатки.  
Повышенное внимание в главах раздела уделено современным и перспективным видам модуляции, таким как цифровые виды модуляции с помехоустойчивым кодированием, видам модуляции с расширением спектра, модуляции с мультиплексированием и ортогональным частотным разделением информационных каналов. Рассмотрены пути повышения скорости передачи информации и методы снижения вероятности ошибочного приема в цифровых системах связи. Показано, что выбор вида модуляции для конкретной системы связи 
основан на компромиссе между занимаемой полосой частот и энергетическими 
возможностями системы передачи информации. 
В третьем разделе книги описываются устройства формирования сигналов 
широко применяющиеся в стационарных и мобильных системах связи, спутниковых и наземных радиорелейных системах передачи информации, в телевидении, медицине и в других радиотехнических приложениях. Подробно изложены 
автогенераторы сигналов, принципы их работы и примеры основных схемных 
решений. В связи с бурным освоением наукой и промышленностью все более 
4 

высоких радиочастот подробно изложены вакуумные и полупроводниковые генераторы для сверхвысокочастотных диапазонов волн, включая мощные генераторы миллиметрового диапазона на гиротронах и квантовые генераторы. 
Поскольку одним из важнейших ресурсов при передаче информации является мощность сигнала, поэтому в книге подробно изложены методы усиления 
мощности сигналов и описаны реализующие эти методы устройства радиотехники. Достаточно подробно рассмотрены схемные решения методов сложения 
мощностей и даны практические рекомендации по их использованию. Особое 
внимание уделено методам и устройствам фильтрации сигналов при согласовании каскадов усиления мощности с нагрузками. Подробно описаны как узкополосные, так и широкополосные устройства согласования и фильтрации. 
В заключении книги даны практические рекомендации по использованию 
изложенного материала не только в учебных, а и в практических целях. 
Автор выражает свою признательность и глубокую благодарность за полезные советы по улучшению содержания книги: 
Бабанову Николаю Юрьевичу – доктору технических наук, профессору, заведующему кафедрой «Электроника и сети ЭВМ» Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева; 
Кошелеву Виталию Ивановичу – доктору технических наук, профессору, заведующему кафедрой «Радиотехнические системы» Рязанского государственного радиотехнического университета им. В. Ф. Уткина; 
Приорову Андрею Леонидовичу – доктору технических наук, профессору, 
профессору кафедры «Цифровых технологий и машинного обучения» Ярославского государственного университета им. П. Г. Демидова. 
 
 
 
 
 
 
 
5 

РАЗДЕЛ I 
 
СИГНАЛЫ И КАНАЛЫ ДЛЯ ИХ ПЕРЕДАЧИ 
 
ГЛАВА 1. ЭВОЛЮЦИЯ УСТРОЙСТВ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ 
 
§ 1.1. Краткая история почты 
 
История обмена информационными сообщениями начинается с каменного 
века, когда передача заранее условленных сигналов осуществлялась с помощью 
факелов, дыма костров или звуковых сигналов от сигнальных труб. В бронзовом веке для передачи больших объемов информации стали использовать пеших и конных гонцов. Древние персы создали специальный путь для конных 
гонцов, разделенный на участки со сменой курьеров и лошадей [1].  
В XIII–XIV веках в большинстве стран возник прообраз почтовой службы. 
С развитием государственности была налажена эстафетная передача сообщений 
от пункта к пункту, сначала как фельдъегерская государственная связь для передачи государственных и военных сообщений, а затем и как гражданская связь 
с помощью писем и открыток. Большой прогресс для почтовой связи дало 
изобретение и успешное внедрение конвертов и почтовых марок [2]. Развитие в 
XIX веке паровозных и пароходных сообщений, а в начале XX века и самолётных, значительно увеличило возможности почтовых служб по объемам почтовых отправлений и по скорости пересылки почтовых сообщений. В начале XX 
века почтовая связь повсеместно стала общегосударственной и начала обслуживать всё население. 
В России зарождение почтовой службы связано с ямами – почтовыми 
станциями времен Золотой Орды, организованными для ее связи с окраинами. 
В XIV–XVI веках ямщиковая связь установилась по всей стране. Расстояние 
между почтовыми станциями составляло от 30 до 100 километров. Для простого населения были введены ямская и тягловая повинности – доставлять в определённые пункты лошадей с проводниками и возить гонцов и посыльных [1]. К 
XVIII веку посылки и почтовую корреспонденцию доставляли во все главные 
города провинций нашей страны и в страны Европы. С начала XX века почтовые отделения стали открывать не только в столицах регионов, но и в самых 
отдаленных российских городах и селах. 
Российской почте больше 1000 лет, она одна из старейших в Европе и в 
настоящее время Почта России одна из крупнейших почтовых сетей в мире. У 
компании 38 000 действующих отделений по всей России, в которые каждый 
день приходят более 3 млн человек и совершают свыше 9 млн различных операций [3]. Пересылаются почтовые отправления всеми видами транспорта (поездами, самолетами, автотранспортом) и посыльными - почтальонами.  
С разработкой в 1971 году программистом Реем Томплинсоном программы, позволяющей отправлять послания на удаленный компьютер и сохранять 
их там в файле «Почтовый ящик», началась эра электронной почты. Программы 
и интерфейсы электронной почты постоянно совершенствовались. В настоящее 
6 

время электронная почта имеет множество сервисных функций и ей пользуются 
миллиарды жителей Земли, ежедневно передавая гигантские объемы данных. 
 
§ 1.2. Семафорные системы 
 
Для доставки коротких сообщений еще в древней Греции стали использовать почтовых голубей. Эти птицы обладают удивительной способностью 
находить свое гнездо, где они родились и прожили не менее одного года, на 
расстояниях до 1000 км. Наиболее широко голубиная связь нашла применение 
в военном деле и использовалась в военных действиях, включая Первую и Вторую мировые войны. Небольшое сообщение помещалось в герметичный цилиндрик, привязывалось к голубиной лапе, и голубь летел от источника сообщения к своему родовому гнезду, где находился получатель сообщения.  
В Первую мировую войну в штате каждой армии воюющих сторон были 
роты голубиной связи. Во время Великой Отечественной войны почтовые голуби также активно использовались, например, в Московской битве. Особенно 
эффективно голуби действовали на коротких расстояниях, для передачи срочных новостей. Они обеспечивали связь штабов с группами армейской и дивизионной разведки, действовавшими в ближнем тылу противника. Для этого на некоторые задания вместе с бойцами уходил голубевод с 20–30 голубями, помещенными в плетеные из ивняка корзины. Птицы стали надежным средством 
получения и передачи оперативной информации для многочисленных партизанских отрядов. Использовались голуби и для прифронтовой разведки, как показано на рисунке 1.1.  
 
 
 
Рис. 1.1. Крылатый разведчик 
 
В 1944 году в 12-м гвардейском стрелковом корпусе 1-й ударной армии  
2-го Прибалтийского фронта была сформирована специальная рота голубиной 
связи. Голубями этой роты обеспечивалась двухсторонняя связь между штабом 
корпуса и штабами дивизий и односторонняя (симплексная) связь дивизий с 
полками, что особенно помогло в боях при форсировании реки Великой 23– 
7 

июня 1944 года [4]. После Великой Отечественной войны с развитием технических средств связи голубиная связь и голубиная почта окончательно ушли 
в прошлое.  
До появления телеграфа и телефонии активно использовались семафорные 
системы. Знаковые, флажковые, световые семафорные системы активно используются и в настоящее время. Светофоры на железных дорогах и в городском автомобильном движении стали привычными средствами передачи информации. В военно-морском флоте активно используется флажковая семафорная азбука, разработанная для русского флота С.О. Макаровым – вицеадмиралом, героем Русско-японской войны, океанографом, полярным исследователем и кораблестроителем. Он изобретатель минного транспорта, разработчик теории непотопляемости, пионер использования ледоколов, инициатор развития радиосвязи на Дальнем Востоке. Фотография Степана Осиповича Макарова приведена на рисунке 1.2. 
 
 
 
Рис. 1.2. Вице-адмирал С. О. Макаров (1849–1904) 
 
В 1895 году С. О. Макаров разработал и внедрил на флоте России флажковую азбуку на основе русского алфавита. Слова в семафорном сообщении составляются из букв, изображаемых вывешиваемым на корабле флагом или положением рук сигнальщика с флажками. Определенное положение рук 
с флажками или вывешиваемый на корабле определенный флаг соответствуют 
конкретной букве или конкретному знаку. Ночью используются светлые флажки (желтый, белый), а днем темные (красный, чёрный). Скорость передачи сообщений в среднем 60 знаков в минуту с уверенной передачей при нормальной 
видимости на расстояние до 2,5 км.  
С 1 декабря 2011 года изучение флажковой азбуки ошибочно исключено из 
учебной программы специалистов связи морского военного флота и преподается в военно-морских училищах в качестве ознакомления. Вместо семафорной 
азбуки на флоте используют световую сигнализацию с помощью прожектора и 
азбуки Морзе, а также радиосвязь [5].  
 
8 

† 1.3. Телеграфия 
 
Телеграф (др.-греч. далеко пишу) – это средство передачи сигналов по каким-либо каналам связи. Одно из древнейших описаний телеграфа дошло до 
нас в трактате грека Энея Тактика «О перенесении осады», жившего в четвертом веке до нашей эры. В трактате описан водяной телеграф, сопряженный с 
подачей факелами сигналов о начале и конце передачи каждого символа телеграфного послания [6]. 
Оборудование водяного телеграфа представляет собой одинаковые по 
форме и объему сосуды на передающей и приемной сторонах с идентичными 
сливными отверстиями внизу сосудов. При заткнутых пробками сливных отверстиях в сосуды приемной и передающей сторон доверху наливалась вода на 
поверхности которой помещались плавающие диски с вертикально закрепленными рейками. На рейках через одинаковые интервалы делалось 24 зарубки, 
каждая из которых определяла символ передаваемого сообщения (букву алфавита или слова из согласованного словаря из 24 слов). При готовом к передаче 
оборудовании рейки максимально были подняты из сосудов. Оборудование водяного телеграфа показано на рисунке 1.3. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис. 1.3. Водяной телеграф 
 
При передаче символа на передающей стороне поднимался зажженный 
факел (днем флаг), показывая готовность к передаче. На приемной стороне 
также поднимался зажженный факел, сигнализируя готовность к приему. На 
передающей стороне факел опускался и одновременно на передающей и приемной сторонах открывались сливные отверстия и вода начинала выливаться из 
сосудов.  
Когда передающая сторона видела, что вода вылилась до зарубки, соответствующей передаваемому символу, то факел вновь поднимался и сливы на приемной и передающей сторонах закрывались. Такой телеграф передавал информацию со скоростью до 50 символов в час, но тем не менее имеются сведения о 
его применении карфагенянами уже во тором веке нашей эры, то есть водяной 
телеграф использовался несколько веков. При размещении оборудования на 
9 

высотах и применении подзорных труб информация передавалась на расстояние до 200 километров. 
Следующая и более скоростная семафорная система телеграфа была предложена в 1789 году французом Клодом Шаппа, который предложил и с помощью брата Игнаса построил и испытал свое изобретение – оптический телеграф. Он представлял собой вертикальную перекладину на которой устанавливались три поперечные планки, угол наклона которых относительно перекладины можно было менять, формируя 76 строго отличающихся друг от друга фигур. В 1794 году К. Шаппа вместе с братьями построил линию оптического телеграфа между городами Париж и Лилль, протяженностью 225 километров. 
Передача на всех 22 станций осуществлялась телеграфистом, который с помощью подзорной трубы принимал сигнал с башни, расположенной на расстоянии 
до 30 километров, спускался вниз башни и с помощью тросов и талей устанавливал планки для передачи сообщения дальше. Вся эта операция занимала около 2 минут. 
Усовершенствовал изобретение К. Шаппа, работавший вместе с ним механик Пьер Шато. Он предложил только одну поперечную перекладину, но с дополнительными площадками на концах, как показано в предложенном им алфавите, приведенном на рисунке 1.4. 
 
 
 
Рис. 1.4. Система символов оптического телеграфа Пьера Шато 
 
При помощи тяги линейки могли складываться в 196 фигур, обозначающих буквы алфавита и цифры. В тёмное время суток линейки оснащались фонарями. Только во Франции к середине XIX века протяжённость оптических 
телеграфных линий составляла около 5000 километров. Второе усовершенствование Шато состояло в том, что он предложил строить линии из башен, высотой до 20 метров, расположенных на расстоянии около 30 километров друг от 
друга и оснащенных его телеграфным оборудованием. Используя релейную систему информацию можно было передавать на тысячи километров. Третье усовершенствование заключалось в том, что вместо отдельных букв и знаков каждая комбинация стала обозначать фразу или какой-либо приказ. Свои кодовые 
таблицы появились у разных служб – органов власти, полиции, армии. Телеграф Шато к середине XIX века соединял столицы и крупные города не только 
всех стран Европы, но протянулся от Англии в Персию и в Индию, построены 
были семафорные линии и в Америке. 
10