Компьютерра - Журнал «Компьютерра» № 17 от 8 мая 2007 года

Поразительны своей проницательностью основные мысли письма: электрическая индукция распространяется подобно волнам с конечной скоростью, световые явления не отличаются от электрической индукции, для анализа указанных явлений следует использовать теорию колебаний. Эти интуитивные догадки полностью перекликаются с идеями электромагнитной теории, разработанной много позднее Максвеллом и подтвержденной опытами Герца.

Никакие почести не уменьшили природную скромность Фарадея. Он отказался от дворянского звания, президентства в Королевском обществе, от крупных гонораров и даже от государственной пенсии. Следуя воле ученого, на его надгробии в Вестминстерском аббатстве выбито лишь два слова: Майкл Фарадей.

Продолжателем его дела стал другой выдающийся английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831—1879), отличавшийся исключительным математическим талантом и солидной научной подготовкой. В 1855 году он опубликовал свою первую работу "О силовых линиях Фарадея", в которой облек в математическую форму идеи своего предшественника. В 1857 году Максвелл посылает эту статью самому Фарадею, пришедшему от нее в полный восторг и изумление от того, что математика не только не портит, но еще глубже раскрывает его идеи.

В 1865 году после тяжелой болезни Максвелл отправился на отдых в свое родовое имение в Шотландию, где полностью отдался научной работе. Именно здесь он начал писать свой знаменитый "Трактат по электричеству и магнетизму".

В 1864 году вышла его работа "Динамическая теория электромагнитного поля", в которой он дал развернутую математическую формулировку теории электромагнитного поля, чем доказывал существование электромагнитных волн. Максвелл считал, что в диэлектрике может существовать особый вид тока, связанный с перемещением силовых линий электрического поля. Этот ток, названный им "током смещения", подобно токам проводимости порождает вокруг себя магнитное поле. Было математически доказано, что изменение во времени силовых линий электрического поля неизбежно вызывает изменение магнитного поля, которое, в свою очередь, вызывает изменение электрического поля и создает в окружающей среде волновой процесс. Этот процесс Максвелл назвал электромагнитной волной. Он также пришел к выводу, что свет имеет электромагнитную природу и что электромагнитные волны любых частот распространяются со скоростью света и подчиняются световым законам, то есть имеют такие свойства, как отражение, преломление, дифракция, интерференция и поляризация. Характерно, что все доказательства были оформлены строго математически в виде ряда уравнений, носящих теперь имя их создателя.

Джеймс Максвелл безвременно сошел в могилу 48 лет от роду. Только через девять лет после его смерти молодой немецкий физик Генрих Герц на опыте доказал правоту всех положений Максвелла.

Редакция благодарит Музей радио им. А.С. Попова, а также Бориса Кошелева за разрешение использовать отрывки из его статей на radiomuseum.ur.ru/index1.html.

А теперь взгляните: приемники, представленные на рис. 2 (№1 – профессиональный связной приемник, №2 – приемник, собранный по новой технологии цифрового моделирования), равны по характеристикам; к тому же приемник №2 является еще и многофункциональным ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ прибором! (Конечно, для работы нового приемника необходим компьютер, но об этом дальше.)

Реальные пропорции между приемниками на рисунке сохранены. Трудно поверить, но это так. Как же работает такой чудо-приемник?

Начнем с названия новой технологии: SDR (Software Defined Radio). В переводе на русский это значит "программно определяемое (зависимое) радио". Чем же это радио «определяемо» и от каких программ оно "зависит"? Непривычно выглядит сам принцип построения приемника, состоящего как бы из двух частей: маленькой схемной части и программного обеспечения. Вот на программное обеспечение и возложена основная нагрузка.

По сути, компьютер моделирует все узлы приемника программно. Причем делает это с высочайшим качеством. На долю «железа» остаются только три первых «квадратика» на рис. 1: коричневый, голубой и красный, но и они упрощены до предела. Даже питание теперь можно взять от USB-порта компьютера.

На рис. 3 показана схема простейшего SDR-приемника. Я решился привести ее потому, что она на удивление проста и нам легче будет понять принцип работы устройства. Итак, сигнал от антенны подается через фильтр (можно и через ФНЧ) на быстродействующие ключи. От этих ключей зависит многое, поэтому они должны быть хорошего качества (быстродействующие, с малым переходным и высоким сопротивлением отключенного состояния и т. д.). К выходам ключей подключены два операционных усилителя. К усилителям тоже предъявляются высокие требования. О гетеродине (синтезаторе) писать нечего.

Используя стандартную микросхему синтезатора DDS (Direct Digital Synthesis – цифровой синтезатор прямого синтеза) и делители с выходами сигналов, сдвинутыми на 90 градусов, можно перекрыть тот диапазон, который вам необходим. Вот и весь приемник, в простейшем варианте.

С выхода операционных усилителей сигнал передается на левый и правый каналы аудиокарты. Все остальное делает программа: обрабатывает сигнал, перестраивает приемник по диапазону (используется управляемый DDS), моделирует необходимые фильтры (причем с такими характеристиками, которые в железе не получить), моделирует работу АРУ (гораздо лучше, чем в «реальном» приемнике), имеет панорамный индикатор, отображающий спектрограмму (на котором видно обстановку в эфире), измеряет уровни сигнала и многое, многое другое. Конечно, есть одно "но". Компьютер, при использовании такого приемника, должен быть производительным, да это и понятно, на компьютер взвалена вся работа по обработке сигналов и информации: формирование характеристик полосовых фильтров, режекторных фильтров, моделирование системы АРУ (автоматическая регулировка усиления), ограничение шумов и подавление импульсных помех, индикация уровней сигналов, отображение спектрограммы и т. д. К тому же надо учесть, что современные приемники, как правило, способны одновременно работать на разных диапазонах или на разных участках одного диапазона (по сути, моделируется работа сразу двух приемников). Если же предполагается использовать приемник в цифровых видах связи (что бывает очень часто), то для этого требуются дополнительные ресурсы компьютера. Скажем, компьютер с процессором Celeron 1000 МГц при использовании большинства SDR программ загружен на 80–95%. А поскольку важную роль играет звуковая карта компьютера или аудиоинтерфейс, они тоже должны быть высококачественными, с хорошим соотношением сигнал/шум и большим динамическим диапазоном. Если же SDR-программу предполагается использовать не только на прием, но и на передачу (при моделировании в компьютере узлов SDR-передатчика), то требования к аудиоинтерфейсу становятся еще выше.

По-настоящему победоносное шествие теории Максвелла началось только после 1898 года, когда Герц экспериментально открыл электромагнитные волны и опубликовал результаты своих работ.

Генрих Рудольф Герц (1857—1894) родился в Гамбурге в семье адвоката, ставшего позже сенатором. Учился Герц прекрасно, а еще писал стихи и с удовольствием работал на токарном станке. По окончании гимназии юноша поступает в Берлинский университет.

Герц тщательно изучил все, что было известно к тому времени об электрических колебаниях и в теоретическом, и в практическом плане. Использовав пару индукционных катушек, он обнаружил, что при разряде лейденской банки (конденсатора) через одну из двух расположенных поблизости спиралей Рисса, в другой спирали наводится напряжение. Это можно было принять за проявление открытой еще Фарадеем взаимной индукции, но Герц доказал, что в данном случае имеет место излучение, носящее волновой характер. Меняя расстояние между катушками, он определил положения пучностей и узлов генерируемых электромагнитных волн. Период этих колебаний оказался около одной пятимиллионной доли секунды, что определило длину волны порядка шести метров. Так в 1886 году начались опыты, продлившиеся 25 месяцев.

В результате дальнейших экспериментов Герц создал источник электромагнитных волн, названный им вибратором. Вибратор состоял из двух проводящих сфер диаметром 10–30 см, укрепленных на концах проволочного разрезанного посредине стержня. Концы половин стержня в месте разреза оканчивались небольшими полированными шариками, образуя искровой промежуток в несколько миллиметров. Для решающих опытов, долженствующих показать тождественность электромагнитных и световых волн, установить поляризацию волн и доказать не только отражение, но и преломление, нужно было перейти к еще более коротким волнам. Герцу удается получить волны длиной около 60 см и с ними провести завершающие опыты. Для создания столь коротких волн Герц использовал медные стержни диаметром 3 см и длиной 9 см в качестве эквивалента катушки колебательного контура. На концах стержней располагались медные шары диаметром 4 см как эквиваленты конденсатора. Впоследствии такой вибратор был назван его именем.