Журнал «Компьютерра» № 17 от 8 мая 2007 года - Компьютерра - Страница 16

Всем известно, что компьютерная техника сейчас достигла таких высот, которые нам и не снились пару десятков лет назад. Машины нынче быстрые, высокопроизводительные. Программные алгоритмы позволили моделировать на компьютерах большинство физических устройств, включая и те, которые в железе непросто было реализовать.

Майкл Фарадей родился 22 сентября 1791 года в пригороде Лондона Ньюингтоне в семье кузнеца. Бедность родителей не позволила ему закончить начальное образование, и в возрасте тринадцати лет его послали для обучения к переплетчику. Работая с книгами, Майкл много читал, особенно интересуясь химией и физикой и стараясь опытами проверить прочитанное. Так формировался искусный экспериментатор, который до конца жизни не знал ни алгебры, ни геометрии.

В 1821 году Фарадей узнает об опытах Эрстеда и Ампера по отклонению магнитной стрелки вблизи провода с током. Уже через несколько месяцев он доказывает существование вокруг проводника кольцевых магнитных силовых линий, то есть фактически формулирует правило буравчика. В его рабочем дневнике появляется запись новой задачи: "Превратить магнетизм в электричество".

Для решения сложнейшей по тем временам задачи потребовалось десять лет беспрерывных экспериментов. Фарадей поставил огромное количество опытов, но постоянно терпел неудачу. Первый успех пришел лишь в 1831 году. В одном из опытов использовался кольцевой сердечник из магнитомягкого железа с двумя изолированными обмотками. Выводы одной из них замыкались проводником, возле которого располагалась магнитная стрелка. В момент подключения к другой обмотке гальванической батареи стрелка отклонялась. В других опытах магнитная стрелка отсутствовала, а концы вторичной обмотки не замыкались, а лишь очень близко располагались, образуя разрыв в доли миллиметра. При замыкании и размыкании ключа, управляющего током в первичной обмотке, в этом малом промежутке проскакивала электрическая искра. Так была открыта электромагнитная индукция.

Однажды после лекции Фарадея в Королевском обществе, где он демонстрировал свои опыты, к нему подошел богатый коммерсант, оказывавший обществу материальную поддержку, и надменно спросил:

– Все, что вы нам здесь показывали, господин Фарадей, действительно красиво. Но теперь скажите мне, для чего годится эта магнитная индукция?!

– А для чего годится только что родившийся ребенок? – ответил рассердившийся Фарадей.

С ноября 1831 года Фарадей начал систематически печатать свои "Экспериментальные исследования по электричеству", составившие тридцать серий (более трех тысяч параграфов). Это великолепный памятник его научному творчеству.

Результаты опытов свидетельствовали о существовании нового вида материи – электромагнитных волн. 12 декабря 1832 года Фарадей сдал на хранение в архив Королевского общества запечатанное письмо, в котором сообщалось, что оно написано с целью закрепления даты открытия в случае его экспериментального подтверждения. Конверт был вскрыт лишь в 1938 году, 106 лет спустя.

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.