ВВЕДЕНИЕ. Установлено, что более чем за четыре тысячелетия до новой эры (Ро­ждества Христова) в Вавилоне и Египте уже проводили астрономиче­ские измерения

Установлено, что более чем за четыре тысячелетия до новой эры (Ро­ждества Христова) в Вавилоне и Египте уже проводили астрономиче­ские измерения. На протяжении всей истории развития науки и техники перед человеком возникало и возникает множество проблем, для реше­ния которых необходимо располагать количественной информацией о том или ином свойстве объектов материального мира (явлении, процес­се, теле, веществе, изделии и пр.). Основным способом получения такой информации являются измерения, при правильном выполнении которых находится результат измерения с большей или меньшей точностью, от­ражающий интересующие свойства объекта познания.

Измерения играют важнейшую роль в жизни человека и являются на­чальной ступенью познания, которые часто не превышают уровня эмпи­рических. Здесь очень к месту подходит выражение: «Теория без практи­ки — мертва, практика без теории — слепа». Поскольку критерием ис­тины всегда служит практика (эксперимент), результаты измерений очень часто выступают в качестве критерия истины. Измерения делают представления о свойствах окружающего нас мира более полными и по­нятными. Без преувеличения можно сказать, что прогресс науки и тех­ники определяется степенью совершенства измерений и измерительных приборов. Итак, измерения служат источником нашего научного и практического познания. По этому поводу великий Макс Планк сказал: «В физике существует только то, что можно измерить».

Основы отечественной метрологии заложил русский ученый Д. И. Менделеев (1834 — 1907). Роль и значение измерений Д. И. Менделеев определял так: «В природе мера и вес суть главное орудие познания. Наука начинается с тех пор, как начинают измерять, точная наука не­мыслима без меры». Зарождение в нашей стране метрологической служ­бы следует отнести к 1842 г., в котором был издан закон о мерах и весах, предусматривающий создание первого в России метрологического уч­реждения — Депо образцовых мер. В 1893 г. Д. И. Менделеев основал Главную палату мер и весов, в задачи которой входило не только хране­ние эталонов и обеспечение поверки по ним средств измерений, но и про­дление научных исследований в области метрологии. Затем в стране ^Стали создаваться местные поверочные палаты.

История развития техники электрических измерений связана с имена­ми русских ученых М.В. Ломоносова и Г.В. Рихмана, которые в 40-х го­дах XVIII века сконструировали первый в мире электроизмерительный прибор, названный авторами указатель электрической силы.

Во второй половине XVIII — первой половине XIX в. выдающиеся ученые (Вольт, Кулон, Ом, Фарадей и др.) продолжили создание других видов приборов. В частности, закон Ома был открыт при наблюдении взаимодействия провода с током, расположенного рядом с магнитной стрелкой, — прообраза современных приборов магнитоэлектрической системы. С помощью этого устройства М. Фарадей установил закон электромагнитной индукции (1826 — 1831). Во второй половине XIX в. существенный вклад в развитие электроизмерительных приборов внесли русские ученые А.Г. Столетов, Б.С. Якоби и особенно М.О. Доливо-Добровольский, предложивший электромагнитные и ряд других прибо­ров.

Первые измерительные приборы использовались лишь для относи­тельной оценки физической величины. Такое положение сохранялось до тех пор, пока не были определены электрические меры. Вначале (середи­на XIX в.) эти меры, созданные отдельными учеными в разных странах, не были одинаковыми. Однако это позволяло все же производить изме­рения, хотя еще и не в общепринятых единицах, и сделало возможным взаимное сличение этих мер и сравнение результатов опытов.

В 1875 г. по взаимной договоренности на специальной международ­ной конференции с участием России была подписана метрическая кон­венция, по которой страны обязались содержать «Международное бюро мер и весов» как центр, обеспечивающий единство измерений в междуна­родном масштабе. На международных конгрессах по электричеству (1881 г. — Париж и 1893 г. — Чикаго) была принята применяющаяся и до нашего времени практическая система электрических и магнитных единиц, ба­зирующаяся на международных единицах Ампера и Ома.

Внедрение техники радиотехнических измерений совпало с началом развития систем радиосвязи и радиоэлектроники. Существенное внима­ние данным вопросам уделял крупнейший русский ученый, изобретатель радио А.С. Попов. Основоположником отечественной радиоизмери­тельной техники вне сомнения считается академик М.В. Шулейкин, ор­ганизовавший в 1913 г. первую заводскую лабораторию по производству радиоизмерительных приборов. Большой вклад в развитие техники электрорадиоизмерений внес академик Л.И. Мандельштам, создавший в начале XX в. прототип современного электронного осциллографа. Мно­гие русские ученые, такие, как М.А. Бонч-Бруевич, В.В. Ширков, Н.Н. Пономарев, В.Г. Дубенецкий и другие, существенно развили теорию и технику радиоизмерений.

Студенты телекоммуникационных специальностей, начиная уже с первого семестра, выполняют лабораторные работы на общетехниче-

ских и специальных кафедрах. При этом в основе большинства лабора­торных работ лежат измерения. Результаты любых измерений, как бы тщательно они ни выполнялись, неизбежно содержат некоторые по­грешности. Поэтому успешная работа студентов в лабораториях наряду с изучением средств и методов измерений и приобретением навыков из­мерений предполагает также их знакомство с современными методами математической обработки результатов измерений, анализа и оценива­ния погрешностей.

Готовясь к самостоятельной работе по избранной специальности, студенты должны иметь в виду, что измерения пронизывают все сферы инженерного труда. С измерениями связана деятельность инженеров, работающих по профилям исследователей, конструкторов, технологов и т.д. Инженер непременно должен иметь ясное представление о возмож­ностях измерительной техники, чтобы обеспечить взаимозаменяемость изделий, устройств и узлов радиоэлектронной техники. Поэтому знание современных стандартов, правил, норм и требований в области измере­ний также обязательны для специалистов, занимающихся управлением и организацией производства.

Чтобы успешно справиться с многочисленными и разнообразными проблемами электрорадиоизмерений, необходимо освоить ряд общих принципов их решения, определить единую научную и законодательную базу, обеспечивающую на практике высокое качество измерений незави­симо от того, где и с какой целью они выполняются. Такой базой явля­ется метрология (от греческих слов «метрон» — мера, «логос» — учение)

— наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и
способах достижения требуемой точности.

Как известно, русский основоположник классификации наук акаде­мик Б.М. Кедров предложил понятие треугольника наук, «вершинами» которого являются философские, естественные и социальные науки. Ос­новной целью метрологии является познание окружающего нас мира. В этом ее связь с философией. Метрология относится к числу точных наук

— в этом ее связь с математикой как наукой естественной. Измерения
проводятся не только в технике, измерениями занимаются и психологи,
и социологи, и представители многих других направлений, не относя­
щихся к «точным» наукам. Так, широко распространенную в психоло­
гии оценку умственного развития человека называют измерением интел­
лекта. В этом связь метрологии с социальными науками. Метрологию с
этой точки зрения можно поместить на любой стороне упомянутого тре­
угольника.

Метрология включает общую теорию измерений физических вели­чин, устанавливает и регламентирует единицы физических величин и их системы, порядок передачи размеров единиц от эталонов образцовым и рабочим средствам измерений, методы и средства измерений, общие ме­тоды обработки результатов измерений и оценки их точности.

Для руководства всей деятельностью и поддержания единства изме­рений в России создана мощная метрологическая служба, состоящая из Государственной службы, возглавляемой Государственным комитетом по стандартам (Госстандартом России), и ведомственных служб во всех отраслях народного хозяйства.

В настоящее время метрология развивается по нескольким направле­ниям. Наиболее сформированы и развиваются две взаимосвязанные ее ветви: научная и законодательная метрология.

Научная метрология, являясь базой измерительной техники, занима­ется изучением проблем измерения в целом и образующих измерение элементов: средств и приборов измерений, физических величин и их еди­ниц, методов и методик измерений, результатов и погрешностей измере­ний и пр.

Важной особенностью метрологии является ее законодательный ха­рактер благодаря действию в нашей стране комплекса государственных стандартов, объединенных в Государственную систему обеспечения един­ства измерений (ГСОЕИ, упрощенное — ГСИ). Раздел метрологии, включающий комплексы взаимосвязанных общих правил, требований и норм, а также вопросы регламентации и государственного контроля, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений, называется законодательной метрологией. Это, в свою очередь, предписывает соответствующий надзор за средствами из­мерений, который осуществляется деятельностью органов метрологиче­ской службы, обеспечивающей единообразие средств измерений. В мет­рологии, как и в любой другой науке, недопустимо произвольное толко­вание применяемых терминов. Поэтому один из основных стандартов ГСОЕИ — ГОСТ 16263—70 специально регламентирует терминологию в области метрологии.

Современная метрология включает в сферу своей деятельности и оп­ределение наиболее точных значений важнейших физических констант (скорости света, частоты излучения микрочастиц и пр.), необходимых для многих отраслей науки и техники. Метрология обеспечивает потре­бителей стандартными образцами веществ и материалов, состав и физи­ко-химические характеристики которых определены с необходимой точ­ностью. Методы метрологии широко используются в смежных отраслях знаний, таких, как оценивание и контроль качества изделий микроэлек­троники, аттестация программ и алгоритмов обработки данных и т.д.

Следует обратить внимание на то, что на этапе современной научно-технической революции в метрологии, и в частности в электрорадиоиз-мерительной технике, происходят значительные качественные измене­ния. Измерения практически полностью переходят на цифровые методы, воплощенные в приборах с цифровым отсчетом и регистрацией; суще­ственно расширяются диапазоны измеряемых величин; в измерительных системах широко применяется аналоговая и цифровая микроэлектрони-

ка; возникла необходимость в измерении характеристик случайных про­цессов. Все это требует нового подхода к состоянию средств электрора-диоизмерений, к соответствию их метрологических свойств установлен­ным нормам.

Кроме того, в настоящее время широкое применение в метрологии получила квалиметрия — учение о методах и приемах измерения (точ­нее, оценивания) качества. Методологическая общность классической метрологии и квалиметрии делает обоснованным изложение ряда эле­ментов квалиметрии в рамках данного курса.

Студентам, аспирантам и специалистам радиоэлектронного профиля необходимо учитывать то, что в последние годы сформировалось новое направление в метрологии и электрорадиоизмерительной технике — компьютерно-измерительные системы (КИС) и их разновидность — виртуальные приборы (виртуальный — кажущийся).

Виртуальный прибор — это специальная плата, устанавливаемая в персональный компьютер (в слот ISA или PSI) или внешнее устройство, подключаемое через LPT-порт в комплексе с соответствующим про­граммным обеспечением. В зависимости от используемой платы и про­граммного обеспечения пользователь получает измерительный прибор под ту или иную метрологическую задачу. Совершенно очевидно, что многие метрологические и исследовательские задачи будут в XXI в. ре­шаться с помощью виртуальных приборов.

Учебник написан в предположении, что студенты, приступая к изуче­нию курса «Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникаци­онных системах», имеют достаточно хорошую теоретическую и практи­ческую подготовку по следующим дисциплинам: «Высшая математика», «Физика», «Информатика». В свою очередь, этот курс является базовым для дисциплин «Теория информации», «Теория электрической связи», «Электроника и схемотехника», «Передача дискретных сообщений», «Аппаратные средства вычислительной техники», «Операционные сис­темы», а также ряда специальных дисциплин, изучаемых студентами позднее.

Стандартизация как дисциплина, представленная в учебнике, также органически связана с большинством дисциплин, изучаемых в институ­те. Так, студенты 1-го курса в программе дисциплины «Инженерная графика» изучают и практически используют одну из крупных межот­раслевых систем стандартизации — «Единую систему конструкторской Документации» (ЕСКД). В дальнейшем студенты знакомятся с такими комплексными межотраслевыми системами, как «Единая система техно­логической документации» (ЕСТД), «Единая система технологической подготовки производства» (ЕСТПП), стандартные системы классифика­ции и кодирования и т.д.

В заключение отметим, что современное состояние электрорадиоиз-мерений и перспектива их развития предъявляют повышенные требова-

Н

ния к уровню метрологической подготовки радиоинженеров. В соответ­ствии с общими требованиями к образованности инженера (квалифика­ционной характеристики) студенты, обучающиеся по специальности 075600 — «Информационная безопасность телекоммуникационных сис­тем», должны:

• изучить основные принципы, методы и средства измерения электри­
ческих и радиотехнических величин;

• научиться метрологически и технически правильно выбирать изме­
рительную аппаратуру;

• уметь проводить измерения, обрабатывать их результаты и оцени­
вать достигнутую точность;

• ознакомиться с положениями «Государственной системы обеспече­
ния единства измерений» и перспективными направлениями и тенден­
циями развития метрологии и электрорадиоизмерений.

Учитывая, что основную нагрузку в курсе все же несет раздел «Элек-трорадиоизмерения», метрологическая подготовка студентов должна быть непрерывной и предусматривать получение метрологических зна­ний, умений и навыков на всех этапах обучения. Именно на это в боль­шей степени и ориентирован данный учебник, который спланирован как основная учебная литература по курсу «Метрология и электрорадиоиз-мерения в телекоммуникационных системах» и дополнительная по дру­гим дисциплинам специальности 075600 — «Информационная безопас­ность телекоммуникационных систем».

Настоящий учебник может быть рекомендован студентам других те­лекоммуникационных специальностей, в частности: 201100 — «Радио­связь, радиовещание и телевидение»; 201200 — «Средства связи с под­вижными объектами»; 200900 — «Сети связи и системы коммутации»; 201000 — «Многоканальные телекоммуникационные системы». Он включает практически все аспекты учебной программы аналогичного курса специальностей радиотехнического направления, и поэтому будет полезен студентам, обучающимся по специальностям 200700 — «Радио­техника», 071500 — «Радиофизика и электроника», 201600 - «Радиоэлек­тронные системы», 200800 — «Проектирование и технология радиоэлек­тронных средств». Данным учебником могут воспользоваться студенты других технических специальностей и направлений подготовки, а также инженерно-технические работники и аспиранты.