Политех в Сети

Сайт для Учебы

1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ

Рейтинг пользователей: / 4
ХудшийЛучший 

Основная задача радиоэлектроники состоит в разработке и исследовании методов и устройств для передачи, приёма и обработки информации с помощью электрических сигналов и электромагнитных волн. В этом определении ключевым является понятие информации. Количественная оценка информации основывается на концепции выбора наиболее важного сообщения из всей совокупности возможных сообщений. При этом чем менее вероятен выбор данного сообщения, то есть, чем более оно неожиданно для получателя, тем большее количество информации в нем содержится. Общая формула для определения количества информации, содержащегося в сообщении , выглядит так:

(1.1)

Где - вероятность появления данного сообщения.

Как образно отметил К. Шеннон: «Информация – послание, которое уменьшает неопределенность». Если неопределенность о состоянии системы уменьшается, получаем информацию. Если неопределенность уменьшается в 2 раза, количество полученной информации равно 1 бит.

Информация наряду с материей и энергией принадлежит к фундаментальным философским категориям естествознания.

Заранее известное сообщение нет смысла передавать, поскольку оно не содержит информации. Поэтому, сообщения несущие информацию, следует рассматривать как случайные события, случайные процессы.

В широком смысле информация – это совокупность знаний об окружающем нас мире. Под информацией понимают сведения о поведении интересующих нас явлений, событий или объектов, предназначенных для передачи, приема, обработки, преобразования, хранения или непосредственного использования.

Особенностью информации является то, что она обычно возникает в одном месте, а используется в другом. Передача информации – это процесс переноса сведений из одной точки пространства в другую. В радиоэлектронике передаваемая информация сначала преобразуется в сообщение, которое затем передаётся с помощью некоторого материального носителя. Сообщения могут быть разными: текст телеграммы, человеческий голос, телевизионное изображение, звучание оркестра и т. д. При передаче сообщения по почте материальным носителем является бумага. В радиоэлектронике в качестве материальных носителей сообщений используются электрические сигналы. Последовательность преобразований при передаче информации выглядит следующим образом:

Информация ® Сообщение ® Сигнал

В широком смысле сигналом называют процесс изменения во времени физического состояния какого-либо объекта, служащий для отображения, регистрации и передачи сообщений. По своей физической природе сигналы могут быть световыми, звуковыми, электрическими. Практически любую физическую величину можно преобразовать в пропорциональную ей электрическую величину (обычно напряжение). Такие преобразования осуществляются первичными преобразователями (датчиками). Далее электрический сигнал обрабатывается радиоэлектронными цепями и устройствами и при необходимости может быть передан на расстояние по проводам или с помощью электромагнитных волн. Если носителем сообщения является электрическое напряжение или ток, сигнал называется электрическим, если электромагнитная волна – радиосигналом.

Так как сигнал отображает временные процессы, он описывается некоторой функцией времени - математической моделью, которая характеризует изменения величины напряжения, тока или мощности во времени. Электрические сигналы классифицируют по нескольким признакам. По математическому представлению все электрические сигналы могут быть разделены на детерминированные и случайные.

Детерминированным Называют сигнал, который может быть точно задан в виде некоторой аналитической функции времени. Значения детерминированного сигнала в любой момент времени полностью известны и могут быть предсказаны с вероятностью, равной единице. Одним из примеров детерминированного сигнала является гармонический сигнал

, (1.2)

где: - амплитуда сигнала;

- круговая частота;

- начальная фаза.

С точки зрения теории информации детерминированные сигналы не несут никакой информации. Если заранее известно математическое описание такого колебания, то его можно передать одним кодовым знаком или создать его в точке приема без канала связи. Детерминированные сигналы представляют собой удобную математическую модель и используются для анализа работы радиоэлектронных цепей и устройств. Гармонический сигнал является также периодическим сигналом, поскольку повторяется во времени с периодом . Наряду с периодическими сигналами в радиоэлектронике используются и непериодические сигналы.

Случайным называют сигнал, характер изменения которого невозможно достоверно предсказать (рис. 1.1).

Рис.1.1. Реализация случайного сигнала

Примерами случайных сигналов являются электрические напряжения, полученные в результате преобразования речи, музыки, изображения, а также шумы на выходе радиоэлектронных устройств, электрические импульсы, сопровождающие грозовые разряды, индустриальные радиопомехи. Все сигналы, несущие информацию, также являются случайными. Так сигнал на выходе приемника радиотелескопа, направленного на источник космического излучения, представляет собой хаотические электрические колебания, несущие разнообразную информацию о природном объекте. Временная функция случайного сигнала неизвестна, можно оценить лишь некоторые его вероятностные характеристики. Статистическая радиотехника для анализа свойств случайных сигналов использует математический аппарат теории вероятностей и теории случайных процессов. Использование теории вероятностей для анализа физических процессов в радиоэлектронных цепях нежелательно ввиду сложности математического аппарата вероятностных расчётов. Из соображений простоты и наглядности анализа рассматривают работу радиоэлектронных устройств при воздействии детерминированных сигналов. При этом для учёта случайного характера реального сигнала в качестве его математической модели используют не отдельную детерминированную функцию , а множество однотипных детерминированных функций , образующее в совокупности некоторый случайный процесс, в котором уже будет содержаться информация.

Важный класс сигналов в радиоэлектронике представляют импульсные сигналы, то есть электрические колебания, существующие в пределах конечного отрезка времени. При этом различают видеоимпульсы (рис. 1.2 А) и радиоимпульсы (рис. 1.2 Б).

а Б

Рис.1.2. Видеоимпульс (А) и радиоимпульс (Б)

Происхождение термина «видеоимпульс» связано с тем, что впервые такие сигналы стали применяться в технике телевидения. Если - видеоимпульс, то соответствующий ему радиоимпульс Огибающей радиоимпульса является видеоимпульс . Функция Называется высокочастотным заполнением.

К радиосигналам относятся модулированные сигналы – высокочастотные колебания, один или несколько параметров которых изменяются по закону низкочастотного модулирующего напряжения (рис. 1.3). При этом используется амплитудная, частотная, фазовая, импульсная и ряд других более сложных видов модуляции.

описание: амплитудномодулированныйсигнал

Рис.1.3. Амплитудно-модулированный сигнал

Электрические сигналы могут быть аналоговыми и дискретными. Поскольку аналоговые сигналы обычно являются выходными сигналами датчиков физических величин и повторяют закон изменения соответствующей физической величины, их иногда называют непрерывными сигналами (рис. 1.4). Первоначально в радиотехнике использовались только аналоговые сигналы, с помощью которых успешно решались задачи радиосвязи и телевидения. Впоследствии с появлением импульсных радиотехнических систем стали использоваться дискретные сигналы. Дискретные Сигналы представляют собой последовательность импульсов, амплитуды которых соответствуют значениям физической величины в дискретные моменты времени (рис.1.5). Дискретный сигнал в заданном интервале амплитуд может принимать только определённые значения, заранее обусловленные.

Поскольку между дискретными значениями сигнала остается незаполненный передачей интервал времени, появляется возможность по одной и той же радиолинии передавать сообщения от разных источников, организуя многоканальную связь с разделением каналов по времени.

Одной из разновидностей дискретных сигналов являются цифровые сигналы (Рис. 1.6). Дискретные во времени и квантованные по уровню сигналы, являющиеся последовательностью импульсов, амплитуды которых могут принимать только ограниченное число фиксированных значений, называются цифровыми сигналами. Последовательные отсчеты цифровых сигналов представляются числами в двоичном коде.

1.6. Цифровые сигналы

Цифровые сигналы получают из аналоговых сигналов на выходе специальных устройств, называемых аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). АЦП осуществляют дискретизацию аналогового сигнала во времени и квантование последовательных дискретных отсчетов по уровню. Цифровые сигналы связаны с работой цифровых интегральных схем, используемых в микроэлектронике.

Аналитическая функция времени, представляющая математическую модель электрического сигнала, наиболее полно описывает сигнал, что не всегда требуется. Часто достаточно знать ряд обобщённых физических параметров таких, как длительность сигнала, динамический диапазон, ширина спектра. Ниже на рис. 1.7 приведены некоторые параметры импульсных сигналов.

Длительность сигнала – это интервал времени, в пределах которого существует сигнал. Длительность импульсного сигнала принято оценивать на уровне половины от его высоты.

Рис.1.7. Параметры импульсного сигнала

Длительность фронта – это время нарастания сигнала от уровня 0,1 до уровня 0,9 его амплитуды .

Длительность спада – это время изменения сигнала от уровня 0,9 до уровня 0,1 его амплитуды.

Динамический диапазон определяется отношением наибольшего значения мгновенной мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличать от нуля при заданном качестве передачи. Динамический диапазон выражают в логарифмических единицах - децибелах (дБ). Динамический диапазон сигналов речи телевизионного диктора составляет примерно 25…..30 дБ, а симфонического оркестра – 75….100 дБ.

Ширина спектра характеризует скорость изменения сигнала и полосу частот сигнала. Спектр некоторых сигналов может быть неограниченным, однако для любого сигнала можно указать диапазон частот, в пределах которого сосредоточена его основная энергия. Этим диапазоном и определяется ширина спектра сигнала.

Одним из параметров периодических прямоугольных импульсов является скважность импульсов, равная отношению периода следования импульсов к длительности импульса:

. (1.3)

В теории сигналов используется такой параметр как база сигнала

, (1.4)

где: - ширина спектра; - длительность сигнала.

Важной характеристикой сигнала является его энергия. Величина

(1.5)

Называется нормой сигнала на интервале . Квадрат нормы равен энергии сигнала

. (1.6)