Общие сведения о радиотехнических сигналах

При передаче информации на расстояние с помощью радиотехнических систем используются различные виды радиотехнических (электрических) сигналов. Традиционно радиотехническими сигналами принято считать любые электрические сигналы, относящиеся к радиодиапазону. С математической точки зрения, всякий радиотехнический сигнал можно представить некоторой функцией времени u (t ), которая характеризует изменение его мгновенных значений напряжения (чаще всего), тока или мощности. По математическому представлению все многообразие радиотехнических сигналов принято делить на две основные группы: детерминированные (регулярные) и случайные сигналы.

Детерминированными называют радиотехнические сигналы, мгновенные значения которых в любой момент времени достоверно известны, т. е., предсказуемы с вероятностью, равной единице /1/. Примером детерминированного радиотехнического сигнала может служить гармоническое колебание. Следует отметить, что по сути дела детерминированный сигнал не несет в себе никакой информации и практически все его параметры можно передать по каналу радиосвязи одним или несколькими кодовыми значениями. Другими словами, детерминированные сигналы (сообщения) по существу не содержат в себе информации, и нет смысла их передавать.

Случайные сигналы – это сигналы, мгновенные значения которых в любые моменты времени не известны и не могут быть предсказаны с вероятностью, равной единице /1/. Практически все реальные случайные сигналы или большинство из них, представляют собой хаотические функции времени.

По особенностям структуры временного представления все радиотехнические сигналы делятся на непрерывные и дискретные. а по типу передаваемой информации: на аналоговые и цифровые. В радиотехнике широко применяются импульсные системы, действие которых основано на использовании дискретных сигналов. Одной из разновидностей дискретных сигналов является цифровой сигнал /1/. В нем дискретные значения сигнала заменяются числами, чаще всего реализованными в двоичном коде, который представляют высоким (единица ) и низким (нуль ) уровнями потенциалов напряжения.

Функции, описывающие сигналы, могут принимать как вещественные, так и комплексные значения. Поэтому в радиотехнике говорят о вещественных и комплексных сигналах. Применение той или иной формы описания сигналадело математического удобства.

Понятие спектра

Непосредственный анализ воздействия сигналов сложной формы на радиотехнические цепи весьма затруднителен и вообще не всегда возможен. Поэтому сложные сигналы имеет смысл представлять как сумму некоторых простых элементарных сигналов. Принцип суперпозиции обосновывает возможность такого представления, утверждая, что в линейных цепях воздействие суммарного сигнала равносильно сумме воздействий соответствующих сигналов по отдельности.

В качестве элементарных сигналов часто применяют гармоники. Такой выбор имеет ряд достоинств:

а) Разложение на гармоники реализуется достаточно легко путем использования преобразования Фурье.

б) При воздействии гармонического сигнала на любую линейную цепь его форма не изменяется (остается гармонической). Сохраняется также частота сигнала. Амплитуда и фаза, конечно, изменяются; их можно сравнительно просто рассчитывать, применяя метод комплексных амплитуд.

в) В технике широко используются резонансные системы, позволяющие экспериментально выделять одну гармонику из сложного сигнала.

Представление сигнала суммой гармоник, заданных частотой, амплитудой и фазой, называется разложением сигнала в спектр.

Гармоники, входящие в состав сигнала, задаются в тригонометрической или мнимопоказательной форме.

Моделирование сигналов начинается, прежде всего, с их классификации. Существует несколько способов классификации, один из которых показан на рис. 1.6 .

Рис. 1.6.

Следует иметь в виду, что в радиотехнических цепях действуют электрические сигналы.

Электрические сигналы - это изменяющиеся во времени электрические токи или напряжения.

Все электрические сигналы делят на детерминированные и случайные.

Детерминированные сигналы описываются заданной функцией времени, значение которой в любой момент времени известно или может быть предсказано с вероятностью единица.

К детерминированным сигналам относятся так называемые испытательные или тестовые сигналы. Они широко используются при проведении различных исследований, при испытании радиоаппаратуры, в радиоизмерителыюй практике и т.п.

Для описания случайных сигналов используется вероятностный подход, при котором случайные сигналы рассматриваются как случайные процессы.

Случайный сигнал - это случайный процесс, изменяющийся в заданном динамическом диапазоне и принимающий любое значение из диапазона в вероятностью меньшей единицы.

Как правило, случайные сигналы представляют собой хаотические функции времени, а выбор его математической модели зависит от закона его распределения (равномерный, нормальный или гауссов, пуассоновский и т.п.).

Все случайные сигналы делятся на стационарные, нестационарные и эргодические.

Случайный процесс называется стационарным, если его статистические характеристики (как минимум математическое ожидание т и дисперсия а 2) не зависят от времени. В противном случае процесс не стационарен.

Процесс называется эргодическим, если его средняя по ансамблю реализаций равна средней по времени.

Все эргодические процессы являются стационарными, но не все стационарные процессы являются эргодическими.

Большинство случайных сигналов в радиотехнических системах являются эргодическими, поэтому для описания математической модели достаточно случайный сигнал усреднить по ансамблю реализаций или по времени.

Реальные сигналы всегда являются в какой - то мере случайными. Во - первых, сигнал всегда искажается в цепях передатчика и приёмника из - случайного характера изменения параметров их элементов. Во - вторых, в среде передачи на сигнал всегда воздействуют случайные помехи, превращая его в случайный на входе приёмника. В то же время во многих случаях реальный сигнал с известной степенью точности можно рассматривать как детерминированный, что облегчает их анализ.

Все сигналы (детерминированные и случайные) делятся на периодические и непериодические.

Периодические сигналы характеризуются свойством повторяемости через некоторый промежуток времени Т, называемый периодом: s(t) = s(t + nT),n= 1,2,3,.... (1.2)

Здесь s(t) - рассматриваемый сигнал; Т - период его повторения; f = 1/Т - частота повторения сигнала.

Если в процессе передачи Т меняется произвольным образом, то сигнал называют непериодическим. Если же период Т повторяется через достаточно большой промежуток времени, то сигнал называют ква- зипериодическим или псевдослучайным.

Сигналы, даже аналоговые, существующие только в одном интервале времени, относятся к импульсным. На рисунке 1.7 приведены некоторые виды перечисленных выше сигналов.

Рис. 1.7, а описывает, например, детерминированный дискретный сигнал с периодом следования прямоугольных импульсов Т и длительностью импульса Т с в соотношении 2: 1 (меандр). Отношение Q = Т/Т с называется скважностью сигнала. Для сигнала рис. 1.7, а она равна 2, а для сигнала рис. 1.7,с - 3. На рисунке 1.7, с показан периодический сигнал с Q = 3. Рисунки 1.7, b и d иллюстрируют случайные и непериодические сигналы соответственно. Если на всех рисунках выделить только один импульс, то получим, соответственно, сигнал импульсный .

Рис. 1.7.

При рассмотрении различных сигналов обычно прибегают к четырём видам их представления:

• - временному;
• - спектральному;
• - корреляционному;
• - векторному.

Временное представление.

Временное представление основано на рассмотрении сигнала как функции времени. В зависимости от положения сигнала относительно наблюдателя, его функция времени будет, вообще говоря, различной. Сказанное достаточно просто поясняется с помощью диаграммы, изображённой на рис. 1.8.

Рис. 1.8.

Положим, что «наблюдатель» находится в точке, которая характеризуется интервалом наблюдения t4 - ts. Очевидно, что в момент времени tj наблюдается только некоторая точка, отображающая факт наличия сигнала, а о его структуре сказать ничего нельзя. По мере приближения к «наблюдателю» сигнал начинает растягиваться во времени и мы видим какую-то его структуру (интервал времени t2 - На этом интервале структура сигнала соответствует его истинной структуре, а вот частота следования импульсов не будет соответствовать фактической. Таковой она станет только в интервале t 4 - t 5 , когда расположение сигнала будет соответствовать положению «наблюдателя». В этом интервале мы сможем измерить истинные параметры сигнала - его амплитуду, частоту и фазу.

На этом свойстве основывается эффект Доплера, который легко наблюдать на практике, когда мимо наблюдателя проезжает машина с включённой сиреной. Предположим, сирена выдаёт какой-то определённый тон, и он не меняется. Когда машина не движется относительно наблюдателя, тогда он слышит именно тот тон, который издаёт сирена. Но если машина будет приближаться к наблюдателю, то частота звуковых волн увеличится, и наблюдатель услышит более высокий тон, чем на самом деле издаёт сирена. В тот момент, когда машина будет проезжать мимо наблюдателя, он услышит тот самый тон, который на самом деле издаёт сирена. А когда машина проедет дальше и будет уже отдаляться, а не приближаться, то наблюдатель услышит более низкий тон, вследствие меньшей частоты звуковых волн.

Если источник сигнала движется по направлению к приёмнику («наблюдателю»), то есть догоняет испускаемую им волну, то длина волны уменьшается, если удаляется - длина волны увеличивается:

где со 0 - угловая частота, с которой источник испускает волны, с - скорость распространения волн в среде, v - скорость источника волн относительно среды (положительная, если источник приближается к приёмнику и отрицательная, если удаляется).

Частота, регистрируемая неподвижным приёмником

Аналогично, если приёмник движется навстречу волнам, он регистрирует их гребни чаще и наоборот.

Математически временное представление сигнала - это разложение сигнала s(t), при котором в качестве базисных (основополагающих) функций используются единичные импульсные функции - дельта-функции. Математическое описание такой функции задается соотношениями

где 8(t) - дельта-функция, отличная от нуля в начале координат (при t = 0).

Для более общего случая, когда дельта-функция отличается от нуля в момент времени t = tj (рис. 1.9), имеем

Рис. 1.9. Дельта-функция

Такая математическая модель соответствует абстрактному импульсу бесконечно малой длительности и безграничной величины. Единственным параметром, правильно отражающим реальный сигнал, является время его действия. С помощью дельта-функции можно выразить значение реального сигнала s(t) в конкретный момент времени tji

Это равенство справедливо для любого текущего момента времени t.

Таким образом, функцию s(t) можно выразить в виде совокупности примыкающих друг к другу импульсов бесконечно малой длительности. Ортогональность совокупности таких импульсов очевидна, так как они не перекрываются во времени.

Подавляющее большинство сигналов, использующихся в современных системах связи имеют вид прямоугольных импульсов. Прямоугольный импульс прямоуголен только в идеальном случае. На самом деле он имеет вид, изображённый на рис. 1.10 .

Рис. 1.10.

На рисунке импульс имеет следующие основные составные части:

• - участок t r t2 - фронт, т.е. отклонение напряжения от исходного уровня;
• - участок t2-t3 - вершина импульса;
• - участок t3-t 4 - срез (задний фронт), т.е. возврат напряжения к исходному уровню.

Параметры импульса:

• 1. Амплитуда импульса U m - наибольшее отклонение импульса от исходного уровня.
• 2. Длительность импульса т н (t„). Измеряется на различных уровнях U m . Длительность бывает:
  • - полная, на уровне 0,lU m (т ио);
  • - активная, при которой обычно срабатывает импульсное устройство - на уровне 0,5U m (т иа).
• 2. Длительность фронта (1ф) - время нарастания напряжения от 0,1 U m до 0,9U m (может быть полной и активной).
• 3. Длительность среза (t c) - время возвращения напряжения к исходному уровню от 0,9U m до 0,lU m .
• 4. Спад вершины импульса (AU m). Описывается коэффициентом

спада Величина коэффициента спада колеблется в диапазоне от 0,01 до 0,1.

В качестве дополнительного можно отметить такой параметр как крутизна - скорость нарастания (спада) импульса.

Крутизна фронта определяется как

Крутизна среза определяется как

Определяется крутизна в [В/с]. Прямоугольный импульс обладает бесконечно большой крутизной. Наибольшее применение получили прямоугольные и экспоненциальные видеоимпульсы.

Для передачи информации используются последовательности импульсов - периодические и непериодические. Периодические последовательности используются только для тестирования аппаратуры, а для передачи семантической информации применяются непериодические последовательности. Тем не менее, для рассмотрения основных закономерностей, имеющих место при передаче информации, обратимся к периодическим последовательностям (рис. 1.11).

Рис. 1.11.

Рассмотрим параметры последовательности импульсов.

• 1. Период следования (повторения) - Т. Т = t„ + t n .
• 2. Частота следования (повторения) - F. Это есть число импульсов в секунду. Выражение для определения частоты имеет вид: F = 1/Т.
• 3. Скважность - отношение интервала между импульсами (периода) (скважины) к длительности самого импульса (Q). Q=T/t H . Скважность всегда больше 1 (Q>1).
• 4. Коэффициент заполнения - величина, обратная скважности (у).

Таким образом, основными параметрами импульсов являются амплитуда, длительность импульса, длительность фронта, длительность среза, спад вершины импульса.

Параметрами последовательности импульсов являются период следования импульсов, частота следования импульсов, скважность, коэффициент заполнения.

Периодический сигнал описывается выражением s(t) = s(t + Т), причём в течение периода Т (ti, t + Т) сигнал описывается формулой

Если в процессе передачи период Т меняется произвольным образом, то сигнал называют непериодическим. Если же период Т повторяется через достаточно большой промежуток времени, то сигнал называют квазипериодическим или псевдослучайным.

Среди множества различных сигналов особое место занимают так называемые тестовые или испытательные сигналы. Основные из них приведены в таблице 1 .

Таблица 1

Испытательные сигналы

Приведенные в таблице 1 сигналы являются функциями времени, но следует отметить, что такие же функции используются и в частотной области, где аргументом будет частота. Любую из функций можно смещать во времени в желаемую область временной плоскости и использовать для описания более сложных сигналов.

Функция включения (единичная функция (функция скачка) или функция Хевисайда), позволяет описать процесс перехода некоторого физического объекта из исходного - «нулевого» в «единичное» состояние, причем этот переход совершается мгновенно. С помощью функции включения удобно описывать, например, разнообразные процессы коммутации в электрических цепях.

При моделировании сигналов и систем значение единичной функции (функции скачка) в точке t = 0 очень часто принимают равным 1, если это не имеет принципиального значения. Эта функция используется также при создании математических моделей сигналов конечной длительности. При умножении любой произвольной функции, в том числе периодической, на прямоугольный импульс, сформированный из двух последовательных функций включения s(t) = o(t) - o(t - Т), из неё «вырезается» участок на интервале 0 - Т, и обнуляются значения функции за пределами этого интервала (следует обратить внимание из аналитической записи этого примера, где «выставлены» эти функции). Произведение произвольного сигнала на функцию включения характеризует начало действия сигнала.

Дельта-функция или функция Дирака по определению дополнительно описывается следующими математическими выражениями:

причем интеграл характеризует тот факт, что эта функция имеет единичную площадь и локализована в конкретной временной точке.

Функция S(t-i) не является дифференцируемой, и имеет размерность, обратную размерности её аргумента, что непосредственно следует из безразмерности результата интегрирования и, в соответствии с примечаниями таблицы, характеризует скорость изменения функции включения. Значение дельта-функции равно нулю везде за исключением точки т, где она представляет собой бесконечно узкий импульс с бесконечно большой амплитудой.

Дельта-функция является полезной математической абстракцией. На практике такие функции не могут быть реализованы с абсолютной точностью, так как невозможно реализовать амплитудное значение, равное бесконечности, в точке t = т на аналоговой временной шкале, т. е. определенной по времени также с бесконечной точностью. Но во всех случаях, когда площадь импульса равна 1, длительность импульса достаточно мала, а за время его действия на входе какой-либо системы сигнал на ее выходе практически не изменяется (реакция системы на импульс во много раз больше длительности самого импульса), входной сигнал можно считать единичной импульсной функцией со свойствами дельта - функции.

При всей своей абстрактности дельта-функция имеет вполне определённый физический смысл. Представим себе импульсный сигнал прямоугольной формы (выразив его функцией из таблицы - это rect- функция, т. е. сигнал s(t) = (1/ти)гесф(1-т)/ти], от англ, rectangle - прямоугольник) длительностью т,„ амплитуда которого равна 1/т,„ а площадь соответственно равна 1.

При уменьшении значения длительности т и импульс, сокращаясь по длительности, сохраняет свою площадь, равную 1, и возрастает по амплитуде. Предел такой операции при т„->0и носит название дельта-импульса. Этот сигнал 5(t-x) сосредоточен в одной координатной точке t=x, конкретное амплитудное значение сигнала не определено, но площадь (интеграл) остается равной 1.

Это не мгновенное значение функции в точке t = т, а именно импульс (импульс силы в механике, импульс тока в электротехнике и т.

п.) - математическая модель короткого действия, значение которого равно 1.

Дельта-функция обладает фильтрующим свойством. Суть его заключается в том, что если дельта-функция 5(t-x) входит под интеграл какой-либо функции в качестве множителя, то результат интегрирования равен значению подынтегральной функции в точке т расположения дельта-функции, т. е.:

Пределы интегрирования в этом выражении можно ограничить ближайшими окрестностями точки т.

При изучении общих свойств сигналов, абстрагируются от их физической природы и назначения, заменяя их математической моделью. Математическая модель - это приближённое описание сигнала в форме, наиболее пригодной для проводимого исследования. Математическое описание всегда отражает лишь отдельные, наиболее важные свойства сигнала, существенные для данного исследования.

Математический аппарат, используемый при анализе сигналов, позволяет проводить исследования без учёта их физической природы.

При практическом анализе сигналов чаще всего применяется представление в виде обобщённого ряда Фурье,

однако эти сигналы должны удовлетворять условию конечности энергии на интервале от t до t2

Так как равенство (1.10) понимается в среднеквадратическом смысле, представление сигнала в виде обобщённого ряда Фурье сводится к выбору системы базисных функций {

В настоящее время широкое применение нашли следующие ортогональные базисные функции - тригонометрические (sinx, cosx), полиномы Чебышева, Эрмита, функции Уолша, Хаара и др.

Коэффициенты с п определяются исходя из минимизации среднеквадратической ошибки а 0 , обусловленной конечным числом слагаемых в правой части выражения (1.10)

где N - число слагаемых, а поскольку базисные функции (р п зависят от времени.

При этом ошибка, обусловленная конечным числом слагаемых в правой части выражения (1.10), является наименьшей по сравнению с другими способами определения коэффициентов с п. Так как а > 0, то всегда имеет место неравенство Г31

Классификация сигналов

модулятор сигнал радиотехнический спектр

Радиотехнические сигналы классифицируются:

По физической природе носителя информации:

электрические;

электромагнитные;

оптические;

акустические и др.;

По способу задания сигнала:

регулярные (детерминированные), заданные аналитической функцией;

нерегулярные (случайные), принимающие произвольные значения в любой момент времени. Для описания таких сигналов используется аппарат теории вероятностей.

В зависимости от функции, описывающей параметры сигнала, выделяют аналоговые, дискретные, квантованные и цифровые сигналы:

непрерывные (аналоговые), описываемые непрерывной функцией;

дискретные, описываемые функцией отсчётов, взятых в определённые моменты времени;

квантованные по уровню;

дискретные сигналы, квантованные по уровню (цифровые).

Виды сигналов

Аналоговый сигнал:

Большинство сигналов имеют аналоговую природу, то есть изменяются непрерывно во времени и могут принимать любые значения на некотором интервале. Аналоговые сигналы описываются некоторой математической функцией времени.

Пример АС - гармонический сигнал - s(t) = A·cos (щ·t + ц).

Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении. Ввести такой сигнал в компьютер и обработать его невозможно, так как на любом интервале времени он имеет бесконечное множество значений, а для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому необходимо преобразовать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности.

Дискретный сигнал:

Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени. Эти значения называются отсчётами. Дt называется интервалом дискретизации.

Квантованный сигнал:

При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности. Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования Д. Число этих уровней равно N (от 0 до N_1). Каждому уровню присваивается некоторое число. Отсчёты сигнала сравниваются с уровнями квантования и в качестве сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования. Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с n разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов n двоичных чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n ? log2 (N).

Цифровой сигнал:

Для того, чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию. Квантование является частным случаем дискретизации, когда дискретизация происходит по одинаковой величине называемой квантом. В результате сигнал будет представлен таким образом, что на каждом заданном промежутке времени известно приближённое (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом. Если записать эти целые числа в двоичной системе, получится последовательность нулей и единиц, которая и будет являться цифровым сигналом.

.
Основы цифровой обработки сигнала (ОЦОС).

Преподаватель: Кузнецов Вадим Вадимович

Https://github.com/ra3xdh/DSP-RPD

Https://github.com/ra3xdh/RTUiS-labs

1. 
   Вопрос. Радиотехнические сигналы. Классификация.

Сигналом называют процесс изменения во времени физического состояния какого-либо объекта, который служит для отображения, регистрации и передаче сообщений.

Сигналами могут быть напряжение, ток, напряженность поля. В большинстве случаев носителями радиотехнических сигналов являются электромагнитные колебания. Математической моделью сигнала обычно служит функциональная зависимость аргументом которой является время (зависимость напряжения в цепи от времени). Для детерминированных сигналов на основании математической модели можно узнать мгновенное значение сигнала в любой момент времени. Примером детерминированного сигнала является синусоидальное напряжение, f=50Гц w=314с^-1.

Импульсные сигналы существуют только в пределах конечного отрезка времени. Примеры импульсных сигналов: видеоимпульс (рис. 2а) и радиоимпульс (рис.2б).

Если физический процесс порождающий сигнал развивается во времени таким образом, что его можно измерять в любые моменты времени, то сигналы такого класса называют аналоговым. Аналоговый сигнал можно представить графиком его изменения во времени , то есть осциллограммой.

Дискретные сигналы описываются совокупностью отсчетов через равные промежутки времени. Пример дискретного сигнала показан на рисунке 3.

Цифровые сигналы являются особой разновидностью дискретных. Отсчетные значения представляются в виде чисел. Обычно используются двоичные числа с некоторой размерностью. Пример цифрового сигнала приведен в таблице 1.

Аналоговые сигналы.

Периодический сигнал S(t), период Т обладает следующим свойством: S(t)=S(t±nT) n=1,2,.. Пример периодического сигнала показан на рисунке 4.

Период сигнала связан с частотой f и круговой частотой w следующим соотношением: f=1/T=w/2π. Другие примеры периодических сигналов показаны на рисунке 5.

1. 
   Вопрос. Модулированный сигнал. Основы модуляции.

Для передачи низкочастотным сигналов, например звуковых, по радиоканалу применяются модулированные сигналы. Прямая передача низкочастотного сигнала по радиоканалу невозможна, так как длинна волны для низких частот слишком большая и аппаратура для передачи такой волны будет громоздкой.

В модулированном сигнале амплитуда, частота и фаза синусоидального ВЧ сигнала изменяется в такт с НЧ. НЧ сигнал накладывается на несущий.

1. Амплитудная модуляция (АМ).

S(t) - звуковой сигнал, - РЧ сигнал, несущая, М - коэффициент модуляции.

Пример модулированного сигнала показан на рисунке 6.

2. Частотная модуляция (ЧМ:FM). Амплитуда несущий остается неизменной, а в такт с модулируемым сигналом изменяется частота несущей.

Осциллограмма частотно-модулированного сигнала показана на рисунке 7.

3. Фазовая модуляция (ФМ:PM). . осциллограмма ФМ сигнала показана на рисунке 8.

Во время положительного полупериода фаза модулированные колебания опережают по фазе колебания несущей частоты, при этом период колебаний уменьшается, и частота увеличивается. Во время отрицательного периода модулирующего напряжения фаза модулированного колебания отстает по фазе от колебаний несущей частоты. Таким образом ФМ является одновременно и ЧМ. Для ЧМ справедливо обратное суждение: частотная модуляция является одновременно фазовой модуляцией. ФМ применяется в профессиональной радиосвязи.

Сигма и дельта функции.

Сигма функция задается следующим выражением:

Дельта функция – импульс бесконечно большой амплитуды и бесконечно малой длительности. (рис. 10).

Дельта-функция является производной от сигма-функции.

Если сигнал, задаваемый непрерывной функцией умножить на дельта-функции и проинтегрировать во времени , то результатом будет мгновенное значение сигнала в точке, где сосредоточен дельта-импульс.

Из фильтрующих свойств дельта-функции следует схема измерителя мгновенного значения сигнала.

Сигма и дельта функции применяются для анализа прохождения аналоговой и цифровых сигналов через линейные системы. Отклик системы, ели на нее подан дельта-импульс, называется импульсной характеристикой системы H(t).

1. 
   Вопрос. Мощности и энергии сигнала.

Мощность выделяющаяся на резисторе сопротивлением R, если к нему приложено напряжение u определяется как W=(u^2)/R.

Если к резистору приложено не постоянное напряжение, а переменный сигнал s(t), то мощность так же будет переменной (мгновенная мощность).

В теории сигналов обычно полагают, что R=1. w=s(t) ^2. Чтобы найти энергию сигнала необходимо проинтегрировать мощность по всему диапазону;

Для бесконечных во времени сигналов среднюю мощность можно определить следующим образом:

W=[Вт], E=[(В^2)*c]

Именно такая энергия выделяется на резисторе сопротивлением 1 ом, если к нему приложено напряжение s(t).

Если сигнал излучается на некотором интервале T, то рассматривается средняя мощность сигнала.

Спектральный анализ сигналов.

1. 
   Вопрос. Разложение аналогового сигнала в ряд Фурье.

Разложение в ряд Фурье заключается в представление периодического сигнала в виде суммы синусоидальных сигналов.

Пример представления пилообразного сигнала в виде суммы синусоидальных сигналов с различной амплитудой и фазой представлен на рис. 12.

Введем основную частоту периодического сигнала с периодом T: w_1=2pi/T. Периодический сигнал при разложении в ряд Фурье представляется в виде суммы синусоидальных сигналов или гармоник, с частотами кратными основной частоте: 2w_1, 3w_1... Амплитуды этих сигналов называются коэффициентами разложения. Ряд Фурье записывается в виде суммы гармоник:

Вещественная форма ряда Фурье:

Используя известную форму записи из курса электротехники в виде комплексного числа , ряд Фурье представляется в виде:

В данное выражение входят гармоники с отрицательными частотами. Отрицательная частота – это не физическое понятие, она связана со способом представления комплексных чисел. Так как сумма гармоник должна быть действительным числом, то каждой гармонике соответствует комплексно сопряженная гармоника с –ω. По абсолютному значению амплитуды гармоники с положительными и отрицательными частотами равны.

1. 
   Вопрос. Спектральные диаграммы.

Спектральные диаграммы – графики, изображающие коэффициенты ряда Фурье в вещественной форме.

Различают амплитудные и фазовые спектральные диаграммы. По горизонтальной оси откладывают частоты гармоник, по вертикали – амплитуды (фазы). Если изображен модуль ряда Фурье в комплексной форме, то по оси Х откладывают положительную и отрицательную круговую частоту ω.

Пример спектра аналогового периодического сигнала. (ШИМ)

Рассмотрим последовательность прямоугольных импульсов с периодом Т, длительностью τ и амплитудой А.

Скважность.

Осциллограмма такого сигнала оказана на рисунке 13.

Постоянная составляющая прямоугольного сигнала.

b n = 0.

Спектральная диаграмма для последовательности прямоугольных импульсов показана на рис. 14.

Из спектра диаграммы видно, что с увеличением скважности уменьшается длительность импульса. Последовательность прямоугольных импульсов имеет более богатый спектральный состав, в спектре присутствуют больше гармоник и больше амплитуд. Таким образом, сокращение длительности импульса приводит к расширению спектра. Сигналы с широким спектром могут создавать помехи.

Вычисление ряда Фурье производится с помощью математических пакетов.

Преобразование Фурье.

Применяется для расширения области допустимых сигналов.

Различают прямое и обратное преобразование.

1. 
   Вопрос. Прямое преобразование (переход от сигнала к спектру).

Разложение в ряд Фурье позволяет получить спектр только для периодических сигналов. Преобразование Фурье расширяет область применения спектрального анализа на непериодические сигналы.

Пусть s(t) – одиночный импульсный сигнал конечной длительности. Дополним его таким же, периодически следующим сигналом, с периодом Т. Получим последовательность импульсов (рис.15).

Чтобы перейти к преобразованию Фурье и найти спектр одиночного импульса необходимо найти предельный вид ряда Фурье в комплексной форме при

Расчет спектра:

Физический смыл спектральной плотности состоит в том, что она является коэффициентом пропорциональности между длинной малого интервала частот Δf в близи частоты f 0 и амплитуды гармонического сигнала с частотой f 0 . Сигнал s(t) как бы складывается из множества разных синусоидальных сигналов малой амплитуды. Спектр плотности показывает вклад в сигнал элементарных синусоидальных сигналов каждой частоты.

Спектр плотности вероятности является комплексным числом и отображается кривой на комплексной плоскости.

Действительное число – амплитудный спектр

Спектр мощности

Фазовый спектр

Свойства преобразования Фурье

1. 
   Линейность – спектр суммы нескольких сигналов умножить на постоянные коэффициенты равен сумме этих сигналов. Если амплитуда сигнала меняется в А раз, то его спектральная плотность тоже меняется в А раз.

1. 
   Свойство вещественной и мнимой частей спектра. Вещественная часть спектра, то есть амплитудный спектр – четный функция частоты. Амплитудный спектр симметричен относительно нулевой частоты. Мнимая часть спектра – нечетная функция частоты. Фазовый спектр антисимметричен относительно нулевой частоты.

1. 
   Смещение сигнала во времени. При смещении сигнала во времени амплитудный спектр не меняется, а фазовый спектр смещается по фазе.

Спектр произведения сигналов равен свертке спектров и наоборот.

Свойство применяется для отыскания сигнала на выходе , если известна АЧХ.

Линейная система и сигналы на ее входе и выходе показаны на рисунке 20.

1. 
   Спектр дельта функции.

В спектре дельта-импульса содержатся все частоты от 0 до .

1. 
   Спектр производной и интеграла.

Дифференциация сигналов приведет к расширению спектра, интегрирование – к сжатию (рис.21).

1. 
   Связь с рядами Фурье.

Комплексная амплитуда к-ой гармоники ряда Фурье связана со спектральной плотностью так:

Зная преобразование для одного периода периодического сигнала можно вычислить его разложение в ряд Фурье.

Пример вычисления спектра импульсного сигнала.

Вычислим спектр прямоугольного видео импульса с амплитудой и длительностью . Импульс расположен симметрично относительно начала отсчета (рис. 22).

Переходим от круговой частоты к частоте f.

Амплитудный спектр показан на (рис 23).

Фазовый спектр показан на (рис 24).

Спектр мощности показан на (рис 25).

1. 
   Вопрос. Обратное преобразование Фурье.

Служит для нахождения сигнала по спектру.

Условие существования спектральной плотности сигнала.

Спектральный анализ интегрируемых сигналов.

Сигнал можно сопоставить спектральную плотность если сигнал абсолютно интегрирован.

К абсолютно интегрированному сигналу не относятся гармонические колебания и постоянный ток.

Примеры абсолютно интегрируемых и неинтегрируемых сигналов на (рис. 16).

Спектры таких сигналов представляются через дельта-функции.

Спектр сигнала постоянного уровня А представляет собой дельта-импульс, расположенный на нулевой частоте ().

Физический смысл данного выражения – сигнал, постоянный по модулю и по времени имеет постоянную составляющую только на нулевой частоте.

Спектр синусоидального сигнала.

Любой периодический сигнал можно представить рядом Фурье в комплексной форме, то есть в виде суммы синусоидальных сигналов.

Спектры постоянного тока, синусоидального и периодического сигнала показаны на (рис. 17).

На анализаторе спектра спектр периодического сигнала будет наблюдаться в виде последовательности остроконечных импульсов. Амплитуды данных импульсов пропорциональны амплитудам гармоник. Типичный вид спектра представлен на (рис. 18).

Спектральный анализ можно применять и к случайным сигналам. Для них рассматривается спектр мощности . Для примера рассмотрим белый шум (рис. 1).

В качестве переносчика сообщений используются высокочастотные электромагнитные колебания (радиоволны) соответствующего диапазона, способные распространяться на большие расстояния.

Колебание несущей частоты, излучаемое передатчиком, характеризуется: амплитудой, частотой и начальной фазой. В общем случае оно представляется в виде:

i = I m sin(ω 0 t + Ψ 0) ,

где: i – мгновенное значение тока несущего колебания;

I m – амплитуда тока несущего колебания;

ω 0 – угловая частота несущего колебания;

Ψ 0 – начальная фаза несущего колебания.

Первичные сигналы (передаваемое сообщение, преобразованное в электрическую форму), управляющие работой передатчика, могут изменять один из этих параметров.

Процесс управления параметрами тока высокой частоты с помощью первичного сигнала, называется модуляцией (амплитудной, частотной, фазовой). Для телеграфных видов передач применяется термин «манипуляция».

В радиосвязи, для передачи информации, применяются радиосигналы:

радиотелеграфные;

радиотелефонные;

фототелеграфные;

телекодовые;

сложные виды сигналов.

Радиотелеграфная связь различается: по способу телеграфирования; по способу манипуляции; по применению телеграфных кодов; по способу использования радиоканала.

В зависимости от способа и скорости передачи радиотелеграфные связи делятся на ручные и автоматические. При ручной передаче манипуляция осуществляется телеграфным ключом с использованием кода МОРЗЕ. Скорость передачи (при слуховом приеме) составляет 60–100 знаков в минуту.

При автоматической передаче манипуляция осуществляется электромеханическими устройствами, а прием с помощью печатающих аппаратов. Скорость передачи 900–1200 знаков в минуту.

По способу использования радиоканала телеграфные передачи подразделяются на одноканальные и многоканальные.

По способу манипуляции к наиболее распространенным телеграфным сигналам относятся сигналы с амплитудной манипуляцией (АТ – амплитудный телеграф – А1), с частотной манипуляцией (ЧТ и ДЧТ – частотная телеграфия и двойная частотная телеграфия – F1 и F6), с относительной фазовой манипуляцией (ОФТ – фазовая телеграфия – F9).

По применению телеграфных кодов используются телеграфные системы с кодом МОРЗЕ; стартстопные системы с 5-ти и 6-ти значным кодом и другие.

Телеграфные сигналы представляют собой последовательность прямоугольных импульсов (посылок) одинаковой или различной длительности. Наименьшая по длительности посылка называется элементарной.

Основные параметры телеграфных сигналов: скорость телеграфирования (V) ; частота манипуляции (F) ;ширина спектра (2D f) .

Скорость телеграфирования V равна количеству элементарных посылок, передаваемых за одну секунду, измеряется в бодах. При скорости телеграфирования 1 бод за 1 с передается одна элементарная посылка.

Частота манипуляции F численно равна половине скорости телеграфирования V и измеряется в герцах: F= V/2 .

Амплитудно-манипулированный телеграфный сигнал имеет спектр (рис.2.2.1.1), в котором кроме несущей частоты, содержится бесконечное множество частотных составляющих, расположенных по обе стороны от нее, с интервалами равными частоте манипуляции F. На практике для уверенного воспроизведения телеграфного радиосигнала достаточно принять кроме сигнала несущей частоты по три составляющих спектра, расположенных по обе стороны от несущей. Таким образом, ширина спектра амплитудно-манипулированного телеграфного ВЧ сигнала равна 6F. Чем больше частота манипуляции, тем шире спектр ВЧ телеграфного сигнала.

Рис. 2.2.1.1. Временное и спектральное представление сигнала АТ

При частотной манипуляции ток в антенне по амплитуде не изменяется, а меняется только частота в соответствии с изменением манипулирующего сигнала. Спектр сигнала ЧТ (ДЧТ) (рис. 2.2.1.2) представляет собой как бы спектр двух (четырех) независимых амплитудно-манипулированных колебаний со своими несущими частотами. Разность между частотой «нажатия» и частотой «отжатия» называется разносом частот, обозначается ∆f и может находиться в пределах 50 – 2000 Гц (чаще всего 400 – 900 Гц). Ширина спектра сигнала ЧТ составляет 2∆f+3F.

Рис.2.2.1.2. Временное и спектральное представление сигнала ЧТ

Для повышения пропускной способности радиолинии применяются многоканальные радиотелеграфные системы. В них на одной несущей частоте радиопередатчика, можно передавать одновременно две и более телеграфные программы. Различают системы с частотным уплотнением каналов, с временным разделением каналов и комбинированные системы.

Простейшей двухканальной системой является система двойного частотного телеграфирования (ДЧТ). Сигналы, манипулированные по частоте в системе ДЧТ передаются путем изменения несущей частоты передатчика вследствие одновременного воздействия на него сигналов двух телеграфных аппаратов. При этом используется то, что сигналы двух аппаратов, работающих одновременно, могут иметь лишь четыре сочетания передаваемых посылок. При таком способе в любой момент времени излучается сигнал одной частоты, соответствующий определенному сочетанию манипулированных напряжений. В приемном устройстве имеется дешифратор, с помощью которого формируются телеграфные посылки постоянного напряжения по двум каналам. Уплотнение по частоте заключается в том, что частоты отдельных каналов размещаются на различных участках общего диапазона частот и все каналы передаются одновременно.

При временном разделении каналов радиолиния предоставляется каждому телеграфному аппарату последовательно с помощью распределителей (рис.2.2.1.3).

Рис.2.2.1.3. Многоканальная система с временным разделением каналов

Для передачи радиотелефонных сообщений применяются в основном амплитудно-модулированные и частотно-модулированные высокочастотные сигналы. Модулирующий НЧ сигнал представляет собой совокупность большого количества сигналов разных частот, расположенных в некоторой полосе. Ширина спектра стандартного НЧ телефонного сигнала, как правило, занимает полосу 0,3–3,4 кГц.