Obecné informace o rádiových signálech

Při přenosu informací na dálku pomocí radiotechnických systémů se používají různé typy radiotechnických (elektrických) signálů. Tradičně radiotechnika signály jsou považovány za jakékoli elektrické signály související s rádiovým dosahem. Z matematického hlediska může být jakýkoli rádiový signál reprezentován nějakou funkcí času u(t ), který charakterizuje změnu jeho okamžitých hodnot napětí (nejčastěji), proudu nebo výkonu. Podle matematického znázornění se celá řada radiotechnických signálů obvykle dělí do dvou hlavních skupin: deterministické (regulární) a náhodné signály.

deterministický tzv. rádiové signály, jejichž okamžité hodnoty jsou v kteroukoli dobu spolehlivě známé, tj. předvídatelné s pravděpodobností jedné /1/. Příkladem deterministického radiotechnického signálu je harmonické kmitání. Je třeba poznamenat, že ve skutečnosti deterministický signál nenese žádnou informaci a téměř všechny jeho parametry mohou být přenášeny rádiovým kanálem s jednou nebo více kódovými hodnotami. Jinými slovy, deterministické signály (zprávy) v podstatě neobsahují žádné informace a nemá smysl je přenášet.

náhodné signály jsou signály, jejichž okamžité hodnoty nejsou v žádném okamžiku známy a nelze je předpovědět s pravděpodobností jedné /1/. Téměř všechny skutečné náhodné signály, nebo většina z nich, jsou chaotickými funkcemi času.

Podle vlastností struktury časové reprezentace jsou všechny rádiové signály rozděleny na spojité a diskrétní.a podle typu přenášených informací: analogové a digitální.V radiotechnice jsou široce používány pulzní systémy, jejichž provoz je založen na využití diskrétních signálů. Jednou z odrůd diskrétních signálů je digitální signál /1/. V něm jsou diskrétní hodnoty signálu nahrazeny čísly, nejčastěji implementovanými v binárním kódu, které představují vysoký (jednotka) A nízký (nula) úrovně napěťového potenciálu.

Funkce popisující signály mohou nabývat reálných i komplexních hodnot. Proto se v radiotechnice mluví o skutečných a komplexních signálech. Použití té či oné formy popisu signálu bylo otázkou matematického pohodlí.

Koncept spektra

Přímá analýza dopadu signálů složitého tvaru na rádiové obvody je velmi obtížná a obecně ne vždy možná. Proto má smysl reprezentovat komplexní signály jako součet některých jednoduchých elementárních signálů. Princip superpozice odůvodňuje možnost takového znázornění tím, že v lineárních obvodech je účinek celkového signálu ekvivalentní součtu účinků odpovídajících signálů samostatně.

Harmonické jsou často používány jako elementární signály. Tato volba má řadu výhod:

a) Rozšíření do harmonických je realizováno poměrně snadno pomocí Fourierovy transformace.

b) Když je harmonický signál přiveden na libovolný lineární obvod, jeho tvar se nemění (zůstává harmonický). Ukládá se také frekvence signálu. Amplituda a změna fáze, samozřejmě; lze je vypočítat poměrně jednoduše pomocí metody komplexních amplitud.

c) Ve strojírenství jsou široce používány rezonanční systémy, které umožňují experimentálně izolovat jednu harmonickou z komplexního signálu.

Znázornění signálu jako součtu harmonických daných frekvencí, amplitudou a fází se nazývá rozklad signálu na spektrum.

Harmonické složky obsažené v signálu jsou specifikovány v trigonometrické nebo imaginární exponenciální formě.

2.1.1.Deterministické a náhodné signály

Deterministický signál je signál, jehož okamžitou hodnotu lze kdykoli předpovědět s pravděpodobností rovnou jedné.

Příkladem deterministického signálu (obr. 10) mohou být: sekvence pulsů (jejichž tvar, amplituda a poloha v čase jsou známé), spojité signály s danými vztahy amplitudy a fáze.

Metody nastavení MM signálu: analytické vyjádření (vzorec), oscilogram, spektrální zobrazení.

Příklad MM deterministického signálu.

s(t)=S m Sin(w 0 t+j 0)

náhodný signál- signál, jehož okamžitá hodnota není v žádném okamžiku předem známa, ale lze ji předpovědět s určitou pravděpodobností menší než jedna.

Příkladem náhodného signálu (obr. 11) může být napětí odpovídající lidské řeči, hudbě; sekvence rádiových impulsů na vstupu radarového přijímače; rušení, šum.

2.1.2. Signály používané v radioelektronice

Spojité v magnitudě (úrovni) a spojité v čase (spojité nebo analogové) signály– nabývají libovolné hodnoty s(t) a existují v kterémkoli okamžiku v daném časovém intervalu (obr. 12).

Signály spojité ve velikosti a diskrétní v čase jsou uvedeny pro diskrétní hodnoty času (na spočetné množině bodů), hodnota signálu s(t) v těchto bodech nabývá libovolné hodnoty v určitém intervalu podél osy pořadnice.

Pojem „diskrétní“ charakterizuje způsob nastavení signálu na časové ose (obr. 13).

Kvantované ve velikosti a spojité v časových signálech jsou uvedeny na celé časové ose, ale hodnota s(t) může nabývat pouze diskrétních (kvantovaných) hodnot (obr. 14).

Kvantované ve velikosti a diskrétní v čase (digitální) signály– hodnoty úrovně signálu jsou přenášeny v digitální podobě (obr. 15).

2.1.3. Pulzní signály

Puls- oscilace, která existuje pouze v omezeném časovém období. Na Obr. 16 a 17 znázorňují video puls a rádiový puls.

Pro lichoběžníkový obrazový impuls se zadávají následující parametry:

A je amplituda;

ta je trvání obrazového impulsu;

t f je doba trvání fronty;

t cf je doba trvání řezu.

S p (t) \u003d S in (t) Sin (w 0 t + j 0)

S v (t) - video puls je obálka pro rádiový puls.

Sin(w 0 t+j 0) – vyplnění rádiového pulsu.

2.1.4. Speciální signály

Spínací funkce (jedna funkce(obr. 18) nebo funkce Heaviside) popisuje proces přechodu nějakého fyzického objektu z „nulového“ do „jediného“ stavu a tento přechod probíhá okamžitě.

Delta funkce (funkce Dirac) je puls, jehož trvání má tendenci k nule, zatímco výška pulsu se neomezeně zvyšuje. Je zvykem říkat, že funkce je soustředěna v tomto bodě.

	(2)
	(3)

Klasifikace signálu

modulátor signálu rádiové spektrum

Rádiové signály jsou klasifikovány:

Podle fyzické povahy nosiče informace:

elektrický;

elektromagnetické;

optický;

akustické atd.;

Jak nastavit signál:

regulární (deterministický) daný analytickou funkcí;

nepravidelné (náhodné), nabývající kdykoli libovolné hodnoty. K popisu takových signálů se používá aparát teorie pravděpodobnosti.

V závislosti na funkci, která popisuje parametry signálu, se rozlišují analogové, diskrétní, kvantované a digitální signály:

spojitý (analogový), popsaný spojitou funkcí;

diskrétní, popsaný funkcí čtení odebraných v určitých okamžicích;

kvantovaný podle úrovně;

diskrétní signály, kvantované podle úrovně (digitální).

Typy signálů

Analogový signál:

Většina signálů je analogové povahy, to znamená, že se neustále mění v čase a mohou nabývat jakékoli hodnoty v určitém intervalu. Analogové signály jsou popsány nějakou matematickou funkcí času.

Příklad AC - harmonický signál - s(t) = A cos (w t + c).

Analogové signály se používají v telefonii, rozhlasovém vysílání, televizi. Takový signál není možné zadat do počítače a zpracovat jej, protože v libovolném časovém intervalu má nekonečný počet hodnot a pro přesné (bezchybové) znázornění jeho hodnoty jsou zapotřebí počty nekonečné bitové kapacity. Proto je nutné převést analogový signál tak, aby mohl být reprezentován posloupností čísel dané bitové hloubky.

Diskrétní signál:

Diskretizace analogového signálu spočívá v tom, že signál je reprezentován jako sekvence hodnot odebraných v diskrétních časech. Tyto hodnoty se nazývají počty. Dt se nazývá vzorkovací interval.

Kvantovaný signál:

Při kvantování je celý rozsah hodnot signálu rozdělen do úrovní, jejichž počet musí být reprezentován čísly dané bitové hloubky. Vzdálenost mezi těmito úrovněmi se nazývá kvantizační krok D. Počet těchto úrovní je N (od 0 do N_1). Každé úrovni je přiřazeno číslo. Vzorky signálu jsou porovnány s kvantizačními úrovněmi a jako signál je vybráno číslo odpovídající určité kvantizační úrovni. Každá kvantizační úroveň je zakódována jako binární číslo s n bity. Počet kvantizačních úrovní N a počet číslic n binárních čísel kódujících tyto úrovně souvisí vztahem n ? log2(N).

Digitální signál:

Aby byl analogový signál reprezentován jako posloupnost čísel s konečnou bitovou kapacitou, musí být nejprve převeden na diskrétní signál a poté podroben kvantizaci. Kvantování je speciální případ diskretizace, kdy k diskretizaci dochází ve stejném množství, které se nazývá kvantum. Ve výsledku bude signál reprezentován tak, že pro každý daný časový interval bude známa přibližná (kvantovaná) hodnota signálu, kterou lze zapsat jako celé číslo. Pokud tato celá čísla zapíšete binárně, dostanete posloupnost nul a jedniček, což bude digitální signál.

Jako nosič zpráv se používají vysokofrekvenční elektromagnetické oscilace (rádiové vlny) příslušného rozsahu, které se mohou šířit na velké vzdálenosti.

Oscilace nosné frekvence emitované vysílačem jsou charakterizovány: amplitudou, frekvencí a počáteční fází. Obecně se uvádí ve formě:

i = I m sin(ω 0 t + Ψ 0),

Kde: i je okamžitá hodnota proudu kmitání nosné;

já m je amplituda proudu kmitání nosné;

ω 0 je úhlová frekvence kmitání nosné;

Ψ 0 – počáteční fáze nosné vlny.

Primární signály (přenášená zpráva převedená do elektrické formy), které řídí činnost vysílače, mohou změnit jeden z těchto parametrů.

Proces řízení parametrů vysokofrekvenčního proudu pomocí primárního signálu se nazývá modulace (amplituda, frekvence, fáze). Termín „manipulace“ se používá pro telegrafické typy přenosu.

V rádiové komunikaci se rádiové signály používají k přenosu informací:

radiotelegraf;

radiotelefon;

fototelegrafické;

telekód;

komplexní typy signálů.

Radiotelegrafní komunikace se liší: metodou telegrafie; podle způsobu manipulace; o používání telegrafních kódů; pomocí rádiového kanálu.

Podle způsobu a rychlosti přenosu se radiotelegrafní komunikace dělí na ruční a automatické. U manuální převodovky se manipulace provádí telegrafním klíčem s použitím MORSE kódu. Přenosová rychlost (pro poslechový příjem) je 60-100 znaků za minutu.

U automatické převodovky je manipulace prováděna elektromechanickými zařízeními a příjem se provádí pomocí tiskových strojů. Přenosová rychlost 900–1200 znaků za minutu.

Podle způsobu použití rádiového kanálu se telegrafní přenosy dělí na jednokanálové a vícekanálové.

Způsobem manipulace mezi nejrozšířenější telegrafní signály patří signály s amplitudovým klíčováním (AT - amplitudový telegraf - A1), s frekvenčním posuvným klíčováním (FT a DFT - frekvenční telegrafie a dvojfrekvenční telegrafie - F1 a F6), s relativním fázovým posunem. klíčování (OFT - fázová telegrafie - F9).

Pro použití telegrafních kódů se používají telegrafní systémy s kódem MORSE; start-stop systémy s 5 a 6 místným kódem a další.

Telegrafní signály jsou posloupností pravoúhlých impulsů (balíčků) stejné nebo různé doby trvání. Balíček s nejkratším trváním se nazývá elementární.

Základní parametry telegrafních signálů: rychlost telegrafie (PROTI); frekvence manipulace (F);šířka spektra (2D f).

rychlost telegrafie PROTI rovná počtu čipů přenesených za jednu sekundu, měřeno v baudech. Při rychlosti telegrafie 1 baud je přenášen jeden čip za 1 s.

Frekvence klíčování Fčíselně se rovná polovině rychlosti telegrafie PROTI a měří se v hertzech: F=V/2 .

Telegrafní signál s amplitudovým posunem má spektrum (obr. 2.2.1.1), které kromě nosné frekvence obsahuje nekonečný počet frekvenčních složek umístěných po obou jeho stranách, v intervalech rovných manipulační frekvenci F. tři složky spektra umístěné na obou stranách dopravce. Šířka spektra telegrafního RF signálu s amplitudovým posuvem je tedy rovna 6F. Čím vyšší je klíčovací frekvence, tím širší je spektrum RF telegrafního signálu.

Rýže. 2.2.1.1. Časová a spektrální reprezentace AT signálu

Na klíčování frekvenčním posunem proud v anténě se nemění v amplitudě, ale mění se pouze frekvence v souladu se změnou manipulačního signálu. Spektrum signálu FT (DFT) (obr. 2.2.1.2) je jakoby spektrem dvou (čtyř) nezávislých amplitudově posuvně klíčovaných kmitů s vlastními nosnými frekvencemi. Rozdíl mezi frekvencí „lisování“ a frekvencí „mačkání“ se nazývá frekvenční rozestup, označovaný ∆f a může být v rozsahu 50 - 2000 Hz (nejčastěji 400 - 900 Hz). Šířka spektra signálu FT je 2∆f+3F.

Obr.2.2.1.2. Časová a spektrální reprezentace signálu cvrlikání

Pro zvýšení propustnosti rádiového spojení se používají vícekanálové radiotelegrafní systémy. V nich lze na jedné nosné frekvenci rádiového vysílače současně vysílat dva nebo více telegrafních programů. Existují systémy s frekvenčním multiplexováním kanálů, s časovým dělením kanálů a kombinované systémy.

Nejjednodušším dvoukanálovým systémem je systém dvojfrekvenční telegrafie (DFT). Signály manipulované frekvenčně v systému DCT jsou přenášeny změnou nosné frekvence vysílače v důsledku současného působení signálů dvou telegrafních zařízení na něj. To využívá skutečnosti, že signály dvou současně pracujících zařízení mohou mít pouze čtyři kombinace přenášených zpráv. Při této metodě je v každém okamžiku emitován signál o jedné frekvenci, odpovídající určité kombinaci manipulovaných napětí. Přijímací zařízení má dekodér, pomocí kterého se vytvářejí telegrafní vysílání konstantního napětí přes dva kanály. Frekvenční multiplexování spočívá v tom, že frekvence jednotlivých kanálů jsou umístěny v různých částech celkového frekvenčního rozsahu a všechny kanály jsou přenášeny současně.

Při časovém rozdělení kanálů je rádiové spojení poskytováno postupně s pomocí rozdělovačů každému telegrafnímu zařízení (obr. 2.2.1.3).

Obr.2.2.1.3. Vícekanálový systém časového dělení

Pro přenos radiotelefonních zpráv se používají především amplitudově modulované a frekvenčně modulované vysokofrekvenční signály. Modulační nízkofrekvenční signál je souborem velkého počtu signálů různých frekvencí umístěných v určitém pásmu. Šířka spektra standardního nízkofrekvenčního telefonního signálu zaujímá zpravidla pásmo 0,3-3,4 kHz.

Z informačního hlediska lze signály rozdělit na deterministické a náhodné.

Jakýkoli signál se nazývá deterministický, jehož okamžitou hodnotu lze kdykoli předpovědět s pravděpodobností jedné. Příklady deterministických signálů jsou pulsy nebo shluky pulsů, jejichž tvar, amplituda a poloha v čase jsou známé, stejně jako spojitý signál s danými amplitudovými a fázovými vztahy v jeho spektru.

Náhodné signály zahrnují signály, jejichž okamžité hodnoty nejsou předem známy a lze je předpovědět pouze s určitou pravděpodobností menší než jedna. Takovými signály jsou např. elektrické napětí odpovídající řeči, hudbě, posloupnost znaků telegrafního kódu při přenosu neopakujícího se textu. Mezi náhodné signály patří také sekvence rádiových impulsů na vstupu radarového přijímače, kdy amplitudy impulsů a fáze jejich vysokofrekvenčního plnění kolísají v důsledku změn podmínek šíření, polohy cíle a některých dalších důvodů. . Lze uvést mnoho dalších příkladů náhodných signálů. V podstatě každý signál, který nese informaci, by měl být považován za náhodný.

Výše uvedené deterministické signály, „plně známé“, již neobsahují informace. V následujícím textu budou takové signály často označovány jako oscilace.

Spolu s užitečnými náhodnými signály v teorii a praxi se musíme vypořádat s náhodným rušením - šumem. Úroveň šumu je hlavním faktorem omezujícím rychlost přenosu informací pro daný signál.

Rýže. 1.2. Signály libovolné velikosti a času (a), libovolné velikosti a diskrétní v čase (b), kvantované v magnitudě a spojité v čase (c), kvantované v magnitudě a diskrétní v čase (d)

Proto je studium náhodných signálů neoddělitelné od studia šumu. Užitečné náhodné signály, stejně jako šum, jsou často označovány jako náhodné fluktuace nebo náhodné procesy.

Další členění signálů může souviset s jejich povahou: o signálu lze mluvit jako o fyzickém procesu nebo jako o zakódovaném např. v binárním kódu, čísly.

V prvním případě se signálem rozumí nějaká časově proměnná elektrická veličina (napětí, proud, náboj atd.), určitým způsobem spojená s přenášenou zprávou.

Ve druhém případě je stejná zpráva obsažena v sekvenci binárně kódovaných čísel.

Signály generované v rádiových vysílačích a vyzařované do vesmíru, stejně jako vstup do přijímacího zařízení, kde dochází k jejich zesílení a některým transformacím, jsou fyzikální procesy.

V předchozím odstavci bylo naznačeno, že k přenosu zpráv na dálku se používají modulované oscilace. V tomto ohledu jsou signály v rádiovém kanálu často rozděleny na řídicí signály a rádiové signály; první jsou modulační a druhé jsou modulované oscilace.

Zpracování signálu ve formě fyzikálních procesů se provádí pomocí analogových elektronických obvodů (zesilovače, filtry atd.).

Zpracování digitálně kódovaných signálů se provádí pomocí výpočetní techniky.

Na Obr. 1.1 a blokové schéma komunikačního kanálu popsané v § 1.2 neobsahuje údaje o typu signálu použitého k přenosu zprávy a struktuře jednotlivých zařízení.

Signály ze zdroje zpráv i za detektorem (obr. 1.1) přitom mohou být jak spojité, tak diskrétní (digitální). V tomto ohledu lze signály používané v moderní rádiové elektronice rozdělit do následujících tříd:

libovolné ve velikosti a spojité v čase (obr. 1.2, a);

libovolné ve velikosti a diskrétní v čase (obr. 1.2, b);

kvantované ve velikosti a spojité v čase (obr. 1.2, c);

kvantované v magnitudě a diskrétní v čase (obr. 1.2, d).

Signály první třídy (obr. 1.2, a) se někdy nazývají analogové, protože je lze interpretovat jako elektrické modely fyzikálních veličin, nebo spojité, protože jsou umístěny podél časové osy v nesčetné množině bodů. Taki? množiny se nazývají kontinuum. V tomto případě mohou signály podél svislé osy nabývat jakékoli hodnoty v určitém intervalu. Protože tyto signály mohou mít nespojitosti, jako na obr. 1.2, a, pak, aby se předešlo nepřesnosti v popisu, je lepší označovat takové signály termínem kontinuální.

Signál kontinua s(t) je tedy funkcí spojité proměnné t a diskrétní signál s(x) je funkcí diskrétní proměnné x, která nabývá pouze pevných hodnot. Diskrétní signály mohou být vytvářeny přímo zdrojem informací (například diskrétními snímači v řídicích systémech nebo telemetrií) nebo mohou být tvořeny jako výsledek diskretizace spojitých signálů.

Na Obr. 1.2, b ukazuje signál daný pro diskrétní hodnoty času t (na spočetné množině bodů); velikost signálu v těchto bodech může nabývat libovolné hodnoty v určitém intervalu podél osy pořadnice (jako na obr. 1.2, a). Pojem diskrétní tedy charakterizuje nikoli samotný signál, ale způsob, jakým je specifikován na časové ose.

Signál na Obr. 1.2 je uveden na celé časové ose, jeho hodnota však může nabývat pouze diskrétních hodnot. V takových případech se mluví o signálu kvantovaném úrovní.

Dále bude termín diskrétní používán pouze ve vztahu k diskretizaci v čase; diskrétnost z hlediska úrovně budeme označovat pojmem kvantizace.

Kvantování se používá při reprezentaci signálů v digitální formě pomocí digitálního kódování, protože úrovně mohou být číslovány čísly s konečným počtem číslic. Proto se signál diskrétní v čase a kvantovaný z hlediska úrovně (obr. 1.2, d) bude v budoucnu nazývat digitální.

Lze tedy rozlišovat mezi kontinuálními (obr. 1.2, a), diskrétními (obr. 1.2, b), kvantovanými (obr. 1.2, c) a digitálními (obr. 1.2, d) signály.

Každá z těchto tříd signálů může být přiřazena analogovým, diskrétním nebo digitálním obvodům. Vztah mezi typem signálu a typem obvodu je znázorněn ve funkčním schématu (obr. 1.3).

Při zpracování spojitého signálu pomocí analogového obvodu nejsou nutné žádné další konverze signálu. Při zpracování signálu kontinua pomocí diskrétního obvodu jsou zapotřebí dvě transformace: vzorkování signálu v čase na vstupu diskrétního obvodu a inverzní transformace, tj. obnovení struktury kontinua signálu na výstupu diskrétního obvodu.

Rýže. 1.3. Typy signálů a jim odpovídající obvody

Konečně, při digitálním zpracování spojitého signálu jsou zapotřebí další dvě další konverze: analogově-číslicová, tj. kvantizace a digitální kódování na vstupu digitálního obvodu, a inverzní digitálně-analogová konverze, tj. dekódování na vstupu digitálního obvodu. výstup digitálního obvodu.

Postup vzorkování signálu a zejména analogově-digitální převod vyžaduje velmi vysokou rychlost příslušných elektronických zařízení. Tyto požadavky se zvyšují s rostoucí frekvencí signálu kontinua. Proto se digitální technologie nejvíce rozšířila při zpracování signálů na relativně nízkých frekvencích (zvukové a obrazové frekvence). Pokroky v mikroelektronice však přispívají k rychlému nárůstu horní hranice zpracovávaných frekvencí.