無線信号に関する一般情報

無線システムを使用して情報を遠くに送信する場合、さまざまな種類の無線 (電気) 信号が使用されます。 伝統的に 無線工学信号は一般に、無線範囲に関連する電気信号であると考えられます。 数学的な観点から見ると、あらゆる無線信号は時間の関数で表すことができます。 u(t ）、電圧（ほとんどの場合）、電流、または電力の瞬間値の変化を特徴付けます。 数学的表現によれば、さまざまな無線信号は通常、決定論的 (規則的) 信号とランダム信号の 2 つの主要なグループに分類されます。

決定論的は無線信号と呼ばれ、その瞬時値はいつでも確実に知られており、つまり 1 /1/ に等しい確率で予測可能です。 決定論的な無線信号の例としては、調和振動があります。 本質的に、決定論的信号はいかなる情報も運ばず、そのパラメータのほとんどすべてが 1 つ以上のコード値を使用して無線通信チャネル上で送信できることに注意してください。 つまり、確定的な信号（メッセージ）には本質的に情報が含まれておらず、送信する意味がありません。

ランダム信号– これらは、その瞬間値がいつでも未知であり、1 /1/ に等しい確率で予測できない信号です。 実際のランダム信号のほとんどすべて、またはそのほとんどは時間のカオス関数です。

時間表現の構造の特殊性に従って、すべての無線信号は連続信号と離散信号に分けられます。そして、送信される情報の種類（アナログとデジタル）によっても異なります。無線工学では、パルス システムが広く使用されており、その動作は離散信号の使用に基づいています。 離散信号の種類の 1 つは次のとおりです。 デジタルシグナル/1/。 その中で、離散信号値は数値に置き換えられ、ほとんどの場合バイナリ コードで実装され、次のように表されます。 高い (ユニット） そして 低い (ゼロ) 電圧電位レベル。

信号を記述する関数は、実数値と複素数値の両方を取ることができます。 したがって、無線工学では実際の複雑な信号について話します。 信号記述のいずれかの形式を使用するかどうかは、数学的な利便性の問題です。

スペクトルの概念

複雑な形状の信号が無線回路に及ぼす影響を直接解析することは非常に困難であり、常に可能であるとは限りません。 したがって、複雑な信号をいくつかの単純な基本信号の合計として表現することは理にかなっています。 重ね合わせの原理は、線形回路では信号全体の効果が個別に対応する信号の効果の合計に等しいと述べて、そのような表現の可能性を正当化します。

高調波は基本信号としてよく使用されます。 この選択には、次のような多くの利点があります。

a) 高調波への分解は、フーリエ変換を使用することで非常に簡単に実装できます。

b) 高調波信号が線形回路に作用するとき、その形状は変化しません (高調波のままです)。 信号周波数も保存されます。 もちろん、振幅と位相は変化します。 複素振幅法を使用して比較的簡単に計算できます。

c) 技術分野では、共鳴システムが広く使用されており、これにより、複雑な信号から 1 つの高調波を実験的に分離することが可能になります。

周波数、振幅、位相で指定された高調波の合計によって信号を表現することを、信号のスペクトルへの分解と呼びます。

信号を構成する高調波は、三角関数または虚数指数形式で指定されます。

2.1.1.決定論的信号とランダム信号

確定的な信号は、いつでもその瞬間値が 1 に等しい確率で予測できる信号です。

決定論的信号 (図 10) の例としては、一連のパルス (形状、振幅、時間位置が既知)、所定の振幅と位相の関係を持つ連続信号などが考えられます。

MM 信号を指定する方法: 解析式 (公式)、オシログラム、スペクトル表現。

確定的信号の MM の例。

s(t)=S m ・Sin(w 0 t+j 0)

ランダム信号– 信号。その瞬間値はいつでも事前には不明ですが、1 未満の一定の確率で予測できます。

ランダム信号 (図 11) の例としては、人間の音声や音楽に対応する電圧が考えられます。 レーダー受信機の入力における一連の無線パルス。 干渉、ノイズ。

2.1.2. 無線電子機器で使用される信号

大きさ（レベル）が連続し、時間的に連続（連続またはアナログ）信号– 任意の値 s(t) をとり、特定の時間間隔内の任意の瞬間に存在します (図 12)。

大きさは連続的、時間的には離散的な信号が離散時間値 (可算点セット上) で指定されている場合、これらの点での信号 s(t) の大きさは、縦軸に沿った特定の間隔で任意の値をとります。

「離散的」という用語は、信号を時間軸上で特定する方法を特徴付けます（図13）。

振幅量子化された時間連続信号は時間軸全体で指定されますが、値 s(t) は離散 (量子化) 値のみを取ることができます (図 14)。

振幅量子化および時間離散 (デジタル) 信号– 信号レベルの値はデジタル形式で送信されます（図15）。

2.1.3. パルス信号

脈- 有限の時間内にのみ存在する振動。 図では、 図１６および図１７はビデオパルスと無線パルスを示す。

台形ビデオ パルスの場合は、次のパラメータを入力します。

A – 振幅。

t および – ビデオパルス持続時間。

t f – フロント持続時間。

t cf – カット期間。

S р (t)=S in (t)Sin(w 0 t+j 0)

S in (t) –ビデオ パルス – 無線パルスのエンベロープ。

Sin(w 0 t+j 0) –無線パルスを充填します。

2.1.4. 特別な信号

スイッチング機能（単機能）(図18) またはヘビサイド関数)は、ある物理オブジェクトが「ゼロ」状態から「ユニット」状態に移行するプロセスを表しており、この移行は瞬時に発生します。

デルタ関数（ディラック関数）は持続時間がゼロになる傾向があるパルスですが、パルスの高さは無限に増加します。 この時点に機能が集中していると言うのが通例です。

	(2)
	(3)

信号の分類

変調器信号の無線スペクトル

無線信号は次のように分類されます。

情報媒体の物理的性質によれば、次のようになります。

電気;

電磁;

光学;

音響など。

信号を設定する方法:

規則的 (決定論的)、分析関数によって指定されます。

不規則（ランダム）で、いつでも任意の値を取ります。 このような信号を記述するには、確率論の装置が使用されます。

信号パラメータを記述する関数に応じて、アナログ信号、離散信号、量子化信号、デジタル信号が区別されます。

連続 (アナログ)、連続関数で記述されます。

離散的。特定の時点で採取されたサンプルの関数によって記述されます。

レベルごとに量子化されます。

レベルごとに量子化された離散信号 (デジタル)。

信号の種類

アナログ信号:

ほとんどの信号は本質的にアナログです。つまり、時間の経過とともに継続的に変化し、特定の間隔で任意の値を取ることができます。 アナログ信号は、時間の数学的関数によって記述されます。

AC の例 - 高調波信号 - s(t) = A・cos (w・t + c)。

アナログ信号は、電話、ラジオ放送、テレビで使用されます。 このような信号をコンピュータに入力して処理することは不可能です。信号には常に無限の数の値が含まれており、その値を正確に (エラーなく) 表現するには、無限の深さの数値が必要となります。 したがって、アナログ信号を、所定のビット深度の一連の数値として表現できるように変換する必要があります。

ディスクリート信号:

アナログ信号のサンプリングは、信号を離散的な瞬間に取得された値のシーケンスとして表現することで構成されます。 これらの値はカウントと呼ばれます。 Dt はサンプリング間隔と呼ばれます。

量子化信号:

量子化中、信号値の範囲全体がレベルに分割され、その数は特定のビット深度の数値で表される必要があります。 これらのレベル間の距離は量子化ステップ D と呼ばれます。これらのレベルの数は N (0 から N_1) です。 各レベルには番号が割り当てられます。 信号サンプルは量子化レベルと比較され、特定の量子化レベルに対応する数値が信号として選択されます。 各量子化レベルは、n ビットの 2 進数としてエンコードされます。 量子化レベルの数 N と、これらのレベルを符号化する 2 進数のビット数 n は、次の関係によって関係付けられます。 log2(N)。

デジタル信号:

アナログ信号を有限ビットの数値のシーケンスとして表現するには、まず離散信号に変換し、次に量子化を行う必要があります。 量子化は、量子と呼ばれる同じ値によって離散化が発生する、離散化の特殊なケースです。 その結果、信号は、所定の時間間隔ごとに、信号の近似 (量子化) 値が判明し、整数として書き込むことができる方法で表示されます。 これらの整数を 2 進法で書くと、0 と 1 のシーケンスが得られ、これがデジタル信号になります。

長距離を伝播できる適切な範囲の高周波電磁振動 (電波) は、メッセージの伝達手段として使用されます。

送信機によって発せられる搬送周波数発振は、振幅、周波数、初期位相によって特徴付けられます。 一般に、次のように表されます。

i = I m sin(ω 0 t + Ψ 0),

どこ： 私– キャリア電流の瞬時値。

私は– キャリア電流の振幅。

ω 0 – キャリア振動の角周波数。

Ψ 0 – キャリア振動の初期位相。

送信機の動作を制御する一次信号 (電気的形式に変換された送信メッセージ) は、これらのパラメーターの 1 つを変更できます。

一次信号を使用して高周波電流のパラメータを制御するプロセスは、変調 (振幅、周波数、位相) と呼ばれます。 電信タイプの送信では、「操作」という用語が使用されます。

無線通信では、情報を送信するために無線信号が使用されます。

無線電信;

無線電話。

写真電信。

テレコード。

複雑なタイプの信号。

無線電信通信は、電信の方法によって異なります。 操作方法によって。 電信コードの使用について。 無線チャンネルの使用方法に応じて異なります。

無線電信通信は、伝送方法と速度に応じて、手動通信と自動通信に分けられます。 手動送信時はMORSE符号による電信キーで操作します。 送信速度（聴覚受信の場合）は 60 ～ 100 文字/分です。

自動送信では、操作は電気機械装置によって実行され、受信は印刷機によって実行されます。 送信速度は 1 分あたり 900 ～ 1200 文字。

電信伝送は無線チャネルの使用方法に基づいて、シングルチャネルとマルチチャネルに分けられます。

操作方法によると、最も一般的な電信信号には、振幅キーイング (AT - 振幅電信 - A1)、周波数シフト キーイング (FT および DChT - 周波数電信および倍周波数電信 - F1 および F6)、および相対位相を備えた信号が含まれます。シフト キー (RPT - 位相電信 - F9)。

電信コードの適用には、MORSE コードを備えた電信システムが使用されます。 5桁、6桁のコードによるアイドリングストップシステムなど。

電信信号は、同じまたは異なる持続時間の一連の矩形パルス (パーセル) です。 持続時間が最も短いメッセージはエレメンタリーと呼ばれます。

電信信号の基本パラメータ：電信速度 (V); 操作頻度 (F);スペクトル幅 (2D f).

配線速度 Vボー単位で測定した、1 秒間に送信されるチップの数に等しい。 1 ボーの電信速度では、1 秒ごとに 1 つの基本パーセルが送信されます。

キーイング周波数 F数値的には電信速度の半分に等しい Vヘルツ単位で測定されます。 F=V/2 .

振幅偏移変調電信信号はスペクトル (図 2.2.1.1) を持ち、搬送波周波数に加えて、その両側に操作周波数 F に等しい間隔で無数の周波数成分が含まれています。電信無線信号の場合、搬送波周波数信号に加えて、搬送波の両側にあるスペクトルの 3 つの成分を受け入れるだけで十分です。 したがって、振幅シフトキーイングされた RF 電信信号のスペクトル幅は 6F です。 操作周波数が高くなるほど、HF 電信信号のスペクトルは広くなります。

米。 2.2.1.1. AT信号の時間的およびスペクトル的表現

で 周波数シフトキーイングアンテナに流れる電流の振幅は変化せず、操作信号の変化に応じて周波数のみが変化します。 FT 信号 (DFT) のスペクトル (図 2.2.1.2) は、独自の搬送周波数を持つ 2 つ (4 つ) の独立した振幅操作振動のスペクトルのようなものです。 「押す」の周波数と「押す」の周波数の差は周波数分離と呼ばれ、次のように表されます。 Δf 50 ～ 2000 Hz (ほとんどの場合は 400 ～ 900 Hz) の範囲になります。 CT信号のスペクトル幅は2Δf+3Fです。

図2.2.1.2。 CT信号の時間的およびスペクトル的表現

無線リンクの容量を増やすために、マルチチャネル無線電信システムが使用されます。 それらでは、無線送信機の同じ搬送周波数で、2 つ以上の電信プログラムを同時に送信できます。 周波数分割多重方式、時分割多重方式、およびそれらを組み合わせた方式があります。

最も単純な 2 チャネル システムは、二重周波数電信システム (DFT) です。 DCT システムで周波数操作された信号は、2 つの電信装置からの信号が同時に送信機に与える影響により、送信機の搬送周波数を変更することによって送信されます。 これは、同時に動作する 2 つのデバイスの信号には、送信されるメッセージの組み合わせが 4 つしかないという事実を利用しています。 この方法では、任意の時点で、操作された電圧の特定の組み合わせに対応する 1 つの周波数の信号が放出されます。 受信装置にはデコーダがあり、これを利用して定電圧の電信メッセージが 2 つのチャネルを介して生成されます。 周波数多重化とは、個々のチャネルの周波数が周波数範囲全体の異なる部分に配置され、すべてのチャネルが同時に送信されることを意味します。

チャネルを時分割し、分配器を用いて各電信装置に順次無線回線を提供します（図2.2.1.3）。

図2.2.1.3。 マルチチャンネル時分割方式

無線電話メッセージを送信するには、主に振幅変調および周波数変調された高周波信号が使用されます。 LF 変調信号は、特定の帯域内にあるさまざまな周波数の多数の信号の組み合わせです。 標準的な LF 電話信号のスペクトル幅は、通常、0.3 ～ 3.4 kHz の帯域を占めます。

情報の観点から見ると、信号は決定的な信号とランダムな信号に分類できます。

決定的とは、任意の時点での瞬間値が 1 の確率で予測できる信号です。 確定的信号の例には、形状、振幅、時間位置が既知のパルスまたはパルスのバースト、およびスペクトル内で指定された振幅と位相関係を持つ連続信号が含まれます。

ランダム信号には、瞬時値が事前に不明であり、1 未満の特定の確率でのみ予測できる信号が含まれます。 このような信号は、例えば、音声、音楽、非反復テキストを送信するときの一連の電信コード文字に対応する電圧である。 ランダム信号には、レーダー受信機の入力における一連の無線パルスも含まれます。このとき、パルスの振幅とその高周波充填の位相は、伝播条件、目標位置、およびその他の理由の変化により変動します。 与えられるランダム信号の例は他にもたくさんあります。 基本的に、情報を運ぶ信号はすべてランダムであると見なされるべきです。

上に挙げた「完全に既知の」決定論的信号には、もはや情報は含まれていません。 以下では、そのような信号をしばしば発振と呼びます。

理論上も実際上も、有用なランダム信号に加えて、ランダムな干渉、つまりノイズにも対処する必要があります。 ノイズ レベルは、特定の信号の情報伝送速度を制限する主な要因です。

米。 1.2. 大きさと時間が任意の信号 (a)、大きさが任意で時間的に離散的な信号 (b)、大きさが量子化され時間的に連続的な信号 (c)、大きさが量子化されて時間的に離散的な信号 (d)

したがって、ランダム信号の研究はノイズの研究と切り離すことができません。 有用なランダム信号とノイズは、多くの場合、ランダム振動またはランダム プロセスという用語で組み合わされます。

信号をさらに分割すると、信号の性質と関連付けることができます。信号を物理プロセスとして、またはバイナリ コードなどにエンコードされた数値として語ることができます。

最初のケースでは、信号は、送信されたメッセージに特定の方法で関連付けられた、時間とともに変化する電気量 (電圧、電流、電荷など) として理解されます。

2 番目のケースでは、同じメッセージが一連の 2 進数コード化された数値に含まれています。

無線送信デバイスで生成され空間に放射される信号は、受信デバイスに入力され、そこで増幅や一部の変換が行われ、物理的なプロセスとなります。

前の段落では、変調振動がメッセージを遠くに送信するために使用されることを示しました。 これに関して、無線通信チャネル内の信号は、多くの場合、制御信号と無線信号に分けられます。 前者は変調として理解され、後者は変調された振動として理解されます。

物理的プロセスの形での信号処理は、アナログ電子回路（アンプ、フィルターなど）を使用して実行されます。

デジタルエンコードされた信号の処理は、コンピューター技術を使用して実行されます。

図に示されています。 1.1 および 1.2 で説明されている通信チャネルのブロック図には、メッセージの送信に使用される信号の種類と個々のデバイスの構造に関する指示は含まれていません。

一方、メッセージのソースからの信号、および検出器後の信号 (図 1.1) は、連続信号または離散信号 (デジタル) のいずれかになります。 この点に関して、最新の無線エレクトロニクスで使用される信号は次のクラスに分類できます。

値は任意で時間的には連続的（図 1.2、a）。

値は任意、時間は離散的（図 1.2、b）。

大きさが量子化され、時間的に連続的（図 1.2、c）。

大きさは量子化され、時間は離散的になります（図 1.2、d）。

第 1 クラスの信号 (図 1.2、a) は、物理量の電気モデルとして解釈できるため、または無数の点のセットで時間軸に沿って指定されるため連続として解釈できるため、アナログと呼ばれることもあります。 それで？ 集合は連続体と呼ばれます。 この場合、縦軸に沿って、信号は特定の間隔内で任意の値を取ることができます。 これらの信号には図のように不連続性がある可能性があるため、 したがって、説明の誤りを避けるために、このような信号を連続体という用語で指定する方がよいでしょう。

したがって、連続信号 s(t) は連続変数 t の関数であり、離散信号 s(x) は固定値のみを取る離散変数 x の関数です。 離散信号は、情報源 (たとえば、制御システムまたは遠隔測定システムの離散センサー) によって直接作成されることも、連続信号のサンプリングの結果として形成されることもできます。

図では、 1.2、b は、時間 t の離散値 (可算点セット) で指定された信号を示します。 これらの点での信号の大きさは、縦軸に沿った特定の間隔で任意の値を取ることができます (図 1.2、a のように)。 したがって、離散という用語は信号そのものを特徴付けるのではなく、信号が時間軸上で指定される方法を特徴付けます。

図の信号。 1.2 は時間軸全体で指定されますが、その値は離散値のみを取ることができます。 このような場合、レベルごとに量子化された信号について話します。

以下では、離散という用語は時間サンプリングに関連してのみ使用されます。 レベルの離散性は量子化という用語で指定されます。

レベルには有限の桁数の番号を付けることができるため、量子化はデジタル エンコーディングを使用して信号をデジタル形式で表現するときに使用されます。 したがって、時間的に離散的でレベルが量子化された信号 (図 1.2、d) は、今後デジタルと呼ばれます。

したがって、連続信号 (図 1.2、a)、離散信号 (図 1.2、b)、量子化信号 (図 1.2、c)、およびデジタル信号 (図 1.2、d) を区別することができます。

これらの信号クラスはそれぞれ、アナログ、ディスクリート、またはデジタル回路に関連付けることができます。 信号の種類と回路の種類の関係を機能図に示します (図 1.3)。

アナログ回路を使用して連続信号を処理する場合、追加の信号変換は必要ありません。 離散回路を使用して連続信号を処理する場合、2 つの変換が必要です。離散回路の入力で信号を時間内にサンプリングすることと、逆変換、つまり離散回路の出力で信号の連続体構造を復元することです。 。

米。 1.3. 信号の種類と対応回路

最後に、連続信号をデジタル処理する場合は、さらに 2 つの変換が必要になります。1 つはアナログからデジタルへの変換、つまりデジタル回路の入力での量子化とデジタル エンコード、もう 1 つはデジタル回路の入力での逆デジタルからアナログ変換、つまりはデコードです。デジタル回路の出力です。

信号のサンプリング手順、特にアナログからデジタルへの変換には、対応する電子デバイスの非常に高いパフォーマンスが必要です。 これらの要件は、連続信号の周波数が増加するにつれて増加します。 したがって、デジタル技術は、比較的低い周波数 (オーディオおよびビデオの周波数) で信号を処理する場合に最も普及しています。 しかし、マイクロエレクトロニクスの進歩により、処理される周波数の上限が急速に増加しています。