Загальні відомості про радіотехнічні сигнали

При передачі інформації на відстань за допомогою радіотехнічних систем використовують різні види радіотехнічних (електричних) сигналів. Традиційно радіотехнічнимисигналами прийнято вважати будь-які електричні сигнали, які стосуються радіодіапазону. З математичної точки зору, будь-який радіотехнічний сигнал можна уявити деякою функцією часу u (t ), яка характеризує зміну його миттєвих значень напруги (найчастіше), струму чи потужності. За математичним уявленням все різноманіття радіотехнічних сигналів прийнято поділяти дві основні групи: детерміновані (регулярні) і випадкові сигнали.

Детермінованиминазивають радіотехнічні сигнали, миттєві значення яких будь-якої миті часу достовірно відомі, т. е., передбачувані з ймовірністю, що дорівнює одиниці /1/. Прикладом детермінованого радіотехнічного сигналу може бути гармонійне коливання. Слід зазначити, що насправді детермінований сигнал несе у собі ніякої інформації та майже всі його параметри можна передати каналом радіозв'язку однією чи декількома кодовими значеннями. Іншими словами, детерміновані сигнали (повідомлення) по суті не містять інформації, і немає сенсу їх передавати.

Випадкові сигнали- Це сигнали, миттєві значення яких у будь-які моменти часу не відомі і не можуть бути передбачені з ймовірністю, що дорівнює одиниці /1/. Практично всі реальні випадкові сигнали або більшість з них є хаотичні функції часу.

За особливостями структури тимчасового подання всі радіотехнічні сигнали поділяються на безперервні та дискретні.а за типом переданої інформації: на аналогові та цифрові.У радіотехніці широко застосовуються імпульсні системи, дія яких ґрунтується на використанні дискретних сигналів. Одним з різновидів дискретних сигналів є цифровийсигнал /1/. У ньому дискретні значення сигналу замінюються числами, найчастіше реалізованими в двійковому коді, який представляють високим (одиниця) та низьким (нуль) рівнями потенціалів напруги.

Функції, що описують сигнали, можуть набувати як речові, так і комплексні значення. Тому в радіотехніці говорять про речові та комплексні сигнали. Застосування тієї чи іншої форми опису сигналуробило математичної зручності.

Поняття спектра

Безпосередній аналіз впливу сигналів складної форми на радіотехнічні ланцюги дуже скрутний і взагалі не завжди можливий. Тому складні сигнали має сенс подавати як суму деяких простих елементарних сигналів. Принцип суперпозиції доводить можливість такого уявлення, стверджуючи, що в лінійних ланцюгах вплив сумарного сигналу рівносильний сумі впливів відповідних сигналів окремо.

Як елементарні сигнали часто застосовують гармоніки. Такий вибір має низку переваг:

а) Розкладання гармоніки реалізується досить легко шляхом використання перетворення Фур'є.

б) При дії гармонійного сигналу на будь-який лінійний ланцюг його форма не змінюється (залишається гармонійною). Зберігається також частота сигналу. Амплітуда та фаза, звичайно, змінюються; їх можна порівняно легко розраховувати, застосовуючи метод комплексних амплітуд.

в) У техніці широко використовуються резонансні системи, що дозволяють експериментально виділяти одну гармоніку зі складного сигналу.

Подання сигналу сумою гармонік, заданих частотою, амплітудою і фазою, називається розкладанням сигналу спектр.

Гармоніки, що входять до складу сигналу, задаються в тригонометричній або уявній формі.

2.1.1.Детерміновані та випадкові сигнали

Детермінований сигнал– це сигнал, миттєве значення якого у будь-який час можна передбачити з ймовірністю рівної одиниці.

Прикладом детермінованого сигналу (рис.10) можуть бути: послідовності імпульсів (форма, амплітуда та положення в часі яких відомі), безперервні сигнали із заданими амплітудно-фазовими співвідношеннями.

Способи завдання ММ сигналу: аналітичний вираз (формула), осцилограма, спектральне уявлення.

Приклад ММ сигналу детермінованого.

s(t)=S m ·Sin(w 0 t+j 0)

Випадковий сигнал– сигнал, миттєве значення якого будь-якої миті часу заздалегідь невідоме, і може бути передбачено з деякою ймовірністю, менше одиниці.

Прикладом випадкового сигналу (рис. 11) може бути напруга, що відповідає людському мовленню, музиці; послідовність радіоімпульсів на вході радіолокаційного приймача; завади, шуми.

2.1.2. Сигнали, які застосовуються в радіоелектроніці

Безперервні за величиною (рівнем) та безперервні за часом (безперервні або аналогові) сигнали– приймають будь-які значення s(t) та існують у будь-який момент у заданому часовому інтервалі (рис. 12).

Безперервні за величиною та дискретні за часом сигнализадані при дискретних значеннях часу (на лічильній множині точок), величина сигналу s(t) у цих точках приймає будь-яке значення у певному інтервалі по осі ординат.

Термін "дискретний" характеризує спосіб завдання сигналу на осі часу (рис. 13).

Квантовані за величиною та безперервні за часом сигнализадані на всій часовій осі, але величина s(t) може набувати лише дискретних (квантованих) значень (рис. 14).

Квантовані за величиною та дискретні за часом (цифрові) сигнали– передаються значення рівнів сигналу у цифровій формі (рис. 15).

2.1.3. Імпульсні сигнали

Імпульс- Коливання, що існує лише в межах кінцевого відрізка часу. На рис. 16 і 17 представлені відеоімпульс та радіоімпульс.

Для трапецієдального відеоімпульсу вводять параметри:

А – амплітуда;

t і – тривалість відеоімпульсу;

t ф – тривалість фронту;

t ср - тривалість зрізу.

S р (t) = S (t) Sin (w 0 t + j 0)

S в (t) -відеоімпульс - загальна для радіоімпульсу.

Sin(w 0 t+j 0) –заповнення радіоімпульсу.

2.1.4. Спеціальні сигнали

Функція включення (поодинока функція(Рис. 18) або функція Хевісайду)описує процес переходу деякого фізичного об'єкта з «нульового» в «одиничний» стан, причому цей перехід відбувається миттєво.

Дельта-функція (Функція Діраку)є імпульсом, тривалість якого прагне нулю, у своїй висота імпульсу необмежено зростає. Прийнято говорити, що функція зосереджена у цій точці.

	(2)
	(3)

Класифікація сигналів

модулятор сигнал радіотехнічний спектр

Радіотехнічні сигнали класифікуються:

За фізичною природою носія інформації:

електричні;

електромагнітні;

оптичні;

акустичні та ін;

За способом завдання сигналу:

регулярні (детерміновані), задані аналітичною функцією;

нерегулярні (випадкові), що приймають довільні значення будь-якої миті часу. Для опису таких сигналів використовують апарат теорії ймовірностей.

Залежно від функції, що описує параметри сигналу, виділяють аналогові, дискретні, квантовані та цифрові сигнали:

безперервні (аналогові), що описуються безперервною функцією;

дискретні, що описуються функцією відліків, взятих у певні моменти часу;

квантовані за рівнем;

дискретні сигнали квантовані за рівнем (цифрові).

Види сигналів

Аналоговий сигнал:

Більшість сигналів мають аналогову природу, тобто змінюються безперервно у часі і можуть набувати будь-яких значень на деякому інтервалі. Аналогові сигнали описуються деякою математичною функцією часу.

Приклад АС - гармонійний сигнал - s(t) = A cos (щ t + ц).

Аналогові сигнали використовують у телефонії, радіомовленні, телебаченні. Ввести такий сигнал в комп'ютер і обробити його неможливо, тому що на будь-якому інтервалі часу він має безліч значень, а для точного (без похибки) подання його значення потрібні числа нескінченної розрядності. Тому необхідно перетворити аналоговий сигнал так, щоб можна було уявити його послідовністю чисел заданої розрядності.

Дискретний сигнал:

Дискретизація аналогового сигналу у тому, що сигнал представляється як послідовності значень, узятих у дискретні моменти часу. Ці значення називаються відліками. Дt називається інтервалом дискретизації.

Квантований сигнал:

При квантуванні вся область значень сигналу розбивається на рівні, кількість яких має бути представлена ​​у числах заданої розрядності. Відстань між цими рівнями називається кроком квантування Д. Число цих рівнів дорівнює N (від 0 до N_1). Кожному рівню надається деяке число. Відліки сигналу порівнюються з рівнями квантування і як сигнал вибирається число, що відповідає деякому рівню квантування. Кожен рівень квантування кодується двійковим числом із n розрядами. Число рівнів квантування N та число розрядів n двійкових чисел, що кодують ці рівні, пов'язані співвідношенням n? log2 (N).

Цифровий сигнал:

Для того, щоб представити аналоговий сигнал послідовністю чисел кінцевої розрядності, його слід спочатку перетворити на дискретний сигнал, а потім квантування. Квантування є окремим випадком дискретизації, коли дискретизація відбувається за однаковою величиною званої квантом. В результаті сигнал буде представлений таким чином, що на кожному заданому проміжку часу відомо наближене значення сигналу, яке можна записати цілим числом. Якщо записати ці цілі числа в двійковій системі, вийде послідовність нулів і одиниць, яка буде цифровим сигналом.

Як переносник повідомлень використовуються високочастотні електромагнітні коливання (радіохвилі) відповідного діапазону, здатні поширюватися великі відстані.

Коливання несучої частоти, що випромінюється передавачем, характеризується: амплітудою, частотою та початковою фазою. У загальному випадку воно подається у вигляді:

i = I m sin(ω 0 t + Ψ 0),

де: i- Миттєве значення струму несучого коливання;

I m- Амплітуда струму несучого коливання;

ω 0 - Кутова частота несучого коливання;

Ψ 0 – початкова фаза несучого коливання.

Первинні сигнали (повідомлення, що передається, перетворене в електричну форму), що керують роботою передавача, можуть змінювати один з цих параметрів.

Процес управління параметрами струму високої частоти за допомогою первинного сигналу називається модуляцією (амплітудною, частотною, фазовою). Для телеграфних видів передач застосовується термін "маніпуляція".

У радіозв'язку, для передачі інформації, застосовуються радіосигнали:

радіотелеграфні;

радіотелефонні;

фототелеграфні;

телекодові;

складні види сигналів

Радіотелеграфний зв'язок відрізняється: за способом телеграфування; за способом маніпуляції; щодо застосування телеграфних кодів; за способом використання радіоканалу.

Залежно від способу та швидкості передачі радіотелеграфні зв'язки поділяються на ручні та автоматичні. При ручній передачі маніпуляція здійснюється телеграфним ключем із використанням коду МОРЗЕ. Швидкість передачі (при слуховому прийомі) становить 60-100 знаків за хвилину.

При автоматичній передачі маніпуляція здійснюється електромеханічними пристроями, а прийом за допомогою друкарських апаратів. Швидкість передачі 900-1200 знаків за хвилину.

За способом використання радіоканалу телеграфні передачі поділяються на одноканальні та багатоканальні.

За способом маніпуляції до найбільш поширених телеграфних сигналів відносяться сигнали з амплітудною маніпуляцією (АТ – амплітудний телеграф – А1), з частотною маніпуляцією (ЧТ та ДЧТ – частотна телеграфія та подвійна частотна телеграфія – F1 та F6), з відносною фазовою маніпуляцією телеграфія – F9).

За застосуванням телеграфних кодів використовуються телеграфні системи з кодом МОРЗЕ; стартстопні системи з 5-ти та 6-ти значним кодом та інші.

Телеграфні сигнали є послідовністю прямокутних імпульсів (посилок) однакової або різної тривалості. Найменша за тривалістю посилка називається елементарною.

Основні параметри телеграфних сигналів: швидкість телеграфування (V); частота маніпуляції (F);ширина спектру (2D f).

Швидкість телеграфування Vдорівнює кількості елементарних посилок, що передаються за секунду, вимірюється в бодах. При швидкості телеграфування бод за 1 с передається одна елементарна посилка.

Частота маніпуляції Fчисельно дорівнює половині швидкості телеграфування Vі вимірюється у герцях: F= V/2 .

Амплітудно-маніпульований телеграфний сигналмає спектр (рис.2.2.1.1), в якому крім несучої частоти, міститься безліч частотних складових, розташованих по обидва боки від неї, з інтервалами рівними частоті маніпуляції F. На практиці для впевненого відтворення телеграфного радіосигналу досить прийняти крім сигналу несучої частоти по три складових спектра, розташованих по обидва боки від несучої. Таким чином, ширина спектра амплітудно-маніпульованого телеграфного сигналу ВЧ дорівнює 6F. Чим більша частота маніпуляції, тим ширше спектр ВЧ телеграфного сигналу.

Мал. 2.2.1.1. Тимчасове та спектральне подання сигналу АТ

При частотної маніпуляціїСтрум в антені по амплітуді не змінюється, а змінюється тільки частота відповідно до зміни маніпулюючого сигналу. Спектр сигналу ЧТ (ДЧТ) (рис. 2.2.1.2) є як би спектром двох (чотирьох) незалежних амплітудно-маніпульованих коливань зі своїми несучими частотами. Різниця між частотою натискання і частотою відтискання називається розносом частот, позначається ∆fі може у межах 50 – 2000 Гц (найчастіше 400 – 900 Гц). Ширина спектра сигналу ЧТ становить 2∆f+3F.

Рис.2.2.1.2. Тимчасове та спектральне подання сигналу ПТ

Для підвищення пропускної спроможності радіолінії застосовуються багатоканальні радіотелеграфні системи. Вони на одній несучій частоті радіопередавача, можна передавати одночасно дві і більше телеграфні програми. Розрізняють системи із частотним ущільненням каналів, з тимчасовим поділом каналів та комбіновані системи.

Найпростішою двоканальною системою є система подвійного частотного телеграфування (ДЧТ). Сигнали, маніпульовані частотою в системі ДЧТ передаються шляхом зміни несучої частоти передавача внаслідок одночасного впливу на нього сигналів двох телеграфних апаратів. При цьому використовується те, що сигнали двох апаратів, що працюють одночасно, можуть мати лише чотири поєднання переданих посилок. При такому способі у будь-який момент часу випромінюється сигнал однієї частоти, що відповідає певному поєднанню маніпульованих напруг. У приймальному пристрої є дешифратор, за допомогою якого формуються телеграфні посилки постійної напруги двома каналами. Ущільнення частотою полягає в тому, що частоти окремих каналів розміщуються на різних ділянках загального діапазону частот і всі канали передаються одночасно.

При тимчасовому розподілі каналів радіолінія надається кожному телеграфному апарату послідовно з допомогою розподільників (рис.2.2.1.3).

Рис.2.2.1.3. Багатоканальна система з тимчасовим поділом каналів

Для передачі радіотелефонних повідомлень застосовуються в основному амплітудно-модульовані та частотно-модульовані високочастотні сигнали. Модулюючий НЧ сигнал є сукупністю великої кількості сигналів різних частот, розташованих в деякій смузі. Ширина спектру стандартного НЧ телефонного сигналу зазвичай займає смугу 0,3–3,4 кГц.

З інформаційної точки зору сигнали можна поділити на детерміновані та випадкові.

Детермінованим називають будь-який сигнал, миттєве значення якого будь-якої миті часу можна передбачити з ймовірністю одиниця. Прикладами детермінованих сигналів можуть бути імпульси або пачки імпульсів, форма, амплітуда і положення в часі яких відомі, а також безперервний сигнал із заданими амплітудними та фазовими співвідношеннями всередині його спектра.

До випадкових відносять сигнали, миттєві значення яких заздалегідь невідомі і можуть бути передбачені лише з деякою ймовірністю меншої одиниці. Такими сигналами є, наприклад, електрична напруга, що відповідає мовленню, музиці, послідовності знаків телеграфного коду при передачі неповторного тексту. До випадкових сигналів відноситься також послідовність радіоімпульсів на вході радіолокаційного приймача, коли амплітуди імпульсів і фази їх високочастотного заповнення флуктують через зміни умов поширення, положення мети та деяких інших причин. Можна навести велику кількість інших прикладів випадкових сигналів. По суті, будь-який сигнал, що несе у собі інформацію, повинен розглядатися як випадковий.

Перераховані вище детерміновані сигнали, «відомі», інформації вже не містять. Надалі такі сигнали часто позначатимуться терміном коливання.

Поряд із корисними випадковими сигналами в теорії та практиці доводиться мати справу з випадковими перешкодами – шумами. Рівень шумів є основним фактором, що обмежує швидкість передачі при заданому сигналі.

Мал. 1.2. Сигнали довільні за величиною та за часом (а), довільні за величиною та дискретні за часом (б), квантовані за величиною та безперервні за часом (в), квантовані за величиною та дискретні за часом (г)

Тому вивчення випадкових сигналів невіддільне вивчення шумів. Корисні випадкові сигнали, а також перешкоди часто поєднують терміном випадкові коливання чи випадкові процеси.

Подальший підрозділ сигналів можна пов'язати з їхньою природою: можна говорити про сигнал як про фізичний процес або як про закодовані, наприклад у двійковий код, числа.

У першому випадку під сигналом розуміють якусь змінюється в часі електричну величину (напруга, струм, заряд і т. д.), певним чином пов'язану з повідомленням, що передається.

У другому випадку те саме повідомлення міститься в послідовності двійково-кодованих чисел.

Сигнали, що формуються в пристроях радіопередаючих і випромінювані в простір, а також що надходять у приймальний пристрій, де вони піддаються посиленню і деяким перетворенням, є фізичними процесами.

У попередньому параграфі вказувалося, що передачі повідомлень на відстань використовуються модульовані коливання. У зв'язку з цим сигнали в каналі радіозв'язку часто поділяють на сигнали, що управляють, і на радіосигнали; під першими розуміють модулюючі, а під другими - модульовані коливання.

Обробка сигналів як фізичних процесів здійснюється з допомогою аналогових електронних ланцюгів (підсилювачів, фільтрів тощо. буд.).

Обробка сигналів, закодованих цифру, здійснюється за допомогою обчислювальної техніки.

Подана на рис. 1.1 і описана в § 1.2 структурна схема каналу зв'язку не містить вказівок про вид використовуваного для передачі повідомлення сигналу та структуру окремих пристроїв.

Тим часом, сигнали від джерела повідомлень, а також після детектора (рис. 1.1) можуть бути як безперервні, так і дискретні (цифрові). У зв'язку з цим сигнали, що застосовуються в сучасній радіоелектроніці, можна розділити на наступні класи:

довільні за величиною та безперервні за часом (рис. 1.2, а);

довільні за величиною та дискретні за часом (рис. 1.2, б);

квантовані за величиною та безперервні за часом (рис. 1.2, в);

квантовані за величиною та дискретні за часом (рис. 1.2, г).

Сигнали першого класу (рис. 1.2, а) іноді називають аналоговими, тому що їх можна тлумачити як електричні моделі фізичних величин, або безперервними, оскільки вони задаються по осі часу на безлічі точок. Так і? множини називаються континуальними. При цьому по осі ординат сигнали можуть набувати будь-якого значення в певному інтервалі. Оскільки ці сигнали можуть мати розриви, як у рис. 1.2, а те щоб уникнути некоректності при описі, краще такі сигнали позначати терміном континуальний.

Отже, континуальний сигнал s(t) є функцією безперервної змінної t, а дискретний сигнал s(х) - функцією дискретної змінної х приймає тільки фіксовані значення . Дискретні сигнали можуть створюватися безпосередньо джерелом інформації (наприклад, дискретними датчиками в системах керування чи телеметрії) або утворюватися внаслідок дискретизації континуальних сигналів.

На рис. 1.2 б представлений сигнал, заданий при дискретних значеннях часу t (на рахунковій множині точок); величина сигналу в цих точках може приймати будь-яке значення в певному інтервалі по осі ординат (як і на рис. 1.2, а). Таким чином, термін дискретний характеризує не сам сигнал, а спосіб завдання його на тимчасовій осі.

Сигнал на мал. 1.2, заданий на всій тимчасовій осі, однак його величина може приймати лише дискретні значення. У подібних випадках говорять про сигнал, квантований за рівнем.

Надалі термін дискретний застосовуватиметься лише стосовно дискретизації за часом; дискретність за рівнем позначатиметься терміном квантування.

Квантування використовують при поданні сигналів у цифровій формі за допомогою цифрового кодування, оскільки рівні можна пронумерувати числами з кінцевим числом розрядів. Тому дискретний за часом і квантований за рівнем сигнал (рис. 1.2, г) надалі називатиметься цифровим.

Таким чином, можна розрізняти континуальні (рис. 1.2, а), дискретні (рис. 1.2, б), квантовані (рис. 1.2, в) та цифрові (рис. 1.2, г) сигнали.

Кожному з цих класів сигналів можна поставити у відповідність аналоговий, дискретний або цифровий ланцюги. Зв'язок між видом сигналу та видом ланцюга показано на функціональній схемі (рис. 1.3).

При обробці континуального сигналу за допомогою аналогового ланцюга не потрібні додаткові перетворення сигналу. При обробці континуального сигналу за допомогою дискретного ланцюга необхідні два перетворення: дискретизація сигналу за часом на вході дискретного ланцюга і зворотне перетворення, тобто відновлення континуальної структури сигналу на виході дискретного ланцюга.

Мал. 1.3. Види сигналу та відповідні їм ланцюги

Нарешті, при цифровій обробці континуального сигналу потрібні ще два додаткові перетворення: аналог-цифра, тобто квантування та цифрове кодування на вході цифрового ланцюга, і зворотне перетворення цифра-аналог, тобто декодування на виході цифрового ланцюга.

Процедура дискретизації сигналу та особливо перетворення аналог-цифра вимагають дуже високої швидкодії відповідних електронних пристроїв. Ці вимоги зростають із підвищенням частоти континуального сигналу. Тому цифрова техніка набула найбільшого поширення при обробці сигналів на відносно низьких частотах (звукових та відеочастотах). Однак досягнення мікроелектроніки сприяють швидкому підвищенню верхньої межі частот, що обробляються.