Klausimai valstybiniam egzaminui

kursas „Skaitmeninis signalų apdorojimas ir signalų procesoriai“

(Korneev D.A.)

Korespondencijos studijos

Signalų klasifikacija, signalų energija ir galia. Furjė serija. Sinuso-kosinuso forma, tikroji forma, kompleksinė forma.

RADIJO INŽINERIJOJE NAUDOJAMŲ SIGNALŲ KLASIFIKACIJA

Informaciniu požiūriu signalus galima suskirstyti į deterministinis Ir atsitiktinis.

Deterministinis iškviesti bet kurį signalą, kurio momentinę vertę bet kuriuo metu galima numatyti su viena tikimybe. Deterministinių signalų pavyzdžiai yra impulsai arba impulsų pliūpsniai, kurių forma, amplitudė ir laiko padėtis yra žinomi, taip pat nenutrūkstamas signalas su nurodytais amplitudės ir fazių ryšiais jo spektre.

KAM atsitiktinis reiškia signalus, kurių momentinės reikšmės iš anksto nežinomos ir gali būti nuspėjamos tik su tam tikra, mažesne nei viena tikimybe. Tokie signalai yra, pavyzdžiui, elektros įtampa, atitinkanti kalbą, muziką, telegrafo kodo simbolių seka perduodant nesikartojantį tekstą. Atsitiktiniai signalai taip pat apima radijo impulsų seką radaro imtuvo įėjime, kai impulsų amplitudės ir jų aukšto dažnio užpildymo fazės svyruoja dėl sklidimo sąlygų, taikinio padėties ir kai kurių kitų priežasčių. Galima pateikti daug kitų atsitiktinių signalų pavyzdžių. Iš esmės bet koks signalas, pernešantis informaciją, turėtų būti laikomas atsitiktiniu.

Aukščiau išvardytuose deterministiniuose signaluose, „visiškai žinomuose“, informacijos nebėra. Toliau tokie signalai dažnai bus vadinami virpesiais.

Kartu su naudingais atsitiktiniais signalais, teoriškai ir praktikoje turime susidurti su atsitiktiniais trukdžiais – triukšmu. Triukšmo lygis yra pagrindinis veiksnys, ribojantis tam tikro signalo informacijos perdavimo greitį.

Analoginis signalas Diskretus signalas

Kvantuotas signalas Skaitmeninis signalas

Ryžiai. 1.2. Savavališko dydžio ir laiko signalai (a), savavališko dydžio ir diskretūs laike (b), kvantuoti pagal dydį ir nuolatiniai laike (c), kvantuoti pagal dydį ir diskretūs laike (d)

Tuo tarpu signalai iš pranešimo šaltinio gali būti nuolatiniai arba diskretūs (skaitmeniniai). Šiuo atžvilgiu šiuolaikinėje radijo elektronikoje naudojami signalai gali būti suskirstyti į šias klases:

savavališkos vertės ir tolydžio laike (1.2 pav., a);

savavališka verte ir diskretiška laike (1.2 pav., b);

kvantuota pagal dydį ir tolydi laike (1.2 pav., c);

kvantuota pagal dydį ir diskretiška laike (1.2 pav., d).

Pirmos klasės signalai (1.2 pav., a) kartais vadinami analoginis, nes juos galima interpretuoti kaip elektrinius fizikinių dydžių modelius arba tęstinius, nes jie nurodyti išilgai laiko ašies nesuskaičiuojamame taškų rinkinyje. Tokios aibės vadinamos kontinuumu. Tokiu atveju išilgai ordinačių ašies signalai tam tikru intervalu gali įgyti bet kokią reikšmę. Kadangi šie signalai gali turėti nutrūkimų, kaip parodyta Fig. 1.2, o tada, siekiant išvengti aprašymo netikslumų, tokius signalus geriau pažymėti terminu kontinuumas.

Taigi, nuolatinis signalas s(t) yra nuolatinio kintamojo t funkcija, o diskrečiasis signalas s(x) yra diskrečiojo kintamojo x, kuris turi tik fiksuotas reikšmes, funkcija. Diskretūs signalai gali būti sukurti tiesiogiai iš informacijos šaltinio (pavyzdžiui, atskiri jutikliai valdymo ar telemetrijos sistemose) arba formuojami ištisinių signalų atrankos rezultatas.

Fig. 1.2, b rodo signalą, nurodytą diskrečiomis laiko t reikšmėmis (prie skaičiuojamų taškų); signalo dydis šiuose taškuose gali įgauti bet kokią reikšmę tam tikru intervalu išilgai ordinačių ašies (kaip 1.2 pav., a). Taigi terminas diskretinis apibūdina ne patį signalą, o būdą, kuriuo jis nurodomas laiko ašyje.

Signalas pav. 1.2, nurodyta visoje laiko ašyje, tačiau jo reikšmė gali būti tik atskira. Tokiais atvejais mes kalbame apie signalą, kvantuotą pagal lygį.

Toliau terminas „diskretus“ bus vartojamas tik kalbant apie laiko atranką; lygmens diskretiškumas bus žymimas terminu kvantavimas.

Kvantifikavimas naudojamas vaizduojant signalus skaitmenine forma naudojant skaitmeninį kodavimą, nes lygiai gali būti sunumeruoti skaičiais su baigtiniu skaitmenų skaičiumi. Todėl signalas, diskretus laike ir kvantuotas lygiu (1.2 pav., d), nuo šiol bus vadinamas skaitmeniniu.

Taigi galima atskirti nuolatinius (1.2 pav., a), diskrečiuosius (1.2 pav., b), kvantuotus (1.2 pav., c) ir skaitmeninius (1.2 pav., d) signalus.

Kiekviena iš šių signalų klasių gali būti susieta su analogine, diskrečiąja arba skaitmenine grandine. Ryšys tarp signalo tipo ir grandinės tipo parodytas funkcinėje diagramoje (1.3 pav.).

Apdorojant nepertraukiamą signalą naudojant analoginę grandinę, papildomo signalo konvertavimo nereikia. Apdorojant kontinuuminį signalą naudojant diskrečią grandinę, būtinos dvi transformacijos: signalo atranka laiku diskrečios grandinės įėjime ir atvirkštinė transformacija, t.y. signalo kontinuumo struktūros atkūrimas diskrečios grandinės išvestyje. .

Dėl savavališko signalo s(t) = a(t)+jb(t), kur a(t) ir b(t) yra tikrosios funkcijos, momentinė signalo galia (energijos pasiskirstymo tankis) nustatoma pagal išraišką:

w(t) = s(t)s*(t) = a 2 (t)+b 2 (t) = |s(t)| 2.

Signalo energija lygi galios integralui per visą signalo egzistavimo intervalą. Riboje:

E s = w(t)dt = |s(t)| 2 dt.

Iš esmės momentinė galia yra signalo galios tankis, nes galios matavimai galimi tik naudojant energiją, išsiskiriančią per tam tikrus nulinio ilgio intervalus:

w(t) = (1/Dt) |s(t)| 2 dt.

Signalas s(t) paprastai tiriamas per tam tikrą intervalą T (periodiniams signalams - per vieną periodą T), esant vidutinei signalo galiai:

W T (t) = (1/T) w(t) dt = (1/T) |s(t)| 2 dt.

Koncepcija vidutinė galia gali būti išplėsta iki nuolatinių signalų, kurių energija yra be galo didelė. Esant neribotam intervalui T, griežtai teisingas vidutinės signalo galios nustatymas atliekamas naudojant formulę:

W s = w(t) dt.

Idėją, kad bet kurią periodinę funkciją galima pavaizduoti kaip harmoningai susijusių sinusų ir kosinusų seriją, pasiūlė baronas Jeanas Baptiste'as Josephas Fourier (1768–1830).

Furjė serija funkcija f(x) pavaizduota kaip

Kaip pranešimų nešėjas naudojami atitinkamo diapazono aukšto dažnio elektromagnetiniai virpesiai (radijo bangos), galintys sklisti dideliais atstumais.

Siųstuvo skleidžiamas nešlio dažnio svyravimas apibūdinamas: amplitude, dažniu ir pradine faze. Apskritai jis vaizduojamas taip:

i = I m sin(ω 0 t + Ψ 0),

Kur: i– nešiklio srovės momentinė vertė;

Aš– nešiklio srovės amplitudė;

ω 0 – nešiklio vibracijos kampinis dažnis;

Ψ 0 – pradinė nešiklio vibracijos fazė.

Pirminiai signalai (perduotas pranešimas paverčiamas elektrine forma), valdantys siųstuvo veikimą, gali pakeisti vieną iš šių parametrų.

Aukšto dažnio srovės parametrų valdymo naudojant pirminį signalą procesas vadinamas moduliacija (amplitudė, dažnis, fazė). Telegrafo perdavimo tipams naudojamas terminas „manipuliacija“.

Radijo ryšiuose radijo signalai naudojami informacijai perduoti:

radiotelegrafas;

radijo telefonas;

fototelegrafas;

telekodas;

sudėtingi signalų tipai.

Radiotelegrafo ryšys skiriasi: pagal telegrafo būdą; manipuliavimo būdu; dėl telegrafo kodų naudojimo; pagal radijo kanalo naudojimo būdą.

Priklausomai nuo perdavimo būdo ir greičio, radiotelegrafo ryšiai skirstomi į rankinius ir automatinius. Rankinio perdavimo metu manipuliavimas atliekamas telegrafo raktu naudojant MORSE kodą. Perdavimo greitis (garsiniam priėmimui) yra 60–100 simbolių per minutę.

Su automatine pavarų dėže manipuliavimas atliekamas elektromechaniniais įtaisais, o priėmimas - naudojant spausdinimo mašinas. Perdavimo greitis 900–1200 simbolių per minutę.

Pagal radijo kanalo naudojimo būdą telegrafo perdavimai skirstomi į vienkanalius ir daugiakanalius.

Pagal manipuliavimo metodą labiausiai paplitę telegrafo signalai apima signalus su amplitudės raktais (AT - amplitudės telegrafas - A1), su dažnio poslinkio raktais (FT ir DChT - dažninė telegrafija ir dvigubo dažnio telegrafija - F1 ir F6), su santykine faze. Shift Keying (RPT – fazinė telegrafija – F9).

Telegrafo kodams taikyti naudojamos telegrafo sistemos su MORSE kodu; start-stop sistemos su 5 ir 6 skaitmenų kodais ir kt.

Telegrafo signalai – tai vienodos arba skirtingos trukmės stačiakampių impulsų (siutinių) seka. Trumpiausios trukmės pranešimas vadinamas elementariu.

Pagrindiniai telegrafo signalų parametrai: telegrafo greitis (V); manipuliavimo dažnis (F); spektro plotis (2Df).

Laidų greitis V lygus per vieną sekundę perduotų lustų skaičiui, išmatuotam bodais. 1 bodo telegrafo greičiu per 1 s perduodamas vienas elementarus siuntinys.

Raktų įvedimo dažnis F skaičiais lygus pusei telegrafo greičio V ir matuojamas hercais: F = V/2 .

Telegrafo signalas su amplitudės poslinkiu turi spektrą (2.2.1.1 pav.), kuriame, be nešlio dažnio, yra begalė dažnio komponentų, esančių abiejose jo pusėse, intervalais, lygiais manipuliavimo dažniui F. Praktiškai norint patikimai atkurti telegrafo radijo signalą, pakanka, be nešlio dažnio signalo, priimti tris spektro komponentus, esančius abiejose nešlio pusėse. Taigi amplitudės poslinkio RF telegrafo signalo spektrinis plotis yra 6F. Kuo didesnis manipuliavimo dažnis, tuo platesnis HF telegrafo signalo spektras.

Ryžiai. 2.2.1.1. Laikinas ir spektrinis AT signalo vaizdavimas

At dažnio poslinkio įvedimas Srovės antenoje amplitudė nesikeičia, o tik dažnis keičiasi pagal manipuliavimo signalo pasikeitimą. FT signalo (DFT) spektras (2.2.1.2 pav.) yra tarsi dviejų (keturių) nepriklausomų amplitudėmis manipuliuojamų virpesių, turinčių savo nešlio dažnius, spektras. Skirtumas tarp „paspaudimo“ ir „spaudimo“ dažnio vadinamas dažnio atskyrimu, žymimas ∆f ir gali būti 50 – 2000 Hz diapazone (dažniausiai 400 – 900 Hz). KT signalo spektro plotis yra 2∆f+3F.

2.2.1.2 pav. Laikinas ir spektrinis KT signalo vaizdavimas

Dėl padidinimo pralaidumo Radijo ryšiai naudoja kelių kanalų radiotelegrafo sistemas. Juose tuo pačiu radijo siųstuvo nešlio dažniu vienu metu gali būti perduodamos dvi ar daugiau telegrafo programų. Yra sistemos su dažninio tankinimo, laiko padalijimo tankinimu ir kombinuotomis sistemomis.

Paprasčiausia dviejų kanalų sistema yra dvigubo dažnio telegrafijos sistema (DFT). Dažniu valdomi signalai DCT sistemoje perduodami keičiant siųstuvo nešlio dažnį, nes tuo pačiu metu jam veikia dviejų telegrafo įrenginių signalai. Tai išnaudojama tuo, kad dviejų vienu metu veikiančių įrenginių signalai gali turėti tik keturias perduodamų pranešimų kombinacijas. Taikant šį metodą, bet kuriuo metu skleidžiamas vieno dažnio signalas, atitinkantis tam tikrą manipuliuojamų įtampų derinį. Priimamasis įrenginys turi dekoderį, kurio pagalba dviem kanalais generuojami pastovios įtampos telegrafo pranešimai. Dažnių tankinimas reiškia, kad atskirų kanalų dažniai yra išdėstyti skirtingose ​​bendro dažnių diapazono dalyse ir visi kanalai perduodami vienu metu.

Dalijant kanalus pagal laiką kiekvienam telegrafo įrenginiui nuosekliai, naudojant skirstytuvus, suteikiama radijo linija (2.2.1.3 pav.).

2.2.1.3 pav. Daugiakanalinė laiko padalijimo sistema

Radiotelefono pranešimams perduoti daugiausia naudojami amplitudės moduliuoti ir dažnio moduliuoti aukšto dažnio signalai. LF moduliuojantis signalas yra daugybės skirtingų dažnių signalų, esančių tam tikroje juostoje, derinys. Standartinio LF telefono signalo spektro plotis paprastai užima 0,3–3,4 kHz juostą.

Prieš pradėdamas tirti kokius nors reiškinius, procesus ar objektus, mokslas visada stengiasi juos klasifikuoti pagal kuo daugiau charakteristikų. Pabandykime panašų vaizdą, susijusį su radijo signalais ir trukdžiais.

Radijo signalų srities pagrindines sąvokas, terminus ir apibrėžimus nustato valstybės standartas „Radijo signalai. Terminai ir apibrėžimai“. Radijo signalai labai įvairus. Jie gali būti klasifikuojami pagal daugybę savybių.

1. Radijo signalus patogu nagrinėti matematinių funkcijų forma, nurodyta laiko ir fizinėmis koordinatėmis. Šiuo požiūriu signalai skirstomi į vienmatis Ir daugiamatis. Praktikoje dažniausiai naudojami vienmačiai signalai. Paprastai tai yra laiko funkcijos. Daugiamačiai signalai susideda iš daugelio vienmačių signalų, be to, atspindi jų padėtį n- matmenų erdvė. Pavyzdžiui, signalai, pernešantys informaciją apie objekto, gamtos, žmogaus ar gyvūno vaizdą, yra laiko ir padėties plokštumoje funkcijos.

2. Pagal laiko vaizdavimo struktūros ypatumus visi radijo signalai skirstomi į analoginis, diskretus Ir skaitmeninis. Paskaitoje Nr.1 ​​jau buvo aptarti pagrindiniai jų bruožai ir skirtumai vienas nuo kito.

3. Pagal apriorinės informacijos prieinamumo laipsnį visa radijo signalų įvairovė paprastai skirstoma į dvi pagrindines grupes: deterministinis(įprasta) ir atsitiktinis signalus. Deterministiniai yra radijo signalai, kurių momentinės vertės yra patikimai žinomos bet kuriuo metu. Deterministinio radijo signalo pavyzdys yra harmoninis (sinusinis) svyravimas, impulsų seka arba pliūpsnis, kurio forma, amplitudė ir laiko padėtis yra žinomi iš anksto. Tiesą sakant, deterministinis signalas neneša jokios informacijos ir beveik visi jo parametrai gali būti perduodami radijo ryšio kanalu, naudojant vieną ar kelias kodo reikšmes. Kitaip tariant, deterministiniai signalai (pranešimai) iš esmės neturi informacijos ir nėra prasmės juos perduoti. Dažniausiai jie naudojami ryšio sistemoms, radijo kanalams ar atskiriems įrenginiams išbandyti.

Deterministiniai signalai skirstomi į periodiškai Ir neperiodinis (pulsas). Impulsinis signalas yra baigtinės energijos signalas, kuris labai skiriasi nuo nulio per ribotą laiko intervalą, proporcingą pereinamojo proceso pabaigos laikui sistemoje, kurią šiuo signalu ketinama paveikti. Yra periodiniai signalai harmoninė, tai yra, kuriame yra tik viena harmonika, ir poliharmoninis, kurio spektras susideda iš daugelio harmoninių komponentų. KAM harmoniniai signalai reiškia signalus, aprašytus sinuso arba kosinuso funkcija. Visi kiti signalai vadinami poliharmoniniais.

Atsitiktiniai signalai– tai signalai, kurių momentinės reikšmės bet kuriuo metu nežinomos ir jų negalima nuspėti su vieneto tikimybe. Kad ir kaip iš pirmo žvilgsnio atrodytų paradoksalu, signalas, nešantis naudingą informaciją, gali būti tik atsitiktinis signalas. Jame esanti informacija pateikiama įvairiais amplitudės, dažnio (fazės) ar kodo pokyčiais perduodamas signalas. Praktiškai bet koks radijo signalas, kuriame yra naudingos informacijos, turėtų būti laikoma atsitiktine.

4. Informacijos perdavimo procese signalai gali būti paveikti vienokios ar kitokios transformacijos. Paprastai tai atsispindi jų pavadinime: signalai moduliuojamas, demoduliuotas(aptikta), užkoduotas (iššifruoti), sustiprintas, suimtieji, paimti mėginiai, kvantuota ir kt.

5. Pagal paskirtį, kurią signalai turi moduliavimo proceso metu, juos galima suskirstyti į moduliuojantis(pirminis signalas, moduliuojantis nešlio bangą) arba moduliuojamas(nešiklio vibracija).

6. Pagal priklausymą vienam ar kitam informacijos perdavimo sistemų tipui jos išskiria telefonas, telegrafas, transliacija, televizija, radaras, vadovai, matavimo ir kiti signalai.

Dabar panagrinėkime radijo trukdžių klasifikaciją. Pagal radijo trukdžių suprasti atsitiktinį signalą, homogenišką naudingajam ir veikiantį kartu su juo. Radijo ryšio sistemose trikdžiai yra bet koks atsitiktinis poveikis naudingam signalui, kuris pablogina perduodamų pranešimų atkūrimo tikslumą. Radijo trukdžius taip pat galima klasifikuoti pagal daugybę kriterijų.

1. Pagal įvykio vietą trukdžiai skirstomi į išorės Ir vidinis. Pagrindiniai jų tipai jau buvo aptarti paskaitoje Nr.

2. Pagal trukdžių sąveikos su signalu pobūdį jie išskiriami priedas Ir dauginamasis trukdžių. Priedas yra trikdžiai, kurie pridedami prie signalo. Dauginamasis yra triukšmas, kuris dauginamas iš signalo. Realiuose komunikacijos kanaluose dažniausiai atsiranda ir adityvieji, ir multiplikaciniai trukdžiai.

3. Remiantis pagrindinėmis savybėmis, priedus galima suskirstyti į tris klases: sutelkta palei spektrą(siaurajuostis trukdžiai), impulsinis triukšmas(sukoncentruotas į laiką) ir svyravimo triukšmas(svyravimo triukšmas), neribotas nei laike, nei spektru. Spektro koncentruoti trukdžiai yra tada, kai didžioji jo galios dalis yra tam tikrose dažnių diapazono dalyse, kurios yra mažesnės už radijo sistemos dažnių juostos plotį. Impulsiniai trukdžiai yra reguliari arba chaotiška impulsinių signalų seka, kuri yra vienalytė su naudinguoju signalu. Tokių trukdžių šaltiniai yra skaitmeniniai ir perjungimo elementai radijo grandinės arba šalia jų veikiančius įrenginius. Dažnai vadinami impulsiniai ir koncentruoti trukdžiai patarimai.

Nėra esminio skirtumo tarp signalo ir triukšmo. Be to, jie egzistuoja vienybėje, nors savo veiksmu yra priešingi.

Atsitiktiniai procesai

Kaip minėta aukščiau, išskirtinis atsitiktinio signalo bruožas yra tas, kad jo momentinės reikšmės nėra iš anksto nuspėjamos. Beveik visi tikri atsitiktiniai signalai ir triukšmas yra chaotiškos laiko funkcijos, kurių matematiniai modeliai yra atsitiktiniai procesai, tiriami statistinės radijo inžinerijos disciplinoje. Atsitiktiniu būduįprasta vadinti atsitiktinių argumentų funkciją t, Kur t Dabartinis laikas. Atsitiktinis procesas žymimas didžiosiomis graikų abėcėlės raidėmis , . Kitas paskyrimas yra priimtinas, jei dėl to susitariama iš anksto. Tam tikro tipo atsitiktinis procesas, kuris stebimas eksperimento metu, pavyzdžiui, osciloskopu, vadinamas įgyvendinimasšis atsitiktinis procesas. Konkretaus įgyvendinimo tipas x(t) gali būti nurodyta tam tikra funkcine argumento priklausomybe t arba tvarkaraštį.

Priklausomai nuo to, ar argumentas yra nuolatinės ar diskrečios reikšmės t ir įgyvendinimas X, yra penki pagrindiniai atsitiktinių procesų tipai. Paaiškinkime šias rūšis pavyzdžiais.

Nuolatinis atsitiktinis procesas pasižymi tuo, kad t Ir X yra ištisiniai dydžiai (2.1 pav.,a). Toks procesas, pavyzdžiui, yra triukšmas radijo imtuvo išvestyje.

Diskrečiam atsitiktiniam procesui būdinga tai, kad t yra nuolatinis dydis, ir X- diskretiškas (2.1 pav.,b). Perėjimas iš į įvyksta bet kuriuo metu. Tokio proceso pavyzdys yra procesas, apibūdinantis eilių sistemos būseną, kai sistema šokinėja savavališkai t pereina iš vienos būsenos į kitą. Kitas pavyzdys yra tęstinio proceso kvantavimo tik lygiu rezultatas.

Atsitiktinė seka pasižymi tuo, kad t yra diskretiškas ir X- nuolatiniai dydžiai (2.1 pav., c). Pavyzdys galėtų būti laiko pavyzdžiai tam tikrais laiko momentais iš nuolatinio proceso.

Diskreti atsitiktinė seka pasižymi tuo, kad t Ir X yra diskretieji dydžiai (2.1 pav., d). Tokį procesą galima gauti atlikus lygio kvantavimą ir laiko atranką. Tai yra signalai skaitmenines sistemas komunikacijos.

Atsitiktinis srautas yra taškų, delta funkcijų arba įvykių seka (2.1 pav., e, g) atsitiktiniai momentai laikas. Šis procesas plačiai naudojamas patikimumo teorijoje, kai elektroninės įrangos gedimų srautas laikomas atsitiktiniu procesu.

Sąvoka „paprastas“ signalas, kaip radijo impulsas, turintis paprastą apvalkalo formą ir aukšto dažnio užpildymas su pastovaus dažnio virpesiais, yra visuotinai priimtas. Paprastiems signalams spektro pločio A/ ir trukmės sandauga tuo, tie. signalo B bazė, lygi signalo užimamo dažnių juostos pločio ir jo trukmės sandaugai, yra vertė, artima „1“:

Visų pirma, stačiakampis impulsas su pastoviu užpildymo dažniu priklauso paprastų signalų klasei, nes jam A/*« /x ir; At = tb, ir todėl tenkinama (4.11) sąlyga.

Signalai, kurių trukmės ir spektro pločio sandauga, t.y. bazę, gerokai viršija vienetą (B >> 1), vadinami „kompleksiniais“ (sudėtinės formos signalais).

Norint padidinti galimą radaro diapazono tikslumą, būtina naudoti plataus spektro signalus. Ribojant didžiausią impulsų galią, kad būtų išlaikytas RTS diapazonas, zondavimo signalo spektrą patartina plėsti ne jį trumpinant, o įvedant intraimpulsinę fazę arba dažnio moduliaciją, t.y. dėl perėjimo prie sudėtingų signalų.

Radijo impulsas su tiesine dažnio moduliacija

Radare plačiai naudojami linijinio dažnio moduliuoti (čirp) impulsiniai signalai, kurių nešlio dažnis gali būti pavaizduotas tokia forma:

kur / 0 - pradinė dažnio reikšmė; D/d - dažnio nuokrypis; t ir - impulso trukmė. Tiesinis dažnio kitimo dėsnis (4.12) atitinka kvadratinį čirpimo signalo fazės kitimo dėsnį:

Chirpingo impulsui su stačiakampiu apvalkalu, parodyta pav. 4.9, kompleksinis vokas yra tokios formos:

Ryžiai. 4.9.

Normalizuota neatitikimo funkcija yra tokia:

Ši funkcija apibūdina stačiakampio čirpimo impulso neapibrėžties kūno reljefą, kurio skerspjūvis vertikalioje plokštumoje Q = 0 yra suderinto filtro išėjimo čirpimo impulso gaubtas, kai nėra dažnio derinimo. Jo grafikas parodytas fig. 4.10 su ištisine linija. Palyginimui, tiesi linija rodo stačiakampio radijo impulso gaubtą su pastoviu užpildymo dažniu ir trukme. tn prie išėjimo iš SF. Kaip matyti iš šio paveikslo, kai čirpimo impulsas praeina per SF, jis laiku suspaudžiamas. Jei filtro įėjime impulso trukmė buvo t,„ = t u, tai išėjime impulso trukmė yra x Oš= t (nuo 1 iki d 2,47 g (0,5 lygiu). Tada suspaudimo laipsnis

Ryžiai. 4.10.

Suspaudimo laipsnis yra tiesiogiai proporcingas dažnio nuokrypiui. Kadangi impulso trukmę ir dažnio nuokrypį galima nustatyti nepriklausomai vienas nuo kito, galima pasiekti didelį suspaudimo laipsnį.

Kadangi DO l «DO, DO yra čirpimo impulsų spektro plotis, suspaudimo koeficientas (15,15) pasirodo beveik lygus signalo bazei K s & b(tai taikoma visiems sudėtingiems signalams). Naudojant SF, sudėtingas signalas gali būti suspaustas tiek, kiek yra lygi signalo bazei.

Paaiškinkime čirpimo signalo suspaudimą SF. Čiupimo signalas, parodytas Fig. 4.9, atitinka suderintą filtrą su impulsine charakteristika (4.11 pav.). Impulso charakteristika apibūdina sistemos reakciją į delta impulso įtaką. Filtro išėjime pagal impulsinio atsako konvoliucijos procedūrą pirmiausia atsiranda aukštesnio dažnio komponentai, o po to žemesni, t.y. Aukšto dažnio komponentai filtre išlaikomi mažiau nei žemo dažnio komponentai. Žemesni čirpimo impulso dažniai į SF įėjimą patenka anksčiau (žr. 4.9 pav.), tačiau jie vėluoja didesniu mastu; aukšti dažniai veikti vėliau, bet vėluoja mažiau. Dėl to sujungiamos skirtingų dažnių grupės ir sutrumpėja pulsas.

Ryžiai. 4.11.

Uždelsimo linijos (DL) ant paviršinių akustinių bangų (SAW) naudojamos kaip filtrai. LZ įėjime ir išėjime įmontuoti kaiščių keitikliai (IDT) paverčia elektrinio lauko energiją į mechaninę energiją ir atvirkščiai. Skirtingiems dažniams efektyvus garso kanalo ilgis yra skirtingas ir aukšto dažnio komponentai pasiveja žemo dažnio komponentus. Tai įgyvendina čirpimo impulsų suspaudimą.

Bendrą čirpimo impulsų skiriamąją gebą laike ir dažniu yra daug sunkiau įgyvendinti nei tų pačių impulsų skiriamąją gebą viename iš parametrų (su žinoma kito parametro reikšme). Tai išplaukia iš chirp radijo impulso neapibrėžtumo diagramos (4.12 pav.). Pav - 41 2. Diagrama

^ neapibrėžtumas

Galimas bendras signalų skyrimas chirp impulso delsos trukme ir dažniu, jei jų parametrai yra už pasirinktos srities.

Prieš pradėdamas tirti naujus reiškinius, procesus ar objektus, mokslas visada stengiasi juos klasifikuoti pagal kuo didesnius kriterijus. Norėdami apsvarstyti ir analizuoti signalus, išskirsime pagrindines jų klases. Tai būtina dėl dviejų priežasčių. Pirma, patikrinimas, ar signalas priklauso konkrečiai klasei, yra analizės procedūra. Antra, norint pavaizduoti ir analizuoti skirtingų klasių signalus, dažnai reikia naudoti skirtingus įrankius ir metodus. Radijo signalų srities pagrindines sąvokas, terminus ir apibrėžimus nustato nacionalinis (buvęs valstybinis) standartas „Radijo signalai. Terminai ir apibrėžimai“. Radijo signalai yra labai įvairūs. Dalis trumpos signalų klasifikacijos pagal daugybę charakteristikų parodyta Fig. 1. Išsamesnė informacija apie kai kurias sąvokas pateikiama toliau. Patogu atsižvelgti į radijo signalus kaip matematines funkcijas, nurodytas laike ir fizinėmis koordinatėmis. Šiuo požiūriu signalai paprastai apibūdinami vienu (vienmatis signalas; n = 1), du

(dvimatis signalas; n = 2) arba daugiau (daugiamatis signalas n > 2) nepriklausomų kintamųjų. Vienmačiai signalai yra tik laiko funkcijos, o daugiamačiai signalai taip pat atspindi padėtį n-matėje erdvėje.

1 pav. Radijo signalų klasifikacija

Dėl apibrėžtumo ir paprastumo daugiausia nagrinėsime vienmačius signalus, kurie priklauso nuo laiko, tačiau vadovėlio medžiagą galima apibendrinti daugiamačiu atveju, kai signalas vaizduojamas kaip baigtinis arba begalinis taškų rinkinys, pvz. erdvė, kurios padėtis priklauso nuo laiko. Televizijos sistemose juodai baltas vaizdo signalas gali būti laikomas dviejų erdvinių koordinačių ir laiko funkcija f(x, y, f), rodančia spinduliuotės intensyvumą taške (x, y) momentu t prie katodo. Perduodant spalvotą televizijos signalą, turime tris funkcijas f(x, y, t), g(x, y, t), h(x, y, t), apibrėžtas trimatėje rinkinyje (taip pat galime apsvarstyti šios trys funkcijos kaip trimačių vektorinių laukų komponentai). Be to, kai televizijos vaizdai perduodami kartu su garsu, gali atsirasti įvairių televizijos signalų.

Daugiamatis signalas yra tvarkingas vienmačių signalų rinkinys. Daugiamatis signalas sukuriamas, pavyzdžiui, daugiagalinio tinklo gnybtų įtampų sistema (2 pav.). Daugiamačiai signalai apibūdinami sudėtingomis funkcijomis, o jų apdorojimas dažnai įmanomas skaitmenine forma. Todėl daugiamačiai signalų modeliai ypač naudingi tais atvejais, kai sudėtingų sistemų veikimas analizuojamas naudojant kompiuterius. Taigi daugiamačiai arba vektoriniai signalai susideda iš daugelio vienmačių signalų

kur n yra sveikas skaičius, signalo matmuo.

R
yra. 2. Kelių prievadų įtampos sistema

Pagal laiko vaizdavimo struktūros ypatumus (3 pav.) visi radijo signalai skirstomi į analoginius (analoginius), diskretinius (diskretinio laiko; iš lotynų kalbos discretus – padalintus, pertraukiamus) ir skaitmeninius (skaitmeninius).

Jei fizinį procesą, generuojantį vienmatį signalą, galima pavaizduoti kaip nuolatinę laiko u(t) funkciją (3 pav., a), tai toks signalas vadinamas analoginiu (nepertraukiamu) arba, bendriau tariant, nuolatiniu (nepertraukiamu). - daugiapakopis), jei pastarasis turi šuolių , pertraukų išilgai amplitudės ašies. Atkreipkite dėmesį, kad tradiciškai terminas „analoginis“ vartojamas apibūdinti signalams, kurie yra nuolatiniai laike. Nuolatinis signalas gali būti traktuojamas kaip realus arba kompleksinis laiko svyravimas u(t), kuris yra nuolatinio realaus laiko kintamojo funkcija. „Analoginio“ signalo sąvoka atsiranda dėl to, kad bet kokia momentinė jo reikšmė yra panaši į atitinkamo fizinio dydžio kitimo laikui bėgant dėsnį. Analoginio signalo pavyzdys yra tam tikra įtampa, kuri įvedama į osciloskopo įvestį, todėl ekrane kaip laiko funkcija atsiranda nuolatinė bangos forma. Kadangi šiuolaikinis nuolatinių bangų signalų apdorojimas, naudojant rezistorius, kondensatorius, operatyvinius stiprintuvus ir kt., turi mažai ką bendro su analoginiais kompiuteriais, terminas „analoginis“ šiandien atrodo ne visai apgailėtinas. Teisingiau būtų vadinti nuolatinį signalų apdorojimą, kuris šiandien paprastai vadinamas analoginiu signalų apdorojimu.

Radijo elektronikos ir ryšių technologijose plačiai naudojamos impulsinės sistemos, prietaisai ir grandinės, kurių veikimas pagrįstas diskrečiųjų signalų naudojimu. Pavyzdžiui, elektrinis signalas, atspindintis kalbą, yra nenutrūkstamas tiek lygiu, tiek laike, o temperatūros jutiklis, generuojantis savo vertes kas 10 minučių, yra nuolatinės vertės, bet laiko atžvilgiu atskirų signalų šaltinis.

Atskiras signalas gaunamas iš analoginio signalo specialios konversijos būdu. Analoginio signalo konvertavimo į mėginių seką procesas vadinamas diskretizavimu, o tokio konvertavimo rezultatas yra atskiras signalas arba diskrečioji serija.

Paprasčiausias matematinis diskretinio signalo modelis
- taškų seka laiko ašyje, paprastai paimta vienodais laiko intervalais
, vadinamas diskretizavimo periodu (arba intervalu, atrankos žingsniu; mėginių ėmimo laiku) ir kiekviename iš jų nurodomos atitinkamo nuolatinio signalo reikšmės (3 pav., b). Atrankos periodo atvirkštinė vertė vadinama atrankos dažniu:
(kitas pavadinimas
). Atitinkamas kampinis (apvalus) dažnis nustatomas taip:
.

Atskirus signalus gali sukurti tiesiogiai informacijos šaltinis (ypač atskiri jutiklių signalų pavyzdžiai valdymo sistemose). Paprasčiausias diskrečiųjų signalų pavyzdys yra temperatūros informacija, perduodama radijo ir televizijos naujienų programose, tačiau pertraukose tarp tokių transliacijų orų informacijos dažniausiai nėra. Nereikėtų manyti, kad atskiri pranešimai būtinai konvertuojami į diskretūs signalai ir nuolatinius pranešimus į nuolatinius signalus. Dažniausiai ištisiniai signalai naudojami atskiriems pranešimams perduoti (kaip jų nešėjai, t.y. nešėjai). Nepertraukiamiems pranešimams perduoti galima naudoti atskirus signalus.

Akivaizdu, kad bendruoju atveju nepertraukiamo signalo atvaizdavimas diskrečiųjų imčių rinkiniu lemia tam tikro naudingos informacijos praradimą, nes nieko nežinome apie signalo elgseną intervalais tarp mėginių. Tačiau yra analoginių signalų klasė, kuriai toks informacijos praradimas praktiškai neįvyksta, todėl juos galima labai tiksliai atkurti pagal jų atskirų pavyzdžių vertes.

Diskretaus signalo tipas yra skaitmeninis signalas. Konvertuojant atskirų signalų pavyzdžius į skaitmeninę formą (dažniausiai dvejetainius skaičius), jis kvantuojamas pagal įtampos lygį. . Tokiu atveju signalo lygių reikšmės gali būti sunumeruotos dvejetainiais skaičiais su baigtiniu, reikalingu skaitmenų skaičiumi. Signalas, kuris yra diskretiškas laike ir kvantuojamas lygiu, vadinamas skaitmeniniu signalu. Beje, signalai, kurie yra kvantuojami lygiu, bet nuolatiniai laike, praktikoje yra reti. Skaitmeniniame signale – atskiros signalo reikšmės
pirmiausia jie kvantuojami pagal lygį (3 pav., c), o tada kvantuoti diskretinio signalo pavyzdžiai pakeičiami skaičiais
dažniausiai realizuojamas dvejetainiu kodu, kurį vaizduoja aukštas (vienas) ir žemas (nulis) įtampos potencialų lygiai - trumpi impulsai (3 pav., d). Toks kodas vadinamas vienpoliu. Kadangi rodmenys gali įgauti baigtinį įtampos lygio verčių rinkinį (žr., pavyzdžiui, antrąjį rodmenį 3 pav. d, kuris skaitmenine forma beveik vienodai gali būti parašytas ir kaip skaičius 5 - 0101, ir kaip numeris 4 - 0100), tada pateikiant signalą jis neišvengiamai apvalinamas. Apvalinimo paklaidos, kurios atsiranda šiuo atveju, vadinamos kvantavimo klaidomis (arba kvantavimo triukšmu).

Skaičių seka, vaizduojanti signalą skaitmeniniame apdorojime, yra atskira serija. Skaičiai, sudarantys seką, yra signalo reikšmės atskirais (diskrečiaisiais) laiko momentais ir vadinamos skaitmeninių signalų pavyzdžiais. Toliau kvantuota signalo reikšmė pateikiama kaip impulsų rinkinys, apibūdinantis nulius („0“) ir vienetus („1“), kai ši reikšmė yra dvejetainė sistema mirusiųjų skaičiavimas (3 pav., d). Nešančiosios bangos amplitudės moduliavimui ir impulsinio kodo radijo signalui gauti naudojamas impulsų rinkinys.

Dėl skaitmeninio apdorojimo nieko „fizinio“ negaunama, tik skaičiai. O skaičiai yra abstrakcija, būdas apibūdinti žinutėje esančią informaciją. Todėl turime turėti kažką fizinio, kuris reprezentuotų skaičius arba „neštų“ skaičius. Taigi, skaitmeninio apdorojimo esmė yra ta, kad fizinis signalas (įtampa, srovė ir kt.) paverčiamas skaičių seka, kuri vėliau skaičiuojamame įrenginyje yra matematiškai transformuojama.

Transformuotas skaitmeninis signalas (skaičių seka) prireikus gali būti paverstas atgal į įtampą arba srovę.

Skaitmeninis signalų apdorojimas suteikia plačias galimybes perduoti, priimti ir konvertuoti informaciją, įskaitant tą, kurios neįmanoma realizuoti naudojant analoginę technologiją. Praktikoje, analizuojant ir apdorojant signalus, dažniausiai skaitmeniniai signalai pakeičiami diskretiniais, o jų skirtumas nuo skaitmeninių interpretuojamas kaip kvantavimo triukšmas. Šiuo atžvilgiu daugeliu atvejų nebus atsižvelgiama į poveikį, susijusį su lygio kvantavimu ir signalo skaitmeninimu. Galima sakyti, kad tiek diskrečios, tiek skaitmeninės grandinės (ypač skaitmeniniai filtrai) apdoroja diskrečius signalus, tik skaitmeninių grandinių struktūroje šie signalai atvaizduojami skaičiais.

Skaičiavimo įrenginiai, skirti signalų apdorojimui, gali veikti su skaitmeniniais signalais. Taip pat yra įrenginių, daugiausia sukurtų pagal analoginę grandinę, kurie veikia su diskrečiais signalais, pateikiamais įvairios amplitudės, trukmės ar pasikartojimo dažnio impulsų pavidalu.

Viena iš pagrindinių charakteristikų, kuriomis signalai skiriasi, yra signalo (jo verčių) nuspėjamumas laikui bėgant.

R
yra. 3. Radijo signalai:

a - analoginis; b - diskretiškas; c - kvantuotas; g - skaitmeninis

Pagal matematinę sampratą (pagal a priori prieinamumo laipsnį, iš lotynų kalbos a priori - iš ankstesnės, t. y. priešeksperimentinės informacijos) visi radijo signalai paprastai skirstomi į dvi pagrindines grupes: deterministinius (reguliarus; determinuotas) ir atsitiktiniai (atsitiktiniai) signalai (4 pav.).

Deterministiniai yra radijo signalai, kurių momentinės vertės bet kuriuo metu yra patikimai žinomos, tai yra, nuspėjami su tikimybe, lygia vienetui. Deterministiniai signalai aprašomi iš anksto nustatytomis laiko funkcijomis. Beje, momentinė signalo reikšmė yra matas, kiek ir kokia kryptimi kintamasis nukrypsta nuo nulio; taigi momentinės signalo reikšmės gali būti ir teigiamos, ir neigiamos (4 pav., a). Paprasčiausi deterministinio signalo pavyzdžiai yra harmoninis svyravimas su žinoma pradine faze, aukšto dažnio virpesiai, moduliuojami pagal žinomą dėsnį, impulsų seka arba pliūpsnis, kurių forma, amplitudė ir laiko padėtis yra žinomi iš anksto.

Jei komunikacijos kanalais perduodamas pranešimas būtų deterministinis, tai yra iš anksto žinomas visiškai patikimai, tada jo perdavimas būtų beprasmis. Tokia deterministinė žinutė iš esmės neturi jokios naujos informacijos. Todėl pranešimai turėtų būti laikomi atsitiktiniais įvykiais (arba atsitiktinėmis funkcijomis, atsitiktiniais dydžiais). Kitaip tariant, turi būti tam tikras pranešimų parinkčių rinkinys (pavyzdžiui, jutiklio sukuriamas skirtingų slėgio verčių rinkinys), iš kurių viena realizuojama su tam tikra tikimybe. Šiuo atžvilgiu signalas yra atsitiktinė funkcija. Deterministinis signalas negali būti informacijos nešėja. Jis gali būti naudojamas tik radijo inžinerinės informacijos perdavimo sistemos arba atskirų jos įrenginių testavimui. Atsitiktinis pranešimų pobūdis, taip pat trukdžiai nulėmė kritinę tikimybių teorijos svarbą kuriant informacijos perdavimo teoriją.

Ryžiai. 4. Signalai:

a - deterministinis; b – atsitiktinis

Deterministiniai signalai skirstomi į periodinius ir neperiodinius (impulsinius). Galutinės energijos signalas, kuris labai skiriasi nuo nulio per ribotą laiko intervalą, atitinkantį pereinamojo proceso pabaigos laiką sistemoje, kurią ketinama paveikti, vadinamas impulsiniu signalu.

Atsitiktiniai signalai yra tie, kurių momentinės vertės bet kuriuo metu yra nežinomos ir negali būti nuspėjamos tikimybe, lygia vienetui. Tiesą sakant, atsitiktinių signalų atveju galite žinoti tik tikimybę, kad jis įgis tam tikrą reikšmę.

Gali atrodyti, kad „atsitiktinio signalo“ sąvoka nėra visiškai teisinga.

Bet tai netiesa. Pavyzdžiui, termovizoriaus imtuvo, nukreipto į infraraudonosios spinduliuotės šaltinį, išėjimo įtampa reiškia chaotiškus virpesius, kurie neša įvairią informaciją apie analizuojamą objektą. Griežtai kalbant, visi praktikoje sutinkami signalai yra atsitiktiniai ir dauguma jų reprezentuoja chaotiškas laiko funkcijas (4 pav., b). Kad ir kaip paradoksalu tai atrodytų iš pirmo žvilgsnio, tik atsitiktinis signalas gali būti signalas, nešantis naudingą informaciją. Informacija tokiame signale yra perduodamo signalo amplitudės, dažnio (fazės) ar kodo pasikeitimų įvairove. Ryšio signalai laikui bėgant keičia momentines vertes, ir šiuos pokyčius galima numatyti tik su tam tikra, mažesne nei vieneto tikimybe. Taigi ryšio signalai tam tikru būdu yra atsitiktiniai procesai, todėl jų aprašymas atliekamas naudojant metodus, panašius į atsitiktinių procesų aprašymo metodus.

Naudingos informacijos perdavimo procese radijo signalai gali būti paveikti vienokios ar kitokios transformacijos. Tai dažniausiai atsispindi jų pavadinime: signalai moduliuojami, demoduliuojami (aptinkami), užkoduojami (dekoduojami), sustiprinami, uždelsti, atrinkti, kvantuoti ir kt.

Pagal paskirtį, kurią signalai turi moduliavimo proceso metu, jie gali būti skirstomi į moduliuojančius (pirminis signalas, moduliuojantis nešlio bangą) arba moduliuojamus (nešlio banga).

Pagal priklausomybę vienam ar kitam radijo inžinerinių sistemų tipui, o ypač informacijos perdavimo sistemoms, jos išskiria „ryšį“, telefoną, telegrafą, radijo transliaciją, televiziją, radarą, radijo navigaciją, matavimo, valdymo, aptarnavimo (įskaitant pilotą). signalai) ir kiti signalai .

Pateikta trumpa radijo signalų klasifikacija nevisiškai apima visą jų įvairovę.