7.2. Виды и характеристики носителей и сигналов

В широком смысле слова под сигналом понимают материальный носитель информации. В современных СПИ используются электрические сигналы. Физической величиной, определяющей такой сигнал, является ток или напряжение. Сигнал передается на несущей частоте. Процесс изменения параметров несущей частоты в соответствии с сигналом, передаваемым на этой несущей, называют модуляцией.

На рис. 7.2 в качестве примера изображен электрический сиг­нал единичной амплитуды, а также модули­рованное по амплитуде этим сигналом синусоидальное колебание. Данное колебание можно записать в виде:

u(t)=U∙rect_T (t-∆t) ∙sin(ωt-φ₀), (7.1)

где U — амплитуда;

t — длительность;

∆t — временное положение;

ω — частота;

φ₀ — начальная фаза;

rect_T — единичная прямоугольная функция (рис. 7.2 а).

Рис. 7.2. Виды сигналов:

а) электрический сигнал; б) синусоидальное колебание

В общем случае у этого колебания (рис. 7.2 б) можно изменять в соответствии с передаваемым сообщением любой из его парамет­ров: при изменении амплитуды получаем амплитудно-модулированный сигнал (AM), если изменить частоту или фазу, то соответ­ственно частотно-модулированный (ЧМ) и фазомодулированный (ФМ) сигналы.

Манипуляция представляет собой дискретную модуляцию. При дискретной модуляции сообщение выступает как последовательность кодовых символов (напри­мер, «0» и «1»), которым соответствуют импульсы постоянного напряжения с одинаковой длительностью, но различной полярно­сти. Эта последовательность импульсов посредством манипулятора преобразуется в последовательность элементов сигнала. В этом случае можно получить амплитудную, частотную и фазовую модуляции (манипуляции). На рис. 7.3 показаны формы сигналов для двоичных символов при различных видах дискретной модуляции. При AM символу «1» соответствует передача колебания в течение времени τ (посылка), символу «0» — отсутствие колебания (пауза). При ЧМ передаче колебания с частотой ω₁ соответствует сим­вол «1», а с частотой ω₂ — «0».

Рис. 7.3. Виды двоичных сигналов

Наиболее помехоустойчивой является фазовая модуляция, или манипуляция (ФМн). Это объясняется «амплитудным» характе­ром воздействующих помех, и такой параметр, как фаза несущей, менее других параметров подвергается этому воздействию. При ФМн меняется фаза колебания на 180° при каждом перехо­де от символа «1» к «0» и от «0» к «1».

Основными параметрами сигнала являются длительность сигнала Т и ширина спектра.

Спектром сигнала как временной функции u(t) называется со­вокупность его гармонических составляющих (гармоник), образу­ющих ряд Фурье:

(7.2)

где f₁ — частота повторения сигнала (или частота первой гармоники);

k — номер гармоники.

Кроме ряда (7.2) широко используется ряд:

(7.3)

где — амплитуды гармоник;

— фазы гармоник (косинусоид).

Применяются также ряды с синусоидами под знаком суммы.

Коэффициенты Фурье определяются выражениями:

, (7.4)

, (7.5)

где T=1/f₁ — период повторения сигнала (периодической функции) u(t).

Для нахождения коэффициентов (7.4) и (7.5) используют фор­мулы численного интегрирования:

(7.6)

(7.7)

где ∆t = T/N — шаг, с которым расположены абсциссы u(t).

Найденные по (7.6) и (7.7) коэффициенты Фурье аппроксимируют сигнал u(t) рядом (7.2) или (7.3) с наименьшей среднеквадратической погрешностью. На рис. 7.4 представлен сигнал (периодическая после­довательность прямоугольных импульсов) полученный путем суммирования нескольких первых членов ряда Фурье.

Рис. 7.4. Получение сигнала путем суммирования его гармоник

Полученная последовательность импульсов отличается от прямоугольных в основном недостаточной крутизной фрон­тов. Крутизна фронтов импульсов определяется наличием в их спектре составляющих с частотами, многократно превышающими основную частоту. Таким образом, ширина спектра сигнала дает представление о скорости изменения сигнала.