МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Инженерно-экономический институт

А. А. Кузьмин

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

И ЭЛЕКТРОНИКА

Часть 2

Основы электроники

Учебное пособие

Череповец

2006

УДК 621.37

К 89

Рассмотрено на заседании кафедры математических методов и информационных технологий в экономике, протокол № 10 от 01.06.06 г.

Одобрено УМС ГОУ ВПО ЧГУ, протокол № 2 от 20.10.05 г.

Кузьмин А. А. Электротехника и электроника: В 2 ч. Ч. 2: Основы электроники: Учеб. пособие. – Череповец: ГОУ ВПО ЧГУ, 2006. – 167 с. – ISBN (Часть 2)

Н а у ч н ы й р е д а к т о р : В.В. Плашенков, д – р воен. наук, проф.

Р е ц е н з е н т ы : В.В. Плашенков, д – р воен. наук, проф. (ГОУ ВПО ЧГУ); К.А. Харахнин, канд. техн. наук, проф. (ГОУ ВПО ЧГУ)

©

Isbn (Часть 2)

ISBN

Кузьмин А.А., 2006

© ГОУ ВПО Череповецкий государственный университет, 2006

Лекция 10

Общие сведения о радиотехнических сигналах

B радиотехнике изме­няющиеся во времени электрические процессы (напряжение, ток или заряд) принято называть электрическими колебаниями. Электрическое колебание, ис­пользуемое для передачи информации, называют сигналом. Эти два термина близки по смыслу и часто заменяют друг друга. Наряду с поняти­ем «сигнал» часто используют и более общий термин электрическое колеба­ние, под которым понимают любой электрический процесс в том случае, если не интересуются информацией, заключенной в нем.

Сложность процессов в радиотехнических устройствах зависит от сложности исходных сигналов. В ряде случаев для анализа таких процессов целесообразно пользоваться понятием «спектр сигна­лов».

Из курса математики известны ряды Фурье, с помощью которых удается представить сигнал совокупностью гармонических составляющих; доказывается ряд теорем, устанавливающих связь между некоторой функцией и ее преобразо­ваниями по Фурье. Эти теоремы относятся и к преобразованиям сигналов и их спектров. Некоторые из этих теорем носят формальный характер и не соответствуют реальным преобразованиям сигналов и их спектров, поэтому такие преобразования рассматриваются с учетом специфики назначения сигналов.

1. Информация, сообщение и сигнал

Понятия «информация» (от лат. informatio ‘разъяснение, изложение’) и «сообщение» в настоящее время неразрывно связаны между собой.

Под информацией подразумевается совокупность сведений о каких-либо событиях, явлениях или предметах, предназначенных для передачи, приема, обработки, преобразования, хранения или непосредственного использования.

То, что человек видит, слышит, помнит, знает, пережи­вает, — все это различные формы информации. Как образно отметил один из основателей теории информации К.Э. Шеннон, информация — это послание, кото­рое уменьшает неопределенность. Совокупность сведений, данных становится знанием лишь после их интерпретации с учетом ценности и содержания этих све­дений. Следовательно, в широком смысле информацию можно определить как совокупность знаний об окружающем нас мире.

В отличие от мате­риального и энергетического ресурсов, информационный ресурс не уменьшается при потреблении, накапливается со временем (установлено, например, что объем человече­ских знаний удваивается каждые 10 лет), с помощью технических средств сравни­тельно легко и просто обрабатывается, хранится и передается на значительные расстояния.

Особенность информации состоит в том, что она обычно возникает в одном месте, а используется в другом. Передача информации — это процесс переноса сведений из одной точки пространства в другую. Для передачи или хранения ин­формации используют различные знаки (символы), позволяющие выразить (пред­ставить) ее в некоторой форме. Этими знаками могут быть слова и фразы челове­ческой речи, жесты и рисунки, формы колебаний, математические знаки и т. д.

Очень часто наряду с информацией употребляется понятие «данные». Данные могут рассматриваться как признаки или зарегистрированные наблюдения, кото­рые по каким-то причинам не используются, а только хранятся. Когда же появля­ется возможность использования этих данных для уменьшения неопределенности о чем-либо, они превращаются в информацию. Поэтому информацией являются используемые данные.

Информация, подлежащая передаче и выраженная в определенной форме, на­зывается сообщением. Сообщение может быть представлено в форме текста теле­граммы, некоторых сведений, передаваемых по телефону, факсу, радио и т.д. Сообщения могут быть функциями времени, например: речь в телефонных разговорах, спектакль при передаче по телевидению и т.д. Сообщение может и не являться функцией времени, например: текст телеграммы, неподвижное изобра­жение и т.д.).

Сообщение (информация) может быть передано на какое-либо расстояние с помощью определенного материального носителя. Например, при передаче сооб­щения по почте материальным носителем служит бумага. В радиотехнике и тео­рии связи в качестве носителей сообщений используют сигналы.

Сигнал - это физический процесс (или явление), несущий информацию о состоянии какого-либо объекта наблюдения. Сигнал переносит информацию в пространстве и во времени. По своей физической природе сигналы бывают электрическими, световыми, звуковыми и т.д. В радиотехнике используют в основном электрические сигналы. Электрический сигнал передает (развертывает) сообщение во времени. Следовательно, он всегда является функцией времени, даже если сообщение таковым не является.

Полезный сигнал также является объектом транспортировки (передачи), а техника связи – по существу техникой транспортирования сигналов пo каналам связи.

Как правило, электрические сигналы, непосредственно отражающие сообщения, маломощны и низкочастотны. Из курса физики известно, что электрические сигналы с низкими частотами не могут эффективно излучаться в свободное пространство. Передавать их непосредственно можно только по проводным или кабельным линиям (телефонной, телеграфной связи и т. д.).

Для передачи информации используют специальные электрические сигналы (переносчики сообщений), которыми являются хорошо излучающиеся и распространяющиеся в свободном пространстве мощные высокочастотные rapмонические электромагнитные колебания (несущие колебания). Сами несущие колебания не содержат информации (можно сказать, что передают с нулевой скоростью), а только переносят ее. Передаваемая по каналам связи информация закладывается в один параметр или ряд параметров несущего колебания.

2. Классификация радиотехнических сигналов

Основные понятия, термины и определения в области радиотехнических сигналов устанавливает Государственный стандарт «Сигналы радиотехнические. Термины и определения».

Математические модели сообщений, сигналов и помех с точки зрения решения проблем передачи информации являются фундаментом радиоэлектроники и теории связи. Особенно это относится к сигналам. Радиотехнические сигналы чрезвычайно разнообразны.

Наиболее распространенными способами представлений (описаний) сигналов являются временное, спектральное, статистическое, геометрическое и аналитиче­ское представления.

Реальный радиотехнический сигнал как физический объект аналитического и практического исследований достаточно сложен, а значит, его математическая модель мо­жет быть различной. Это позволяет классифицировать современные радиотехнические сигналы по ряду специфических признаков. Следует заметить, что любая классификация ограничена конкретными задачами, в интересах которых она проводится. На рис. 79 представлен вариант классификации.

Радиотехнические сигналы удобно рассматривать в виде математических функций, заданных во времени и физических координатах. С этой точки зре­ния сигналы делятся на одномерные и многомерные (векторные). Наиболее распространен­ные на практике одномерные сигналы являются функциями времени, а много­мерные, кроме того, отражают положение в n-мерном пространстве. Например, сигналы, несущие информацию об изображении какого-либо предмета, являются функциями и времени, и положения на плоскости. Как правило, многомерные сигналы описываются довольно сложны­ми аналитическими функциями и их обработка чаще всего возможна лишь в цифровой форме.

Повседневно встречающийся нам телевизионный сигнал является трех­мерным сигналом, в котором содержатся строчные и кадровые информаци­онные напряжения, отражающие меняющиеся в пространстве и времени изо­бражения.

Рис. 79. Вариант классификации сигналов

По особенностям структуры временного представ­ления все радиотехнические сигналы подразделяются на аналоговые, дис­кретные и цифровые.

Если физический процесс, порождающий сигнал, можно представить не­прерывной функцией времени u (t) (рис. 80а), то такой сигнал называют аналоговым (непрерывным, или, более обобщенно, континуальным, когда он имеет скачки, разрывы по оси амплитуд). Понятие «аналоговый сигнал» свя­зано с тем, что его любое мгновенное значение аналогично зако­ну изменения соответствующей физической величины во времени.

В радиоэлектронике и технике связи широко применяются импульсные системы, действие которых основано на использовании дискретных сигналов. Например, сигнал, отражающий речь, является непрерывным как по уровню, так и по времени, а датчик температуры, выдающий ее значения через каж­дые 10 мин, служит источником сообщений, непрерывных по величине, но дискретных по времени.

Простейшая математическая модель дискретного сигнала — это после­довательность точек на временной оси, в каждой из которых заданы значения соответствующего непрерывного сигнала (рис. 80б). Дискретные сигналы могут быть созданы непосредственно источником информации (например, дискретные отсчеты в системах управления). Не следует думать, что дискрет­ные сообщения обязательно преобразуются в дискретные сигналы, а непрерывные сообщения — в непрерывные сигналы. Чаще всего именно непре­рывные сигналы используются для передачи дискретных сообщений (в качестве их переносчиков). Дискретные же сигналы можно исполь­зовать для передачи непрерывных сообщений (после их дискретизации).

Рис. 80. Модели сигналов:

а - аналогового; б - дискретного; в - цифрового

Одной из разновидностей дискретных сигналов является цифровой сигнал. Цифровым называют сигнал с конечным числом дискретных уровней, которые можно пронумеровать числами с конечным количеством разрядов. Чаще всего дискретные значения сигнала заменяются числами, реализованными в двоичном коде, который пред­ставляют высоким (единица) и низким (нуль) уровнями потенциалов напряжения (рис. 80в).

По степени наличия anриорной информации (до проведения наблюдения) радиотехнические сигналы принято делить на детерминированные (регулярные) и случайные сигналы (рис. 81).

Рисунок 10.3. Детерминированный (а) и случайный (б) сигналы

Рис. 81. Детерминированный (а) и случайный (б) сигналы

Детерминированными называют радиотехнические сигналы, мгновенные значения которых в любой момент времени достоверно известны, т. е. предсказуемы с вероятностью, равной единице. Примером детерминированного радиотехнического сигнала может служить гармоническое колебание, последовательность или пачка импульсов, форма, амплитуда и временное положение которых заранее известны.

Детерминированный сигнал не несет в себе никакой информации и практически все его параметры можно передать по каналу радиосвязи одним или несколькими кодовыми значениями.

Детерминированные сигналы подразделяются на периодические и непериодические (импульсные). Импульсный сигнал — это сигнал конечной энергии, существенно отличный от нуля в течение ограниченного интервала времени, соизмеримого со временем завершения переходного процесса в системе, для воздействия на которую этот сигнал предназначен.

Периодические сигналы бывают гармоническими, т.е. содержащими только одну гармонику (колебание одной частоты, см. рис. 81а), и полигармоническими, спектр которых состоит из множества гармонических составляющих. К гармоническим сигналам относятся сигна­лы, описываемые функцией синуса или косинуса. Все остальные сигналы яв­ляются полигармоническими.

Детерминированные сигналы делятся на эле­ментарные, описываемые простейшими математическими формулами, и слож­ные. Элементарными являются постоянный и гармонический сигналы, а также сигналы, описываемые единичной и дельта-функцией. К сложным относятся импульсные и модулированные сигналы.

Случайные сигналы — это сигналы, мгновенные значения которых в любые моменты времени не известны и не могут быть предсказаны с вероятностью, равной единице. Практически все реальные случайные сигналы или большинст­во из них представляют собой хаотические функции времени (рис. 81б). Как ни парадоксально на первый взгляд, но сигналом, несущим полезную информа­цию, может быть только случайный сигнал. Информация в нем заложена во множестве амплитудных, частотных (фазовых) или кодовых изменений переда­ваемого сигнала. На практике любой радиотехнический сигнал, в котором заложена полез­ная информация, должен рассматриваться как случайный.

В процессе передачи информации сигналы могут быть подвергнуты тому или иному преобразованию. Это обычно отражается в их названии: сигналы модули­рованные, демодулированные (детектированные), кодированные (декодирован­ные), усиленные, задержанные, дискретизированные, квантованные и др.

По назначению, которое сигналы имеют в процессе модуляции, их можно разделить на модулирующие (первичный сигнал, который модулирует несущее колебание) или модулируемые (несущее колебание).

По принадлежности к тому или иному виду систем передачи инфор­мации различают телефонные, телеграфные, радиовещательные, телевизион­ные, радиолокационные, управляющие, измерительные и другие сигналы.

Классификация сигналов может быть продолжена, например, по частотному диапазону (по диапазону длин волн), по виду модуляции и т.д.

3. Основные параметры радиотехнических сигналов

Основными формами математического и физического представления радиотехнических сигналов являются спектральная (в частотной области) и временная. Обе указанные формы представления, в частности, используются для определения параметров сигналов.

Временная форма позволяет легко определить такие важные характеристики сигналов, как энергия, мощность и длительность.

Практически каждый сигнал, рассматриваемый как временной процесс, имеет начало и конец. Поэтому длительность сигнала Т_с является естествен­ным его параметром, определяющим интервал времени, в пределах которого сигнал существует.

Энергия сигнала определяется как интеграл в пределах длительности сигнала от квадрата сигнала

.

Именно такая энергия выделяется на резисторе с сопротивлением 1 Ом, если на его зажимы подано напряжение u (t).

Соответственно, мощность сигнала Р_с характеризует энергию, приходящуюся на единицу времени: Р_с = Е_с / Т.

При передаче информации, как указывалось ранее, сигнал, соответствующий сообщению, закладывается в один или несколько параметров несущего колебания. Этот процесс в радиотехнике называется модуляцией. Модуляции могут подвергаться амплитуда, частота и текущая фаза несущего колебания.

Очевидно, что применяемый для передачи какой-либо информации модулированный сигнал должен соответствовать условиям передачи, т.е. его параметры должны обеспечить выполнение поставленной задачи.

К основным параметрам сигнала, которые являются основными с точки зрения его передачи, относятся: длитель­ность сигнала Т_с , его ширина спектра F_c и динамический диапазон D_c .

Ширина спектра сигнала F_c (область диапазона частот, которую занимает сигнал) дает представление о скорости изменения сигнала внутри интервала его существования. Спектр передаваемого сигнала в принципе может быть неограниченным. Однако для любого сигнала можно указать диапа­зон частот, в пределах которого сосредоточена его основная (до 90 %) энергия. Этим диапазоном и определяется ширина спектра полезного сигнала.

В системах связи реальную ширину спектра передаваемого сигнала часто сознательно сужают. Это связано с тем, что аппаратура и линия связи имеют ограниченную полосу пропускаемых частот. Сужают спектр исходя из допус­тимых искажений сигнала. Например, при телефонной связи требуется, чтобы речь была разборчивой и абоненты могли узнать друг друга по голосу. Для выполнения этих условий достаточно передать речевой сигнал в полосе от 0,3 до 3,4 кГц. Передача более широкого спектра речи в этом случае неце­лесообразна, поскольку ведет к техническим усложнениям аппаратуры и к уве­личению затрат.

Как правило, спектр модулированного сигнала шире спектра передаваемого сообщения и зависит от вида модуляции. Поэтому в теории сигналов используют такой параметр, как база сигнала, равный

.

Часто вводят более общую характеристику - объем сигнала, который определяется по формуле

,

где D_c – динамический диапазон сигнала.

Объем сигнала дает общее представление о возможностях данного множе­ства сигналов как переносчиков сообщений. Чем больше объем сигнала, тем больше информации можно «заложить» в этот объем и тем труднее передать такой сигнал по каналу связи с требуемым качеством.

Динамический диапазон D_c - это отношение наибольшей мгновенной мощности передаваемого сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличать от нуля при заданном качестве передачи. Он вы­ражается обычно в децибелах. Динамический диапазон речи телевизионного дик­тора, например, равен 25 ... 30 дБ, симфонического оркестра – 75 ... 100 дБ. Во избежание перегрузок канала в paдиовещании динамический диапазон часто сокращают до 35 ... 45 дБ.

Несущая частота сигнала, переносящего информацию, является важнейшим параметром. В современной радиотехнике используют электромагнитные колебания в диапазоне частот (радиодиапазоне) от 10 до 10¹³ Гц. Общепринятая международная классификация диапазонов радиоволн и соответствующих им диапазонов радиочастот приведена в табл. 2.

Для обеспечения устойчивой и надежной радиосвязи очень важна длина волны несущего колебания. На выбор диапазона радиоволн для конкретной системы передачи информации влияет ряд факторов, связанных с особенностью излучения и распространения электромагнитных волн, характером имеющихся в заданном диапазоне помех, параметрами сообщения, характеристи­ками и габаритными размерами передающих и приемных антенн.

Таблица 2