Радиотехникада пайдаланылатын сигналдардың қасиеттері мен классификациясы

Радиотехниканың негізгі мақсаты хабарды алыс қашықтыққа таратып беру. Қашықтық хабар жіберуші мен қабылдаушы (адресат), командалар датчигі мен орындаушы құрылғы, зерттелетін процесс пен өлшеуіш механизмі, ғарыштық радиосәулелену көзі мен радиотелескоптың тіркейтін аспабының арасын бөліп тұрады.

Хабарды таратып беру сымдардың, кабельдік және талшықты толқынжолдық желілердің көмегімен немесе бос кеңістік арқылы берілуі мүмкін. Радиотехникада сигналдарды таратып беру үшін электромагниттік тербелістер – радиотолқындар қолданылады.

Ақпаратты таратып беруге арналған агент (байланысшы, тасымалдаушы) ретінде пайдаланылатын кезкелген физикалық процессте, ақпарат көзі болып табылатын объектінің немесе процестің сәйкесті күйін бір мағыналықта анықтайтындай күйлердің барлық жиынтығынан тұратын қасиеті болуы тиіс. Осы үшін радиотолқындар модуляция процесіне түседі. Модуляция процессі мәні мынада: үлкен қашықтықтарға тарала алатын жоғары жиілікті тербеліс, пайдалы хабарды сипаттайтын белгілерге ие болады.

Сәулеленетін тербелістің толқын ұзындығын таңдау орнықты және сенімді байланысты қамтамасыз ету үшін өте маңызды. Әрбір нақты байланыс жүйесі үшін толқындардың керекті ауқымын (диапазонын) таңдау келесі факторлармен анықталады:

1)осы диапазонның электромагниттік толқындарының таралу ерекшеліктерімен;

2) осы диапазондағы бөгеуліктер сипатымен;

3) хабар сипатымен (спектр енімен);

4) бағытталған сәулеленуді іске асыруға қажетті антенналық жүйенің габариттік өлшемімен.

Радиотаратушы құрылғылармен қалыптастырылған және кеңістікке сәулеленіп шығатын, сондай-ақ, қабылдаушы құрылғыға келіп түсіп, онда күшейтілетін және кейбір түрлендірулер жасалатын сигналдар физикалық процесс болып есептелінеді. Алдында айтып өттік, қашықтыққа хабарды таратып беру үшін модуляцияланған сигналдарды пайдаланамыз деп. Осыған байланысты радиобайланыс каналындағы сигналдарды басқарушы сигналдар және радиосигналдар деп бөледі. Біріншісі ретінде модуляциялайтын тербелістерді, ал екіншісі ретінде модуляцияланған тербелістерді атайды.

2.1. Радиотехникалық сигналдар түрлері

Радиотехникалық жүйелер көмегімен қашықтыққа ақпаратты таратқанда радиотехникалық сигналдардың әртүрлі түрлері пайдаланылады. Дәстүрге сәйкес радиотехникалық сигналдар деп радиодиапазонға жататын кезкелген электрлік сигналдарды айтуға болады. Математикалық жағынан қарағанда қандайда болмасын радиотехникалық сигналды, әлдебір уақыттық функция u(t ) деп қарауға болады, ол кернеудің, токтың немесе зарядтың ілездік мәндерінің өзгеруін сипаттайды. Жалпы жағдайда радиотехникалық сигналдарды уақыт және физикалық координаталар бойынша берілген математикалық функциялар түрінде қараған ыңғайлы. Осы көзқарасқа сәйкес сигналдар бірөлшемді және көпөлшемді болып бөлінеді. Іс жүзінде ең көп тараған бірөлшемді сигналдар уақыттың функциясы болып , ал көпөлшемді сигналдар сонымен қатар n -өлшемді кеңістіктегі орынды анықтайды. Мысалы , кезкелген заттың , адамның немесе жануардың бейнесі туралы ақпаратты алып жүретін сигналдар уақыт пен кеңістіктегі орынның функциясы болып табылады. Көпөлшемді, немесе векторлық сигналдар бірөлшемді сигналдар жиынтығынан тұрады да (2.1-сурет),

u₂ u₃ u₄

u₁ u_n-1

u₀ u_n

2.1-сурет. Көпөлшемді сигнал құрылымы

аналитикалық түрде былай жазылады

U(t) = {u₁(t), u₂(t), …, u_n(t)}, (2.1)

мұнда n – бүтін сан –сигнал өлшемдігі.

Біз күнде көретін теледидарлық сигнал үш өлшемді , онда кеңістікте және уақыт бойынша өзгеретін бейнені сипаттайтын жолдық және кадрлық ақпараттық кернеулер бар.

пайдалы

сигнал

кездейсоқ

кездейсоқ

бөгеуіл(шуыл)

сигналдар

детермин.

сигналдар

периодты

периодты

емес

2.2 - сурет. Сигналдар жіктелуі

Радиоэлектроника және байланыс техникасында импульстық жүйелер кеңінен қолданылады , олардың әрекеті дискреттік сигналдарды пайдалануға негізделген. Мысалы сөзді бейнелейтін сигнал деңгейі бойынша да , уақыт бойынша да үзіліссіз болады , ал температураның мәнін әрбір 10 мин. сайын бергіш (датчик) , шамасы бойынша үзіліссіз , бірақ уақыт бойынша дискретті мәлімет көзі болып табылады.

Соңғы он жыл радиотехника мен радиотехнологияның қарқынды дамуымен сипатталады ( ұялы байланыс, теледидар, жерсеріктіктік байланыс, радиорелейлік байланыс.). Телекоммуникацияның даму қарқыны, бүкіл әлемдік экономиканың даму қарқынынан екі есе асып түседі. Қәзіргі кезең сигналдарды аналогтыктан айтарлықтай артықшылығы бар цифрлық өңдеу, тарату және сақтау әдістеріне жылдам ауысумен сипатталады.

Сигнал өзімен бірге ақпаратты тасушы физикалық үрдіс болып табылады. Сигнал дыбыстық сәулелік, пошта арқылы жіберу түрінде және т.б. болуы мүмкін. Сигналдың көп таралған түрі ол U(t) кернеудің уақытқа тәуелділік түріндегі электрлік қалпы.

Хабарды бейнелеуге қабілетті көрсеткіштері бар, кеңістікте және уақыт бойынша таратылатын физикалық үрдісті - сигнал деп атайды. s(t ) сигнал деп физикалық үрдістің көрсеткіштерінің біреуі уақыт бойынша өзгеруін түсінеміз.

Уақыттың кез-келген сәтінде де нақты анықталған сигнал - детерминацияланған сигнал деп аталады (мысалы, аналитикалық түрде берілген). Детерминацияланған сигналдар периодтық және периодтық емес болуы мүмкін, s(t ) = s(t + kT ) шарты орындалғандағы сигнал периодтық деп аталады, мұнда k- кез-келген бүтін сан, T – период. Периодтық сигналдың мысалы – гармоникалық тербеліс .

Кез-келген күрделі периодтық сигнал жиіліктері негізгі жиілікке еселі гармоникалық тербелістердің қосындысы түрінде бейнеленуі мүмкін.

Периодтық емес сигнал ережеге сәйкес уақыт бойынша шектеулі.

Кездейсоқ сигнал деп уақытқа тәуелді функциясы бар, мәндеріі әлдебір ықтималдықпен болжануы мүмкін және алдын ала белгісіз сигналды айтамыз. Кездейсоқ сигналдың негізгі қасиеттері:

а) ықтималдықты тарату заңы (анықталған аралықта сигнал шамасынның салыстырмалы болу уақыты);

б) сигнал қуатының спектралдық таралымы.

Барлық радиотехникалық сигналдар уақыт бойынша көрсету құрылымы ерекшеліктеріне қарай аналогтық, дискреттік (латынша-discretus-бөлінген, үзілісті), квантталған және цифрлық болып бөлінеді.

Егер сигналды тудыратын физикалық процесті уақыттың үзіліссіз функциясы (2.2, а –сурет) түрінде көрсете алсақ , онда мұндай сигналды аналогтық деп атайды.

Цифрлық сигнал дегеніміз екілік түрде сигналдың дискретті саналуын айқындайтын амплитудаларды бирдей бір жақты импульстар комбинациясы.

Әрбір нақты жүйе үшін тербелістер аралығын таңдауға келесі факторлар әсер етеді:

а) берілген аралықтығы электромагниттік толқынның таралу ерекшелігі, толқын таралатын кеңістіктің күй - жайы. Ұзын толқындарды жер жұтып алады, қысқа және ультра қысқа толқындар кедергіні орап өтпейді. Ұзын, орташа және қысқа толқындар атмосфераның жоғарғы қабатыда таралуы мүмкін;

а) ә)

б) в)

г)

2.2 – сурет. Сигналдар: а)–аналогты; ә)–дискреттік; б)квантталған,

в) –дискретті-квантталған, г) цифрлық

б) техникалық қойылатын шарттар: сәулену бағыты, антенналық жүйенің сәйкес өлшемдерінің қолданылуы, қуатты тербелістерді генерациялау және оларды басқару, қабылдағыш құрылғының сұлбасы. Егер антенналық құрылғы өлшемі бойынша толқын ұзындығынан едәуір үлкен болса, онда сәулену бағытын қамтамасыз етуге болады. Бағыталуының радиолокацияда, радионавигацияда маңызы зор. Жердің жұтып алуы нәтижесінде ұзын толқындарда тербелістердің үлкен қуаты талап етіледі, ал басқа аралықтарда аса қашық ғарыштық байланыс кезінде ғана бұл талап қойылады. Жаңа аралықтарды меңгеру үшін жаңа техникалық құралдар қажет. Оның нәтижесінде қысқа толқынды аймаққа өту генерациялау құрылғысын меңгеру шамасы бойынша біртіндеп жүзеге асырылады;

в) берілген аралықтағы шулармен бөгеуілдердің сипаты. Жүйелі түрде әртүрлі аралықтағы радиотолқындардың өтуі зерттеленіп тұрады;

г) хабар сипаты (ақпараттар саны және соған байланысты спектрдің ені (жиілік аралығы).

Үлкен ақпарат беретін теледидардың жиілік жолағы кең болуы керек, сондықтан ол тек ультра қысқа толқындарда ғана мүмкін.

u_T(t) – дискреттік сигналдың қарапайым математикалық моделі – уақыт өсіндегі нүктелер тізбегі, олардың әрқайсысында сәйкесті үзіліссіз сигнал мәндері берілген (2.2,ә-сурет).

Дискреттік сигналдардың бір түрі – цифрлық сигнал. Цифрлық деп көбінесе дискреттік деңгейлерінің шекті саны бар сигналды айтады. Цифрлық сигналда u_T(t) сигналдың дискретті мәндері u_ц(t) сандармен алмастырылады, көп жағдайда екілік кодада іске асырылады. Екілік коданы кернеу потенциалдары жоғары (бірлік) және төменгі (нөлдік) деңгейлерімен көрсетеді.

Математикалық ұсынылуы бойынша жөне ақпараттық көзқарас жағынан радиотехникалық сигналдардың бүкіл алуан түрлілігін екі негізгі топқа бөлуге келісілген : детерминделген (регулярлық) және кездейсоқ сигналдар.

Детерминделген деп, оның лездік мәнін уақыттың кезкелген сәтінде бірге тең ықтималдықпен алдын-ала айтуға болатын қандай да болмасын сигналды айтады. Детерминделген сигналдардың мысалы ретінде пішіні, амплитудасы және уақыт бойынша орны белгілі импульстарды немесе импульстер бумасын келтіруге болады. Сондай-ақ берілген амплитудалары және өзінің спектрі ішіндегі фазалық қатынастары бар үздіксіз сигналды айтуға болады.

Детерминделген сигналдың мысалы ретінде гармоникалық (синусоидалық) тербелісті (2.3 , а-сурет), формасы, амплитудасы және уақыттық орны алдын-ала белгілі импульстер тізбегін немесе тобын келтіруге болады.

2.3 –сурет. Сигналдар: а) детерминделген ; б) кездейсоқ

Іс жүзінде детерминделген сигналдың өзі ешқандай ақпаратты алып жүрмейді. Детерминделген сигналдарды әдетте байланыс жүйесін , радиоарналарды немесе жеке құрылғыларды сынау үшін қолданады. Детерминделген сигналдар периодикалық және периодикалық емес (импульстық) болып бөлінеді. Импульстық сигнал – шектелген қысқа уақыт аралығында мәні нөлге тең болмайтын , шекті энергиясы бар сигнал.

Кездейсоқ сигналдарға, ілездік мәндері алдын-ала белгісіз және де тек бірден кем ықтималдықпен болжап айтуға болатын сигналдарды жатқызады. Осындай сигналдар мысалы, сөзге, музыкаға, қайталанбайтын мәтінді бергендегі телеграфтық коданың ретті белгілеріне сәйкесті электр кернеулері. Шындығында өзімен бірге ақпаратты алып жүретін қандай да болмасын сигналды кездейсоқ деп есептеуге болады.

Теория бойынша және іс жүзінде кездейсоқ сигналдармен қатар кездейсоқ бөгеуліктер - шуылдармен де жұмыс істеуге тура келеді. Шуыл деңгейі, берілген сигалдағы ақпаратты беру жылдамдығын шектейтін негізгі себеп болып табылады. Сондықтан да кездейсоқ сигналдарды зерттеуді шуылдарды зерттеуден бөліп алып қарауға болмайды. Пайдалы кездейсоқ сигналдарды, сондай-ақ бөгеуліктерді кездейсоқ тербелістер немесе кездейсоқ процесс атауымен біріктіріп қарайды.

Периодикалық сигналдар гармоникалық яғни тек бір гармоникасы бар және спектрі көптеген гармоникалық құрастырушылардан тұратын полигармоникалық болуы мүмкін. Гармоникалық сигналдарға синус немесе косинус функциясымен сипатталатын сигналдар жатады. Басқа қалған сигналдар полигармоникалық болып табылады. Кездейсоқ сигналдар – ілездік мәндері уақыттың кезкелген сәтінде белгісіз және бірге тең ықтималдықпен жорамалдауға болмайтын сигналдар. Іс жүзінде барлық нақты кездейсоқ сигналдар немесе олардың көпшілігі бейберекет (хаотикалық) уақыт функциясы болып табылады (2.3 , ә - сурет). Ең қызық жері , пайдалы ақпаратты тасымалдайтын тек қана кездейсоқ сигнал. Ондағы ақпарат берілетін (тасымалданатын) сигналдың көптеген амплитудалық , жиліктігі (фазалық) немесе кодалық өзгерістері негізінде іске асады. Мысалы, кездейсоқ сигнал ретінде сөзді , музыканы , бейнені және т.б. түрлендіру нәтижесінде алынған электрлік кернеуді айтуға болады.

Сигналдарды әрі қарай бөлуді олардың табиғатымен байланыстыруға болады:

сигналға физикалық процесс турасынан немесе кодаланған, мысалы екілік кодаға, сандар деп қарауға болады. Бірінші жағдайда, сигнал ретінде берілетін хабармен анықталған түрде байланысқан кезкелген уақыт бойынша өзгеріп отыратын электрлік шаманы (кернеу, ток, заряд және т.б.) түсінуге болады. Екінші жағдайда сол хабар екілікті кодаланған сандар тізбегінде жатыр дейміз.