1. Отношение сигнал-шум. Ограничение ширины полосы частот

Самое распространенное средство – отношение сигнал-шум (С/Ш, SNR – signal-to-noise ratio), представляющее собой отношение уровня напряжения (или мощности) полезного сигнала к уровню напряжения (или мощности).Обычно при измерении отношения С/Ш используют децибелы:

С/Ш _dB = 20 log (Vc/Vш) или С/Ш _dB = 10 log (Pc/Pш)

Но на практике сигнал и шум разделить нельзя, поэтому используется альтернативное выражение:

С/Ш = (С+Ш)/Ш

Измерение отношения С/Ш обычно производится на выходе приемника. Шум может попасть в систему передачи информации на любом этапе передачи сообщения, но наиболее вероятная точка проникновения – это канал передачи данных, из-за своей доступности и невозможности его полностью контролировать. Это значит, что спектр шума, попадающего в систему, всегда ограничен, так же как и ограничен спектр передаваемого по каналу связи сигнала. Для того, чтобы наши измерения максимально были близки к реальной системе связи, мы ограничим спектр сигнала и шума.

2. Спектр псевдошумовых последовательностей. Глазковая диаграмма

Псевдошумовые последовательности (PN) – тип сигналов, широко применяющийся в разных системах модуляции, таких как CDMA и DSSS. Также эти последовательности могут быть использованы в экспериментальных целях для моделирования шума

Глазковая диаграмма Визуальный анализ канала с шумом с помощью осциллографа не достаточно информативен для этих целей, т.к. на его экране мы можем наблюдать только напряжение сигнала на протяжении относительно малого числа бит. Более того, разнообразная структура шума может вызывать ложные изменения уровня сигнала, пока вы не смотрите на экран.

Решением этой проблемы является использование глаз-диаграмм. Глаз-диаграммы так называются из-за изображения, которое они воспроизводят на экране осциллографа.

Получить глаз-диаграмму с помощью осциллографа можно подав на вход одно из каналов информационное сообщение, но при этом синхронизируя его работу с помощью тактовой частоты цифрового сигнала. Это вызовет нестабильность отображаемой картинки (рассинхронизацию), т.е. состояние, которого обычно стараются избегать. Однако в данном случае именно это нам и нужно – все комбинации гармонических колебаний, которые присутствуют в рассматриваемом цифровом сигнале, будут воспроизводится одновременно одно на другом.

В процессе отображения в местах между логическими «0» и «1» получаются «глаза». Чем больше уровень шума, тем менее отчетливы логические уровни сигнала, и тогда глаза начинают «закрываться».

3. Дискретизация и восстановление сигналов. Спектр дискретизированного сообщения. Эффект наложения спектров.

Было разработано множество цифровых систем передачи, несколько из них рассмотрены в дальнейших лабораторных работах. Для начала передаваемую информацию (называемую сообщением), являющуюся аналоговым сигналом (речь, музыка), следует преобразовать в цифровой сигнал. Это включает дискретизацию, которая требует, чтобы напряжение аналогового сигнала было измерено через равные промежутки времени.

Рисунок 1а ниже показывает простой синусоидальный сигнал. Ниже показан процесс дискретизации сигнала. Еще ниже – результат «естественной» дискретизации сигнала по норме, установленной дискретным сигналом. Этот тип дискретизации является «естественным», потому что во время измерения аналогового сигнала, другие изменения напряжения также измеряются. Для некоторых цифровых систем, изменение дискретных отсчетов нежелательно. Рисунок 1б показывает другую систему, где размер дискретных отсчетов фиксирован в момент измерения сигнала. Это известно как схема дискретизации с запоминанием отсчетов (sample-and-hold) (и также упоминается как амплитудная модуляция импульса – pulseamplitudemodulation).

Независимо от используемого метода дискретизации, по определению она фиксирует только некоторые части сообщения. Так как же может дискретизованный сигнал быть использован длявосстановление целого сообщения:

Дискретизованное сообщение = дискретный сигнал *сообщение

Можно заметить, что дискретизация на самом деле является произведением дискретного сигнала и сообщения. И, так как дискретный сигнал – цифровой, который на самом деле был сформирован постоянным напряжением и множеством синусоид (основной и ее гармониками), уравнение может быть записано как:

Дискретизованное сообщение = (постоянный ток + основная синусоида + гармоники)*сообщение

Если сообщение – простая синусоида (такая как на рисунке 1) решение уравнения (включающее в себя тригонометрические операции, не показанные здесь) говорит нам что дискретизованный сигнал состоит из:

• Синусоиды одинаковой частоты с сообщением

• Пары синусоид, которые являются суммой и разностью основной частоты и частоты сообщения.

• Множества других пар синусоид, которые являются суммой и разностью гармоник дискретного сигнала и сообщения.

Это в итоге образуется множество синусоид, одна из которых имеет ту же частоту, что и сигнал сообщения. Так, для восстановления сигнала сообщения, все что необходимо сделать – передать дискретизированный сигнал через ФНЧ.

Тем не менее, для корректной работы существует маленький фиксатор (catch), который рассмотрен части Е лабораторной работы.

Экспериментальная часть

В данной лабораторной работе выбудете использовать EmonaDATEx для дискретизации сигнала сообщения сначала посредством естественной дискретизации, а затем, используя схему выборки и хранения (sample-and-holdscheme). Вам предстоит исследовать дискретизированный сигнал в частотной области с помощью Динамического Анализатора Спектров (DynamicSignalAnalyzer).