Учебное пособие 800596

от 0,1Um до 0,9Um; аналогично длительность среза tc – время спада импульса от 0,9Um до 0,lUm (рис. 2.6).

Обычно длительность tф и tc составляет единицы процентов от длительности импульса. Чем меньше tф и tc по сравнению с tи, тем больше форма импульса приближается к прямоугольной. Иногда вместо tф, и tc фронты импульса характеризуют скоростью нарастания (спада). Эту величину называют крутизной S фронта (среза) и выражают в вольтах в секунду (В/с), киловольтах в секунду (кВ/с) и т.д. Для прямоугольного импульса приближенно S=Um/tф.

Участок импульса (рис. 2.6) между фронтами называют плоской вершиной. На рисунке показан спад плоской вершины (∆U), а также отрицательный выброс.

Мощность в импульсе. Энергия W импульса, отнесенная к его длительности, определяет мощность в импульсе: P=W/tи. Она выражается в ваттах (Вт), киловаттах (кВт).

Период повторения импульсов. Импульсы, повторяющиеся через равные промежутки времени образуют периодическую последовательность. Промежуток времени между началом двух соседних однополярных импульсов (см. рис. 2.4) называют периодом повторения (следования) импульсов. Он выражается в единицах времени: с, мс, мкс.

Величину, обратную периоду повторения, называют частотой повторения (следования) импульсов f. Она определяет количество периодов в течение 1с и выражается в герцах (Гц), килогерцах (кГц) и т.д.

Коэффициент заполнения. Часть периода Т занимает пауза - отрезок времени между окончанием и началом двух соседних им-

пульсов (см. рис. 2.4), т.е. tn=Ти–tи.

Отношение длительности импульса к периоду повторения называют коэффициентом заполнения: γ=tи/T. Коэффициент заполнения – величина безразмерная, меньшая единицы.

Величину, обратную коэффициенту заполнения, называют

скважностью импульсов: q=1/γ=T/tи.

Скважность тоже безразмерная величина, но большая единицы. Например, для последовательности импульсов на рис. 2.4е q=2.

Среднее значение импульсного колебания. При определе-

нии среднего за период значения импульсного колебания Ucp (Icp) импульс напряжения или тока распределяют равномерно на весь

113

период так, чтобы площадь прямоугольника IсрТ (рис. 2.7) была равна площади импульса Sи.

Рис. 2.7

Так, для прямоугольного импульса Sи=Imtи и

Icp=Imtи/T=Imγ=Im/q, т.е. среднее значение тока (напряжения) прямоугольного импульсного колебания в q раз меньше амплитудного.

Средняя мощность. Энергия W импульса, отнесенная к периоду Т, определяет среднюю мощность импульса: Pcp=W/T

Сравнивая Ри и Рср, получим:

Pи∙tи=Pcp∙T, Ри=(Рср∙Т)/tи=Рср∙q и Рср=(Ри∙tи)/Т=Ри/q, то есть

средняя мощность и мощность в импульсе отличаются в q раз.

2.1.3. Цифровые сигналы и их классификация

Цифровыми называются сигналы, при обработке которых анализируются элементы сигнала только двух различных значений или понятий. Элементами сигнала могут быть либо числовые значения физических величин, например, напряжения, либо наступление или не наступление какого-либо состояния, то есть логических состояний.

Устройства, в которых действуют цифровые сигналы, называют цифровыми. Цифровые сигналы используют в электронных вычислительных машинах (ЭВМ), в цифровой автоматике, в системах радиосвязи, в бытовой технике и т.д. Цифровые устройства в отличие от аналоговых устройств менее подвержены влиянию помех (паразитные сигналы за счет емкостных связей, внешних наводок и т.п.). Если помеха не превращает одно числовое значение или логическое состояние в другое, то любая помеха отсеивается на каждой ступени преобразования и на выходе схемы (устройства) восстанавливаются истинные значения сигнала и его элементов.

114

В цифровых устройствах в качестве параметра обычно выбирают не ток, а напряжение, уровень которого может быть «высоким» или «низким». Эти два состояния могут представлять различные биты информации, т.е. двоичные разряды: логическую единицу

(1) и логический нуль (0).

Цифровой сигнал может быть потенциальным или импульсным, выражаться в последовательной или параллельной форме с применением положительной или отрицательной логики представления его состояния.

Элементами потенциального цифрового сигнала являются потенциалы двух уровней: «высокий» уровень напряжения U1 и «низкий» - U0. Каждый уровень остается неизменным в течение так называемого тактового интервала. На рис. 2.8а изображен потенциальный цифровой сигнал, представляющий написанное сверху число; высоким потенциалом отображается 1, а низким – 0.

а)

б)

Рис. 2.8

115

Элементами импульсного цифрового сигнала являются импульсы неизменной амплитуды и их отсутствие. На рис 2.8б положительный импульс представляет 1, а отсутствие импульса представляет 0 написанного сверху двоичного числа.

Обоими цифровыми сигналами (рис. 2.8) двоичное число 10011010 выражено в последовательной форме (последовательным кодом): разряды числа представляются последовательно друг за другом. При этом потенциалы (импульсы), соответствующие разрядам числа, передаются по одной линии и обрабатываются устройством последовательно.

При представлении двоичного числа в параллельной форме (параллельным кодом) его разряды представляются одновременно. При этом количество линий передачи, а также однотипных элементов устройства, обрабатывающих цифровой сигнал, должно быть равно количеству разрядов числа, т.е. существенно увеличивается. Такой цифровой сигнал значительно быстрее обрабатывается устройством. На рис. 2.9 изображен потенциальный цифровой сигнал, выражающий двоичное число 10011010 в параллельной форме.

Кроме использованного соответствия (в цифровом сигнале элементом с большим значением представляется единица числа, а элементом с меньшим – значением - нуль) применяется и обратное (элемент сигнала с большим значением представляет нуль, а элемент с меньшим значением – единицу числа). Первое соответствие называется классом положительной, а второе – отрицательной логики.

Рис. 2.9

116

Цифровой сигнал может быть сформирован из непрерывного сигнала аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Обратное преобразование цифрового сигнала в непрерывный осуществляется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

2.1.4. Спектры электрических сигналов

Известно, что несинусоидальное колебание можно разложить на синусоидальные составляющие, которые называются гармониками. Совокупность гармоник, составляющих данное несинусоидальное колебание, представляет собой спектр этого колебания. Графическое изображение спектра колебания называют спектральной диаграммой.

На спектральной диаграмме каждая гармоника изображается вертикальной линией. Длина этой линии пропорциональна амплитуде гармоники, а ее положение на оси абсцисс определяется частотой гармоники. Спектральная диаграмма дает наглядное представление о зависимости амплитуд гармоник от их частот. Наряду с временной диаграммой, векторным и аналитическим выражениями зависимости спектральная диаграмма широко используется для характеристики различных колебательных процессов.

На рис. 2.10а, б, в приведены соответственно временная, векторная и спектральная диаграммы зависимости U=Umsinωt.

Рис. 2.10

117

Спектр синусоидального колебания самый простой и состоит всего из одной спектральной линии на соответствующей частоте f. Спектр, содержащий несколько спектральных линий, называется линейчатым (рис. 2.11а). Линейчатым спектром обладают только периодические процессы, регулярно повторяющиеся во времени. Случайные, вероятностные, непериодические процессы, которые переносят информацию, обладают сплошным спектром (рис. 2.11б),

занимающим полосу частот f fmax fmin .

Рис. 2.11

Периодическую импульсную последовательность можно рассматривать в качестве периодического несинусоидального колебания.

Известно, что для обработки импульсных сигналов используется математическая операция, называемая интегральным преобразованием Фурье, которая позволяет построить спектральные диаграммы для различных последовательностей видеоимпульсов.

Пользуясь принципом наложения, действие импульса на электрическую цепь заменяется суммарным действием всех его составляющих (гармоник).

На рис. 2.12а приведена временная диаграмма разнополярного импульсного напряжения прямоугольной формы. Спектральная диаграмма, соответствующая данной последовательности импульсов, показана на рис. 2.12б.

118

Выясним, от чего зависит плотность спектра. Если длительность импульса tи оставить неизменной, период повторения Т увеличить, то спектр становится плотнее. Если перейти от последовательности к одиночному импульсу (т.е. Т→∞, a f→0), то спектр будет содержать составляющие всех частот и становится сплошным.

Наоборот, при уменьшении периода и переходе к предельному случаю (Т→0, a f→∞), все импульсы на временной диаграмме сольются и изобразятся прямой, параллельной оси абсцисс, т.е. в их спектре останется лишь постоянная составляющая.

Рассмотрим спектр радиоимпульса, представленного в виде высокочастотного колебания, модулированного напряжением низкой частоты. Если колебания высокой частоты f0 модулируются по амплитуде синусоидальным напряжением низкой частоты f1, то спектр модулированного колебания содержит, как известно, гармонику несущей частоты f0 и две боковые гармоники f0+f1 и f0-f1 (рис.

2.13).

Если высокочастотные колебания модулируются видеоимпульсами, то с каждой составляющей их спектра получается пара боковых частот. Поэтому спектр радиоимпульса содержит две боковые полосы частот (рис. 2.14) по обе стороны от f0. Полоса пропускания устройства, по которому проходят радиоимпульсы, должна быть вдвое больше, чем при видеоимпульсах, огибающих эти радиоимпульсы.

По сравнению с видеоимпульсами спектр радиоимпульсов имеет большую ширину и смещен на f0 в область высоких частот.

Благодаря дискретности спектра импульсов и периодичности следования его составляющих, можно один и тот же канал связи использовать для одновременной передачи нескольких сообщений, т.е. уплотнять его.

Рис. 2.13

120