1 Измерительные сигналы

1.1 Классификация измерительных сигналов и сигналов помех

С информационной точки зрения сигналы можно разделить на детерми­нированные и случайные.

Детерминированнымназывают любой сигнал, мгновен­ное значение которого в любой момент времени можно предсказать с вероят­ностью единица. Примерами детерминированных сигналов могут служить им­пульсы или пачки импульсов, форма, амплитуда и положение во времени которых известны, а также непрерывный сигнал с заданными амплитудными и фазовыми соотношениями внутри его спектра.

К случайнымотносят сигналы, мгновенные значения которых заранее неизвестны и могут быть предсказаны лишь с некоторой вероятно­стью, меньшей единицы. Такими сигналами являются, например, электриче­ское напряжение, соответствующее речи, музыке, последовательности зна­ков телеграфного кода при передаче неповторяющегося текста. К случайным сигналам относится также последовательность радиоимпульсов на входе радиолокационного приемника, когда амплитуды импульсов и фазы их вы­сокочастотного заполнения флуктуируют из-за изменения условий распро­странения, положения цели и некоторых других причин. Можно привести большое число других примеров случайных сигналов. По существу, любой сигнал, несущий в себе информацию, должен рассматриваться как случай­ный.

Перечисленные выше детерминированные сигналы, «полностью извест­ные», информации уже не содержат. В дальнейшем такие сигналы часто бу­дут обозначаться термином колебание.

Наряду с полезными случайными сигналами в теории и практике прихо­дится иметь дело со случайными помехами — шумами.

.

Рис. 1.1.Сигналы произвольные по величине и по времени (а), произвольные по вели­чине н дискретные по времени (б), квантованные по величине и непрерывные по вре­мени (в), квантованные по величине и дискретные по времени (г)

Уровень шумов является основным фактором, ограничивающим скорость передачи информации при заданном сигнале. Поэтому изучение случайных сигналов неотделимо от изучения шумов. Полезные случайные сигналы, а также помехи часто объеди­няют термином случайные колебания или случайные процессы.

Дальнейшее подразделение сигналов можно связать с их природой: можно говорить о сигнале как о физическом процессе или как о закодирован­ных, например, в двоичный код, числах.

В первом случае под сигналом понимают какую-либо изменяющуюся во времени электрическую величину (напряжение, ток, заряд и т. д.), опре­деленным образом связанную с передаваемым сообщением.

Во втором случае то же сообщение содержится в последовательности двоично-кодированных чисел.

Сигналы, формируемые в радиопередающих устройствах и излучаемые в пространство, а также поступающие в приемное устройство, где они под­вергаются усилению и некоторым преобразованиям, являются физическими процессами.

В предыдущем параграфе указывалось, что для передачи сообщений на расстояние используются модулированные колебания. В связи с этим сиг­налы в канале радиосвязи часто подразделяют на управляющие сигналы и на радиосигналы;под первыми понимают модули­рующие, а под вторыми — модулированные колебания.

Обработка сигналов в виде физических процессов осуществляется с помощью аналоговых электронных цепей (усилителей, фильтров и т. д.).

Обработка сигналов, закодированных в цифру, осуществляется с помо­щью вычислительной техники.

Сигналы от источника сообщений могут быть как непрерывные, так и дискретные (цифровые). В связи с этим применяемые в современной радиоэлектронике сигналы можно разделить на следующие классы:

произвольные по величине и непрерывные по времени (рис. 1.1, а); произвольные по величине и дискретные по времени (рис. 1.1,б)квантованные по величине и непрерывные по времени (рис. 1.1, в); квантованные по величине и дискретные по времени (рис. 1.1, г). Сигналы первого класса (рис. 1.1, а) иногда называют аналоговыми, так как их можно толковать как электрические модели физических величин, или непрерывными, так как они задаются по оси времени на несчетном мно­жестве точек. Такие множества называются континуальными. При этом по оси ординат сигналы могут принимать любое значение в определенном ин­тервале. Поскольку эти сигналы могут иметь разрывы, как на рис. 1.1,а, то, чтобы избежать некорректности при описании, лучше такие сигналы обозначать термином континуальный.

Итак, континуальный сигнал s(t)является функцией непрерывной пе­ременнойt,а дискретный сигналs(х)— функцией дискретной переменнойх,принимающей только фиксированные значения. Дискретные сигналы могут создаваться непосредственно источником информации (например, ди­скретными датчиками в системах управления или телеметрии) или образо­вываться в результате дискретизации континуальных сигналов.

На рис. 1.1, б представлен сигнал, заданный при дискретных значениях времени t(на счетном множестве точек); величина же сигнала в этих точ­ках может принимать любое значение в определенном интервале по оси орди­нат (как и на рис. 1.1,а).Таким образом, терминдискретныйхарактери­зует не сам сигнал, а способ задания его на временной оси.

Сигнал на рис. 1.1., в)задан на всей временной оси, однако его величина может принимать лишь дискретные значения. В подобных случаях говорят о сигнале, квантованном по уровню.

В дальнейшем термин дискретный будет применяться только по отноше­нию к дискретизации по времени; дискретность же по уровню будет обозна­чаться термином квантование.

Квантование используют при представлении сигналов в цифровой фор­ме с помощью цифрового кодирования, поскольку уровни можно пронумеро­вать числами с конечным числом .разрядов. Поэтому дискретный по времени и квантованный по уровню сигнал (рис. 1.2, г)в дальнейшем будет называть­сяцифровым.

Таким образом, можно различать континуальные (рис. 1.1, а),дискрет­ные (рис. 1.1, б), квантованные (рис. 1.1, в) и цифровые (рис. 1.1,г)сигналы.

Каждому из этих классов сигналов можно поставить в соответствие ана­логовую, дискретную или цифровую цепи. Связь между видом сигнала и ви­дом цепи показана на функциональной схеме (рис. 1.2).

При обработке континуального сигнала с помощью аналоговой цепи не требуется дополнительных преобразований сигнала. При обработке же кон­тинуального сигнала с помощью дискретной цепи необходимы два преобра­зования: дискретизация сигнала по времени на входе дискретной цепи и обратное преобразование, т. е. восстановление континуальной структуры сигнала на выходе дискретной цепи. Наконец, при цифровой обработке кон­тинуального сигнала требуются еще два дополнительных преобразования: аналог—цифра, т. е. квантование и цифровое кодирование на входе цифро­вой цепи, и обратное преобразование цифра—аналог, т. е. декодирование на выходе цифровой цепи.

Процедура дискретизации сигнала и особенно преобразование аналог— цифра требуют очень высокого быстродействия соответствующих электрон­ных устройств. Эти требования возрастают с повышением частоты контину­ального сигнала. Поэтому цифровая техника получила наибольшее распро­странение при обработке сигналов на относительно низких частотах (зву­ковых и видеочастотах). Однако достижения микроэлектроники способствуют быстрому повышению верхней границы обрабатываемых частот.

Рис. 1.2. Виды сигнала и соответствующие им цепи

Вопросы для самопроверки

1. Какой сигнал называется детерминированным?

2. Какой сигнал называется случайным?

3. Какой сигнал называется дискретной гармонической последовательностью?

4. На какие классы можно разделить сигналы.