53. Спектры сигналов

Физические сигналы обычно описываются функциями времени. Одна­ко при передаче информации с помощью гармонических электромагнит- 38

пых волн удобно представлять сигналы набором гармонических состав­ляющих. Такое представление называют спектром. Физический смысл спектра заключается в том, что он определяет совокупность (набор) гармо­нических составляющих (с заданными амплитудами и частотами), форми­рующих форму сигнала во временной области. Например, частотный состав - спектр любых звуковых сигналов (музыка, речь и пр.), восприни­маемых человеком, - содержит гармонические составляющие от 16 Гц до 20000 Гц, т. е. требует для передачи полосы частот шириной 20 кГц. Однако уровень частотных составляющих речи на нижнем и верхнем уча­стках частот пренебрежимо мал по сравнению с амплитудами частот в се­редине частотного диапазона. Поэтому диапазон частот речевого сигнала в телефонных системах ограничивают полосой 300 ... 3400 Гц (в США 300 ... 3300 Гц). Этим объясняется некоторое различие в звучании голоса, который мы слышим при «живом» общении (по воздуху передается весь частотный состав голоса) и по телефону.

В общем случае спектр сигналов бесконечен, т.е. для получения задан­ной формы сигнала необходимо бесконечно большое число гармоник, одна­ко амплитуды гармоник падают с ростом частота. Это позволяет ограничил» реальный спектр некоторой полосой частот, достаточной для воспроизведе­ния сигналов с требуемой точностью. На рис. 5.4 показаны характеристики прямоугольных импульсов во временной и частотной областях.

Рис. 5.4

Очевидно, что для достаточно точного воспроизведения формы им­пульса достаточно трех гармонических составляющих основной частоты 1 / to. Реальная полоса частот прямоугольного импульса длительностью Аь определяется соотношением Af = (1 3) / /о. Например, в полосе частот (0... 1 /1₀) сосредоточено 90 % энергии, в полосе (0... 2 / /₀) - 95 % энергии, в полосе (0... 3 / to) - 97 % энергии сигнала.

S(t)

S(f)

5.4. Модуляция

Спектры сигналов, вырабатываемых терминалами (микрофонами, бу­квопечатающими ТА, ЭВМ) лежат в области низких частот. У цифровых сигналов основная энергия приходится на «нулевую» частоту, т.е. постоян­ную составляющую сигнала, поэтому такие сигналы часто называют сигна­лами постоянного тока. Ток низких частот свободно распространяется по проводникам (физическим проводам), но излучение и прием электромаг­нитных волн на этих частотах невозможен. Для передачи сигналов на большие расстояния с помощью электромагнитных волн необходимо перенести спектр низкочастотного сигнала в область высоких частот (ра­диочастот). Этот перенос спектра называют модуляцией, которая осуществ­ляется с помощью модулятора в передающем устройстве. Суть модуляции заключается в том, что один из параметров высокочастотного гармониче­ского колебания (его называют несущим колебанием, а частоту - несущей частотой) - (/„(/) = U(fios(2nfot + фо) изменяется по закону низкочастотного (управляющего) сигнала, содержащего передаваемое сообщение. В соот­ветствии с параметрами гармонического колебания различают амплитуд­ную, частотную и фазовую модуляцию.