Задание 1.3.1. Исследование спектрального состава импульсного сигнала
Кафедра « Измерительно-вычислительные комплексы »
Дисциплина «ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И СЕТИ.
ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ»
Лабораторная работа № 1
Вариант: 13
Исследование электрических сигналов, используемых в инфокоммуникационных системах и сетях
Выполнил:
Студент группы ИСТбд-31
Силантьев А. Р.
Проверил:
Ефимов И. П.
Ульяновск
2020
Цель: познакомиться с электрическими сигналами, используемыми в инфокоммуникационных системах и сетях (ИКСС); изучить параметры и характеристик электрических сигналов; познакомиться с основами теории передачи и распространения электрических сигналов в каналах связи; определить параметры и характеристики электрических сигналов; изучить особенности распространения электрических сигналов в каналах связи.
Кратка теоретическая справка:
При передаче информации в ИКСС используются различные электрические (радиотехнические) сигналы. Кроме электрических в ИКСС используются оптические и радиоволновые сигналы. Каждый вид сигналов имеет свои особенности и требует специфических методов описания и анализа.
По специфике представления во временной области сигналы делятся на аналоговые, дискретные и цифровые.
Если сигнал может быть представлен непрерывной функцией, то такой сигнал называют аналоговым, рис. 1.1.
|
|
|
Такие сигналы могут без дополнительного преобразования обрабатываться преобразователями аналоговых сигналов и аналоговыми вычислительными устройствами (аналоговыми вычислительными компьютерами). Примерами аналогового сигнала могут являться: постоянное напряжение, генерируемое термопарой, или переменное гармоническое напряжение, выдаваемое частотным датчиком давления.
Дискретные сигналы можно получить из аналоговых сигналов за счет их специального преобразования, которое называют дискретизацией. На рис. 1.2 показан пример дискретного сигнала, который получен из аналогового сигнала при постоянном периоде дискретизации Т=const.
Величина, обратная периоду дискретизации, называется частотой дискретизации 
= 1/Т. Соответствующая ей угловая (круговая) частота 
= 2π/Т. Дискретные сигналы также могут порождать источники информации, в качестве которых могут выступать, например, датчики или цифровые вычислительные устройства.
Одна и та же инфокоммуникационная система может иметь как каналы передачи аналоговой, так и каналы передачи цифровой информации. Зачастую для передачи информации используются комбинированные сигналы: несущий аналоговый сигнал модулируется дискретным сигналом. При этом полезная (передаваемая) информация содержится изначально в дискретном сигнале, а затем в аналоговом модулированном сигнале.
|
|
|
Пример цифрового сигнала показан на рис. 1.3.
Ось времени разделена на равные промежутки длительностью Т. В пределах каждого из таких промежутков в двоичном коде представлено число. Высокий уровень напряжения соответствует логической единице, низкий уровень – логическому нулю. Длительность импульса 
(логическая единица) равна длительности промежутка 
(логический ноль). В примере представлено трехразрядное кодирование, следовательно, T=3 =3 . В первой последовательности импульсов закодировано число 4 (100), во второй – число 5 (101), в третьей – число 6 (110), в четвертой – число 7 (111).
Цифровые сигналы очень удобны в плане их обработки в ИКСС. В процессе цифровой обработки мы имеем дело только с цифрами, то есть с абстракцией (без какой-либо «физики»). Поэтому в данном случае необходимо, чтобы под цифрами понималось нечто «физическое». Таким образом, идея цифровой обработки состоит в том, что физический сигнал (например, напряжение или ток) преобразуется в последовательность чисел, которая обрабатывается блоками ИКСС. Преобразованный цифровой сигнал в случае необходимости может быть обратно преобразован в физический сигнал (например, напряжение или ток).
|
|
|
Цифровая обработка сигналов представляет очень широкие возможности в плане приема, передачи и обработки информации. Многие из этих возможностей просто недостижимы при аналоговой передаче, приеме и обработке информации. Поэтому в одной и той же инфокоммуникационной системе (ИКС) может работать следующая схема: аналоговый сигнал преобразуется в цифровой сигнал, который подвергается цифровой обработке, затем обработанный цифровой сигнал преобразуется обратно в аналоговый сигнал. При этом следует иметь в виду, что на преобразование сигнала (аналог-цифра, цифра- аналог) затрачивается некоторое время. Данное обстоятельство может заставить отказаться от цифровой обработки информации в некоторых сверхбыстродействующих системах. Так, например, одна из систем автоматического регулирования сверх манёвренного истребителя Су-57 реализована только в аналоговом варианте.
По степени наличия априорной информации сигналы делятся на детерминированные и случайные. Детерминированными являются электрические сигналы, мгновенные значения которых в любой произвольный момент времени известны и описываются заданными функциями времени. Классическим примером детерминированного сигнала является гармоническое колебание. Передача информации в ИКСС с помощью детерминированных сигналов лишена смысла, так как такие сигналы не несут никакой информации. Гармоническое колебание, модулированное сигналом, содержащим передаваемую информацию, является примером случайного сигнала.
|
|
|
Итак, детерминированные сигналы не могут быть носителями информации. Однако сигналы такого рода достаточно широко используются при отладке, тестировании и ремонте отдельных функциональных узлов ИКСС. Такими узлами могут быть, например, активные репитеры (усилители) электрических сигналов (в кабельных каналах передачи информации, например, в широко распространенных сетях Ethernet), приемники и передатчики радиочастотных электромагнитных колебаний (в беспроводных каналах передачи информации, например, технология Wi-Fi). Также детерминированные сигналы могут использоваться в системах технической диагностики ИКСС.
В процессе передачи информации электрические сигналы могут претерпевать различные преобразования: модуляцию, демодуляцию, кодирование, декодирование, усиление, квантование и другое. По своему назначению, которое имеют сигналы в процессе модуляции, их разделяют на модулирующие и модулируемые. Как уже отмечалось выше, модулирующим является сигнал, который несет передаваемую информацию, модулируемый сигнал является просто несущим колебанием.
Информационные сигналы часто смешиваются с шумами и помехами. При этом полезный сигнал искажается, и сообщение может быть обработано с ошибкой. Искажение электрического сигнала может быть обусловлено:
1. Искажениями в процессе генерирования сигнала, его транспортировки, обработки и интерпретации в самой ИКС;
2. Помехами, действующими как на функциональные узлы ИКС, так и на каналы связи.
Искажения сигнала внутри самой ИКС достаточно предсказуемы и могут быть исключены за счет соответствующей корректировки. Помехи имеют случайный характер и представляют серьезную проблему.
В особую группу выделяют индустриальные помехи, которые создаются работающими промышленными устройствами и механизмами. Особенно это актуально для ИКСС промышленного назначения, которые имеют ряд отличий от их офисных аналогов:
1. Повышенная стойкость к внешним механическим, климатическим, электромагнитным, а в ряде случаев и к радиационным воздействиям;
2. Высокая степень пыле - и влагозащищенности;
3. Защита от изменения режима работы при случайном нежелательном внешнем механическом воздействии;
4. Наличие резервного источника электропитания для обеспечения бесперебойной работы;
5. Высокая надежность, которая достигается как за счет применения соответствующих компонентов, так и за счет резервирования функциональных узлов и каналов передачи информации.
Вклад в общий фон индустриальных помех вносят: электрические станки, конвейеры, электродвигатели, электротранспорт, медицинские установки, электрические и электронные системы двигателей внутреннего сгорания, радиотехнические системы гражданского и военного назначения.
Детерминированные электрические сигналы любой произвольной формы могут быть представлены суммами чистых гармонических сигналов, которые также называют гармониками. Подобно тому как солнечный свет с помощью призмы разделяется на цветовые составляющие (от красного до фиолетового) (рис.1.4), любой сигнал сложной формы может быть разложен на гармоники.
Первая (основная) гармоника имеет частоту сигнала, вторая гармоника – вдвое большую частоту, третья гармоника – втрое большую частоту и так далее. Различают четные и нечетные гармоники.
На рис. 1.5 приведен пример сложного электрического колебания (рис. 1.5, а), которое получается путем сложения первой гармоники (рис. 1.5, б) и второй гармоники (рис.1.5, в).
Алгоритм графического построения сложного сигнала из набора гармонических составляющих состоит в следующем:
1. Временные диаграммы всех гармоник располагаются друг под другом, как это показано на рис. 1.5, при этом масштаб времени для всех диаграмм должен быть один и тот же.
2. Интервал времени, соответствующий двум периодам результирующего сигнала, разбивается на ряд промежутков времени, например, на двадцать (по десять на период). Чем больше будет выбрано промежутков времени, тем точнее будет построение.
3. Производится суммирование напряжений всех гармоник на границах отмеченных промежутков времени. При суммировании обязательно следует учитывать полярности напряжений гармонических составляющих.
4. Выполняется построение временной диаграммы искомого сигнала, при этом на границах отмеченных временных промежутков откладываются полученные суммы напряжений.
Точность воспроизведения формы искомого сигнала зависит от числа учтенных гармонических составляющих. Например, на рис. 1.6 показан пример построения прямоугольного импульса в зависимости от количества гармоник его составляющих.
Как видно из рис. 1.6, чем большее число гармоник учитывается при построении сигнала, тем более его форма приближается к прямоугольному импульсу.
Построение сигнала сложной формы можно произвести в программе моделирования электронных схем Micro-Cap, рис. 1.7.
На рис. 1.7 представлена схема для построения сигнала сложной формы из трех гармонических составляющих. Источники гармонического сигнала 
, 
и 
создают исходные гармонические колебания, из которых составляется сложный сигнал. Резисторы 
– 
образуют делители напряжения соответствующих гармоник. Как видно из схемы, рис. 1.7, амплитуда первой гармоники примерно в три раза больше, чем амплитуда второй гармоники, а амплитуда третьей гармоники, в свою очередь, также больше амплитуды третьей гармоники примерно в три раза. Амплитуды гармоник задаются соответствующим выбором соотношений сопротивлений резисторов в делителях. Суммирование напряжений производится инвертирующим сумматором, выполненном на операционном усилителе. Так как сопротивления резисторов 
и 
равны, то на выходе усилителя (резистор 
) формируется сумма напряжений гармоник в чистом виде. Однако, так как сумматор инвертирует входной сигнал, то результирующий сигнал также оказывается инвертированным. Под инверсией в данном случае понимается изменение знака напряжения результирующего сигнала.
На рис. 1.8 показана первая (основная) гармоника (источник ). Как видно из рис. 1.8, частота первого гармонического колебания равна 100 Гц.
На рис. 1.9 показаны все три исходные гармоники с частотами 100, 200 и 300 Гц соответственно. В результате сложения получен сигнал сложной формы – нижняя временная диаграмм на рис. 1.10. Верхние три временные диаграммы, рис. 1.10, соответствуют исходным гармоническим составляющим.
Если требуется составить сложный сигнал из n гармоник, то схема должна содержать, соответственно, n источников гармонического напряжения и n делителей напряжения.
В качестве источника гармонического колебания используется источник сигнала Voltage Source, для настройки которого необходимо ввести следующие параметры, рис. 1.11.
В поле AC magnitude задать амплитудное значение гармонического колебания, в поле F0 – частоту данного колебания. Для формирования гармонического сигнала необходимо нажать кнопку Sin.
Для построения искомого сигнала задается режим моделирования Transient из меню Analysis, диалоговое окно режима показано на рис. 1.12.
В качестве выражения X Expession (ось Х) всегда выбирается время Т. Выражениями Y Expression (ось Y) являются напряжения, формируемые на элементах схемы. Ввод выражений в соответствующие поля производится с помощью контекстного меню. В поле Р для выражений указаны цифры от 1 до 4, что задает отображение всех сигналов в виде отдельных графиков. Если в поле Р поместить все единицы, то все сигналы будут отображаться на одной временной диаграмме. В поле Time Range указывается время, в течение которого будет наблюдаться переходный процесс.
Сигнал имеет два пика (отрицательный и положительный), которые соответствуют амплитуде гармонического напряжения или тока – 
или 
. Размахом сигнала является его удвоенная амплитуда.
Так как переменные сигналы все время изменяются, то для возможности оперирования с ними ввели понятие действующего (среднеквадратического) значения. Действующим значением переменного тока является значение постоянного тока, при котором вырабатывается такая же мощность, как и при заданном значении переменного тока, рис. 1.14.
Связь между амплитудным значением синусоидального напряжения 
и его действующим значением 
: = 0,707 . Гармонический сигнал, рис. 1.14, симметричен относительно нулевого уровня, то есть 1.15 приведен пример гармонического сигнала при наличии постоянной составляющей.
Как видно из рис. 1.15, если к гармоническому сигналу амплитудой 10В добавить постоянную составляющую +5 В, то ось симметрии такого сигнала смещается на пять вольт относительно нулевого уровня, при этом максимальное положительное напряжение сигнала становится равным +15 В, а максимальное отрицательное значение – минус 5 В.
Определим постоянную составляющую сигнала, рис. 1.16.
Вычислим площадь импульса положительной полярности: А1=4 1 =4.
Вычислим площадь импульса отрицательной полярности: А2=2 1 =2.
Найдем период сигнала: Т=1+2=3. Рассчитаем суммарную площадь сигнала за период: А1-А2=4-2=2. Определим искомое значение постоянной составляющей: 2/3=0,67 В.
Если форма сигнала отличается от синусоидальной, то его действующее значение вычисляется следующим образом. Определяется площадь исследуемого сигнала за один его период, при этом отрицательное значение площади заменяется на положительное значение. Затем рассчитывается среднее значение площади за один период исследуемого сигнала. Искомое значение действующего напряжения равно квадратному корню из среднего значения площади сигнала за его период. Очевидно, что вычисление действующего значения сигнала аналогично расчету его постоянной составляющей, рис. 1.16, с той лишь разницей, что в последнем случае обе площади всегда складываются.
Число циклов (периодов) сигнала в единицу времени называется частотой сигнала. Например, если цикл изменения сигнала повторяется 10 раз в секунду, то частота сигнала равна 10 Гц. Периоды (циклы) некоторых распространенных сигналов показаны на рис. 1.17.
Как видно из рис. 1.17, период сигнала соответствует интервалу времени, заключенному между точками А и В.
Скважностью импульсов называется отношение периода сигнала к длительности импульса, рис. 1.18.
Рис. 1.18. К определению скважности последовательности импульсов
Скважность импульсного сигнала, рис. 1.18, определяется следующим образом: Q = ( 
+ 
) / 
. То есть скважность равна отношению периода к длительности (метке) импульса. Изменение скважности импульсов используется в ИКСС, например, при передаче информации с использованием широтно-импульсной модуляции.
Важными параметрами импульса, близкого по форме к прямоугольному, являются время нарастания его фронта (длительность фронта) 
(рис.1.19, а) и длительность среза импульса 
(рис.1.19, б).
Если импульс не имеет ярко выраженной плоской части (вершины), то определяют аналогично . Если импульс имеет вершину со спадом, как это показано на рис. 1.19, б, то для определения длительности среза выделяют точку К на сопряжении падающей вершины и среза импульса и только затем вычисляют , беря в качестве него интервал времени, за который напряжение от 0,9 
убывает до 0,1 .
Коэффициент спада вершины импульса рассчитывается по формуле: Кс=ΔU/ .
Общий вывод по работе: при выполнении работы были освоены принципы работы в программе Micro-Cap, а именно: построение основных элементов цепи, вычисления основных элементов цепи, используя средство Dynamic DC для проверки с вычисленными значениями. Также было исследование спектрального состава импульсного сигнала согласно значениям частоты основной гармоники и амплитуд гармонических составляющих, ознакомление с вычислением постоянной составляющей импульсного сигнала прямоугольной формы, а также принципы определения скважности импульсного сигнала, параметров реального прямоугольного импульса.
Задание 1.3.1. Исследование спектрального состава импульсного сигнала
1. Построить сигнал сложной формы графическим методом, спектральный состав сигнала указан в табл. 1.1, построение произвести на миллиметровой бумаге. Допускается построение сигнала с помощью специального программного обеспечения.
Таблица 1.1 Спектральный состав сигнала сложной формы:
| № варианта | Частота основной гармоники, Гц | Амплитуды гармонических составляющих, мВ | ||
| Первая гармоника | Вторая гармоника | Третья гармоника | ||
| 13 | 10 | 1000 | 350 | 100 |
2. Построить сигнал сложной формы, используя моделирование его формирования в программе Micro-Cap, спектральный состав сигнала указан в табл. 1.2.
Таблица 1.2 Гармоники, входящие в состав сигнала сложной формы, моделируемого в программе Micro-Cap:
| № варианта | Частота основной гармоники, Гц | Амплитуды гармонических составляющих, мВ | ||||
| Первая гармоника | Вторая гармоника | Третья гармоника | Четвертая гармоника | Пятая гармоника | ||
| 13 | 700 | 600 | - | 300 | - | 100 |
Сигнал сложной формы:
Схема моделирования:
Вывод: было произведено графическое представление сигнала с помощью программы Micro-Cap, по которому можно определить период сигнала и его амплитуду.
Дата добавления: 2020-12-22; просмотров: 252; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!