Классификация диапазонов радиоволн
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Инженерно-экономический институт
 |
А. А. Кузьмин
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
И ЭЛЕКТРОНИКА
Часть 2
Основы электроники
Учебное пособие
Череповец
2006
|
Рассмотрено на заседании кафедры математических методов и информационных технологий в экономике, протокол № 10 от 01.06.06 г.
Одобрено УМС ГОУ ВПО ЧГУ, протокол № 2 от 20.10.05 г.
Кузьмин А. А. Электротехника и электроника: В 2 ч. Ч. 2: Основы электроники: Учеб. пособие. – Череповец: ГОУ ВПО ЧГУ, 2006. – 167 с.
– ISBN (Часть 2)
Н а у ч н ы й р е д а к т о р : В.В. Плашенков, д – р воен. наук, проф.
Р е ц е н з е н т ы : В.В. Плашенков, д – р воен. наук, проф. (ГОУ ВПО ЧГУ); К.А. Харахнин, канд. техн. наук, проф. (ГОУ ВПО ЧГУ)
|
© ГОУ ВПО Череповецкий государственный университет, 2006
Лекция 10
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ
СИГНАЛАХ
B радиотехнике изменяющиеся во времени электрические процессы (напряжение, ток или заряд) принято называть электрическими колебаниями. Электрическое колебание, используемое для передачи информации, называют сигналом. Эти два термина близки по смыслу и часто заменяют друг друга. Наряду с понятием «сигнал» часто используют и более общий термин электрическое колебание, под которым понимают любой электрический процесс в том случае, если не интересуются информацией, заключенной в нем.
|
|
|
Сложность процессов в радиотехнических устройствах зависит от сложности исходных сигналов. В ряде случаев для анализа таких процессов целесообразно пользоваться понятием «спектр сигналов».
Из курса математики известны ряды Фурье, с помощью которых удается представить сигнал совокупностью гармонических составляющих; доказывается ряд теорем, устанавливающих связь между некоторой функцией и ее преобразованиями по Фурье. Эти теоремы относятся и к преобразованиям сигналов и их спектров. Некоторые из этих теорем носят формальный характер и не соответствуют реальным преобразованиям сигналов и их спектров, поэтому такие преобразования рассматриваются с учетом специфики назначения сигналов.
1. Информация, сообщение и сигнал
Понятия «информация» (от лат. informatio‘разъяснение, изложение’) и «сообщение» в настоящее время неразрывно связаны между собой.
Под информацией подразумевается совокупность сведений о каких-либо событиях, явлениях или предметах, предназначенных для передачи, приема, обработки, преобразования, хранения или непосредственного использования.
|
|
|
То, что человек видит, слышит, помнит, знает, переживает, — все это различные формы информации. Как образно отметил один из основателей теории информации К.Э. Шеннон, информация — это послание, которое уменьшает неопределенность. Совокупность сведений, данных становится знанием лишь после их интерпретации с учетом ценности и содержания этих сведений. Следовательно, в широком смысле информацию можно определить как совокупность знаний обокружающем нас мире.
В отличие от материального и энергетического ресурсов, информационный ресурс не уменьшается при потреблении, накапливается со временем (установлено, например, что объем человеческих знаний удваивается каждые 10 лет), с помощью технических средств сравнительно легко и просто обрабатывается, хранится и передается на значительные расстояния.
Особенность информации состоит в том, что она обычно возникает в одном месте, а используется в другом. Передача информации — это процесс переноса сведений из одной точки пространства в другую. Для передачи или хранения информации используют различные знаки (символы), позволяющие выразить (представить) ее в некоторой форме. Этими знаками могут быть слова и фразы человеческой речи, жесты и рисунки, формы колебаний, математические знаки и т. д.
|
|
|
Очень часто наряду с информацией употребляется понятие «данные». Данные могут рассматриваться как признаки или зарегистрированные наблюдения, которые по каким-то причинам не используются, а только хранятся. Когда же появляется возможность использования этих данных для уменьшения неопределенности о чем-либо, они превращаются в информацию. Поэтому информацией являются используемые данные.
Информация, подлежащая передаче и выраженная в определенной форме, называется сообщением. Сообщение может быть представлено в форме текста телеграммы, некоторых сведений, передаваемых по телефону, факсу, радио и т.д. Сообщения могут быть функциями времени, например: речь в телефонных разговорах, спектакль при передаче по телевидению и т.д. Сообщение может и не являться функцией времени, например: текст телеграммы, неподвижное изображение и т.д.).
Сообщение (информация) может быть передано на какое-либо расстояние с помощью определенного материального носителя. Например, при передаче сообщения по почте материальным носителем служит бумага. В радиотехнике и теории связи в качестве носителей сообщений используют сигналы.
|
|
|
Сигнал - это физический процесс (или явление), несущий информацию о состоянии какого-либо объекта наблюдения. Сигнал переносит информацию в пространстве и во времени. По своей физической природе сигналы бывают электрическими, световыми, звуковыми и т.д. В радиотехнике используют в основном электрические сигналы. Электрический сигнал передает (развертывает) сообщение во времени. Следовательно, он всегда является функцией времени, даже если сообщение таковым не является.
Полезный сигнал также является объектом транспортировки (передачи), а техника связи – по существу техникой транспортирования сигналов пo каналам связи.
Как правило, электрические сигналы, непосредственно отражающие сообщения, маломощны и низкочастотны. Из курса физики известно, что электрические сигналы с низкими частотами не могут эффективно излучаться в свободное пространство. Передавать их непосредственно можно только по проводным или кабельным линиям (телефонной, телеграфной связи и т. д.).
Для передачи информации используют специальные электрические сигналы (переносчики сообщений),которыми являются хорошо излучающиеся и распространяющиеся в свободном пространстве мощные высокочастотные rapмонические электромагнитные колебания (несущие колебания). Сами несущие колебания не содержат информации (можно сказать, что передают с нулевой скоростью), а только переносят ее. Передаваемая по каналам связи информация закладывается в один параметр или ряд параметров несущего колебания.
2.Классификация радиотехнических сигналов
Основные понятия, термины и определения в области радиотехнических сигналов устанавливает Государственный стандарт «Сигналы радиотехнические. Термины и определения».
Математические модели сообщений, сигналов и помех с точки зрения решения проблем передачи информации являются фундаментом радиоэлектроники и теории связи. Особенно это относится к сигналам. Радиотехнические сигналы чрезвычайно разнообразны.
Наиболее распространенными способами представлений (описаний) сигналов являются временное, спектральное, статистическое, геометрическое и аналитическое представления.
Реальный радиотехнический сигнал как физический объект аналитического и практического исследований достаточно сложен, а значит, его математическая модель может быть различной. Это позволяет классифицировать современные радиотехнические сигналы по ряду специфических признаков. Следует заметить, что любая классификация ограничена конкретными задачами, в интересах которых она проводится. На рис. 79 представлен вариант классификации.
Радиотехнические сигналы удобно рассматривать в виде математических функций, заданных во времени и физических координатах. С этой точки зрения сигналы делятся на одномерные и многомерные (векторные). Наиболее распространенные на практике одномерные сигналы являются функциями времени, а многомерные, кроме того, отражают положение в n-мерном пространстве. Например, сигналы, несущие информацию об изображении какого-либо предмета, являются функциями и времени, и положения на плоскости. Как правило, многомерные сигналы описываются довольно сложными аналитическими функциями и их обработка чаще всего возможна лишь в цифровой форме.
Повседневно встречающийся нам телевизионный сигнал является трехмерным сигналом, в котором содержатся строчные и кадровые информационные напряжения, отражающие меняющиеся в пространстве и времени изображения.
Рис. 79. Вариант классификации сигналов
По особенностям структуры временного представления все радиотехнические сигналы подразделяются на аналоговые, дискретные и цифровые.
Если физический процесс, порождающий сигнал, можно представить непрерывной функцией времени u (t)(рис. 80а), то такой сигнал называют аналоговым (непрерывным,или, более обобщенно, континуальным, когда он имеет скачки, разрывы по оси амплитуд). Понятие «аналоговый сигнал» связано с тем, что его любое мгновенное значение аналогично закону изменения соответствующей физической величины во времени.
В радиоэлектронике и технике связи широко применяются импульсные системы, действие которых основано на использовании дискретных сигналов. Например, сигнал, отражающий речь, является непрерывным как по уровню, так и по времени, а датчик температуры, выдающий ее значения через каждые 10 мин, служит источником сообщений, непрерывных по величине, но дискретных по времени.
Простейшая математическая модель дискретного сигнала — это последовательность точек на временной оси, в каждой из которых заданы значения соответствующего непрерывного сигнала (рис. 80б). Дискретные сигналы могут быть созданы непосредственно источником информации (например, дискретные отсчеты в системах управления). Не следует думать, что дискретные сообщения обязательно преобразуются в дискретные сигналы, а непрерывные сообщения — в непрерывные сигналы. Чаще всего именно непрерывные сигналы используются дляпередачи дискретных сообщений (в качестве их переносчиков). Дискретные же сигналы можно использовать для передачи непрерывных сообщений (после их дискретизации).
Рис. 80. Модели сигналов:
а - аналогового; б - дискретного; в - цифрового
Одной из разновидностей дискретных сигналов является цифровойсигнал. Цифровым называют сигнал с конечным числом дискретных уровней, которые можно пронумеровать числами с конечным количеством разрядов. Чаще всего дискретные значения сигнала заменяются числами, реализованными в двоичном коде, который представляют высоким (единица) и низким (нуль) уровнями потенциалов напряжения (рис. 80в).
По степени наличия anриорной информации (до проведения наблюдения)радиотехнические сигналы принято делить на детерминированные (регулярные) и случайные сигналы (рис. 81).
|
Рис. 81. Детерминированный (а) и случайный (б) сигналы
Детерминированными называют радиотехнические сигналы, мгновенные значения которых в любой момент времени достоверно известны, т. е. предсказуемы с вероятностью, равной единице. Примером детерминированного радиотехнического сигнала может служить гармоническое колебание, последовательность или пачка импульсов, форма, амплитуда и временное положение которых заранее известны.
Детерминированный сигнал не несет в себе никакой информации и практически все его параметры можно передать по каналу радиосвязи одним или несколькими кодовыми значениями.
Детерминированные сигналы подразделяются на периодические и непериодические (импульсные). Импульсный сигнал — это сигнал конечной энергии, существенно отличный от нуля в течение ограниченного интервала времени, соизмеримого со временем завершения переходного процесса в системе, для воздействия на которую этот сигнал предназначен.
Периодические сигналы бывают гармоническими, т.е. содержащими только одну гармонику (колебание одной частоты, см. рис. 81а), и полигармоническими, спектр которых состоит из множества гармонических составляющих. К гармоническим сигналам относятся сигналы, описываемые функцией синуса или косинуса. Все остальные сигналы являются полигармоническими.
Детерминированные сигналы делятся на элементарные, описываемые простейшими математическими формулами, и сложные. Элементарными являются постоянный и гармонический сигналы, а также сигналы, описываемые единичной и дельта-функцией. К сложным относятся импульсные и модулированные сигналы.
Случайные сигналы — это сигналы, мгновенные значения которых в любые моменты времени не известны и не могут быть предсказаны с вероятностью, равной единице. Практически все реальные случайные сигналы или большинство из них представляют собой хаотические функции времени (рис. 81б). Как ни парадоксально на первый взгляд, но сигналом, несущим полезную информацию, может быть только случайный сигнал. Информация в нем заложена во множестве амплитудных, частотных (фазовых) или кодовых изменений передаваемого сигнала. На практике любой радиотехнический сигнал, в котором заложена полезная информация, должен рассматриваться как случайный.
В процессе передачи информации сигналы могут быть подвергнуты тому или иному преобразованию. Это обычно отражается в их названии: сигналы модулированные, демодулированные (детектированные), кодированные (декодированные), усиленные, задержанные, дискретизированные, квантованныеи др.
По назначению, которое сигналы имеют в процессе модуляции, их можно разделить на модулирующие (первичный сигнал, который модулирует несущее колебание) или модулируемые (несущее колебание).
По принадлежности к тому или иному виду систем передачи информации различают телефонные, телеграфные, радиовещательные, телевизионные, радиолокационные, управляющие, измерительные и другие сигналы.
Классификация сигналов может быть продолжена, например, по частотному диапазону (по диапазону длин волн), по виду модуляции и т.д.
3.Основные параметры радиотехнических сигналов
Основными формами математического и физического представления радиотехнических сигналов являются спектральная (в частотной области) и временная. Обе указанные формы представления, в частности, используются для определения параметров сигналов.
Временная форма позволяет легко определить такие важные характеристики сигналов, как энергия, мощность и длительность.
Практически каждый сигнал, рассматриваемый как временной процесс, имеет начало и конец. Поэтому длительность сигнала Тс является естественным его параметром, определяющим интервал времени, в пределах которого сигнал существует.
Энергия сигнала определяется как интеграл в пределах длительности сигнала от квадрата сигнала
.
Именно такая энергия выделяется на резисторе с сопротивлением 1 Ом, если на его зажимы подано напряжение u (t).
Соответственно, мощность сигнала Рс характеризует энергию, приходящуюся на единицу времени: Рс= Ес / Т.
При передаче информации, как указывалось ранее, сигнал, соответствующий сообщению, закладывается в один или несколько параметров несущего колебания. Этот процесс в радиотехнике называется модуляцией. Модуляции могут подвергаться амплитуда, частота и текущая фаза несущего колебания.
Очевидно, что применяемый для передачи какой-либо информации модулированный сигнал должен соответствовать условиям передачи, т.е. его параметры должны обеспечить выполнение поставленной задачи.
К основным параметрам сигнала, которые являются основными с точки зрения его передачи, относятся: длительность сигнала Тс , его ширина спектра Fc и динамический диапазон Dc .
Ширина спектра сигнала Fc (область диапазона частот, которую занимает сигнал)дает представление о скорости изменения сигнала внутри интервала его существования. Спектр передаваемого сигнала в принципе может быть неограниченным. Однако для любого сигнала можно указать диапазон частот, в пределах которого сосредоточена его основная (до 90 %) энергия. Этим диапазоном и определяется ширина спектра полезного сигнала.
В системах связи реальную ширину спектра передаваемого сигнала часто сознательно сужают. Это связано с тем, что аппаратура и линия связи имеют ограниченную полосу пропускаемых частот. Сужают спектр исходя из допустимых искажений сигнала. Например, при телефонной связи требуется, чтобы речь была разборчивой и абоненты могли узнать друг друга по голосу. Для выполнения этих условий достаточно передать речевой сигнал в полосе от 0,3 до 3,4 кГц. Передача более широкого спектра речи в этом случае нецелесообразна, поскольку ведет к техническим усложнениям аппаратуры и к увеличению затрат.
Как правило, спектр модулированного сигнала шире спектра передаваемого сообщения и зависит от вида модуляции. Поэтому в теории сигналов используют такой параметр, как база сигнала, равный
.
Часто вводят более общую характеристику - объем сигнала, который определяется по формуле
,
где Dc – динамический диапазон сигнала.
Объем сигнала дает общее представление о возможностях данного множества сигналов как переносчиков сообщений. Чем больше объем сигнала, тем больше информации можно «заложить» в этот объем и тем труднее передать такой сигнал по каналу связи с требуемым качеством.
Динамический диапазон Dc - это отношение наибольшей мгновенной мощности передаваемого сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличать от нуля при заданном качестве передачи. Он выражается обычно в децибелах. Динамический диапазон речи телевизионного диктора, например, равен 25 ... 30 дБ, симфонического оркестра – 75 ... 100 дБ. Во избежание перегрузок канала в paдиовещании динамический диапазон часто сокращают до 35 ... 45 дБ.
Несущая частота сигнала, переносящего информацию, является важнейшим параметром. В современной радиотехнике используют электромагнитные колебания в диапазоне частот (радиодиапазоне) от 10 до 1013 Гц. Общепринятая международная классификация диапазонов радиоволн и соответствующих им диапазонов радиочастот приведена в табл. 2.
Для обеспечения устойчивой и надежной радиосвязи очень важна длина волны несущего колебания. На выбор диапазона радиоволн для конкретной системы передачи информации влияет ряд факторов, связанных с особенностью излучения и распространения электромагнитных волн, характером имеющихся в заданном диапазоне помех, параметрами сообщения, характеристиками и габаритными размерами передающих и приемных антенн.
Таблица 2
Классификация диапазонов радиоволн
| Наименование волн | Диапазон волн | Диапазон частот | Устаревшие (внерегламентные) термины |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| Декаметровые | 10 5 … 10 4 км | 3 … 30 Гц | |
| Мегаметровые | 10 4 … 10 3 км | 30 … 300 Гц | |
| Гектокилометровые | 10 3 … 10 2 км | 300 … 3000 Гц | |
| Мириаметровые | 10 2 … 10 км | 3 … 30 кГц | Сверхдлинные (СДВ) |
| Километровые | 10 … 1 км | 30 … 300 кГц | Длинные (ДВ) |
| Гектометровые | 1000 … 100 м | 300 … 3000 кГц | Средние (СВ) |
Продолжение
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| Декаметровые | 100 … 10 м | 3 … 30 МГц | Короткие (КВ) |
| Метровые | 10 … 1 м | 30 … 300 МГц |
Ультра-коротктие Волны (УКВ) |
| Дециметровые | 100 … 10 см | 300 … 3000 МГц | |
| Сантиметорвые | 10 … 1 см | 3 … 30 ГГц | |
| Миллиметровые | 10 … 1 мм | 30 … 300 ГГц | |
| Децимиллиметровые | 1 ... 0,1 мм | 300 … 3000 ГГц |
Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 1061; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!