Й учебный вопрос. Сигнал и его параметры

В ФОРМЕ ВОУ ВПО

Кафедра инфокоммуникационных технологий и систем связи

«УТВЕРЖДАЮ»

Заведующий кафедрой №35

С.В. Папков

Г.

 

 

ЛЕКЦИЯ

 

по дисциплине Системы связи и оповещения в РСЧС

 

 

Тема 1. Системы связи

 

Занятие 1/2. Сигналы электросвязи

Обсуждена на заседании кафедры

«___» _________ 201__ г.

протокол №___

ХИМКИ 2014 г.

I. Учебные и воспитательные цели:

1. Дать понятие сигнала и его параметров, показать особенности описания различных первичных сигналов с помощью их параметров.

2. Дать обучаемым понятие модуляции различных видов сигналов и их кодирование

3. Прививать студентам навыки ориентирования во множестве методов обработки сигналов.

 

II. Учебно-материальное обеспечение:

РС-проектор, презентация лекции.

Время 2 час.

III. Расчет учебного времени:

Содержание занятия	Время, мин.
Вступительная часть
Учебные вопросы: 1. Сигнал и его параметры. 2. Первичные сигналы электросвязи. 3. Модуляция и кодирование первичных сигналов.
Заключительная часть

IV. Литература для самостоятельной работы обучающихся:

1. Крухмалев В. И. и др. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей. Учебник. Горячая линия-Телеком, М.: 2008. 2000у.

2. Папков С.В. и др. Термины и определения связи в МЧС России. – Новогорск: АГЗ. 2011. 2871к

3. Моторкин В.А. и др. Курс лекций по дисциплине (специальность – защита в ЧС) «Системы связи и оповещения» (учебное пособие) – Химки: АГЗ МЧС России - 2011.

 

ТЕКСТ ЛЕКЦИИ

Введение

Передача сообщений из одного пункта в другой составляет основную задачу теории и техники связи. Жизнь современного общества немыслима без широко разветвленных систем передачи информации. Без них не может функционировать ни одна отрасль промышленности современного государства. Примерами могут служить системы телефонной и телеграфной связи, радиовещание, телевидение, радиосвязь, системы спутниковой связи, современные локальные, глобальные и интегрированные сети связи и др.

Напоминаю, что одними из основополагающих понятий нашего курса являются информация, сообщение и сигнал. В общем случае под информацией понимают совокупность сведений о каких-либо событиях, явлениях или предметах. Для передачи или хранения информации используются различные знаки, позволяющие представить ее в той или иной форме. Этими знаками могут быть, например, слова и фразы человеческой речи, жесты, рисунки, форма колебаний, математические символы и другие. Совокупность знаков, содержащих ту или иную информацию, называют сообщением. Так, при телеграфной передаче сообщением является текст телеграммы, т.е. последовательность знаков – букв и цифр. При разговоре по телефону сообщением является непрерывное изменение во времени звукового давления, отражающее не только содержание, но и тембр, ритм и другие свойства речи конкретного человека.

 

й учебный вопрос. Сигнал и его параметры

В XVIII веке в теорию математики вошло понятие функции, как определенной зависимости какой-либо величины от другой величины – независимой переменной , с математической записью такой зависимости в виде . Довольно скоро математика функций стала базовой основой теории всех естественных и технических наук. Особое значение функциональная математика приобрела в технике связи, где временные функции вида , и т.п., используемые для передачи информации, стали называть сигналами.

В технических отраслях знаний термин "сигнал" (signal, от латинского signum – знак) очень часто используется в широком смысловом диапазоне, без соблюдения строгой терминологии. Под ним понимают:

и техническое средство (материальный носитель) для передачи, обращения и использования информации - электрический, магнитный, оптический сигнал;

и физический процесс, представляющий собой материальное воплощение информационного сообщения - изменение какого-либо параметра носителя информации (напряжения, частоты, мощности электромагнитных колебаний, интенсивности светового потока и т.п.) во времени, в пространстве или в зависимости от изменения значений каких-либо других аргументов (независимых переменных);

и смысловое содержание определенного физического состояния или процесса, как, например, сигналы светофора, звуковые предупреждающие сигналы и т.п.

Если сигнал может принимать любые значение из некоторого интервала (Рис. 1), то его называют непрерывным по значениям (аналоговым). Источниками аналоговых сигналов, как правило, являются физические процессы и явления, непрерывные в динамике своего развития во времени, в пространстве или по любой другой независимой переменной, при этом регистрируемый сигнал подобен (“аналогичен”) порождающему его процессу. Множество возможных значений сигнала образует континуум - непрерывное пространство, в котором любая сигнальная точка может быть определена с точностью до бесконечности.

Примеры сигналов, аналоговых по своей природе - изменение напряженности электрического, магнитного, электромагнитного поля во времени и в пространстве.

Рис. 1. Аналоговый сигнал

Дискретный сигнал (discrete signal) по своим значениям также является непрерывной функцией, но определенной только по дискретным значениям аргумента (Рис. 2). По множеству своих значений он является конечным (счетным) и описывается дискретной последовательностью отсчетов (samples) , где , - интервал между отсчетами (или шаг дискретизации, sample time), . Величина, обратная шагу дискретизации: , называется частотой дискретизации (sampling frequency). Если дискретный сигнал получен дискретизацией аналогового сигнала, то он представляет собой последовательность отсчетов, значения которых в точности равны значениям исходного сигнала по координатам .

Примеры дискретных сигналов - результаты различных измерений и т.п.

Рис. 2. Дискретный сигнал

Цифровой сигнал (digital signal) квантован по своим значениям и дискретен по аргументу. Он описывается квантованной решетчатой функцией , где - функция квантования с числом уровней квантования , при этом интервалы квантования могут быть как с равномерным распределением, так и с неравномерным, например, логарифмическим.

По существу, цифровой сигнал по своим значениям (отсчетам) является формализованной разновидностью дискретного сигнала при округлении отсчетов последнего на координатах до определенного количества цифр, как это показано на Рис. 3. В ПК и цифровых устройствах сигнал всегда представлен с точностью до определенного количества разрядов, а, следовательно, всегда является цифровым,

Рис. 3. Цифровой сигнал

Что касается цифровых сигналов в системах электросвязи, то, как правило, они представляет собой комбинации коротких одно- или двуполярных импульсов одинаковой амплитуды, которыми в двоичном коде с определенным количеством числовых разрядов кодируется исходная информация.

В принципе, квантованными по своим значениям могут быть и аналоговые сигналы, (Рис. 4), которые принято называть дискретно-аналоговыми. Но выделять эти сигналы в отдельный тип не имеет смысла - они остаются аналоговыми кусочно-непрерывными сигналами.

Рис. 4. Дискретно-аналоговый сигнал

В общем случае сигналы являются многомерными функциями пространственных, временных и прочих независимых переменных. Многомерный сигнал может рассматриваться, как упорядоченная совокупность одномерных сигналов. С учетом этого при анализе и обработке сигналов многие принципы и практические методы обработки одномерных сигналов, математический аппарат которых развит достаточно глубоко, распространяются и на многомерные сигналы. Физическая природа сигналов для математического аппарата их обработки значения не имеет.

При приеме сигналов, несущих информацию, вместе с основным сигналом одновременно регистрируются и мешающие сигналы - шумы и помехи самой различной природы (Рис. 5).

Например, линии связи искажают передаваемые сигналы из-за того, что их физические параметры отличаются от идеальных. Если линия связи включает промежуточную аппаратуру, то она также может вносить дополнительные искажения, так как невозможно создать устройства, которые бы идеально передавали сигнал.

Рис. 5. Сигнал с помехами

Кроме искажений, вносимых внутренними физическими параметрами линии связи, существуют и внешние помехи, которые вносят свой вклад в искажение формы сигналов на выходе. Эти помехи создают различные электрические двигатели, электронные устройства, атмосферные явления и т. д.

Целью обработки сигналов в самом общем смысле можно считать извлечение определенных информационных сведений, которые отображены в этих сигналах (кратко - полезная или целевая информация) и преобразование этих сведений в форму, удобную для восприятия и дальнейшего использования.

Анализ сигналов электросвязи осуществляется с целью их адекватной обработки в процессе передачи. Для этого обычно достаточно описать их в виде нескольких параметров, характеризующих основные свойства сигнала.

Если провести аналогию с транспортированием грузов, то для транспортной сети определяющими параметрами груза являются его масса и габариты. Сигнал также является объектом транспортирования, а техника связи – техникой транспортирования (передачи) сигналов по каналам связи.

Сообщение может быть функцией времени (речь, телевизионные сообщения), а может и не быть таковой (текст телеграммы, неподвижное изображение). Сигнал является всегда функцией времени, даже если сообщение таковым не является.

Всякий сигнал имеет начало и конец. Длительность сигнала определяет интервал времени, в пределах которого сигнал существует. Эта характеристика связана с количеством сведений, которое при прочих равных условиях должно быть пропорционально длительности. Длительность сигнала измеряется в единицах времени.

Характеристикой сигнала в интервале его существования может служить его энергетические параметры, оценивающие его силу. Пусть – функция, описывающая изменение напряжения сигнала во времени на некотором нагрузочном сопротивлении . Мгновенная мощность сигнала пропорциональна квадрату напряжения

,

а средняя мощность сигнала равна энергии, выделяющаяся на сопротивлении в течение интервала , отнесенной к продолжительности этого интервала

.

Мгновенная мощность сигнала может изменяться в достаточно широких пределах. Для упрощения количественной оценки энергии сигнала применяют отношение абсолютной величины к условной, выраженное в логарифмической форме:

Уровень передачи называется абсолютным, если .

Отношение максимальных энергетических показателей к минимальным называется динамическим диапазоном (иногда его называют энергетическим спектром сигнала)

.

Мощность сигнала сама по себе не определяет свойства сигнала как переносчика сообщения, т.к. нельзя игнорировать реальные условия передачи, определяемые наличием помех. Поэтому сигнал целесообразно характеризовать отношением мощности сигнала к мощности помех, выражаемым в децибелах

.

Эту величину называют превышением сигнала над помехой или просто превышением.

Кроме привычного представления сигналов и функций в виде зависимости их значений от определенных аргументов (времени, координаты и т.п.) широко используется математическое описание сигналов по обратным аргументам. Так, например, для времени обратным аргументом является частота. Возможность такого описания определяется тем, что любой сколь угодно сложный по своей форме сигнал можно представить в виде суммы более простых сигналов, и, в частности, в виде суммы простейших гармонических колебаний, что выполняется при помощи преобразования Фурье (Рис. 6). Соответственно, математически разложение сигнала на гармонические составляющие описывается значениями амплитуд и начальных фаз колебаний по непрерывному или дискретному аргументу. Совокупность амплитуд гармонических колебаний разложения называют амплитудным спектром сигнала (Рис. 7), а совокупность начальных фаз – фазовым спектром. Оба спектра вместе образуют полный частотный спектр сигнала, который по точности математического представления тождественен динамической форме описания сигнала.

Каждая составляющая синусоида называется также гармоникой, а набор всех гармоник называют спектральным разложением исходного сигнала.

Рис. 6. Представление непериодического сигнала суммой синусоид

 

Рис. 7. Прямоугольный периодический сигнал (меандр).

 

Спектральное разложение идеального импульса (единичной мощности и нулевой длительности) имеет составляющие всего спектра частот, от - ∞ до + ∞ (Рис. 8).

Рис. 8. Спектральное разложение идеального импульса

Такой выбор имеет ряд достоинств:

а) Разложение на гармоники реализуется достаточно легко математически (путем использования преобразования Фурье).

б) При воздействии гармонического сигнала на любую линейную цепь его форма не изменяется (остается гармонической). Сохраняется также частота сигнала. Амплитуда и фаза, конечно, изменяются, но их можно сравнительно просто рассчитывать.

в) В технике широко используются резонансные системы, позволяющие экспериментально выделять одну гармонику из сложного сигнала.

Таким образом, ширина (частотного) спектра дает представление о скорости изменения сигнала внутри интервала его существования.

Ширина спектра сигнала, в пределах которого сосредоточена основная (не менее 90%) энергия сигнала называют эффективно передаваемой полосой частот и его устанавливают экспериментально, исходя из требований качества передачи для конкретного вида сигнала.

Сигнал называется узкополосным, если отношение граничных частот ЭППЧ первичного сигнала .

Сигнал называется широкополосным, если отношение граничных частот ЭППЧ первичного сигнала .

Обобщенная характеристика сигнала это его объем: . В геометрическом представлении сигнал, выраженный его объемом представляет параллелепипед (см. Рис. 9).

Рис. 9. Геометрическая интерпретация объема сигнала

Характеристики, составляющие объем сигнала, находятся в определенной зависимости друг от друга. Изменение одной из них влечет за собой деформацию сигнала и/или модификацию одного или двух других параметров.

Перенос сигнала вдоль оси на есть задержка его на время , которая может быть осуществлена при помощи линии задержки или путем записи сигнала с последующим его воспроизведением (Рис. 10).

Рис. 10. Задержка сигнала

Перенос сигнала вдоль оси частот на осуществляется с помощью модуляции (Рис. 11).

Рис. 11. Модуляция сигнала

Перенос сигнала вдоль оси уровней вверх означает усиление сигнала на величину , а вниз по оси – ослабление на ту же величину (Рис. 12).

Рис. 12. Усиление сигнала

Еще одним важным параметром сигнала является его потенциальный информационный объем или количество информации , переносимое им в единицу времени

, бит/с,

где – коэффициент активности источника сигнала – отношение времени, в течение которого мощность сигнала превышает заданное пороговое значение, к общему времени; – средняя допустимая мощность помехи.