ВИДЫ СИГНАЛОВ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Основные понятия временнбго представления сигнала

В самом общем смысле под сигналом понимается физическое явление или процесс, несущий информацию (сообщение) о каком-либо событии или состоянии объекта наблюдения, либо передача команды управления или оповещения.

В радиоэлектронике сигналы, как правило, представлены в виде электрического колебания, характеристики которого (ток или напряжение, длительность, частота, фаза и т.д.) однозначно связаны с каким-либо параметром конкретного физического процесса (сообщения). Поэтому наряду с термином «сигнал» используют термин «электрическое колебание».

Будем рассматривать электромагнитные сигналы как средство передачи данных. Данные — объекты, передающие смысл или информацию. Сигналы — это электрическое или электромагнитное представление данных. Сам сигнал является функцией времени, но для передачи данных его можно рассматривать и с точки зрения частотного представления. Ниже рассматриваются оба способа.

Если рассматривать сигнал как функцию времени, то он может быть непрерывным (аналоговым) или дискретным. Непрерывным называется сигнал, изменение интенсивности которого во времени описывается гладкой функцией, т.е. в сигнале нет пауз и разрывов (рис. 3.2). С математической точки зрения сигнал U(t) является непрерывным, если для всех a lim U(t) = U(a).

t->a

Непрерывный сигнал

Рис. 3.2. Непрерывный сигнал

Примерами непрерывного сигнала являются речь, видеоизображение. Многие данные, собираемые с помощью датчиков, например температура и давление, также принимают непрерывные значения.

Интенсивность дискретного сигнала в течение некоторого периода является постоянной, а затем также изменяется на постоянную величину (рис. 3.3). Примерами дискретного сигнала являются набор двоичных нулей и единиц, текст.

Дискретный сигнал

Рис. 3.3. Дискретный сигнал

Простейшим типом сигнала является периодический сигнал, в котором некоторая структура периодически повторяется во времени. На рисунке 3.4 приведен пример периодического непрерывного сигнала (синусоида) и периодического дискретного сигнала (прямоугольный импульс).

Периодические сигналы

Рис. 3.4. Периодические сигналы: а — синусоидальный; б — прямоугольный

В общем случае синусоидальный сигнал можно представить в виде U(0 = Uraax sin(“ 1 + Фо) = Umax Sm(2*ft + ф0) (3.2)

и задать тремя параметрами: максимальной амплитудой U^, частотой f и фазой <р0. Максимальной амплитудой называется максимальное значение или интенсивность сигнала во времени. Частотой называется темп повторения сигналов (измеряется в периодах за секунду или герцах). Эквивалентным параметром частоты f является период сигнала Т, представляющий собой время, за которое происходит повторение сигнала (см. рис. 3.4), следовательно, Т = 1/f. Фаза является мерой относительного сдвига по времени в пределах отдельного периода сигнала.

Для синусоидальных сигналов существует два простых соотношения, одно из которых связано со временем, а другое — с пространством. Определим длину волны сигнала А как расстояние, занимаемое одним периодом. Предположим, что сигнал распространяется со скоростью и. Тогда длина волны связана с периодом соотношением X = иТ или, иначе, АТ = и.

По характеру все сигналы можно разделить на 4 группы.

1. Непрерывная функция непрерывного аргумента x(t) (рис. 3.5). Такие сигналы называются просто непрерывными или аналоговыми. Они могут изменяться в произвольные моменты времени, принимая любые значения из непрерывного множества возможных значений x(t) - оо < t < оо.

Непрерывная функция непрерывного аргумента

Рис. 3.5. Непрерывная функция непрерывного аргумента

2. Непрерывная функция дискретного аргумента x(tj) (рис. 3.6). Функция может принимать произвольные значения, но изменяется только в определенные (дискретные) моменты времени j = 0, 1,2,___(квантование по времени). Квантование непрерывных сигналов по времени называют дискретизацией. Дискретизация позволяет любой непрерывный сигнал представить отдельными мгновенными значениями, соответствующими, например, амплитуде импульса в определенный момент времени tj.

Непрерывная функция дискретного аргумента

Рис. 3.6. Непрерывная функция дискретного аргумента

3. Дискретная функция непрерывного аргумента x,(t) (рис. 3.7).

Дискретная функция непрерывного аргумента

Рис. 3.7. Дискретная функция непрерывного аргумента

Дискретный сигнал непрерывного времени может изменяться в произвольные моменты времени, но величина сигнала принимает только конкретные разрешенные дискретные значения (уровни). Процесс замены непрерывной функции x(t) функцией iAx(t), т.е. ограниченным числом дискретных значений по дискретной шкале уровней, называется квантованием по уровню. Непрерывное значение сигнала в момент времени tk в этом случае можно представить ближайшим значением по дискретной шкале уровней (рис. 3.8), отнеся его либо к х,, либо к х2. Такое квантование приводит к погрешности, называемой шумом квантования

Погрешность квантования

Рис. 3.8. Погрешность квантования

Обычно принимается, что шум квантования является случайным и подчиняется нормальному закону распределения (рис. 3.9).

Закон описания шума квантования

Рис. 3.9. Закон описания шума квантования

4. Дискретная функция дискретного аргумента (рис. 3.10).

Дискретная функция дискретного аргумента

Рис. 3.10. Дискретная функция дискретного аргумента

Сигнал x(t) в дискретные моменты времени принимает только конкретные дискретные значения, т.е. x(t) заменяется сигналом x,(tj), или, иначе, принимает ближайшее значение по шкале квантования по уровню iAx в моменты времени j At. Это квантование по времени и по уровню.

Иногда в отдельный класс выделяют импульсные сигналы, которые отличны от нуля лишь в течение конечного интервала времени. Импульсные сигналы на интервале своего существования могут быть непрерывными (например, импульсы колоколообразной формы) или дискретными (прямоугольные).

Все сигналы, как непрерывные, так и дискретные, могут быть периодическими (значение сигнала повторяется через определенные промежутки времени, называемые периодами) и непериодическими.

Система связи, осуществляющая перенос сигнала Хт из одной точки пространства в другую, — это сложный комплекс взаимодействующих технических средств (передатчик, канал связи (КС), приемник и др.) (см. рис. 3.52).

Преобразование сообщения в передаваемый сигнал Хт — некоторый материальный носитель сообщения — выполняет передатчик по строго определенному правилу (модуляция, кодирование, манипуляция), выбор которого зависит от типа сообщения и сигнала.

Доставленный в пункт приема сигнал Хх должен быть снова преобразован в сообщение и затем передан получателю. Однако и сигнал Х'х, и принятое сообщение могут отличаться от сигнала Хх на входе системы связи и передаваемого сообщения а.

Основная причина искажения передаваемого сигнала Хх — воздействие помех в линии связи, непременной составляющей КС, и отчасти шумы в аппаратуре передачи данных (АПД), входящей в КС.

Восстановление переданного сообщения по принятому сигналу Хх осуществляет приемник. Причем эта операция возможна, если известно правило преобразования сообщения в сигнал. На основе этого правила вырабатывается правило обратного преобразования сигнала в сообщение (демодуляция, декодирование). Оно и позволяет приемнику выбрать сообщение из известного множества возможных сообщений, в идеальном случае полностью совпадающее с переданным сообщением ах. Однако восстановить переданное сообщение иногда и не удается. Вследствие искажения принятого сигнала возможна ошибка при восстановлении сообщения.

Степень соответствия между переданным Хх и принятым сигналом Х'х определяет достоверность передачи данных, которая характеризуется вероятностью искажения бита и для КС без дополнительных средств защиты от помех составляет 10~5—10“6.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >