Спектр непериодического колебания

Сигналы электросвязи, используемые для передачи информации, являются непериодическими. Непериодическое колебание в виде импульса (рис. 3.29, а) можно рассматривать как сумму бесконечно большого числа бесконечно малых по амплитуде гармонических колебаний, частоты которых располагаются очень близко друг к другу и занимают в общем случае всю полосу частот. Таким образом, спектр непериодического колебания является непрерывным или сплошным (рис. 3.29, б). При этом принято говорить о спектральной плотности амплитуд.

Непериодическое колебание

Рис. 3.29. Непериодическое колебание: а — идеальный импульс; б — спектральное разложение

О значении частотного представления сигнала

Результатом рассмотренного частотного способа представления сигналов является вывод о том, что и аналоговые, и цифровые сигналы состоят из набора гармоник, принадлежащих некоторому диапазону электромагнитных частот. Спектром сигнала называется диапазон частот, составляющих данный сигнал. Для сигнала, приведенного на рис. 3.18, спектр лежит в области частот от f до 3f. Абсолютной шириной полосы сигнала называется ширина его спектра. В рассматриваемом случае (см. рис. 3.18) ширина полосы равна 2f. Ширина полосы многих сигналов, таких, например, как сигнал, показанный на рис. 3.29, я, бесконечна. Впрочем, большая часть энергии таких сигналов приходится на относительно узкую полосу частот, называемую эффективной полосой или просто полосой. От того, какие частоты используются в сигнале, зависят его передающие свойства и степень искажения сигнала.

Как аналоговые, так и цифровые сигналы могут распространяться в соответствующих передающих средах (радиолинии, кабельные линии, волоконно-оптические линии, спутниковая связь и др.). Искажение передающим каналом синусоиды какой-либо частоты приводит в конечном счете к искажению передаваемого сигнала любой формы, особенно если синусоиды различных частот искажаются неодинаково. В аналоговых сигналах искажения могут снизить качество сигнала, а в цифровых могут появиться ошибочные биты: двоичная единица, превратившаяся в нуль, и наоборот. Так, если аналоговый сигнал передает речь, то за счет искажения обертонов (боковых частот) изменяется тембр голоса.

К факторам, воздействующим на сигнал в процессе передачи, относятся:

а) затухание — относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по каналу сигнала определенной частоты. Затухание А (дБ) вычисляют по формуле

где Рвых, Рвх — мощность сигнала на выходе и входе канала соответственно.

Поскольку при эксплуатации капала часто заранее известна основная частота передаваемого сигнала, т.е. частота, гармоника которой имеет наибольшие амплитуду и мощность, то достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажение передаваемых по каналу сигналов;

  • б) ограниченность полосы пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по каналу связи без значительных искажений;
  • в) задержка: при передаче цифрового сигнала различные компоненты, из которых он образован, достигают приемника с различными задержками, поскольку скорость распространения синусоидального сигнала по линии связи изменяется с изменением частоты;
  • г) шумы, которые постоянно присутствуют в реальном канале. В отсутствие передаваемого сигнала в идеальной линии связи должен быть нулевой уровень электрического сигнала. Однако на практике в линии имеют место случайные всплески даже тогда, когда сигнал не передается. Эти всплески называют уровнем шумов в линии, и в пределе по мере затухания передаваемого сигнала его уровень становится сравнимым с уровнем шума. Низкое отношение сигнал/шум свидетельствует о сигнале низкого качества;
  • д) пропускная способность линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи (измеряется в битах в секунду (бит/с) и производных единицах Кбит/с, Мбит/с и т.д.). Пропускная способность линии зависит не только от ее характеристик, таких как амплитудно-частотная (показывает, как затухает амплитуда синусоиды или мощность на выходе канала связи по сравнению с амплитудой или мощностью на его входе для всех возможных частот передаваемого сигнала (рис. 3.30)), но и от того, какие сигналы передаются — аналоговые или цифровые.
Амплитудно-частотная характеристика

Рис. 3.30. Амплитудно-частотная характеристика

Если значимые гармоники сигнала, т.е. те гармоники, амплитуды которых вносят основной вклад в результирующий сигнал, попадают в полосу пропускания линии, то такой сигнал будет хорошо передаваться данной линией связи и приемник сможет правильно распознать информацию, отправленную по линии передатчиком. Если же значимые гармоники выходят за границы пропускания линии связи, то сигнал будет сильно искажаться, приемник будет ошибаться при распознавании информации. Воздействия различных факторов на сигнал в процессе передачи его по каналу связи показаны на рис. 3.31.

Источники затухания и искажения сигнала

Рис. 3.31. Источники затухания и искажения сигнала

Сигналы, используемые для передачи информации, как правило, являются непериодическими и практически все имеют бесконечно широкий спектр частот. Чтобы форма сигнала в пункте приема точно совпадала с формой сигнала в пункте передачи, необходимо передавать этот бесконечно широкий спектр. Сделать это в реальных условиях невозможно, да в этом и нет практической необходимости. Поскольку основная часть спектра сосредоточена в конечном интервале частот, то на практике спектр сигнала ограничивают до такой степени, при которой еще возможно восстановление исходного сообщения. Например, при телефонной связи требуется выполнить два условия — разборчивость и узнаваемость; при передаче телевизионного сигнала нужно сохранить необходимую четкость изображения и т.д.

Некоторые особенности спектра сигнала имеют принципиальное значение. Так, отсутствие высокочастотных компонент означает, что для передачи сигнала требуется более узкая полоса. Или конкретный сигнал может содержать значительный диапазон частот, но любая передающая система на практике сможет вместить только ограниченную область частот, что, в свою очередь, ограничивает скорость передачи данных.

Таким образом, для понимания процесса передачи данных рассматривается ширина спектра различных сигналов, т.е. та часть спектра, которую необходимо передать по системе связи для уверенного восстановления сигнала при приеме. И анализ сигнала с точки зрения его частотного представления является более важным, чем с точки зрения временного представления. Техника определения спектра любого исходного сигнала известна. Для сигналов, которые хорошо описываются аналитически, например для последовательности прямоугольных импульсов одинаковой длительности и амплитуды (см. рис. 3.25, а), спектр легко вычисляется по формулам Фурье. Для сигналов произвольной формы, встречающихся на практике, спектр можно найти с помощью специальных приборов — спектральных анализаторов, которые измеряют спектр реального сигнала и отображают амплитуды составляющих гармоник на экране или распечатывают их на принтере.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >