Сигнал - физический процесс, отображающий сообщение. В технических системах чаще всего используются электрические сигналы. Сигналы, как правило, являются функциями времени.

1. Классификация сигналов

Сигналы можно классифицировать по различным признакам:

1. Непрерывные ( аналоговые) - сигналы, которые описываются непрерывными функциями времени, т.е. принимают непрерывное множество значений на интервале определения. Дискретные - описываются дискретными функциями времени т.е. принимают конечное множество значений на интервале определения.

Детерминированные - сигналы, которые описываются детерминированными функциями времени, т.е. значения которых определены в любой момент времени. Случайные - описываются случайными функциями времени, т.е. значения которых в любой момент времени является случайной величиной. Случайные процессы (СП) можно классифицировать на стационарные, нестационарные, эргодические и неэргодические, а так же, гауссовы, марковские и т.д.

3. Периодические - сигналы, значения которых повторяются через интервал, равный периоду

х (t) = х (t+nT), где n = 1,2,...,¥; T - период.

4. Kаузальные - сигналы, имеющие начало во времени.

5. Финитные - сигналы конечной длительности и равные нулю вне интервала определения.

6. Когерентные - сигналы, совпадающие во всех точках определения.

7. Ортогональные - сигналы противоположные когерентным.

2. Характеристики сигналов

1. Длительность сигнала ( время передачи) Т с - интервал времени, в течении которого существует сигнал.

2. Ширина спектра F c - диапазон частот, в пределах которых сосредоточена основная мощность сигнала.

3. База сигнала - произведение ширины спектра сигнала на его длительность.

4. Динамический диапазон D c - логарифм отношения максимальной мощности сигнала - P max к минимальной - P min (минимально-различи-мая на уровне помех):

D c = log (P max /P min).

В выражениях, где может быть использованы логарифмы с любым основанием, основание логарифма не указывается.

Как правило, основание логарифма определяет единицу измерения (например: десятичный - [Бел], натуральный - [Непер]).

5. Объем сигнала определяется соотношениемV c = T c F c D c .

6. Энергетические характеристики: мгновенная мощность - P (t); средняя мощность - P ср и энергия - E. Эти характеристики определяются соотношениями:

P (t) = x 2 (t); ; (1)

где T = t max - t min .

3. Математические модели случайных сигнлов

Детерминированное, т.е. заранее известное сообщение, не содержит информации, т.к получателю заранее известно, каким будет переда-ваемый сигнал. Поэтому сигналы носят статистический характер .

Случайный (стохастический, вероятностный) процесс - процесс, который описывается случайными функциями времени.

Случайный процесс Х (t) может быть представлен ансамблем неслучайных функций времени x i (t), называемых реализациями или выборками (см. рис.1).

Рис.1. Реализации случайного процесса X (t)

Полной статистической характеристикой случайного процесса является n - мерная функция распределения: F n (x 1 , x 2 ,..., x n ; t 1 , t 2 ,..., t n), или плотность вероятности f n (x 1 , x 2 ,..., x n ; t 1 , t 2 ,..., t n).

Использование многомерных законов связанно с определенными трудностями,

поэтому часто ограничиваются использованием одномерных законов f 1 (x, t), характеризующих статистические характеристики случайного процесса в отдельные моменты времени, называемые сечениями случайного процесса или двумерных f 2 (x 1 , x 2 ; t 1 , t 2), характеризующих не только статистические характеристики отдельных сечений, но и их статистическую взаимосвязь.

Законы распределения являются исчерпывающими характеристиками случайного процесса, но случайные процессы могут быть достаточно полно охарактеризованы и с помощью, так называемых, числовых характеристик (начальных, центральных и смешанных моментов). При этом наиболее часто используются следующие характеристики: математическое ожидание (начальный момент первого порядка)

; (2)

средний квадрат (начальный момент второго порядка)

; (3)

дисперсия (центральный момент второго порядка)

; (4)

корреляционная функция, которая равна корреляционному моменту соответствующих сечений случайного процесса

. (5)

При этом справедливо следующее соотношение:

(6)

Стационарные процессы - процессы, в которых числовые характеристики не зависят от времени.

Эргодические процессы - процесс, в которых результаты усреднения и по множеству совпадают.

Гауссовы процессы - процессы с нормальным законом распределения:

(7)

Этот закон играет исключительно важную роль в теории передачи сигналов, т.к большинство помех являются нормальными.

В соответствии с центральной предельной теоремой большинство случайных процессов являются гауссовыми.

Марковский процесс - случайный процесс, у которых вероятность каждого последующего значения определяется только одним предыдущим значением.

4. Формы аналитического описания сигналов

Сигналы могут быть представлены во временной, операторной или частотной области, связь между которыми определяется с помощью преобразований Фурье и Лапласа (см. рис.2).

Преобразование Лапласа:

L -1: (8)

Преобразования Фурье:

F -1: (9)

Рис.2 Области представления сигналов

При этом могут быть использованы различные формы представления сигналов с виде функций, векторов, матриц, геометрическое и т.д.

При описании случайных процессов во временной области используется, так называемая, корреляционная теория случайных процессов, а при описании в частотной области - спектральная теория случайных процессов.

С учетом четности функций

и и в соответствии с формулами Эйлера: (10)

можно записать выражения для корреляционной функции R x (t) и энергетического спектра (спектральной плотности) случайного процесса S x (w), которые связанны преобразованием Фурье или формулами Винера - Хинчина

; (11) . (12)

5. Геометрическое представление сигналов и их характеристик

Любые n - чисел можно представить в виде точки (вектора) в n -мерном пространстве, удаленной от начала координат на расстоянии D ,

где . (13)

Сигнал длительностью T с и шириной спектра F с , в соответствии с теоремой Котельникова определяется N отсчетами, где N = 2F c T c .

Этот сигнал может быть представлен точкой в n - мерном пространстве или вектором, соединяющим эту точку с началом координат .

Длина этого вектора (норма) равна:

; (14)

где x i =x (n Dt) - значение сигнала в момент времени t = n. Dt.

Допустим: X - передаваемое сообщение, а Y - принимаемое. При этом они могут быть представлены векторами (рис.3).

X1 , Y1

0 a 1 a 2 x1 y1

Рис.3. Геометрическое представление сигналов

Определим связи между геометрическим и физическим представлением сигналов. Для угла между векторами X и Y можно записать

cos g = cos (a 1 - a 2) = cos a 1 cos a 2 + sin a 1 sin a 2 =

Сигналы характеризуются длительностью шириной спектра и динамическим диапазоном . В качестве обобщенной характеристики используется объем сигнала Длительность сигнала определяет время его суще ствования, ширина спектра - диапазон частот, в котором сосредоточена основная энергия сигнала. Динамический диапазон характеризует отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала Ртах к наименьшей допустимое значение которой определяется мощностью помех.

Важной характеристикой сигналов является также база . Сигналы называются узкополосными (простыми), если и широкополосными (сложными), если

Элементарные сигналы, получаемые на выходе УПС при использовании -позиционного кода, можно разделить на следующие группы :

сигналы обеспечивающие получение максимальной помехоустойчивости по отношению к флуктуационным помехам в детерминированных каналах. Энергия этих сигналов чаще всего одинакова: при а скалярное произведение при ортогональные сигналы, для биортогональные сигналы, для которых величина m всегда четная, любому из m сигналов всегда соответствует один противоположный сигнал, а остальные сигналов ортогональны; неортогональные сигналы, для которых соблюдается условие

Примером сигналов, обеспечивающих максимальную помехоустойчивость при детерминированном неискажающем канале и аддитивном белом шуме, являются сигналы, модулированные по фазе, и двухполюсные сигналы постоянного тока. К ортогональным относятся сигналы двоичной частотной модуляции (ЧМ), если частоты отрезков гармонических сигналов кратны частоте модуляции. Биортогональные сигналы используются при двукратной фазовой модуляции, когда Неортогональные сигналы применяются при фазовой модуляции, когда сдвиги между отдельными сигналами составляют, например 0°, 120° и 240°.

Многие задачи анализа и синтеза реальных сигналов упрощаются благодаря тому, что эти сигналы, как правило, сложные по форме, можно представить в виде простых сигналов. Это удобно для последующего анализа их прохождения через те или иные цепи. Например, некоторый сигнал может быть представлен в виде совокупности ортогональных составляющих (элементарных сигналов):

причем бесчисленным количеством способов. Запись (6.1) называют обобщенным рядом Фурье. Интервал показывает время действия сигнала. Так как система ортогональных функций применяемая при разложении, заранее известна, то сигнал определяется набором весовых коэффициентов для этих функций.

Такие наборы чисел называются спектрами сигналов. Спектр сигнала, представленный в виде суммы спектральных составляющих (6.1), называется дискретным.

Если для представления сигнала недостаточно дискретного набора базисных функций а требуется несчетное множество базисных функций отличающихся значением непрерывно изменяющегося параметра р, то сигнал представляется в виде интеграла

который называется обобщенным интегралом Фурье. Спектр такого сигнала характеризуется функцией непрерывной переменной (3 и называется непрерывным.

Рассматривая прохождение каждой составляющей спектра через линейную цепь с заданными характеристиками, сигнал на выходе цепи получаем также в виде (6.1) или (6.2) с весовыми коэффициентами или в общем случае отличными от или и зависящими от характеристик рассматриваемой цепи.

Помимо анализа в теории ПДС приходится решать задачи синтеза сигналов. Они могут быть двух типов: структурный синтез- определение формы сигналов, удовлетворяющих заданным требованиям; параметрический синтез - определение параметров сигналов известной формы. Если в процессе синтеза необходимо обеспечить экстремум того или иного функционала (или функции), который характеризует качество синтеза, то синтез называется оптимальным.

На практике широко используются системы сигналов прямоугольной и синусоидальной форм. Прямоугольные сигналы отличаются друг от друга амплитудой, длительностью, числом и местоположением импульсов прямоугольной формы на единичном интервале то. Элементарные сигналы синусоидальной формы представляют собой отрезки синусоидальных колебаний, отличных друг от друга по амплитуде, частоте и фазе.

PAGE 24

РОСТОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

СЕРВИСА И ТУРИЗМА

________________________________________________________________

Кафедра Радиоэлектроника

Лазаренко С.В.

ЛЕКЦИЯ № 1

по дисциплине “Радиотехнические цепи и сигналы”

Ростов-на-Дону

2010

ЛЕКЦИЯ 1

ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИГНАЛОВ

По дисциплине РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ

Время: 2 часа

Изучаемые вопросы: 1. Предмет, цель и задачи курса

2. Краткий обзор курса, связь с другими дисциплинами

3. Краткая история развития дисциплины

4. Общая методика работы над курсом, виды занятий,

формы отчетности, учебная литература

5 Энергетические характеристики сигнала

6 Корреляционные характеристики детерминированных сигналов

7 Геометрические методы в теории сигналов

8 Теория ортогональных сигналов. Обобщенный ряд Фурье

В данной лекции реализуются следующие элементы квалификационной характеристики:

Студент должен знать основные законы, принципы и методы анализа электрических цепей, а также методы моделирования электрических цепей, схем и устройств.

Студент должен владеть приемами выполнения расчетов цепей в установившемся и переходном режимах.

1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ КУРСА

Предметом изучения дисциплины РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫ являются электромагнитные процессы в линейных и нелинейных радиотехнических цепях, методы расчета цепей в установившемся и переходном режимах, непрерывные и дискретные сигналы и их характеристики.

От практики дисциплина берет объекты исследования - типовые цепи и сигналы, от физики - ее законы электромагнитного поля, от математики - аппарат исследования.

Целью изучения дисциплины является привитие студентам навыка расчета простейших радиотехнических цепей и ознакомление их с современными алгоритмами оптимальной обработки сигналов.

В результате изучения дисциплины каждый студент должен

ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ:

О современных алгоритмах оптимальной обработки сигналов;

О тенденциях развития теории радиотехнических цепей и сигналов,

ЗНАТЬ:

Классификацию радиотехнических сигналов;

Временные и спектральные характеристики детерминированных сигналов;

Случайные сигналы, их характеристики, корреляционный и спектральный анализ случайных сигналов;

Дискретные сигналы и их характеристики;

Алгоритмы цифровой обработки сигналов,

УМЕТЬ ИСПОЛЬЗОВАТЬ:

Методы аналитического и численного решения задач прохождения сигналов через линейные и нелинейные цепи;

Методы спектрального и корреляционного анализа детерминированных и случайных сигналов,

ВЛАДЕТЬ:

Приемами измерения основных параметров и характеристик радиотехнических цепей и сигналов;

Приемами анализа прохождения сигналов через цепи,

ИМЕТЬ ОПЫТ:

Исследования прохождения детерминированных сигналов через линейные стационарные цепи, нелинейные и параметрические цепи;

Расчета простейших радиотехнических цепей.

Эксплуатационная направленность подготовки по дисциплине обеспечивается проведением лабораторного практикума, в ходе которого каждому студенту прививаются практические навыки:

Работы с электро- и радиоизмерительными приборами;

Проведения экспресс-анализа нештатных ситуаций в работе фрагментов радиотехнических цепей по результатам измерений.

2 КРАТКИЙ ОБЗОР КУРСА, СВЯЗЬ С ДРУГИМИ ДИСЦИПЛИНАМИ

Дисциплина "Радиотехнические цепи и сигналы" базируется на знан и ях "Математики", "Физики", "Информатики", и обеспечивает усвоение ст у дентами общенаучных и специальных дисциплин, "Метрология и радиоизм е рения", "Устройства генерирования и формирования радиосигналов", "Устройства приема и обработки сигналов", "Основы телевидения и виде о техники", "Статистическая теория радиотехнических систем", "Радиотехн и ческие системы", курсовое и дипломное прое к тирование.

Изучение дисциплины "Радиотехнические цепи и сигналы" развивает у студентов инженерное мышление, готовит их к освоению специальных дисциплин.

Преподавание дисциплины направлено:

На глубокое изучение студентами основных законов, принципов и методов анализа электрических цепей, физической сущности электромагнитных процессов в устройствах радиоэлектроники;

На привитие твердых навыков по анализу установившихся и переходных процессов в цепях, а также по проведению экспериментов с целью определения характеристик и параметров электрических цепей.

Дисциплина состоит из 5 разделов:

1 Сигналы;

2 Прохождение сигналов через линейные цепи;

3 Нелинейные и параметрические цепи;

4 Цепи с обратными связями и автоколебательные цепи

5 Принципы цифровой фильтрации сигналов

3. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Возникновение теории электрических и радиотехнических цепей неразрывно связано с практикой: со становлением электротехники, радиотехники и радиоэлектроники. В развитие указанных областей и их теории внесли свой вклад многие отечественные и зарубежные ученые.

Явления электричества и магнетизма были известны человеку давно. Однако лить во второй половине ХУШ века они начали изучаться серьезно, с них стали срываться ореолы таинственности и сверхъестественности.

Уже Михаил Васильевич Ломоносов (1711 - 1765) предполагал, что в природе существует одно электричество и что электрические и магнитные явления органически связаны между собой. Большой вклад в науку об электричестве внес русский академик Франс Эпинус (1724 - 1802).

Бурное развитие учения об электромагнитных явлениях произошло в XIX веке, вызванное интенсивным развитием машинного производства. В это время человечество изобретает для своих практических нужд ТЕЛЕГРАФ, ТЕЛЕФОН, ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОСВЕЩЕНИЕ, СВАРКУ МЕТАЛЛОВ, ЗЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ и ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ.

Укажем в хронологической последовательности наиболее яркие этапы развития учения об электромагнетизме.

В 1785 году французский физик Кулон Шарль Ответ (1736 - 1806) установил закон механического взаимодействия электрических зарядов (закон Кулона) .

В 1819 году датчанин Эрстед Ханс Кристиан (1777 - 1851) обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, а в 1820 году французский физик Ампер Андре Мари (1775 - 1836) установил количественную меру (силу), действующую со стороны магнитного поля на участок проводника (закон Ампера) .

В 1827 году немецкий физик Ом Георг Симон (1787 - 1854) получил экспериментально связь между тоном и напряжением для участка металлического проводника (закон Ома).

В 1831 году английский физик Фарадей Майкл (1791 - 1867) установил закон электромагнитной индукции, а в 1832 году русский физик Ленц Эмилий Христианович (1804 - 1865) сформулировал принцип общности и обратимости электрических и магнитных явлений.

В 1873 году на основании обобщения экспериментальных данных по электричеству и магнетизму английский ученый Дж. К. Максвелл выдвинул гипотезу существования электромагнитных волн и разработал теорию для их описания.

В 1888 году немецкий физик Герц Генрих Рудольф (1857 - 1894) экспериментально доказал существование излучения электромагнитных волн.

Практическое использование радиоволн впервые осуществил русский ученый Александр Степанович Попов (1859 - 1905), который 7 мая 1895 года продемонстрировал на заседании Русского физико - химического общества передатчик (искровой прибор) и приемник электромагнитных волн (грозоотметчик) .

В конце XIX века в России работали известные инженеры и ученые Лодыгин Александр Николаевич (1847 - 1923), создавший первую в мире лампу накаливания (1873); Яблочков Павел Николаевич (1847 - 1894), разработавший электросвечу (1876); Доливо-Добровольский Михаил Осипович (1861 - 1919), создавший трехфазную систему токов (1889) и основавший современную энергетику.

В XIX веке анализ электрических цепей составлял одну из задач электротехники. Электрические цепи изучались и рассчитывались по чисто физическим законам, описывающим их поведение под действием электрических зарядов, напряжений и токов. Эти физические законы легли в основу теории электрических и радиотехнических цепей.

В 1893 - 1894 годах трудами Ч.Штейнметца и А.Кеннелли был развит так называемый символический метод, который сначала был применен для механических колебаний в физике, а затем перенесен в электротехнику, где комплексные величины стали использоваться для обобщенного представления амплитудно-фазовой картины установившегося синусоидального колебания.

На основе работ Герца (1888), а затем Пупина (1892) по резонансу и настройке RLC-контуров и связанных колебательных систем возникли проблемы определения передаточных характеристик цепей.

В 1889 году А.Кеннелли разработал формально - математический метод эквивалентного преобразования электрических цепей.

Во второй половине XIX века Максвелл и Гельмгольц разработали методы контурных токов и узловых напряжений (потенциалов), которые легли в основу матричных и топологических методов анализа более позднего времени. Весьма важным было определение Гельмгольцем принципа СУПЕРПОЗИЦИИ, т.е. отдельного рассмотрения нескольких простых процессов в одной и той же цепи с последующим алгебраическим суммированием этих процессов в более сложное электрическое явление в той же цепи. Метод суперпозиции позволил теоретически решать большой круг задач, которые до этого считались неразрешимыми и поддавались только эмпирическому рассмотрению.

Следующим существенным шагом в становлении теории электрических и радиотехнических цепей было введение в 1899 году понятия комплексного сопротивления электрической цепи переменному току.

Важным этапом формирования теории электрических и радиотехнических цепей было исследование частотных характеристик цепей. Первые идеи в этом направлении также связаны с именем Гельмгольца, который использовал для анализа принцип суперпозиции и метод гармонического анализа, т.е. применил разложение функции в ряд Фурье.

В конце XIX века были введены понятия Т- и П- образных цепей (их стали называть четырехполюсниками) . Почти одновременно с этим возникло понятие электрических фильтров.

Фундамент современной теории радиотехнических цепей и радиотехники вообще заложили наши соотечественники М.Б.Шулейкин, Б.А.Веденский, А.И.Берг, А.Л.Минц, В.А.Котельников, А.Н.Мандельштамм, Н.Д.Папалекси и многие другие.

4 ОБЩАЯ МЕТОДИКА РАБОТЫ НАД КУРСОМ, ВИДЫ ЗАНЯТИЙ, ФОРМЫ ОТЧЕТНОСТИ, УЧЕБНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Изучение дисциплины осуществляется на лекциях, лабораторных и практических занятиях.

Лекции являются одним из важнейших видов учебных занятий и с о ставляют основу теоретического обучения. Они дают систематизированные основы научных знаний по дисциплине, концентрируют внимание обуча е мых на наиболее сложных и узловых вопросах, стимулируют их активную познавательную деятельность, формируют творческое мышление.

На лекциях наряду с фундаментальностью обеспечивается необход и мая степень практической направленности обучения. Изложение материала увязывается с войсковой практикой, конкретными объектами специальной техники, в которых находят применение электрические цепи.

Лабораторные занятия имеют целью обучить студентов методам эк с периментальных и научных исследований, привить навыки научного анализа и обобщения полученных результатов, навыки работы с лабораторным об о рудованием, контрольно-измерительными приборами и вычислительной те х никой.

При подготовке к лабораторным занятиям студенты самостоятельно или (при необходимости) на целевых консультациях изучают соответству ю щий теоретический материал, общий порядок проведения исследований, оформляют бланки отчетов (вычерчивают схему лабораторной установки, необходимые таблицы).

Эксперимент является основной частью лабораторной работы и реал и зуется каждым студентом самостоятельно в соответствии с руководством к лабораторной работе. Перед проведением эксперимента проводится ко н трольный опрос в форме летучки, цель которого - проверка качества подг о товки студентов к лабораторной работе. При этом необходимо обращать внимание на знание теоретического материала, порядка выполнения работы, характер ожидаемых результатов. При приеме отчетов следует учитывать а к куратность оформления, соблюдение студентами требований ЕСКД, нал и чие и правильность необходимых выводов.

Практические занятия проводятся с целью выработки навыков в реш е нии задач, производстве расчетов. Главным их содержанием является пра к тическая работа каждого студента. На практические занятия выносятся зад а чи, имеющие прикладной характер. Повышение уровня компьютерной по д готовки осуществляется на практических занятиях путем выполнения расч е тов с помощью программируемых микрокалькуляторов или персональных ЭВМ. В начале каждого занятия проводится контрольный опрос, цель кот о рого - проверка подготовленности студентов к занятию, а также - активиз а ция их познавательной деятельности.

В процессе усвоения содержания дисциплины у студентов системат и чески формируются методические навыки и навыки самостоятельной работы. Студентам прививаются умения правильно задать вопрос, поставить пр о стейшую задачу, доложить сущность проделанной работы, пользоваться до с кой и наглядными пособиями.

Для привития первичных навыков подготовки и проведения учебных занятий предусматривается привлечение студентов в качестве помощников руководителя лабораторных занятий.

К числу важнейших направлений активизации познавательной де я тельности студентов относится проблемное обучение. Для его реализации с о здаются проблемные ситуации по курсу в целом, по отдельным темам и в о просам, которые реализуются:

С помощью введения новых проблемных понятий с показом того, как исторически они появились и как они применяются;

Путем столкновения студента с противоречиями между новыми явл е ниями и старыми понятиями;

С необходимостью выбора нужной информации;

Использованием противоречий между имеющимися знаниями по р е зультатам решения и требованиями практики;

Предъявлением фактов и явлений, необъяснимых на первый взгляд с

помощью известных законов;

Путем выявления межпредметных связей и связей между явлениями.

В процессе изучении дисциплины предусмотрен контроль усвоения материала на всех практических видах занятий в форме летучек, а по темам 1 и 2 форме двухчасовой контрольной работы.

Для определения качества обучения в целом по дисциплине проводи т ся экзамен. К экзамену допускаются студенты, выполнившие все требования учебной программы, отчитавшиеся о всех лабораторных работах, получи в шие положительные оценки по курсовой работе. Экзамены проводятся в ус т ной форме с необходимыми письменными пояснениями на классной доске (формулы, графики и т.п.). На подготовку каждому студенту предоставляется время не более 30 минут. Для подготовки к ответу студенты могут использ о вать разрешенные начальником кафедры методические и справочные мат е риалы. Подготовка к ответу может осуществляться письменно. Начальник кафедры может освобождать от сдачи экзамена студентов, показавших о т личные знания по результатам текущего контроля, с выставлением им оце н ки "отлично".

Таким образом, дисциплина "Радиотехнические цепи и сигналы" явл я ется системой концентрированных и в то же время достаточно полных и з а вершенных знаний, позволяющих радиоинженеру свободно ориентироваться в важнейших вопросах эксплуатации специальных радиотехнических устройств и систем.

ОСНОВНАЯ УЧЕБНАЯ ЛИТЕРАТУРА:

1. БАСКАКОВ С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. 3-е издание. М.: Высшая школа, 2000 .

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

2. БАСКАКОВ С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Руководство к решению задач: Учеб. пособие для радиотехн. спец. вузов. - 2-е издание. М.: Высшая шк о ла, 2002.

3. ПОПОВ В.П. Основы теории цепей. Учеб. для вузов.-3-е изд. М.: Высшая шк о ла, 2000 .

5 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИГНАЛА

Основными энергетическими характеристиками вещественного сигнала являются:

1) мгновенная мощность, определяемая как квадрат мгновенного значения сигнала

Если — напряжение или ток, то — мгновенная мощность, выделяемая на сопротивлении и 1 Ом.

Мгновенная мощность не аддитивна, т. е. мгновенная мощность суммы сигналов не равна сумме их мгновенных мощностей:

2) энергия на интервале времени выражается как интеграл от мгновенной мощности

3) средняя мощность на интервале определяется значением энергии сигнала на этом интервале, отнесенной к единице времени

где.

Если сигнал задан на бесконечном интервале времени, то средняя мощность определяется следующим образом:

Системы передачи информации проектируются так, чтобы информация передавалась с искажениями меньше заданных при минимальной энергии и мощности сигналов.

Энергия и мощность сигналов, определяемые на произвольном интервале времени, могут быть аддитивными, если сигналы на этом интервале времени ортогональны. Рассмотрим два сигнала и, которые заданы на интервале времени . Энергия и мощность суммы этих сигналов выражаются так:

, (1)

. (2)

Здесь, и, — энергия и мощность первого и второго сигналов, — взаимная энергия и взаимная мощность этих сигналов (или энергия и мощность их взаимодействия) . Если выполняются условия

то сигналы и на интервале времени называют ортогональными, и выражения (1) и (2) принимают вид

Понятие ортогональности сигналов обязательно связано с интервалом их определения.

Применительно к комплексным сигналам также пользуются понятиями мгновенной мощности, энергии и средней мощности. Эти величины вводят так, чтобы энергетические характеристики комплексного сигнала были действительными величинами.

1. Мгновенная мощность определяется произведением комплексного сигнала на комплексно-сопряженный сигнал

2. Энергия сигнала на интервале времени по определению равна

3. Мощность сигнала на интервале определяется как

Два комплексных сигнала и, заданные на интервале времени, являются ортогональными, если их взаимная мощность (или энергия) равна нулю.

6 КОРРЕЛЯЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ

Одной из важнейших временных характеристик сигнала является автокорреляционная функция (АКФ), позволяющая судить о степени связи (корреляции) сигнала с его сдвинутой по времени копией.

Для вещественного сигнала, заданного на интервале времени и ограниченного по энергии, корреляционная функция определяется следующим выражением:

, (3)

где - величина временного сдвига сигнала.

Для каждого значения автокорреляционная функция выражается некоторой числовой величиной.

Из (3) следует, что АКФ является четной функцией временного сдвига. Действительно, заменяя в (3) переменную на, получим

При сходство сигнала с его несдвинутой копией наибольшее и функция достигает максимального значения, равного полной энергии сигнала

С увеличением функция всех сигналов, кроме периодических, убывает (не обязательно монотонно) и при относительном сдвиге сигналов и на величину, превышающую длительность сигнала, обращается в нуль.

Автокорреляционная функция периодического сигнала сама является периодической функцией с тем же периодом.

Для оценки степени подобия двух сигналов и используется взаимная корреляционная функция (ВКФ), которая определяется выражением

Здесь и — сигналы, заданные на бесконечном интервале времени и обладающие конечной энергией.

Значение не меняется, если вместо задержки сигнала рассматривать опережение первого сигнала.

Автокорреляционная функция является частным случаем ВКФ, когда сигналы и одинаковы.

В отличие от функция в общем случае не является четной относительно и может достигать максимума три любом.

Значение определяет взаимную энергию сигналов и

7 ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ТЕОРИИ СИГНАЛОВ

При решении многих теоретических и прикладных задач радиотехники возникают такие вопросы: 1) в каком смысле можно говорить о величине сигнала, утверждая, например, что один сигнал значительно превосходит другой; 2) можно ли объективно оценивать, насколько два неодинаковых сигнала «похожи» друг на друга?

В XX в. был создан функциональный анализ — раздел математики, обобщающий наши интуитивные представления о геометрической структуре пространства. Оказалось, что идеи функционального анализа дают возможность создать стройную теорию сигналов, в основе которой лежит концепция сигнала как вектора в специальным образом сконструированном бесконечномерном пространстве.

Линейное пространство сигналов. Пусть - множество сигналов. Причина объединения этих объектов — наличие некоторых свойств, общих для всех элементов множества.

Исследование свойств сигналов, образующих такие множества, становится особенно плодотворным тогда, когда удается выражать одни элементы множества через другие элементы. Принято говорить, что множество сигналов наделено при этом определенной структурой. Выбор той или иной структуры должен быть продиктован физическими соображениями. Так, применительно к электрическим колебаниям известно, что они могут складываться, а также умножаться на произвольный масштабный коэффициент. Это дает возможность в множествах сигналов ввести структуру линейного пространства.

Множество сигналов образует вещественное линейное пространство, если справедливы следующие аксиомы:

1. Любой сигнал при любых принимает лишь вещественные значения.

2. Для любых и существует их сумма, причем также содержится в. Операция суммирования коммутативна: и ассоциативна: .

3. Для любого сигнала и любого вещественного числа определен сигнал =.

4. Множество М содержит особый нулевой элемент  , такой, что  для всех.

Если математические модели сигналов принимают комплексные значения, то, допуская в аксиоме 3 умножение на комплексное число, приходим к понятию комплексного линейного пространства.

Введение структуры линейного пространства, является первым шагом на пути к геометрической трактовке сигналов. Элементы линейных пространств часто называют векторами, подчеркивая аналогию свойств этих объектов и обычных трехмерных векторов.

Ограничения, налагаемые аксиомами линейного пространства, весьма жестки. Далеко не каждое множество сигналов оказывается линейным пространством.

Понятие координатного базиса. Как и в обычном трехмерном пространстве, в линейном пространстве сигналов можно выделить специальное подмножество, играющее роль координатных осей.

Говорят, что совокупность векторов { }, принадлежащих, является линейно независимой, если равенство

возможно лишь в случае одновременного обращения в нуль всех числовых коэффициентов.

Система линейно независимых векторов образует координатный базис в линейном пространстве. Если дано разложение некоторого сигнала в виде

то числа {} являются проекциями сигнала относительно выбранного базиса.

В задачах теории сигналов число базисных векторов, как правило, неограниченно велико. Такие линейные пространства называют бесконечномерными. Естественно, что теория этих пространств не может быть вложена в формальную схему линейной алгебры, где число базисных векторов всегда конечно.

Нормированное линейное пространство. Энергия сигнала. Для того чтобы продолжить и углубить геометрическую трактовку теории сигналов, необходимо ввести новое понятие, которое по своему смыслу соответствует длине вектора. Это позволит не только придать точный смысл высказыванию вида «первый сигнал больше второго», но и указать, насколько он больше.

Длину вектора в математике называют его нормой. Линейное пространство сигналов является нормированным, если каждому вектору однозначно сопоставлено число — норма этого вектора, причем выполняются следующие аксиомы нормированного пространства:

1. Норма неотрицательна, т. е. . Норма тогда и только тогда, если  .

2. Для любого числа справедливо равенство.

3. Если и — два вектора из , то выполняется неравенство треугольника: .

Можно предложить разные способы введения нормы сигналов. В радиотехнике чаще всего полагают, что вещественные аналоговые сигналы имеют норму

(4)

(из двух возможных значений корня выбирается положительное). Для комплексных сигналов норма

где * — символ комплексно-сопряженной величины. Квадрат нормы носит название энергии сигнала

Именно такая энергия выделяется в резисторе с сопротивлением 1 Ом, если на его зажимах существует напряжение.

Определять норму сигнала с помощью формулы (4) целесообразно по следующим причинам:

1. В радиотехнике о величине сигнала часто судят, исходя из суммарного энергетического эффекта, например количества теплоты, выделяемой в резисторе.

2. Энергетическая норма оказывается «нечувствительной» к изменениям формы сигнала, может быть, и значительным, но происходящим на коротких отрезках времени.

Линейное нормированное пространство с конечной величиной нормы вида (1.15) носит название пространства функций с интегрируемым квадратом и кратко обозначается.

8 ТЕОРИЯ ОРТОГОНАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ. ОБОБЩЕННЫЙ РЯД ФУРЬЕ

Введя во множестве сигналов структуру линейного пространства, определив норму и метрику, мы, тем не менее, лишены возможности вычислить такую характеристику, как угол между двумя векторами. Это удается сделать, сформулировав важное понятие скалярного произведения элементов линейного пространства.

Скалярное произведение сигналов. Напомним, что если в обычном трехмерном пространстве известны два вектора и, то квадрат модуля их суммы

где - скалярное произведение этих векторов, зависящее от угла между ними.

Действуя по аналогии, вычислим энергию суммы двух сигналов и:

. (5)

В отличие от самих сигналов их энергии неаддитивны - энергия суммарного сигнала содержит в себе так называемую взаимную энергию

. (6)

Сравнивая между собой формулы (5) и (6), определим скалярное произведение вещественных сигналов и:

Скалярное произведение обладает свойствами:

1. , где - вещественное число;

Линейное пространство с таким скалярным произведением, полное в том смысле, что оно содержит в себе все предельные точки любых сходящихся последовательностей векторов из этого пространства, называется вещественным гильбертовым пространством.

Справедливо фундаментальное неравенство Коши — Буняковского

Если сигналы принимают комплексные значения, то можно определить комплексное гильбертово пространство, введя в нем скалярное произведение по формуле

такое, что.

Ортогональные сигналы и обобщенные ряды Фурье. Два сигнала и называются ортогональными, если их скалярное произведение, а значит, и взаимная энергия равны нулю:

Пусть — гильбертово пространство сигналов с конечным значением энергии. Эти сигналы определены на отрезке времени, конечном или бесконечном. Предположим, что на этом же отрезке задана бесконечная система функций , ортогональных друг другу и обладающих единичными нормами:

Говорят, что при этом в пространстве сигналов задан ортонормированный базис.

Разложим произвольный сигнал в ряд:

(7)

Представление (7) называется обобщенным рядом Фурье сигнала в выбранном базисе.

Коэффициенты данного ряда находят следующим образом. Возьмем базисную функцию с произвольным номером, умножим на нее обе части равенства (7) и затем проинтегрируем результаты по времени:

. (8)

Ввиду ортонормированности базиса в правой части равенства (8) останется только член суммы с номером, поэтому

Возможность представления сигналов посредством обобщенных рядов Фурье является фактом большого принципиального значения. Вместо того, чтобы изучать функциональную зависимость в несчетном множестве точек, мы получаем возможность характеризовать эти сигналы счетной (но, вообще говоря, бесконечной) системой коэффициентов обобщенного ряда Фурье.

Энергия сигнала, представленного в форме обобщенного ряда Фурье. Рассмотрим некоторый сигнал, разложенный в ряд по ортонормированной базисной системе:

и вычислим его энергию, непосредственно подставив этот ряд в соответствующий интеграл:

(9)

Поскольку базисная система функций ортонормирована, в сумме (9) отличными от нуля окажутся только члены с номерами. Отсюда получается замечательный результат:

Смысл этой формулы таков: энергия сигнала есть сумма энергий всех компонент, из которых складывается обобщенный ряд Фурье.

Старший преподаватель кафедры Радиоэлектроника С. Лазаренко

«Многоканальная связь на ж. д. транспорте»

Конспект лекций

для студентов V курса

специализация СПИ

1. Общие сведения о системах и сетях телекоммуникаций. 2

1.1. Основные понятия и определения. 2

1.2. Первичные и вторичные сети. 3

1.3. Классификация и перспективы развития МСП.. 4

2. Параметры типовых первичных сигналов. 6

2.1. Обобщенная система параметров первичного сигнала. 6

2.2. Основные параметры типовых первичных сигналов. 9

2.2.1. Телефонный сигнал . 9

2.3.3. Факсимильный сигнал. 12

2.3.4. Сигнал дискретной информации (СДИ) 12

2.3.5. Телевизионный сигнал. 12

3. Принципы временного уплотнения сигналов. 13

3.1. Общие принципы формирования основного цифрового канала. 13

3.2. Временное объединение аналоговых сигналов. 13

. 14

. 15

3.3. Объединение цифровых потоков. 18

3.3.1. Посимвольное синхронное объединение . 18

3.3.2. Объединение асинхронных цифровых потоков . 21

3.3.3 Процедура согласования скоростей . 23

4. Плезиохронная цифровая иерархия. 27

4.1. Стандарты плезиохронной иерархии. 27

4.2. Группообразование с двухсторонним согласованием скоростей. 31

4.2.1. Временное группообразование вторичного цифрового сигнала . 31

4.2.2. Временное группообразование третичного и четверичного цифрового сигнала . 32

4.3. Группообразование с односторонним согласованием скоростей. 34

5. СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ Е1. 38

5.1. Физический уровень Е1. 38

5.1.1 Линейное кодирование . 39

5.1.2 Уровни сигналов, электрические параметры интерфейса, форма импульса . 41

5.2. Канальный уровень Е1. 43

5.2.1. Цикловая и сверхцикловая структура Е1 . 43

5.2.2. Процедуры контроля ошибок передачи. Использование избыточного кода CRC-4 . 45

5.3. Сетевой уровень Е1. 47

5.4. Структура систем передачи Е1. 49

6. Синхронная цифровая иерархия. 51

6.1. Сравнение SDH и PDH.. 51

6.2. Особенности построения синхронной иерархии. 52

6.3. Сборка модулей STM-N.. 54

6.4. Правила образования транспортного модуля STM-1. 55

6.5. Процесс формирования модуля STM-1 из потока трибов Е1. 57

6. 6. Назначение заголовков и указателей. 61

6.7. Особенности технической реализации синхронных муьлтиплексоров. 62

6. 8. Методы контроля четности. 64

6. 9. Резервирование. 65

1. Общие сведения о системах и сетях телекоммуникаций

1.1. Основные понятия и определения

Многоканальные системы передачи представляют собой большие и сложные технические системы, которые воплощают в себе самые современные знания и технологии, полученные в разных областях науки и техники. Чтобы дать компактное и в то же время исчерпывающее описание этих систем, нужно использовать общепринятые (желательно согласованные на международном уровне) термины и определения различных объектов, процессов и устройств, относящихся к этой области.

Информацией называют совокупность сведений, данных о каких-либо событиях, явлениях или предметах окружающего нас мира. Для передачи или хранения информации используют различные знаки (символы), которые являются своеобразной формой представления информации. Такими знаками могут быть слова и фразы человеческой речи на том или ином языке, буквы и слова письменной речи, жесты и рисунки, математические и нотные знаки и т. п. Совокупность знаков, отображающих ту или иную информацию, называют сообщением.

Сообщение может иметь электрическую или неэлектрическую природу. В большинстве случаев интерес представляют сообщения неэлектрической природы. Источник и получатель сообщений разделены некоторой средой, в которой источник образует возмущения. Именно эти возмущения отображают сообщения и воспринимаются получателем. Например, при разговоре источником сообщений является голосовой аппарат человека, в качестве сообщения выступает изменяющееся в пространстве и во времени воздушное давление – акустические волны, а получателем служит человеческое ухо.

Процесс передачи (транспортирования) сообщения от источника к получателю в соответствии с принятыми правилами называют связью. При этом используют какой-либо материальный носитель сообщения (бумагу, магнитную ленту и т. д.) и/или физический процесс, отображающий (несущий) передаваемое сообщение. Последний называют сигналом. Тип сигнала определяется характером физического процесса передачи информации. Сигнал называют электрическим, если физический процесс представляет собой передачу электрического тока (напряжения), звуковым – если используется передача акустических колебаний и т. д.

Совокупность средств, обеспечивающих передачу сообщений от источника к получателю, образует канал связи.

Передача сообщений посредством электрических сигналов называется электросвязью, соответственно канал связи, который обеспечивает такую передачу, – каналом электросвязи.

Для передачи каких-либо сообщений неэлектрической природы по каналу электросвязи они должны подвергнуться определенным преобразованиям, которые выполняют первичные преобразователи сообщений (ППС). ППС представляет собой устройство, которое формирует в пункте передачи первичный электрическийсигнал (ПЭС) – электромагнитное колебание, изменение параметров которого соответствует сообщению неэлектрической природы. Примерами ПЭС являются телефонный, телеграфный, телевизионный, сигнал звукового вещания и другие сигналы. В качестве типовых ППС можно назвать микрофон, фотодиод, телевизионную передающую камеру и т. д.

Первичный электрический сигнал может передаваться непосредственно по физической цепи, содержащей пару металлических проводников, но, как правило, ПЭС подвергается дополнительным преобразованиям. Например, для передачи по волоконно-оптической линии связи ПЭС преобразуется в определенного вида оптический сигнал, для направленной передачи в открытом пространстве – в высокочастотный радиосигнал и т. д. На приемной стороне осуществляются обратные преобразования и снова восстанавливается ПЭС. Далее он поступает на обратный преобразователь сообщения (ОПС) – устройство, которое преобразует электрический сигнал в сообщение неэлектрической природы. Типовыми ОПС являются громкоговоритель, светодиод, кинескоп телевизора и др.

Различные виды электросвязи классифицируют либо по типу передаваемых ПЭС (например, телефонная, видеотелефонная, телеграфная, факсимильная, телевизионная и т. п.), либо по типу линии передачи (спутниковая, волоконно-оптическая, радиорелейная и т. п.), если канал электросвязи является универсальным.

Системой электросвязи называют совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающих передачу сигналов электросвязи. В качестве среды распространения используют проводные и беспроводные линии (или радиолинии).

Проводными называются линии, в которых электромагнитные сигналы распространяются в пространстве вдоль непрерывной направляющей среды. К проводным относятся металлические воздушные и кабельные линии, волноводы, световоды. В радиолиниях сообщения передаются посредством радиоволн в открытом пространстве. Этот вид связи обеспечивает большую дальность, пригоден для подвижных источников и получателей сообщения, но зато в большей степени подвержен воздействию внешних помех.

1.2. Первичные и вторичные сети

Понятия "первичные и вторичные сети" были одними из основных в терминологии Взаимоувязанной сети связи (ВСС) России (а до этого – в терминологии ЕАСС) и определяли архитектуру ее построения.

Под первичной сетью понимается совокупность типовых физических цепей, типовых каналов передачи и сетевых трактов, образованных на базе сетевых узлов, сетевых станций, оконечных устройств первичной сети и соединяющих их линий передачи.

Вторичная сеть определяется как совокупность линий и каналов вторичной сети, образованных на базе первичной сети, станций и узлов коммутации или станций и узлов переключений, предназначенная для организации связи между двумя определенными точками или более. Границами вторичной сети являются ее стыки с абонентскими оконечными устройствами. В зависимости от основного вида электросвязи вторичную сеть называли телефонной, телеграфной, передачи данных, сетью распространения программ телевизионного вещания, передачи газет и др. По территориальному признаку вторичные сети разделяли на междугородные и зоновые (внутризоновые и местные).

На базе вторичных сетей организуются системы, представляющие собой комплекс технических средств, осуществляющих электросвязь определенного вида и включающие в себя соответствующую вторичную сеть и подсистемы: нумерации, сигнализации, учета стоимости и расчета с абонентами, технического обслуживания и управления.

На современном этапе, с появлением новых услуг связи , помимо телефонной, с появлением большого количества независимых провайдеров, которые эти услуги поставляют, а также таких технологий как АТМ и MPLS и других, стандарты которых захватывают как первичную, так и вторичные сети передачи информации границы между первичными и вторичными сетями постоянно стираются.

Бурное развитие современных технологий приводит к тому, что нормативная база резко отстала от существующего положения на сетях.

На сегодняший момен, на мой взгляд, следует остановиться на следующих определениях: следует оставить понятие первичной сети, как транспортной сети (линии передачи с оконечным оборудованием); вторичная сеть – сеть услуг (телефонная связь, передача данных и т. д.)

1.3. Классификация и перспективы развития МСП

Многоканальные системы передачи (МСП) представляют собой комплекс технических средств, обеспечивающих одновременную и независимую передачу нескольких сигналов с требуемым качеством по одной линии передачи. МСП классифицируются по следующим признакам.

1. По виду направляющей среды: проводные и беспроводные.

В свою очередь различают: а) проводные по воздушным линиям – ВСП; по кабельным линиям – КСП; по волоконно-оптическим линиям – ВОСП; б) беспроводные по радиорелейным линиям передачи – РРСП; по спутниковым линиям – ССП.

2. По числу источников сообщений (числу каналов N): а) малоканальные – N< 12 (обычно по воздушным линиям связи); б) среднеканальные – N= 12 – 60 (обычно КСП по симметричным кабелям или РРСП); в) многоканальные – N > 300 (обычно КСП по коаксиальным кабелям или РРСП, а также ВОСП); г) сверхмногоканальные – N >> 3000 (только ВОСП или КСП по «большим» коаксиальным кабелям, например система К-3600).

Для унификации МСП число источников сообщений (каналов) определяют по числу эквивалентных телефонных сообщений, которые могут быть переданы в МСП.

3 По форме передаваемых сигналов: а) аналоговые (АСП) – используемые для передачи аналоговых электрических сигналов, которые за конечный интервал времени могут принимать бесконечное множество состояний (рис. 1.4,а). Примером таких АСП являются системы типа В-12, К-1920 и т. п.; б) дискретные – используемые для передачи дискретных сигналов, которые на конечном интервале времени имеют конечное (дискретное, счетное) число состояний (рис. 1.4,б); в) цифровые (ДСП) – используемые для передачи цифровых сигналов, которые дискретны по времени и имеют два разрешенных уровня «1» и «0» мгновенных значений (рис. 1.4,в). Примером ЦСП является аппаратура типа ИКМ-30, ИКМ-1920 и т. п.

Рис. 1.4 а. Рис. 1.4 б. Рис. 1.4 в.

Основные тенденции развития МСП:

1. постоянный и неуклонный переход от АСП к ЦСП;

2. преимущественное развитие ВОСП, особенно магистральных с большим числом каналов;

3. увеличение доли ССП;

4. повышение надежности, улучшение качественных показателей МСП.

2. Параметры типовых первичных сигналов

2.1. Обобщенная система параметров первичного сигнала

Спектральная плотность Gx(f) случайного процесса характеризует распределение мощности отдельных спектральных компонент сигнала x(t) . Если сигнал x(t) периодический, то функция Gx(f) дискретна; если сигнал x(t) непериодический, то функция Gx(f) непрерывна.

Передать сигнал без искажений, не передавая его спектр, невозможно. Любое сокращение спектра, допущенное при передаче, ведет к искажению сигнала.

Все реально существующие сигналы связи представляют собой случайные процессы с бесконечно широким спектром. При этом, основная энергия сосредоточена в относительно узкой полосе частот. Поскольку передать весь спектр сигнала невозможно, то по линии связи передают ту часть спектра сигнала, в которой сосредоточена основная энергия, и при этом искажения не превышают допустимых значений.

На рисунке 2.1 приведены характерные зависимости Gx(f) :

Рис. 2.1. Характерные зависимости спектральной плотности Gx(f) :

а) для случая, когда спектр сигнала сосредоточен в основном в полосе частот Fн < f < Fв, где Fн, Fв – нижние и верхние граничные частоты (рис. 2.1 а);

Если Fв/Fн >> 1, то сигнал считается широкополосным; при Fв/Fн ≈ 1 – узкополосным.

б) когда 0 < f < Fв т. е. Fн = 0 (рис. 2.1, б);

в) когда сигнал имеет бесконечно широкий и равномерный спектр, этот вариант является удобной математической моделью и соответствует условному сигналу, называемому «белым шумом» (рис. 2.1, в).

Ширина спектра сигнала, равная разности максимальной FВ и минимальной FН частот передаваемого спектра ΔF=FВ – FН является одной из важнейших его характеристик.

Мощность сигнала, усредненную на интервале времени T → ∞ называют средней долговременной мощностью Рх. ср. Если T конечно, например 1 минута или 1 час, то получим среднеминутную или среднечасовую мощность. Наконец, при T → 0 получим мгновенное значение мощности сигнала Рх в момент t0.

Поскольку x(t) – случайный процесс, то строго теоретически в отдельные моменты времени выбросы сигнала x(t) и соответственно мгновенное значение мощности Px(t) (усредненной за малый интервал ΔT) могут быть очень большими. Обычно за максимальную мощность сигнала принимается такая величина Px max = Xmax2, превзойти которую мгновенное значение Px может только с очень малой вероятностью ε. Обычно ε = 0,01 или 0,001.

Пик-фактор сигнала – это отношение его максимальной мощности Pmax, определенной выше, к средней долговременной Pср, выраженной в логарифмических единицах (децибелах):

.

Для большинства сигналов Кп не превышает 13 – 18 дБ.

В процессе передачи сигнал x(t) по тем или иным причинам (иногда и сознательным) искажается в результате к получателю поступает сигнал x’(t) ≠ x(t). Ошибка воспроизведения сигнала x(t) оценивается мощностью ошибки Pε, определяемой в виде

Получатель не замечает искажений сигнала, если Pε не превышает некоторо допустимогоо (порогового) значения Pε max. Под динамическим диапазоном понимается величина

, дБ,

где Pmax – максимально возможная мощность сигнала.

Также динамический диапазон определяется как отношение максимальной (пиковой) мощности Рс max сигнала к его минимальной мощности Рс min , выраженное в логарифмических единицах. Под пиковой мощностью понимается мощность сигнала, превышаемая в течение определенного времени. Динамический диапазон сигнала при использовании системы десятичных логарифмов

Динамический диапазон речевых сигналов составляет 35 – 40 дБ.

В реальных условиях сигналы связи передаются по линиям передачи, в которых действуют различного рода помехи. Поэтому наиболее важным является не абсолютное значение мощности сигнала, а ее соотношение с мощностью помехи. Из этих соображений обычно рассматривается и нормируется особая величина – защищенность сигнала от того или иного вида помехи.

Под защищенностью понимается разность уровней сигнала и помехи в данной точке канала связи:

Информационная производительность источника определяется отношением количества информации ИΣ, переданной с помощью ПЭС к получателю (приемнику) за время tΣ, к величине интервала tΣ:

При tΣ → ∞ величина I определяет среднюю информационную производительность источника; если tΣ мало, то тогда I характеризует мгновенную информационную производительность.

Найдем количество информации для источника дискретного сигнала, имеющего L разрешенных состояний (уровней) (рис. 2.2).

На интервале ti < t< ti+1 сигнал принимает i-й уровень (i Є ) с вероятностью pi..jpg" width="195" height="43">

Тогда производительность дискретного источника будет равна

где Тп – длительность элементарной посылки (рис. 2.2), FТ = 1/Tп – частота следования посылок (тактовая частота).

Пример. Пусть вероятность принятия i – го уровня одинакова для всех i Є ,

Подставляя значение pi находим

Если сигнал имеет два разрешенных уровня («0» и «1»), т. е. L = 2, причем p0 = p1 = 0,5, то получим для цифрового сигнала

Т. е. информационная производительность источника двоичного сигнала совпадает с его тактовой частотой. Например, информационная производительность источника основного цифрового канала (ОЦК), тактовая частота которого равна 64 кГц, будет равна 64 кБит/с.

Для аналогового сигнала

где величины FВ, Рср и Рε max определялись выше; D* и Кп* - соответственно динамический диапазон и пик-фактор сигнала, выраженные в разах (а не в дицибелах).

Если можно принять, что D*/K* >> 1, то тогда из предыдущей формулы имеем

Здесь D и Кп подставляются в децибелах, FВ – в герцах.

2.2. Основные параметры типовых первичных сигналов

2.2.1. Телефонный сигнал

Усредненная спектральная плотность (синоним – энергетический спектр) речевого сигнала, получаемого на выходе микрофона телефонного аппарата, показана на рис. 2.3.

Спектр сосредоточен в основном в пределах от 0,3 до 3,4 кГц. Это обусловлено, в первую очередь, параметрами первичных абонентских преобразователей – микрофона и телефона. Максимум спектра соответствует частоте F0, которая для мужских и женских голосов изменяется в пределах от 300 до 500 Гц.

Плотность распределения уровней абонентов на входе многоканальных систем передачи примерно описывается нормальным законом (рис. 2.4).

В зависимости от того, в какой точке системы будет измеряться это распределение, функция W(p) параллельно сместится по оси уровней р. Максимум ее соответствует уровню рср для некоторого среднего абонента в этой точке. Как правило, указывается функция W(p), приведенная ко входу системы (обычно точка нулевого относительного уровня ТНОУ):

Разброс уровней относительно рср не зависит от точки измерения и характеризуется дисперсией σр , которая равна 4,5 ... 5,5 дБ. Для нормального закона справедливо правило «трех сигм», в соответствии с которым максимальный уровень абонента pmax с вероятностью 99,9% равен pmax < (рср + З σр ).

Отношение средней мощности сигнала Рср к мощности той максимальной ошибки Рε, которую еще не чувствует ухо в условиях разговора, для всех абонентов, как показывает эксперимент, составляет

То же можно сказать и о пик-факторе любого абонентского сигнала, который равен Кп ≈ 15 – 17 дБ.

Тогда динамический диапазон сигнала равен

При оценке информационной производительности источников телефонного сигнала по ((номер формулы производительности для аналогового источника)) необходимо учесть, что каждый абонент говорит в среднем половину времени, отводимого для диалога с другим абонентом. Кроме того, значительная доля времени уходит на паузы, обдумывание ответов и т. п. За счет указанных факторов производительность источника сообщений уменьшается в среднем в 3 – 4 раза, что учитывается коэффициентом активности τа = З-1 Тогда используя формулу для информационной производительность источника аналогового сигнала, получи

2.2.2. Сигнал звукового вещания

Источниками звука при передаче программ звукового вещания (ЗВ) обычно являются музыкальные инструменты и голос человека. В качестве первичных преобразователей сигнала ЗВ используются высококачественные широкополосные микрофоны и громкоговорители, способные в принципе передать весь спектр звуков, которые может слышать человеческое ухо. Частотный спектр сигнала вещания расположен в полосе частот от 15 доГц. Однако в зависимости от требований к качеству воспроизведения полоса частот может быть ограничена:

для передачи по высшему классу - FH = 0,02 кГц, FB = 15 кГц;

по первому классу - FH = 0,05 кГц, FB = 10 кГц;

по второму классу - FH = 0,1 кГц, FB = 6 кГц.

Как правило, по международным магистралям международные и республиканские программы ЗВ передаются по 1-му классу, местные распределительные сети ЗВ обычно обеспечивают качество передачи по 2-му классу, аппаратура студий и домов звукозаписи рассчитывается на передачу сигнала ЗВ по высшему классу.

Допустимая ошибка воспроизведения сигнала ЗВ, оцениваемая величиной

101g(Pcp/ Pε), дБ, находится путем профессиональной экспертизы при использовании высококачественной аппаратуры (первичных преобразователей). Она составляет примерно 54 – 56 дБ. Пик-фактор сигнала ЗВ равен 16 – 18 дБ. Соответственно динамический диапазон на основании равен D = 70 – 74 дБ. Определяем производительность источника сигнала ЗВ:

https://pandia.ru/text/78/323/images/image025_36.jpg" width="350" height="48 src=">

При использовании факсимильной аппаратуры «Газета-2», применяемой для передачи газетных полос по междугородным линиям связи, наивысшая частота рисунка равна 180 кГц при времени передачи одной полосы 2,3 .... 2,5 мин. Изображение газетной полосы является растрированным (штриховым) с числом уровней L = 2. Тогда

https://pandia.ru/text/78/323/images/image015_49.jpg" width="77" height="41">

Скорость передачи оценивают или частотой fТ = 1/τи, или числом элементарных символов за 1 с в бодах (1 Бод соответствует передаче одного символа в секунду). По этому параметру источники дискретной информации делят на низкоскоростные (в их числе и телеграфные), которые имеют скорость не более 200 Бод, среднескоростные – от 300 до 1200 Бод и высокоскоростные – более 1200 Бод.

2.3.5. Телевизионный сигнал.

В телевидении, так же как и при факсимильной связи, первичный сигнал формируется методом развертки. Электрический сигнал, включающий в себя сигнал изображения и управляющие импульсы, называется полным телевизионным сигналом. Для сигнала вещательного телевидения характерно D = 40 дБ, FB = 6,0 МГц.

3. Принципы временного уплотнения сигналов

3.1. Общие принципы формирования основного цифрового канала

Как известно, при переходе из аналоговой формы в цифровую сигнал претерпевает следующие преобразования (рис. 3.1.):

Рис. 3.1. Преобразование аналогового сигнала в цифровой ИКМ-сигнал

Дискретизация индивидуальных сигналов по времени, в результате чего формируется импульсный сигнал, промоделированный по амплитуде, т. е. АИМ сигнал;

Объединения N индивидуальных АИМ сигналов в групповой АИМ сигнал с использованием принципов временного разделения каналов;

Квантования группового АИМ сигнала по уровню;

Последовательного кодирования отсчетов группового АИМ сигнала, в результате чего формируется групповой ИКМ сигнал, т. е. цифровой сигнал.

Таким образом, при частоте дискретизации FД=8кГц (TД=125 мкс) и разрядности кода m=8 получаем скорость передачи сформированного ИКМ-сигнала 64 кбит/с, которая и является скоростью основного цифрового канала (ОЦК). Преобразование аналогового сигнала в сигнал ИКМ стандартизировано МСЭ-Т Рекомендацией G-711.

3.2. Временное объединение аналоговых сигналов

При временном уплотнении сигналов их передача осуществляется дискретно во времени. При этом между соседними дискретами одного сигнала всегда имеются «временные окна», в которых нет передачи этого сигнала. Эти «окна» и заполняются дискретами других сигналов. В зависимости от того, в какой форме представлен дискрет каждого сигнала, возможны два вида временного уплотнения:

а) уплотнение сигналов в аналого-импульсной форме;

б) уплотнение сигналов в цифровой форме.

3.2.1. Общие принципы объединения аналоговых сигналов

При временном объединении аналоговых сигналов (рис. 3.2) каждый из сигналов многоканальной системы a 1 (t ) ÷ an (t ) (рис. 3.3, а, в) предварительно преобразуется из аналоговой формы в сигнал АИМ-1 или АИМ-2.

Рис. 3.2

Формирование АИМ-сигналов производится с помощью дискретизаторов (см. рис. 3.24), которые управляются соответствующими импульсами коммутации U д1 ÷ U дn . Поскольку эти сигналы являются ортогональными (непересекающимися) во времени (см. рис. 3.25, б, г), то дискреты сигналов a д1 (t ) ÷ a дn (t ) также не совпадают во времени и их можно непосредственно объединить в групповой сигнал U гр(t) с помощью линейного сумматора 2 (рис. 3.25, д). Формирование сдвинутых во времени последовательностей импульсов U д1 ÷ U дn осуществляется с помощью генераторного оборудования (ГО) 3. Оно же с помощью передающего устройства синхросигналов 4 формирует специальный сигнал синхронизации, который объединяется с выборками информационных сигналов a 1 (t ) ÷ an (t ) . Элементарный цикл передачи в многоканальной системе строится по принципу: передается выборка 1-го канала, 2-го и т. д. до n-го, затем передается синхросигнал; потом снова выборки 1-го, 2-го канала и т. д.

На приемной стороне (рис. 3.4) дискретизаторы 11 – 1n осуществляют выделение из группового сигнала выборок только «своих» каналов. После канального фильтра 3i , i = 1, ...,n происходит восстановление непрерывного сигнала a i (t) из дискретизированного a дi (t ) ,.

Канальные дискретизаторы на передающей и приемной сторонах должны работать синхронно и синфазно. Для этого применяется принудительная синхронизация приемной части. Она выполняется с помощью специального приемника синхросигнала 2, который из группового сигнала выделяет сигнал синхронизации и подает его на генераторное оборудование приема 4. Для безошибочного выделения синхросигнала последнему придаются специфические признаки, отличающие его от информационных выборок. Отличием может быть амплитуда, длительность, форма и т. п. ГО передачи и приема строятся почти одинаково, только задающий генератор на стороне передачи работает в автономном режиме, а на стороне приема – в режиме – принудительной синхронизации. Преимущества такого варианта временного уплотнения заключаются в следующем:

1) для всех каналов используется общее ГО;

2) все сигналы дискретизируются с одной частотой, что позволяет использовать однотипные дискретизаторы и канальные фильтры;

3) аналого-цифровое преобразование (операции квантования по уровню и кодирования) выполняются одним групповым квантователем и кодирующим устройством;

4) цифро-аналоговое преобразование с на приемной стороне осуществляется одним I групповым декодером, который формирует групповой дискретизированный сигнал вида рис. 3.25, д.

3.2.2. Система передачи ИКМ-30

Такой вариант временного уплотнения применяется в первичных цифровых системах передачи типа ИКМ-30. Цикл передачи в этих системах поясняется на рис. 3.5.

Период цикла Tц равен периоду дискретизации телефонного сигнала Tд = 125 мкс (поскольку Fд = 8 кГц).

В интервале Тц последовательно передаются в цифровом двоичном коде выборки 30 телефонных сигналов и два служебных цифровых сигнала: цикловой синхронизации (ЦС) и сигналов управления и взаимодействия для АТС (СУВ). Каждая выборка передается в своем канальном интервале (КИ), имеет длительность кодовой комбинации Тк и состоит из m разрядов. Длительность разряда – Тт. При m = 8 получим

Канальные интервалы, нумеруемые цифрами 0, 1, 2, ..., 31, используются следующим образом: КИ0 – для передачи сигнала ЦС, КИ16 – СУВ, интервалы КИ1÷КИ15 и КИ17÷ КИ31 – для передачи соответственно 1 – 15-го и 16 – 31-го телефонных сигналов. Передача СУВ осуществляется путем организации «вынесенного сигнального канала» в отличие от большинства АСП, где СУВ передается в том же канале, что и информационный сигнал. В первичной ЦСП выборка СУВ одного абонента передается в виде 3-разрядной кодовой комбинации, при этом в одном КИ16 размещаются выборки СУВ двух абонентов. Для передачи по одному разу выборок всех 30 абонентов потребуется время Тсц = Тц (30/2 + 1) = 16 Тц = 2 мс, которое называется сверхциклом, при этом один из КИ16 в сверхцикле используется для передачи цифрового сигнала сверхцикловой синхронизации (СЦС). С помощью сигнала СЦС на приемной стороне производится разделение кодированных выборок СУВ отдельных каналов. Структурная схема приемника СУВ практически аналогична рис. 3.4.

Основными недостатками рассмотренного варианта временного уплотнения являются следующие:

1) с ростом числа объединяемых сигналов уменьшается интервал времени между соседними выборками (см. рис. 3.3, д), за которое групповой кодер (или декодер) должен произвести преобразование в цифровой сигнал (и обратно), в силу чего усложняется реализация этих групповых устройств;

При изучении обобщенной теории сигналов рассматриваются следующие вопросы.

1. Основные характеристики и методы анализа сигналов, используемых в радиотехнике для передачи информации.

2. Основные виды преобразований сигналов в процессе построения каналов.

3. Способы построения и методы анализа радиотехнических цепей, посредством которых выполняются операции над сигналом.

Радиотехнические сигналы можно определить как сигналы, которые используются в радиотехнике. По своему назначению радиотехнические сигналы делятся на сигналы:

радиовещания,

телевизионные,

телеграфные,

радиолокационные,

радионавигационные,

телеметрические и др.

Все радиотехнические сигналы модулированы. При формировании модулированных сигналов используют первичные сигналы низкой частоты (аналоговые, дискретные, цифровые).

Аналоговый сигнал повторяет закон изменения передаваемого сообщения.

Дискретный сигнал – источник сообщения передает информацию через определенные интервалы времени (например, о погоде), кроме того, дискретный источник может быть получен в результате дискретизации во времени аналогового сигнала.

Цифровой сигнал – это отображение сообщения в цифровой форме. Пример: текстовое сообщение кодируем в цифровой сигнал.

Все знаки сообщения могут кодироваться в двоичный код, шестнадцатеричный и другие коды. Кодирование осуществляется автоматически при помощи кодера. Таким образом, символы кода преобразуются в стандартные сигналы.

Преимущество цифровой передачи данных - это высокая помехозащищенность. Обратное преобразование осуществляется при помощи цифроаналогового преобразователя.

Математические модели сигналов

При изучении общих свойств сигналов обычно отвлекаются от их физической природы и назначения, заменяя их математической моделью.

Математическая модель – выбранный способ математического описания сигнала, отображающий наиболее существенные свойства сигнала. На основе математической модели можно произвести классификацию сигналов с целью определения их общих свойств и принципиальных отличий.

Радиотехнические сигналы принято делить на два класса:

детерминированные сигналы,

случайные сигналы.

Детерминированный сигнал – это сигнал, значение которого в любые моменты времени является известной величиной или может быть заранее вычислено.

Случайный сигнал – это сигнал, мгновенное значение которого является случайной величиной (например, звуковой сигнал).

Математические модели детерминированных сигналов

Детерминированные сигналы делятся на два класса:

периодический,

непериодический.

Пусть s ( t ) – детерминированный сигнал. Периодические сигналы описываются периодической функцией времени:

и повторяются через период T . Приближенно t >> T . Остальные сигналы непериодические.

Импульс – это сигнал, значение которого отлично от нуля в течение ограниченного интервала времени (длительность импульса ).

Однако при описании математической модели используются функции, заданные на бесконечном интервале времени. Вводят понятие эффективной (практической) длительности импульса:

.

Экспоненциальный импульс.

Например: определение эффективной длительности экспоненциального импульса как интервала времени, в течение которого значение сигнала уменьшается в 10 раз. Определить эффективную длительность импульса для рисунка:

Энергетические характеристики сигнала . Мгновенная мощность – это мощность сигнала на сопротивлении 1 Ом:

.

Для непериодического сигнала введем понятие энергии на сопротивлении 1 Ом:

.

Для периодического сигнала введено понятие средней мощности:

Динамический диапазон сигнала определяется как отношение максимальной P ( t ) к той минимальной P ( t ) , которая позволяет обеспечить заданное качество передачи (выражается обычно в дБ):

.

Спокойная речь диктора имеет динамический диапазон примерно 25…30 дБ, у симфонического оркестра до 90 дБ. Выбор значения P min связан с уровнем помех:
.