Лекция 2. Электрические сигналы и их характеристики

Согласно определению, принятым в теории информации, сигнал есть материальный носитель информации, он отображает передаваемое сообщение. В системах связи сигнал представляет собой процесс изменения во времени и в пространстве некоторой физической величины, характеризующей передаваемое сообщение. Например, при разговоре переносчиком информации является звуковое поле; изменение звукового давления, характеризующее передаваемое сообщение, является в этом случае сигналом. Выбор электрических сигналов для переноса сообщений на расстояние обусловлен тем, что скорость их распространения соизмерима со скоростью света 3*10⁸ м/с.

В электросвязи сигнал – это электромагнитный процесс, параметры которого изменяются в соответствии с передаваемым сообщением. Электрические сигналы, как и сообщения, могут быть непрерывными и дискретными. Отличие непрерывного сигнала от дискретного заключается в том, что информационный параметр непрерывного сигнала, например напряжение, ток, напряженность электрического и магнитного поля, с течением времени может принимать любые мгновенные значения в определенных пределах. Непрерывный сигнал еще называют аналоговым. Дискретный сигнал характеризуется конечным числом значений информационного параметра. Часто он принимает всего два значения (два состояния), т.е. дискретный сигнал состоит из двух разных элементов – импульсов (пауза рассматривается как «бестоковый импульс»).

Всякий сигнал представляет собой изменяющуюся по времени электрическую величину, а значит, может быть выражен некоторой функцией времени. Наиболее простым является сигнал, изменяющийся по закону синуса – синусоидальный, гармонический. Наиболее широко распространены синусоидаль­ные сигналы, представляющие собой изменяющееся во времени напряжение U по закону синуса, (рисунок 2.1), т.е. U = U_msin2π ft, где U_m - амплитудное значение напряжения; f - частота сигнала; t - время. Отметим, что часто используется обозначение ω = 2π f, пред­ставляющее угловую частоту сигнала.

(1/ω)

Рисунок 2.1

Синусоидальный сигнал является носителем ин­формации для многих физических процессов и сво­йств линейных цепей. Если на входе линейной цепи действует синусоидальный сигнал, то на ее выходе тоже синусоидальный сигнал, но его амплитуда и фаза могут быть уже иными. Это справедливо только для синусоидального сигнала. Синусоидальный сигнал относится к аналоговому.

Импульсные сигналы могут быть представлены одиночными импульсами и их сериями, а также переменным прямоугольным напря­жением (меандром), показанным на рисунке 2.2. Для такого прямоугольного сигнала эффективное значение равно его амплитуде. Форма же реального прямо­угольного сигнала всегда отличается от идеального прямоугольника. Обычно нарастание (спад) напряжения происходит не мгновенно, а за определенный промежуток времени (фронта импульса), который определяется различными инерционными процессами в электронных цепях и устройствах.

Рисунок 2.2

Прямоугольные импульсы и перепады напряжения широко используются в цифровой электронике, в цифровой связи.

Реальные сигналы электросвязи сложны, но их можно представить как совокупность ряда гармонических составляющих. Совокупность составляющих, соответствующих одному сигналу, принято называть спектром этого сигнала. Интервал частот, охватывающий все составляющие сигнала, называется шириной спектра сигнала. Чем сильнее форма сигнала отличается от синусоиды, тем больше составляющих содержит его спектр и тем он шире.

В системе электросвязи важную роль играют первичные преобразователи, превращающие сообщения источника в электрические сигналы.

Для описания сигналов пользуются понятием энергетического спектра и некоторыми числовыми характеристиками, такими как:

- полоса частот, необходимая для передачи сигнала с допустимыми искажениями, ∆f (эффективная полоса).

- мощность сигнала (пиковая или максимальная Р_макс, средняя Р_ср и минимальная Р_мин).

Мощность сигналов электросвязи во времени непостоянна, поэтому берут среднее значение. Средняя мощность сигнала Р_ср определяется путем усреднения результатов измерений мощности за большой промежуток времени, например за 1час. Для оценки числовых значений мощностей сигналов электросвязи в различных точках канала и оценки соотношений между этими значениями в технике связи используются уровни передачи, выражающиеся в децибелах.

Абсолютный уровень мощности (дБм) в данной точке х канала определяет сравнение этой мощности Р _х с мощностью 1мВт:

р= 10 lg(Р _х /1мВт) = 10 lg Р _х (мВт)

Относительный уровень передачи равен разности абсолютных уровней мощности в данной точке канала и в точке, принятой за точку сравнения.

В качестве энергетических характеристик сигналов часто используют понятия динамического диапазона

Динамический диапазон сигнала дает представление о возможном разбросе мощностей сигнала в одной и той же точке канала.

Очень важной величиной, которая используется как в волоконной оптике, так и в электронике для выражения усиления или затухания в системе в целом или в ее компонентах, является децибел (дБ). Эту величину ввел Александр Грэхем Белл. Единица стала называться «бел». Одна десятичная бела называется децибел (дБ). Он ввел ее для измерения силы звука. Эта единица измерения используется в настоящее время в качестве основы для измерений относительных уровней мощностей, напряжений и других физических величин. Основные уравнения, определяющие децибел, следующие:

dBU=20log10(U1/U2); dBI=20log10(I1/I2); dBP=10log10(P1/P2),

где U - напряжение, I - ток и P - мощность.

Децибел, таким образом, характеризует отношение двух напряжений, токов или мощностей.

Таблица 1.1. Ширина спектров сигналов электросвязи

Вид сигнала	Ширина спектра, Гц
Телеграфный	0...100
Передачи данных со скоростью 2400 Бод	0...2400
Телефонный	300... 3400
Звукового вещания	50...10 000
Факсимильный: - при скорости 120 мин^-1 - при передаче газет	0...1465 0...180 000
Телевизионный	50...6 000 000

*

Телефонные (речевые) сигналы. Звуки представляют собой сложные звуковые колебания. Спектр звуков речи содержит колебания с частотами от 70-80 до 8000-20000 Гц. Однако основная мощность речевых сигналов сосредоточена в полосе частот от 150 до 1500-2000 Гц. В результате действия резонирующих полостей рта и носа в спектре звуков создаются области повышенной интенсивности, называемые формантами. Большая часть формантных областей расположена в диапазоне частот от 300 до 3000 ГЦ.

Экспериментальные исследования показали, что удовлетворительное качество речи получается в полосе частот от 250-300 до 3300-3500 Гц. Поэтому полоса частот 300-3400 Гц получила название стандартного канала тональной частоты.

Сигналы звукового вещания. Источниками звука при передаче программ вещания являются музыкальные инструменты или голос человека. Формирование сигналов звукового вещания и их прием осуществляется также как и у телефонных сигналов. Используются лишь другие типы микрофонов. Спектр звукового сигнала занимает полосу частот 20…20 000 Гц, однако в зависимости от требований к качеству воспроизведения ширина спектра сигнала может быть ограничена. Для достаточно высокого качества полоса частот должна быть 50…10 000 Гц, для безукоризненного воспроизведения– 30…15 000 Гц.

Факсимильные сигналы. При чтении наши глаза скользят по строке слева направо, затем переходят к началу другой строки и т.д. до конца страницы. Словом мы «просматриваете» все элементы строки последовательно. Можно сказать, что при чтении книги происходит построчная развертка тек­стового изображения. Именно по такому принципу «просматривается» изображение в со­временных факсимильных аппаратах, предназначенных для передачи на расстоянии различного рода неподвижных изображений (докумен­тов, чертежей, рисунков, фотографий). Для этого с помощью источника света и системы оптических линз формируют световое пятно так, чтобы освещать на передаваемом изображении площадку размером, скажем, 0,2x0,2 мм. Это световое пятно перемещается сначала вдоль одной строки, затем переходит на другую и движется по ней - и так до конца последней строки. Свет, отражаясь от каждой элемен­тарной площадки, попадает на фотоэлемент и вызывает в его цепи ток. Значение этого тока зависит от яркости отраженного света, а последняя – от яркости освещенной площадки. Таким обра­зом, при переходе светового пятна на изображении от одной элемен­тарной площадки к другой ток в цепи фотоэлемента меняется про­порционально яркости площадок: мы получаем точную электрическую копию изображения.

Телевизионные сигналы. Любое подвижное изображение - это, как правило, смена через каждые 40 мс одного неподвижного изобра­жения другим (25 кадров в 1 с). За время между сменой кадров нужно успеть просмотреть все неподвижное изображение, которое содержит полмиллиона элементарных площадок или элементов изображения (625 строк по 833 элемента в строке). Значит, каждый элемент изо­бражения придется рассматривать в течение одной полумиллионной доли от отведенных на весь кадр 40 мс. Яс­но, что ни одно механическое устройство не способно перемещать световое пятно и фотоэлемент по строкам изображения с такой ско­ростью.Что же заставляет светящуюся точку перемещаться с такой голо­вокружительной быстротой? Электронный луч.

В системах цветного телевидения передаваемое изображение расчленяется с помощью светофильтров на три одноцветных изо­бражения - красное, зеленое и синее. Красные, зеленые и синие лучи попадают каждый на свою телевизионную трубку. В приемном уст­ройстве путем сложения трех одноцветных изображений воспроизво­дится передаваемое цветное изображение.

Таким образом, спектр телевизионного сигнала простирается от 50 Гц до 6,5 мГц.

Телеграфные сигналы и сигналы передачи данных. Все рас­сматриваемые до сих пор сообщения и сигналы являются непрерыв­ными. Сообщения и сигналы телеграфии и передачи данных относят­ся к дискретным.

Устройства преобразования телеграфных сообщений и данных в электрический сигнал представляют каждый знак сообщения (букву, цифру) в виде определенной комбинации импульсов и пауз одинако­вой длительности. Импульс соответствует наличию тока на выходе устройства преобразования (например, телеграфного аппарата), пау­за - отсутствию тока. В телеграфии таблица, которая ставит в соответствие буквам, цифрам и другим знакам комбинации импульсов и пауз, называется телеграфным кодом. Если обозначить импульс через 1, а паузу че­рез 0 и воспользоваться международным телеграфным кодом МТК-2, то можно, например, знак А записать в виде 11000, знак В - в виде 10011 и т.д.

Для передачи данных используют более сложные коды, которые позволяют обнаруживать и исправлять ошибки в принятой комбина­ции импульсов, возникающие от действия помех.

Устройства преобразования сигналов телеграфии и передачи дан­ных в сообщения по принятым комбинациям импульсов и пауз вос­станавливают в соответствии с таблицей кода знаки сообщения (буквы, цифры и др.) и выдают их на печатающее устройство либо на эк­ран дисплея.

Сигналы телеграфии и передачи данных обычно имеют вид по­следовательностей прямоугольных импульсов.

Модуляция и демодуляция. Как известно, у аналогового сигнала есть основные параметры, такие, как частота, амплитуда и фаза. Бегущие по телефонной линии волны могут отличаться друг от друга по любому из этих параметров или даже по двум сразу. Процесс преобразова­ния первичного сигнала заключается в изменении одного или не­скольких параметров несущего колебания по закону изменения пер­вичного сигнала (т.е. в наделении несущего колебания признаками первичного сигнала) и называется модуляцией. Сигнал несущей частоты – есть «исходный» аналоговый сигнал, с которым производятся все дальнейшие изменения параметров, т.е. модуляция.

Запишем гармоническое колебание, выбранное в качестве несу­щего, в следующем виде:

v₀(t) = Vcos(ωt + φ)

Это колебание полностью характеризуется тремя параметрами: амплитудой V, частотой ω и начальной фазой φ. Модуляцию можно осуществить изменением любого из трех параметров по закону пере­даваемого сигнала.

Изменение во времени амплитуды несущего колебания, пропорцио­нальное первичному сигналу s(t), называется амплитудной моду­ляцией:

V(t) = V + k_A∙s(t),

где k_A - коэффициент пропорциональности.

Рисунок 2.3

Несущее колебание с модулированной по закону первичного сигнала амплитудой равно:

v(t) = V(t)cos(ωt + φ)

Если в качестве первичного сигнала использовать то же гармоническое колебание (но с более низкой частотой)

s(t) = ScosΩ t,

то модулированное ко­лебание запишется в виде (для упрощения взято φ = 0):

V(t) = (V + k_AScosΩt)cosωt.

Вынесем за скобки V и обозначим ΔV = k_AS и M_A = ΔV/V. Тогда

V(t) = V(1 + M_AcosΩt) cosωt.

Параметр M_A = ΔV/Vназывается глубиной амплитудной моду­ляции. При M_A = 0 модуляции нет и v(t) = v₀(t), т.е. получаем не­модулированное несущее колебание. Обычно амплитуда несу­щего выбирается больше амплитуды первичного сигнала, так что M_A ≤ 1.

На рис. 2.3 показана форма передаваемого сигнала (а), несущего колебания до модуляции (б) и модулированного по амплитуде несу­щего колебания (в).

Литература: 1 осн [30-31], 5 доп.[10-15].

Контрольные вопросы:

1. Что такое сигнал?

2. Чем отличается непрерывный сигнал от дискретного?

3. Виды сигналов?

4. Основные характеристики сигналов?

5. Что представляют собой речевые, звуковые сигналы?

Дата добавления: 2014-11-20