Устройства приема и обработки сигналов Цыбин В.В. Рахманова Ф.К
реклама
Цыбин В.В. Рахманова Ф.К Устройства приема и обработки сигналов Тема 3. Входные цепи и устройства 3. Модели сигналов и помех Сигнал – обобщенное название физической величины, несущей какую-либо информацию. Сигналы, используемые в радиотехнических системах, представляют собой физическую величину, являющуюся функцией времени. Напряжение действительного сигнала обычно представляют в виде S (t ) A(t )cos 0t (t ) , где S(t) – напряжение сигнала или ток; А(t) – огибающая сигнала; 0 = 2f0; f0 – несущая частота сигнала; (t) – фаза сигнала. 2 3. Модели сигналов и помех Важнейшими энергетическими характеристиками сигнала являются его мощность и энергия. Если s = s(t) – напряжение сигнала или ток, то s2(t) – его мгновенная мощность на сопротивлении 1 Ом. Для интервала времени t1–t2 энергия сигнала определяется интегралом от мгновенной мощности: t2 Эс s t dt. 2 t1 3 3. Модели сигналов и помех РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ Одномерные Многомерные Аналоговые Дискретные Детерминированные Периодические Импульсные Цифровые Случайные Стационарные Нестационарные 4 3. Модели сигналов и помех Основные понятия, термины и определения в области радиотехнических сигналов устанавливает государственный стандарт «Сигналы радиотехнические. Термины и определения». Радиотехнические сигналы удобно рассматривать в виде математических функций, заданных во времени и физических координатах. С этой точки зрения сигналы делятся на одномерные и многомерные. 5 3. Модели сигналов и помех Наиболее распространенные на практике одномерные сигналы являются функциями времени. Многомерные, кроме того, отражают положение в n-мерном пространстве. Например, сигналы, несущие информацию об изображении какого-либо предмета, являются функциями времени и положения на плоскости. Многомерные сигналы описываются сложными аналитическими функциями, и их обработка, как правило, возможна лишь в цифровой форме. Телевизионный сигнал является трехмерным сигналом, в котором содержатся строчные и кадровые информационные напряжения, отражающие меняющиеся в пространстве и времени изображения. 6 3. Модели сигналов и помех Если физический процесс, порождающий сигнал, можно представить непрерывной функцией времени, то такой сигнал называют аналоговым. Простейшая модель дискретного сигнала – это последовательность точек на временной оси, в каждой из которых заданы значения соответствующего непрерывного сигнала. 7 3. Модели сигналов и помех Цифровой сигнал – это сигнал с конечным числом дискретных уровней, которые можно пронумеровать числами с конечным количеством разрядов. В цифровом сигнале дискретные значения сигнала заменяются числами, чаще всего реализованными в двоичном коде. 8 3. Модели сигналов и помех Стационарными называют случайные процессы, статистические характеристики которых не изменяются во времени. Пример: тепловой шум электронных приборов. На практике условия стационарности случайного процесса ограничиваются требованием независимости от времени только одномерной и двумерной плотностей вероятности. 9 3. Модели сигналов и помех Подавляющее большинство стационарных случайных процессов обладают свойством эргодичности, при котором усреднение по ансамблю реализаций можно заменить усреднением по времени одной реализации в пределах бесконечно длинного интервала Т. Основные числовые характеристики стационарного эргодического случайного процесса: математическое ожидание, дисперсия, функция корреляции. 10 3. Модели сигналов и помех Электромагнитные колебания с частотами от 10 до 1013 Гц принято называть радиоволнами 11 3. Модели сигналов и помех u uт t 0 uц 0 а t 0 б t в Сигналы: а – аналоговый; б – дискретный; в – цифровой u u t 0 t 0 а б Сигналы: а – детерминированный; б – случайный 12 3. Модели сигналов и помех Тип сигнала 1. Сигналы с амплитудной модуляцией (АМ) 2. Сигналы с однополосной модуляцией (ОМ) 3. Сигналы с частотной модуляцией (ЧМ) Аналитическая форма для напряжения сигнала uАМ (t) = Uвх (1 + m cost) · cosCt, где Uвх – амплитуда сигнала; m – коэффициент амплитудной модуляции; – угловая частота; C – несущая частота uОМ(t) = Um cos (0 + ) t, где Um – амплитуда сигнала Ширина спектра сигнала fСП. АМ = 2Fmax, где Fmax – максимальная модулирующая частота fСП. ОМ = Fmax – Fmin, где Fmin – минимальная модулирующая частота uЧМ(t) = Um cos (0t + sin t), где ψ f m , F fm – максимальная fСП. ЧМ = 2Fmax (1 + + √ ) девиация частоты 13 3. Модели сигналов и помех Под помехами радиоприему понимают все виды электрических колебаний, которые проникают в радиоприемник извне или возникают внутри его и затрудняют прием полезного сигнала 14 3. Модели сигналов и помех Типы помех в зависимости от характера их действия на радиоприем сигналов Активные Пассивные Помехи, которые воздействуют за счет создания ЭДС в приемной антенне или элементах РПрУ Возникают из-за особенностей распространения радиоволн Атмосферные Мультипликативные помехи Промышленные Космические От радиопередающих устройств Собственные шумы РПрУ 15 3. Модели сигналов и помех Атмосферные и промышленные помехи оказывают основное действие на прием сигналов в диапазоне километровых, гектометровых и декаметровых волн 16 3. Модели сигналов и помех Космические помехи оказывают наибольшее влияние в метровом и дециметровом диапазоне волн 17 3. Модели сигналов и помех Шумы атмосферы и тепловое излучение Земли наиболее сильное влияние оказывают в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн 18 3. Модели сигналов и помех Собственные (внутренние) шумы наиболее сильно влияют на прием сигналов в диапазонах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Однако при малой действующей высоте антенны собственные шумы могут оказаться сравнимыми с промышленными и атмосферными помехами в диапазонах метровых и более длинных волн 19 3. Модели сигналов и помех Классификация помех по электрической структуре Сосредоточенные по спектру Импульсные Флуктуационные Мультипликативные 20 3. Модели сигналов и помех Высокочастотные колебания, действующие на входе радиоприемного устройства, при достаточно общих предположениях можно представить в виде s(t) = k(t) e(t) + n(t), где e(t) – передаваемый сигнал; k(t) – коэффициент, характеризующий мультипликативную помеху; n(t) – аддитивная помеха. 21 3. Модели сигналов и помех Сосредоточенной по спектру помехой называют помеху в виде синусоидального колебания, модулированного по одному или нескольким параметрам. Основная часть мощности таких помех сосредоточена в относительно узкой полосе частот, как правило, меньшей, чем полоса пропускания приемника 22 3. Модели сигналов и помех Сосредоточенные помехи представляют собой совокупность независимых гармонических колебаний с различными амплитудами (U), частотами () и фазами (): n u (t ) U k cos(kωt θ k ), i где k = 1,2,…, n, Uk и k – случайные величины. 23 3. Модели сигналов и помех Импульсные помехи Отдельные импульсы или последовательность импульсов, имеющих произвольную форму, амплитуду и значение интервалов между импульсами, причем обычно длительность интервалов значительно превышает длительность самих импульсов 24 3. Модели сигналов и помех Типичная форма импульсной помехи – апериодическая помеха un. вх(t) UИП 0 t uИП(t) = UИП e–t при t 0 uИП(t) = 0 при t 0 25 3. Модели сигналов и помех Флуктуационная помеха Хаотическая последовательность кратковременных импульсов, следующих друг за другом так быстро, что отдельные возмущения от каждого из них в приемнике перекрываются, образуя непрерывный случайный процесс Пример: внутренние шумы, космические помехи. 26 3. Модели сигналов и помех Флуктуационная помеха Непрерывный во времени случайный процесс с распределением вероятностей мгновенных значений, близких к нормальному, и нулевым математическим ожиданием (т. е. нулевым средним значением) 27 3. Модели сигналов и помех Мультипликативная помеха, т. е. помеха, непосредственно воздействующая на структуру самого сигнала, возникает в радиосистемах в тех случаях, когда характеристики канала передачи вследствие каких-то случайных причин изменяются во времени. Мультипликативная помеха содержит две составляющие, из которых одна – kM(t) – характеризует медленные изменения коэффициента k(t) во времени, а вторая kб(t) – быстрые: k (t) kM (t)kб (t) 28
