А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Сушественно то, что вследствие дискретной природы электрического заряда и статистического характера движения заряженных частиц всегда сушествуют неустранимые помехи — шумы, или флуктуации. Системы радиосвязи строятся таким образом, чтобы свести к минимуму влияние шумов и других помех на точность передачи информации. Приведенное краткое описание общей схемы радиосвязи по сушеству подводит к постановке основных задач радиофизики. Каким требованиям должны удовлетворять отдельные части (блоки) тракта дая правильной передачи сигнала, каковы принципы генерации и усиления электрических колебаний, как осушествляется модуляция и де- Введение модуляция сигналов и их выделение на фоне шумов и помех — все эти вопросы будут рассматриваться в последующих главах. Характерной чертой радиофизики как области науки является то, что ее основные проблемы, в том числе и перечисленные выше, не имеют единственного решения, пригодного для любых обстоятельств.
Освоение новых частотных диапазонов, создание новых типов элементов и приборов, появление новых требований к радиотехническим системам и новых принципов обработки сигналов— все это обусловливает постоянное обновление подходов к решению традиционных задач радиофизики. Далее основное внимание будет уделено закономерностям преобразования сигналов в электрической форме, прежде всего — на базе приборов полупроводниковой электроники. Вместе с тем следует отметить, что современная радиофизика рассматривает также проблемы генерации и обработки акустических и оптических сигналов. При этом основные понятия и принципы, часть из которых перечислена выше, являются общими для самых разных реализаций систем связи и обработки информации. Сигналы и спектры Понятие сигнала является одним из основных в радиофизике, Как и другие фундаментальные понятия, оно не поддается формальному определению.
В зависимости от ситуации сигнал рассматривают как знак, физический процесс или явление, несущее сообщение о каком-либо событии, состоянии объекта, либо передающее команды в системах управления. В этой главе рассматриваются основные свойства сигналов, обсуждаются принципы модуляции и излагается спектральный подход к описанию периодических и непериодических сигналов. 1.1. Принципы модуляции. Примеры К сигналу как носителю сообщений предъявляются в общем противоречивые требования. С одной стороны, он должен быть узнаваем, т. е. содержать некоторые неизменные признаки. С другой стороны, сигнал содержит информацию только тогда, когда он изменчив. Если все параметры процесса неизменны во времени, такой процесс не несет сообщения о событиях.
Сочетать свойства узнаваемости и информативности в сигнале позволяет принцип модуляции. Он состоит в том, что в качестве переносчика сигнала выбирается процесс, для которого функциональная зависимость физической величины от времени и от некоторых параметров ао..., а„имеет вид х(1, ао..., а„). Явление модуляции состоит в том, что один или несколько параметров ап..., а„подвергаются изменению во времени, причем, варьируя зависимость гн(1) в широких пределах, можно передавать разнообразные сообщения. Наиболее важными примерами переносчиков сигнала являются гармонические колебания и периодическая последовательность импульсов, в частности — прямоугольных. Гармоническим колебаниям отвечает периодическая зависимость следующего вида: х(1) = А соа(ы(+ ~р) = А соз(д(8)), (1.1) где А — амплитуда, ы — циклическая частота ы = 2я/Т, где Т вЂ” период колебаний и у — начальная фаза колебаний.
Наряду с циклической частотой определяют частоту колебаний У как число полных колебаний за единицу времени: Г = ЦТ, Гармонические колебания играют уникальную роль в физике. Во-первых, всякий физический процесс с ограниченной энергией (или периодический процесс с ограниченной мощностью) можно представить как сумму конечного или бесконечного числа гармонических колебаний (1:1) с разными частотами.
Во-вторых, гармонические колебания — единственный вид действительного периодического процесса, форма которого сохраняется при'дифференцировании или интегрировании. 1.1. П инципы модуляции. Примеры Часто бывает удобно действительные гармонические колебания представлять в виде суммы двух комплексных экспонент: р р х представлен на рис.
1.1. Если во все моменты времени ~тпР(1)~ < 1, то, как ясно из рисунка, огибающая высокочастотного сигнала повторяет форму модулирующей функции. 'В этом случае проблема демодуляции АМ сигнала может быть сведена к выделению огибающей высокочастотных колебаний. При ~таР(1)~ ) 1 имеет место перемодуляция — режим, при котором связь между модулирующим сигналом и огибающей высокочастотного колебания становится более сложной и неоднозначной. На практике коэффициент модуляции выбирают, чтобы при любых допустимых значениях Р(1) выполнялось условие !тпР(1)! < 1. х(г) Подобным образом можно записать выражение для ФМ колебания: в(1) = А соз((ног+ (~р + тпР(1))).
(1.4) Определение частотно-модулированного сигнала требует большего внимания. А именно: следует обобщить понятие частоты, очевидное для гармонических колебаний, на процессы не- гармонические. Подходящими для такого обобщения являются соотношения Рис. 1.1. Временные зависимости модулирующей функции (а) и АМ колебаний я отсутствие перемолуляции (б) я при наличии перемодуляции (я) ы = ы(1) = ЙУ(1)/сИ и 9(1) = ьт(1)ЙХ. (1.5) Таким образом, мы определяем частоту как скорость изменения фазы колебаний. При модуляции частоты по закону ы(1) = ш,(1+ тпР(3)) с учетом (1.4) имеем в(1) = Асов ьт(1+ тпР(1))А( + (р, = А соя ма(+ сро + ~иота Р(1)Ж, (16) где у, — 'фаза, определяемая начальными условиями.
1 х(1) = Асов(ы( + ср) = -(аез ~+ а*е з '), (1. 2) где а = Ае", а' — величина, комплексно сопряженная с а. Достоинство комплексной записи состоит в том, что при дифференцировании и интегрировании функция змт е переходит сама в себя, В дальнейшем мы будем широко прибегать к комплексной записи. Возвращаясь к вопросу о модуляции, можем заключить, что гармоническое колебание (1.1), содержащее независимые параметры А, ы и (р, допускает три основных вида модуляции. Варьируя во времени величину А = А(1), реализуем амплитудную модуляцию (АМ), полагая и = ы(1), получаем частотную модуляцию (ЧМ) и, наконец, если 1т = (р(1), имеем фазовую модуляцию (ФМ). АМ колебание аналитически представляется выражением в(1) = А,(1+ тпР(1)) соз(ы(+ р), (1.3) где Р(1) — модулирующий сигнал, тп — коэффицент модуляции.
Вид АМ колебания п и азных величина тп а) Глава 1. Сигналы и спект б) а) У(б хО) хО) хО) хО) хО) хО) Рис. 1.2. Временные зависимости модулированных колебаний лля различных видов молуляции (АМ, ЧМ, ФМ) при ступенчатом (а) и гармоническом (б) законах модуляции хрО) хО) хО) Сравнивая (1.4) и (1.6), замечаем, что различие между ФМ и ЧМ колебаниями сводится к тому, что при фазовой модуляции начальная фаза изменяет- РО) ся во времени по закону функции Щ), а при частотной модуляции изменение фазы происходит по закону 2 Р(1) рЫ. Особенности различных видов мо- АИМ Г дуляции иллюстрирует рис. 1.2. Все три вида модуляции — АМ, ЧМ, ФМ с различными модификациями широко применяются в радиовещании, телевидении, радиолокации и физическом эксперименте, хО) Рассмотрим еще один пример, когда в качестве функции-переносчика сигналов выступает периодическая последовательность прямоугольных импульсов (рис.
1.3). Говоря о прямоугольных импульсах, мы прибегаем к идеализации, поскольку в реальных системах невозможны бесконечно бы- хО) стрые, скачкообразные изменения физических величин. Вместе с тем такое представление оправданно в системах, где времена переходных процессов пренебрежимо малы по сравнению с длительностью Рис. 1.3. Основные вилы импульсной импульсов т и периодом их повторения Т. Кромолуляции ме указанных величин характеристикой последова- тельности импульсов является амплитуда А.
Иногда в качестве характеристики импульсной последовательности используют величину („р = Т(т, называемую скважностью. Поскольку всегда Т > т, то („р > 1. Даже не прибегая' к аналитическому представлению, нетрудно установить, что модуляцию последовательности прямоугольных импульсов можно осуществлять, изменяя один из следующих четырех параметров: 1.2. Спектры периодических и непериодических сигналов 9 — амплитуду импульса (соответствующий тип модуляции называется амплитудно- импульсной модуляцией (АИМ)); — частоту следования импульсов (этот тип модуляции называется частотно-импульсной (ЧИМ)); — длительность (ширину) импульсов (широтно-импульсная модуляция (ШИМ)); — можно, наконец, реализовать аналог фазовой модуляции, если разбить длительность последовательности импульсов на тактовые интервалы протяженностью Т и варьировать положение импульса в тактовом интервале, изменяя время запаздывания начала очередного импульса бг относительно начала тактового промежутка.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
