Что такое сигнал в радиотехнике
Понятие сигнала в радиосвязи — типы и параметры сигналов
В этой статье Вы узнаете что такое информация и сигнал, какие бывают сигналы, их виды, параметры. Увидите реальную спектральную плотность мощности. Что происходит с сигналом в канале связи. Познакомимся с эффектом Доплера. Узнаем больше о шумах и помехах.
Что такое информация
Под информацией понимают совокупность сведений о каких-либо событиях, явлениях или предметах, предназначенных для передачи, приёма, обработки, преобразования, хранения.
К.Э. Шеннон, как один из основателей теории информации образно её определил так: «Информация – послание, которое уменьшает неопределённость».
Если я Вам скажу что-то, что для Вас известно, то это не будет для Вас информацией. Я если скажу, то что Вы не знали, уменьшу вашу неопределенность, то это уже будет для Вас информацией.
Что такое сигнал
Сигнал – это некоторый физический процесс, параметры которого изменяются в соответствии с передаваемым сообщением. Пример – электрический сигнал, радиосигнал, как частный случай электромагнитного сигнала, акустический сигнал, оптический и т.д. В зависимости от того, в какой среде идет распространение сигнала. Сигнал – это материальный носитель информации.
Обычно сигнал, независимо от его физической природы, представляют, как некоторую функцию времени x(t). Такое представление есть общепринятая математическая абстракция физического сигнала.
Типы сигналов
Такой сигнал передает информацию? Информация уменьшает неопределенность. В детерминированном сигнале мы знаем все, мы знаем какой он будет через минуту, через год. Детерминированный сигнал информацию в себе никакую не несет. Например, сигнал с гетеродина, мы сами его сформировали, задали частоту, амплитуду, фазу.
Пример: x(t)=Asin(wt+j), где амплитуда А и j — случайная величина.
Например, мы знаем его частоту, но не знаем амплитуду и фазу — это квазидетерминированный сигнал, “квази”-почти, почти определенный сигнал. Информация вносит некоторую случайность. Если мы знаем амплитуду, частоту и фазу, значит информации там нет. Квазидетерминированный сигнал передает информацию, передача информации идет в тех параметрах, которые случайны, в нашем примере амплитуда и фаза случайные величины. Именно в этих величинах передается информация. Информация всегда несет в себе хаос, случайность. Все модулированные сигналы, ЧМ, ФМ это квазидетерминированные сигналы.
Кроме этого все сигналы могут быть непрерывными (аналоговыми) и дискретными (цифровыми или импульсными).
О случайном сигнале мы можем судить о его вероятностных характеристиках. Мы можем знать его плотность вероятности, но какое значение примет сигнал через секунду, минуту мы не знаем. Когда мы работаем со случайным сигналом, мы всегда работаем с вероятностью.
Параметры сигналов
Какие параметры мы будем использовать? Это энергия за некоторый интервал времени T. X(t) это сам сигнал, чтобы определить энергию мы должны взять по модулю, возвести в квадрат, проинтегрировать на некотором промежутке времени и получим энергию.
Средняя мощность за некоторое время t. Это энергия деленная на время.
Мгновенная мощность, если средняя мощность измеряется на некотором участке времени, то мгновенная измеряется в один, конкретный момент времени.
Средняя мощность измеряется на промежутке времени, а мгновенная в точке.
Спектральная плотность энергии и мощности
Спектральная плотность сигнала характеризует распределение энергии или мощности сигнала по диапазону частот. Спектральная плотность энергии, это как у нас энергия распределяется по частотному диапазону. Вычисляется через преобразование Фурье.
И соответственно, СПМ это, как у нас распределяется мощность по частотному диапазону.
В формуле, модуль в квадрате это спектральная плотность энергии, поделили ее на время T и по определению, время T должно стремиться к бесконечности. Но на практике, никто не ждет бесконечности, все оценивают СПМ на некотором интервале времени.
СПМ это некоторая функция зависящая от частоты. По шкале СПМ возьмем 10 Вт/Гц, и окрестности в 1 Гц по частоте. То в полосе 1 Гц будет заключено 10 Вт мощности.
Есть два сигнала и представлены их спектральные плотности мощности. ВОПРОС. Мощность какого сигнала больше?
Мы должны определить площадь под кривой, проинтегрировать. S1=2*10=20 Вт, S2=1*30=30 Вт. В первом случае S1 имеет мощность 20 Вт, а во втором 30 Вт.
СПМ реального сигнала, отображаемая на спектральном анализаторе.
Современные анализаторы спектра могут считать автоматически площадь, вы включаете определение мощности, задаете частотный интервал в котором он должен измерить эту мощность и он сам вычисляет канальную мощность сигнала.
Что происходит с сигналом в канале связи
С ним происходят ослабления, задержка, доплеровский сдвиг, шумы и тому подобное.
Ослабление
Сигнал ослабевает за счет рассеивания в пространстве. Например, у нас есть источник радиосигнала, всенаправленный и изотропный, т.е. он во все стороны излучает одинаково. Получается сферический фронт волны. На одном расстоянии r1 и на другом r2.
Пусть излучаемая мощность 100 Вт, все эти 100 ватт распределяются по всей сфере. Приемные антенны не большие, они охватывают только небольшой участок пространства. И количество мощности, проходящее через небольшой участок пространства, будет разный на расстоянии r1 и r2. Потому что плотность мощности на расстоянии r1 будет выше, чем на расстоянии r2.
Площадь сферы равна S=4pi*R^2. И эта формула фигурирует во всех формулах оценки дальности радиосвязи. Потому что радиоволна равномерно рассеивается в пространстве. И помимо того, что сигнал сам ослабевает по мере распространения в пространстве, электромагнитная волна проходит через некую среду, которую пытается нагреть и за счет этого теряет свою энергию.
Задержка распространения сигнала
Не смотря на то, что электромагнитная волна, это самое быстрое, что есть у нас во вселенной, тем не менее скорость распространения этой волны конечна. И поддается измерениям. Например, на 1 км задержка распространения
На что влияет задержка распространения? Обычно, мы точно не знаем расстояние между передатчиком и приемником с точность до микрон. И задержка распространения, которая нам неизвестна, мы не знаем расстояние и не знаем за какое время примем этот сигнал. И соответственно мы не знаем начальную фазу сигнала.
Доплеровский сдвиг частоты
Приняли сигнал с частотой, который отличается от той, которую мы передали. Это дало информацию о скорости объекта. Доплеровский сдвиг частоты появляется, когда у нас либо приемник, или передатчик, двигаются относительно друг друга. Либо двигается отражающая среда, передатчик излучил, радиосигнал отразился от какого-то объекта, если этот объект тоже двигается, то возникает доплеровский сдвиг частоты. Более подробно читайте полную статью “ Доплеровский сдвиг частоты ”.
Воздействие помех и шумов
И в эфире есть шумы и собственные шумы приемника. Про шумы подробнее в отдельной статье.
Замирания сигнала
Замирания сигнала это процесс, когда у сигнала, случайным образом скачет амплитуда и фаза. То больше амплитуда, то меньше. Выделяют:
Когда есть источник, есть приемник, есть множество путей распространения радиоволны, одна волна может прийти прямой, другая переотраженной.
Например, одна волна прошла 100 км, другая 101 км, к чему это приводит? Если две электромагнитные волны проделали разный путь, то фазы у этих сигналов тоже будут разные. Соответственно, если сигналы сложились в противофазе, то сигналы друг друга подавили, если сложились в фазе, то друг друга усилили.
Из-за многолучевого распространения, каждый луч проделывает разное расстояние, это приводит к тому, что начальная фаза каждого луча отличается. И когда в приемнике эти сигналы складываются, они могут друг друга усиливать либо ослаблять. Это приводит к тому, что амплитуда результирующего сигнала постоянно изменяется, это и есть быстрые замирания.
На рисунке ниже представлен характер изменения амплитуды сигнала от времени. Сплошной линией показаны быстрые замирания, пунктирной медленные. Медленные замирания происходят из за затенения, быстрые из-за многолучевого распространения. Получается, что амплитуда постоянно скачет на десятки дБ.
Межсимвольная интерференция
Возникает из-за многолучевого распространения.
Линейные искажения
Канал связи всегда имеет АЧХ и ФЧХ. Какие-то частоты он усиливает, какие-то ослабляет, фаза где-то поворачивается в одну сторону, где-то в другую это и есть линейные искажения.
Если мы хотим сделать модель канала связи, то чем больше этих параметров мы учтем, тем точнее будет эта модель.
Сигнал
Сигнал (в теории информации и связи) — материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений в системе связи. Сигнал может генерироваться, но его приём не обязателен, в отличие от сообщения, которое должно быть принято принимающей стороной, иначе оно не является сообщением. Сигналом может быть любой физический процесс, параметры которого изменяются в соответствии с передаваемым сообщением.
Сигнал, детерминированный или случайный, описывают математической моделью, функцией, характеризующей изменение параметров сигнала. Математическая модель представления сигнала, как функции времени, является основополагающей концепцией теоретической радиотехники, оказавшейся плодотворной как для анализа, так и для синтеза радиотехнических устройств и систем. В радиотехнике альтернативой сигналу, который несёт полезную информацию, является шум — обычно случайная функция времени, взаимодействующая (например, путём сложения) с сигналом и искажающая его. Основной задачей теоретической радиотехники является извлечение полезной информации из сигнала с обязательным учётом шума.
Понятие сигнал позволяет абстрагироваться от конкретной физической величины, например тока, напряжения, акустической волны и рассматривать вне физического контекста явления связанные кодированием информации и извлечением её из сигналов, которые обычно искажены шумами. В исследованиях сигнал часто представляется функцией времени, параметры которой могут нести нужную информацию. Способ записи этой функции, а также способ записи мешающих шумов называют математической моделью сигнала.
В связи с понятием сигнала формулируются такие базовые принципы кибернетики, как понятие о пропускной способности канала связи, разработанное Клодом Шенноном и об оптимальном приеме, разработанная В. А. Котельниковым.
Содержание
Классификация сигналов
По физической природе носителя информации:
По способу задания сигнала:
В зависимости от функции, описывающей параметры сигнала, выделяют аналоговые, дискретные, квантованные и цифровые сигналы:
Аналоговый сигнал (АС)
Большинство сигналов имеют аналоговую природу, то есть изменяются непрерывно во времени и могут принимать любые значения на некотором интервале. Аналоговые сигналы описываются некоторой математической функцией времени.
Пример АС — гармонический сигнал — s(t) = A·cos(ω·t + φ).
Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении. Ввести такой сигнал в компьютер и обработать его невозможно, так как на любом интервале времени он имеет бесконечное множество значений, а для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому необходимо преобразовать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности.
Дискретный сигнал
Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени. Эти значения называются отсчётами. Δt называется интервалом дискретизации.
Квантованный сигнал
При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности. Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования Δ. Число этих уровней равно N (от 0 до N-1). Каждому уровню присваивается некоторое число. Отсчёты сигнала сравниваются с уровнями квантования и в качестве сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования. Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с n разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов n двоичных чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n ≥ log2(N).
Цифровой сигнал
Для того, чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию. Квантование является частным случаем дискретизации, когда дискретизация происходит по одинаковой величине называемой квантом. В результате сигнал будет представлен таким образом, что на каждом заданном промежутке времени известно приближённое (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом. Если записать эти целые числа в двоичной системе, получится последовательность нулей и единиц, которая и будет являться цифровым сигналом.
Сигнал и событие
Событие (получение записки, наблюдение сигнальной ракеты, прием символа по телеграфу) является сигналом только в той системе отношений, в которой сообщение опознается значимым (например, в условиях боевых действий сигнальная ракета — событие, значимое только для того наблюдателя, которому оно адресовано). Очевидно, что сигнал, заданный аналитически, событием не является и не несет информацию, если функция сигнала и её параметры известны наблюдателю.
В технике сигнал всегда является событием. Другими словами, событие — изменение состояния любого компонента технической системы, опознаваемое логикой системы как значимое, является сигналом. Событие, неопознаваемое данной системой логических или технических отношений как значимое, сигналом не является.
Представление сигнала и спектр
Есть два способа представления сигнала в зависимости от области определения: временной и частотный. В первом случае сигнал представляется функцией времени 
характеризующей изменение его параметра.
Кроме привычного временного представления сигналов и функций при анализе и обработке данных широко используется описание сигналов функциями частоты. Действительно, любой сколь угодно сложный по своей форме сигнал можно представить в виде суммы более простых сигналов, и, в частности, в виде суммы простейших гармонических колебаний, совокупность которых называется частотным спектром сигнала.
Для перехода к частотному способу представления используется преобразование Фурье: 
.
Функция 
называется спектральной функцией или спектральной плотностью.
Поскольку спектральная функция является комплексной, то можно говорить о спектре амплитуд 
и спектре фаз 
. Физический смысл спектральной функции: сигнал представляется в виде суммы бесконечного ряда гармонических составляющих (синусоид) с амплитудами 
, непрерывно заполняющими интервал частот от 0 до 
, и начальными фазами 
.
Размерность спектральной функции есть размерность сигнала, умноженная на время.
Параметры сигналов
В радиотехнике
В радиотехнике основным элементом кодирования является модуляция сигнала. При этом обычно рассматривается близкий к гармоническому сигнал вида s(t)=A sin(2πft +φ), где амплитуда (A), частота (f) или фаза (φ), медленно (относительно скорости изменения синуса) изменяются в зависимости от передаваемой информации (амплитудная, частотная или фазовая модуляция).
Стохастические модели сигнала, предполагают случайным или сам сигнал или переносимую им информацию, стохастическая модель сигнала часто формулируется как уравнение, связывающее сигнал с шумом, который в данном случае имитирует множество возможных информационных сообщений и называется формирующим шумом, в отличие от мешающего шума наблюдения.
Обобщением скалярной модели сигнала являются например векторные модели сигналов, представляющие собой упорядоченные наборы отдельных скалярных функций, с определенной взаимосвязью компонентов вектора друг с другом. На практике векторная модель соответствует в частности одновременному приему сигнала несколькими приемниками с последующей совместной обработкой. Ещё одним расширением понятия сигнала является его обобщение на случай полей.
Что такое сигнал в радиотехнике
Название работы: Сигналы. Электрический сигнал в радиотехнике
Предметная область: Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы
Описание: Сигнал это информационная функция несущая сообщение о физических свойствах состоянии или поведении какойлибо физической системы объекта или среды а цель обработки сигналов извлечение сведений которые отображены в этих сигналах и преобразование этой информации в форму удобную для восприятия и использования. Для выявления общих свойств сигналов их классифицируют по ряду признаков рис. По возможности предсказания мгновенных значений сигналов в любые моменты времени различают сигналы детерминированные и случайные. Информативным.
Дата добавления: 2015-01-15
Размер файла: 390 KB
Работу скачали: 27 чел.
Сигналом называется процесс изменения во времени физического состояния какого-либо объекта, служащий для отображения, регистрации и передачи сообщений. Электрический сигнал это изменяющаяся во времени физическая величина (ток, напряжение, напряженность электрического или магнитного полей и т.д.), в законе изменения которой содержится сообщение или информация.
В процессе преобразования сообщения в электрический сигнал имеет место модуляция, т.е. управление параметрами некоторой электрической величины. В результате модуляции соответствующий параметр становится функцией времени, а несущая функция превращается в сигнал (см. рис.1).
По величине интервала времени, в котором существуют отличные от нуля значения сигнала, различают непрерывные и импульсные сигналы.
По повторяемости мгновенных значений сигнала различают периодические и непериодические сигналы.
Кроме постоянных или синусоидальных токов и напряжений в качестве несущих процессов могут использоваться последовательности видеоимпульсов и радиоимпульсов. Сигналы с такими несущими процессами являются импульсно-модулированными сигналами. В зависимости от того, какой параметр несущего электромагнитного процесса подвергается модуляции, различают:
Информативным параметром сигнала может быть частота сигнала, центральная частота и ширина полосы сигнала (если сигнал широкополосный), период повторения сигналов и т.д. Целью обработки при проведении физического эксперимента может быть получение аналитического описания физического процесса, т.е. получение математической модели.
Рис. 2. Классификация сигналов
В радиотехнике, радиолокации, электрической связи, в системах и сетях передачи информации, автоматическом управлении целью обработки является получение, передача и обработка информации, содержащейся в сигналах.
Обработка может производиться в аналоговой или цифровой формах.
Для выполнения обработки в цифровой форме исходный аналоговый сигнал должен быть вначале преобразован в цифровую форму, т.е. представлен в виде серии отсчетов (мгновенных значений сигнала), взятых с некоторой частотой. Операция преобразования сигнала в цифровую форму производится с помощью АЦП. Для того, чтобы по набору цифровых отсчетов можно было восстановить значения измеряемого аналогового сигнала в люьой момент времени с требуемой точностью, необходимо правильно выбрать разрядность АЦП и интервал дискретности измерений во времени. Обработку сигналов, представленных в цифровой форме, называют цифровой обработкой сигналов (ЦОС).
Примером задачи ЦОС и средств ее решения может быть задача обнаружения и определения параметров в реальном времени 1 радиолокационного линейно-частотно модулированного (ЛЧМ) спутникового сигнала, рассмотренная ниже. Общая структура системы радиотехнического контроля радиолокационных спутниковых сигналов показана на рис. 1
Рис. 1. Структура системы радиотехнического контроля радиолокационных
спутниковых сигналов. ПУТ-приемно-усилительный тракт, АОП-акустооптический
процессор, СРЦОС система регистрации и обработки сигналов.
Рис. 2. Вид кадра, содержащего один элемент спектра ЛЧМ-сигнала
Один ЛЧМ-сигнал занимает несколько (8-10) кадров. Чтобы получить ЛЧМ-сигнал, нужно обнаружить последовательно идущие кадры, содержащие элементы ЛЧМ-сигнала и просуммировать их за 16 мкс.
В результате будет получен сигнал, содержащий несколько (например, 8) последовательно расположенных линий спектра.
Основными задачами цифровой обработки является обнаружение в реальном времени ЛЧМ-сигналов в условиях шумов и помех и определение параметров ЛЧМ-сигнала, таких как центральная частота, полуширина спектра и амплитуда. Структура системы регистрации и цифровой обработки сигналов (СРЦОС) приведена на рис. 3.
Рис. 3. Структура СРЦОС. СИ_К- синхроимпульс кадра, СИ_Д синхроимпульс данных (элементный синхроимпульс)
В процессе цифровой обработки решается несколько задач:
Предварительная обработка данных, требующая высокой скорости выполнения, реализована в ПЛИС. На этапе предварительной обработки производится фильтрация помех (п.1) и формирование 32-х битных отсчетов содержащих амплитуду сигнала, индекс в кадре и номер кадра для исключения из дальнейшей обработки неинформативных данных (п.2). Информативными считаются сигналы, превышающие пороговый уровень и не совпадающие с «картой помех». В «карте помех» сохраняется частотный диапазон структурно-детерминированных (станционных) помех, определенный непосредственно перед приемом спутникового сигнала.
Последовательность обработки информационного потока данных иллюстрируется на рис. 4.
Рис. 4. Последовательность обработки информационного потока данных
Другие примеры задач реального времени, решаемых с помощью систем ЦОС:
Обнаружение и определение параметров
В задаче обнаружения и определения параметров донных сигналов электромагнитно-акустических (ЭМА) толщиномеров необходимо измерение времени прохождения ультразвукового импульса, порождаемого радиоимпульсом, через металлическое изделие. Таким способом определяется тощина металла. ЭМА-толщиномеры используются в атомной промышленности для контроля толщины металлических конструкций и для измерения толщины нефтегазовых труб в процессе эксплуатации. Пример вида зашумленных донных сигналов ЭМА-толщиномера приведен на рис. 7.
Определение толщины металла производится по расстоянию между центрами отраженных (донных) сигналов. Центры определяются по положению максимумов отраженных сигналов. Структура типового ЭМА-толщиномера А1270 приведена на рис. 8
Блок обработки сигналов выполнен на базе ПЛИС и/или сигнального процессора.
К основным задачам ЦОС относятся:
Разработка алгоритмов ЦОС включает:
Направления лабораторных работ по курсу:
1. Программная реализация базовых методов цифровой обработки (свертки, фильтрации, корреляции, прямого и обратного преобразования Фурье).
2. Сравнительный анализ эффективности различных методов с точки зрения степени подавления шумов, степени искажения сигнала и быстродействия и выбор наилучшего.
3. Программная реализация и сравнительный анализ сложных видов цифровой обработки.
4. Аппаратно-программная реализация методов цифровой обработки с генерацией модельных зашумленных сигналов и с использованием записей реальных сигналов.
В.С.Тутыгин. Цифровая обработка спутниковых ЛЧМ-сигналов в реальном времени средствами ПЛИС XILINX/ В.С.Тутыгин, А.В.Южаков // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия Информатика. Телекоммуникации. Управление. №6.1(138).2011, С.32-38.
А.В.Анищенко. Действующий макет средства радиотехнического контроля параметров РЛС с синтезированной апертурой антенны./Анищенко А.В., Катков Б.Г., Купряшкин И.Ф.,Попов В.Г., Рогов С.А., Тутыгин В.С., Яковлев Ю.В.// Вестник ВАИУ-2010 №4(11)-С.116-121.