1. Основные понятия и определения. Определение радиоэлектроники. Определение радиотехники. Понятие сигнала. Классификационный анализ сигналов. Классификационный анализ радиотехнических цепей. Классификационный анализ радиоэлектронных систем.

Современная радиоэлектроника – это обобщенное название ряда областей науки и техники, связанных с передачей и преобразованием информации на основе использования и преобразования электромагнитных колебанийи волн радиочастотного диапазона; основными из этих областей являются:

радиотехника, радиофизика и электроника.

Основная задача радиотехники состоит в передаче информации на расстояние с помощью электромагнитных колебаний. В более широком смысле современная радиотехника – область науки и техники, связанная с генерацией, усилением, преобразованием, обработкой, хранением, передачей и приемом электромагнитных колебаний радиочастотного диапазона, используемых для передачи информации на расстояние. Как следует из этого, радиотехника и радиоэлектроника тесно связаны и часто эти термины заменяют друг друга.

Науку, занимающуюся изучением физических основ радиотехники, называют радиофизикой.

1. Понятие сигнала.

Сигналом (от лат. signum - знак) называется физический процесс или явление, несущее сообщение о каком-либо событии, состоянии объекта, либо передающее команды управления, оповещения и т.д. Таким образом, сигнал является материальным носителем сообщения. Таким носителем может служить любой физический процесс (свет, электрическое поле, звуковые колебания и т.п.). В радиоэлектронике изучаются и используются в основном электрические сигналы. Сигналы как физические процессы наблюдаются с помощью различных приборов и устройств (осциллографом, вольтметров, приемников). Любая модель отражает ограниченное число наиболее существенных признаков реального физического сигнала. Несущественные признаки сигнала игнорируются для упрощения математического описания сигналов. Общим требованием к математической модели является максимальное приближение к реальному процессу при минимальной сложности модели. Функции, описывающие сигналы могут принимать вещественные и комплексные значения, поэтому часто говорят о вещественных и комплексных моделях сигналов.

Классификация сигналов. По возм-ти предсказания мгн. значений сигнала в любой момент времени разл-ют:

Детерминированные сигналы, т.е. такие сигналы, для которых мгновенные значения для любого момента времени известны и предсказуемы с вероятностью равной единице;

Случайные сигналы, т.е. такие сигналы, значение которых в любой момент времени невозможно предсказать с вероятностью равной единице.

Все сигналы, несущие информацию являются случайными, поскольку полностью детерминированный сигнал (известный) информации не содержит.

Простейшими примерами детерминированного и случайного сигналов являются напряжения сети и напряжения шума соответственно (см. рис.2.1).

В свою очередь случайные и детерминированные сигналы могут подразделяться на непрерывные или аналоговые сигналы и дискретные сигналы, имеющие несколько разновидностей. Если сигнал можно измерять (наблюдать) в любой момент времени, то его называют аналоговым. Такой сигнал существует в любой момент времени. Дискретные сигналы могут наблюдаться и измеряться в дискретные (отдельные) ограниченные по длительности к моменту появления отрезки времени. К дискретным сигналам относятся импульсные сигналы.

На рисунке показаны два вида импульсов. Видеоимпульс и радиоимпульс. При формировании радиоимпульсов видеоимпульс используется как управляющий (модулирующий) сигнал и в этом случае между ними существует аналитическая связь:

При этом называется огибающей радиоимпульса, а функция- его заполнением.

Импульсы принято характеризовать амплитудой A, длительностью , длительностью фронтаи срезаи при необходимости частотойили периодомповторения.

Импульсные сигналы могут быть самых различных видов. В частности различают импульсные сигналы называемые дискретными (см. рис.2.3).

Эта разновидность сигналов может быть представлена математической моделью в виде счетного множества значений функции - где i = 1, 2, 3, ...., k, отсчитываемых в дискретные моменты времени. Шаг дискретизации сигнала по времени и по амплитуде обычно величина постоянная для данного типа сигнала, т.е. минимальное приращение сигнала

Каждое из значений конечного множества S можно представить в двоичной системе исчисления в виде числа: - 10101;- 11001;- 10111. Такие сигналы называют цифровыми.

Классификация радиосистем и решаемых ими задач

По выполняемым функциям информационные радиосистемы могут быть разделены на следующие классы:

передачи информации (радиосвязь, радиовещание, телевидение);

извлечения информации (радиолокация, радионавигация, радиоастрономия, радиоизмерения и т.д.);

разрушения информации (радиопротиводействие);

управления различными процессами и объектами (беспилотные летательные аппараты и др.);

комбинированные.

В системе передачи информации имеется источник информации и ее получатель. В радиосистеме извлечения информации информация как таковая не передается, а извлекается или из собственных сигналов, излученных в направлении на исследуемый объект и отраженных от него, или из сигналов других радиосистем, или из собственного радиоизлучения различных объектов.

Радиосистемы разрушения информации служат для создания помех нормальной работе конкурирующей радиосистемы путем излучения мешающего сигнала, или приема, умышленного искажения и переизлучения сигнала.

В радиосистемах управления решается задача выполнения объектом некоторой команды, посылаемой с пульта управления. Командные сигналы являются информацией для следящего устройства, выполняющего команду.

Основными задачами, решаемыми радиосистемой при приеме информации, являются:

Обнаружение сигнала на фоне помехи.

Различение сигналов на фоне помехи.

Оценка параметров сигнала.

Воспроизведение сообщения.

Наиболее просто решается первая задача, в которой с заданными вероятностями правильного обнаружения и ложной тревоги следует принять решение о наличии известного сигнала в принятом сообщении. Чем выше уровень задачи, тем сложнее становится схема принимающего устройства.

2. Энергия, мощность, ортогональность и когерентность сигналов. Взаимная энергия сигналов (интеграл похожести). Понятие нормы сигнала.

ТЕМА 3 Устройства цифровой обработки сигналов

ЛЕКЦИЯ 8_

Основные понятия цифровой обработки сигналов

Вопросы лекции:

Типы сигналов. Связь между сигналами различных типов.

Системы счисления и коды, используемые в ЦАП- и АЦП-преобразователях.

Области применения ЦАП и АЦП

Основные параметры и классификация ЦАП и АЦП

Типы сигналов. Связь между сигналами различных типов

Все многообразие сигналов можно разделить на три основных типа сигналов: аналоговые, дискретные и цифровые.

Аналоговый сигнал описывается непрерывной или кусочно-непрерывной функцией , причем и аргумент и сама функция могут принимать любые значения из некоторых интервалов: , .

Примеры. , речевой сигнал в радиовещании и телевидении.

Дискретный сигнал описывается решетчатой функцией , которая может принимать любые значение , в то время как независимая переменная может принимать лишь дискретные значения ( - интервал дискретизации).

К дискретным неквантованным сигналам относятся сигналы с амплитудно-импульсной модуляцией.

Цифровой сигнал описывается квантованной решетчатой функцией, то есть решетчатой функцией, принимающей лишь ряд дискретных значений - уровней квантования , в то время как независимая переменная принимает .

Каждый из уровней квантования кодируется двоичным кодом, так что передача и обработка отсчета цифрового кодированного сигнала сводится к операциям над безразмерным двоичным кодом. Число уровней квантования и число двоичных разрядов связаны зависимостью .

К цифровым сигналам относятся, например, сигналы, используемые в системах связи с импульсно-кодовой модуляцией.

Операция дискретизации связывает аналоговый и дискретный сигнал и состоит в том, что по аналоговому сигналу строится дискретный сигнал такой, что .

Операция восстановления состоит в том, что по заданному дискретному сигналу строится аналоговый сигнал .

Операции восстановления и дискретизации взаимно обратны, если дискретизируемый аналоговый сигнал удовлетворяет теореме Котельникова.

Связь между спектром аналогового сигнала и спектром дискретного сигнала определяется формулой

.

Это выражение описывает «размножение» спектра аналогового сигнала при дискретизации.

Операция квантования и кодирования (аналого-цифрового преобразования) состоит в том, что по заданному дискретному сигналу строится кодированный сигнал , такой что , .

Операция цифро-аналогового преобразования состоит в том, что по заданному цифровому кодированному сигналу строят дискретный сигнал, причем .

Операции квантования и кодирования и цифро-аналогового преобразования не являются точно взаимно обратными, так как квантование в общем случае выполняется с неустранимой погрешностью. Однако, если для представления каждого отсчета использовать достаточно большое количество двоичных сигналов, то погрешность квантования окажется достаточно малой и дискретный сигнал (и, следовательно, соответствующий аналоговый сигнал) может быть заменен цифровым сигналом.

Операции дискретизации, квантования и кодирования выполняют аналого-цифровые преобразователи (АЦП) , а операции цифро-аналогового преобразования и восстановления - цифро-аналоговые преобразователи (АЦП) .

Устройства цифровой обработки сигналов (ЦОС)- это устройства, реализующие тот или иной алгоритм цифровой обработки.

Основные преимущества ЦОС по сравнению с аналоговыми:

1) характеристики устройств ЦОС абсолютно стабильны и не изменяются при изменении внешних условий (температура, влажность и.т.д.), пока эти устройства сохраняют работоспособность;

2) возможна реализация ряда операций и алгоритмов, принципиально нереализуемых с помощью аналоговых элементов, например обработка инфранизкочастотных сигналов, так как цифровые запоминающие устройства обладают практически неограниченной длительностью хранения информации.

устройства ЦОС удобно реализовывать в виде БИС и СБИС.

Среди недостатков УЦОС можно выделить следующие:

1) Относительно низкая скорость обработки;

2) Относительно большая потребляемая мощность;

3) Относительно большая стоимость;

4) Необходимость использования на входе и выходе УЦОС АЦП и ЦАП.

Необходимо отметить, что значимость первых двух недостатков уменьшается благодаря развитию технологий изготовления БИС и СБИС. В стоимости УЦОС все больший вес приобретает стоимость алгоритмов и программ. Принципиально точность УЦОС ограничена применяемыми АЦП И ЦАП. Точность вычислений в самом устройстве определяется числом двоичных разрядов, используемых для представления кодов.

2. Системы счисления и коды,
используемые в ЦАП- и АЦП-преобразователях

Обычно для представления чисел используется десятичная позиционная система счисления, в которой каждое число представлено в виде суммы степеней 10, хотя записываются только коэффициенты этого разложения:

В десятичной системе для представления коэффициентов разложения используются 10 цифр.

Однако цифровые устройства преобразуют информацию представленную всего двумя цифрами 0 и 1, поэтому для представления чисел удобно пользоваться двоичной системой счисления, в которой веса двоичных коэффициентов являются степенями 2.

Измеряемые физические величины могут быть униполярными так и биполярными. Поэтому для их представления в цифровом виде в АЦП и ЦАП используются как униполярные так и биполярные коды.

Униполярные коды.

Двоичный код (обычный двоичный код).

Самый правый разряд - это младший значащий разряд (МЗР), самый левый - старший значащий разряд (СЗР).

В этом коде вклад каждого бита (двоичного разряда) зависит от занимаемой позиции:

В битовой последовательности СЗР имеет вес , а максимальное число, которое можно представить разрядным кодом равно .

Кодирование дробных чисел

При рассмотрении работы АЦП важно рассматривать двоичное число как представление дробной части некоторого целого. В этом случае вес МЗР равен , а вес СЗР - . Перед числом подразумевается запятая:

.

Величина дробного числа, соответствующего единицам во всех разрядах определяется как 1-1МЗР. Кроме того МЗР определяет разрешение -разрядного кода преобразователя

3. Области применения ЦАП и АЦП

Уровень и развитие микроэлектронных ЦАП и АЦП определяются требованиями к техническим и эксплуатационным характеристикам радиотехнических систем, в которых они применяются.

Эти требования могут существенно различаться в зависимости от назначения, принципа действия и условий эксплуатации систем.

Необходимость в приеме, обработке, передачи большого объема информации в реальном масштабе времени, а также проблемы исследования быстропротекающих процессов в различных установках привели к созданию быстродействующих интегральных микросхем ЦАП и АЦП .

Решение проблем связи потребовало создание многоканальных преобразователей .

Прецизионные измерения, сейсморазведка, робототехника, аппаратура высококачественной ауди- и видеозаписи невозможны без преобразователей, обладающих высоким разрешением .

Жесткие требования по энергопотреблению и массогабаритным характеристикам, предъявляемым к бортовым системам удовлетворяются за счет применения микромощных и функционально законченных преобразователей .

Для РТС военного назначения требуются преобразователи, устойчивые к воздействию различных внешних факторов .

Для бытовых электро- и радиоприборов требуется широкая номенклатура недорогих преобразователей, не обладающих рекордными значениями электрических параметров и эксплуатационных характеристик.

Некоторые области применения АЦП:

	Усредненные значения параметров
Области применения	число дв. разрядов	время преобразования (мкс)	полоса частот вх. сигнала, Гц	Дифференциальная нелинейность, МЗР
Радиолокация	6-8	0.05	2 10 7	0.5
Радиолокация (дальнее обнаружение)	14-16		2 10 3	0.5
Авиакосмические средства обработки данных		0.01	до 10 8	0.5
Радионавигация	8-10	0.05-0.1	10 7	0.5
Высококачественная ауди- и видеозапись			2 10 4	0.5
Приборы для физических исследований	16-18	1-5		0.5
Спец. Цифровые вычислители		3-5	10 5	0.5

Некоторые области применения ЦАП.

3 Основные параметры и классификация ЦАП и АЦП

Классификация ЦАП осуществляется по методам преобразования .

Различают два метода преобразования -

* метод суммирования единичной аналоговой величины (квантов);

* метод суммирования с учетом веса разрядов.

По схеме реализации ЦАП разделяются на: ЦАП с суммированием напряжений, ЦАП с суммированием токов, ЦАП умножающие.

Параметры ЦАП.

Параметры номинальной функции преобразования.

Номинальная функция преобразования имеет вид

Или при двоичном кодировании.

Графически интерпретируется точками на прямой. Конечное значение выходного сигнала .

Параметрами этой функции являются коэффициент преобразования , вид кода входного сигнала и количество разрядов .

Коэффициент преобразования есть отношение приращения аналогового сигнала к приращению цифрового сигнала. Имеет размерность выходной величины и численно равен номинальной единице младшего разряда.

Входным кодом может быть натуральный двоичный код, двоично-десятичные коды.

Параметры статической точности.

Погрешность преобразования - отклонение реальной функции преобразования от номинальной.

Погрешность преобразования систематическая - усредненное во времени значение погрешности преобразования при неизменном значении управляющего кода.

Погрешность преобразования случайная - случайная составляющая (шум) выходного сигнала при неизменном значении входного кода.

Нелинейность преобразования - максимальное отклонение значений реальной функции преобразования от соответствующих точек на прямой, аппроксимирующей эту функцию.

Дифференциальная нелинейность преобразования - отклонение приращения выходного сигнала при переходе входного кода на смежное значение от значения единицы МЗР. Выражается в долях единицы МЗР.

Динамические параметры.

Время установления по току (напряжению ) - интервал времени от момента заданного изменения кода на входе ЦАП до момента, при котором выходной аналоговый сигнал окончательно войдет в зону установившегося состояния, соответствующего ±1/2 МЗР или другому оговоренному значению.

Выброс выходного сигнала - краткий всплеск в выходном сигнале при изменении входного кода.

Функция влияния - зависимость изменения параметров от влияющих факторов (температура, питающего напряжения и тд.).

Параметры сопряжения электрические .

Характеризуют все входы и выходы ЦАП с точки зрения сопряжения с внешними устройствами. Разделяются на параметры аналогового сопряжения и параметры цифрового сопряжения.

К первым относятся входные и выходные сопротивления, номинальные значения и допуски питающих напряжений, внешних опорных напряжений.

Ко вторым - номинальные значения и допуски напряжений лог. «0» и лог. «1», входные полные сопротивления (токи) со стороны цифровых входов.

Что такое электрический сигнал и с чем его едят? Давайте обсудим в этой статье.

Сигнал – это что-то такое, что можно передать через пространство и время. Итак, какие условия должны быть, чтоб назвать сигнал “сигналом”?

Во-первых, сигнал должен кем-либо создаваться (генерироваться).

Во-вторых, сигнал должен для кого предназначаться.

В-третьих, кто-то должен принять этот сигнал и сделать для себя какие-либо выводы, то есть правильно трактовать сигнал.

Окунемся в Дикий Запад.

Думаю, не секрет, что индейцы разжигали костер, и дым от костра использовался для передачи сигнала. Значит, в нашем случае костер – генератор сигнала. Итак, первый пункт работает). Для кого же был предназначен дым от костра? Для ковбоев? Конечно же нет! Для своих же индейцев. Значит, работает пункт два. Ну ладно, вы увидели два столба дыма, возвышающихся в небо. Вам это что-то говорит? Кто-то, наверное, жарит шашлыки? Может быть. Но если вы подойдете к этим кострам, то шашлык сделают именно из вас). Для индейцев эти два столба дыма означали, что их отряд благополучно поохотился на ковбоев;-). Ну вот и выполнилось третье правило;-).

Но что же из себя представляет электрический сигнал? Терзают меня смутные сомнения, что где-то здесь замешан электрический ток :-). Чем характеризуется электрический ток? Ну конечно же, напряжением и силой тока . Самое примечательное, что электрический ток очень удобно передавать через пространство с помощью проводов. В этом случае его скорость распространения будет равна скорости света. Хотя и электроны в проводнике движутся со скоростью всего несколько миллиметров в секунду, электрические поле охватывает сразу весь провод со скоростью света! А как вы помните, скорость света равна 300 000 километров в секунду! Поэтому, электрон на другом конце провода практически сразу придет в движение.

Передача электрических сигналов

Итак, для передачи сигнала через пространство мы будем использовать провода. Чуть выше мы разобрали условия возникновения сигнала. Значит, первым делом, нам нужен генератор этих сигналов! То есть это может быть какая-либо батарея или схемка, которая бы генерировала электрический ток. Далее, должен быть кто-то, кто бы принимал этот сигнал. Это может быть какая-нибудь нагрузка, типа лампочки, нагревательного элемента или целой схемы, которая бы принимала этот сигнал. Ну и в-третьих, нагрузка должна как-то среагировать на этот сигнал. Лампочка должна источать свет, нагревательный элемент – греться, а схема исполнять какую-либо функцию.

Как вы поняли из всего выше сказанного, главный козырь сигнала – это его генератор. Итак, как мы уже разобрали, по проводам можно передавать два параметра электрического тока – это напряжение и сила тока . То есть мы можем создать генератор, который бы менял или свое напряжение или силу тока в нагрузке, которая бы цеплялась через провода к этому генератору. В основном в электронике используют именно параметр “напряжение”, так как напряжение легко получить и менять его значение.

Время и электрический сигнал

Как я уже сказал, сигнал передается во времени и в пространстве. То есть время – важный параметр для электрического сигнала. Сейчас нам придется немного попотеть и вспомнить курс математики и физики за среднюю школу. Вспоминаем декартову систему координат. Как вы помните, по вертикали мы откладывали ось Y, по горизонтали Х:

В электронике и электротехнике по Х мы откладываем время, назовем его буквой t, а по вертикали мы отложим напряжение, обозначим его буквой U. В результате наша система координат будет выглядеть вот таким образом:

Прибор, который показывает нам изменение напряжения во времени называется осциллографом , а график этого напряжения называется осциллограммой . Осциллограф может быть :

или аналоговым :

Виды электрических сигналов

Постоянный ток

Какой же электрический сигнал является самым простым сигналом в электронике? Я думаю, это сигнал постоянного тока . А что значит постоянный ток? Это ток, значение напряжения которого не меняется с течением времени.Как же он выглядит на нашем графике? Примерно вот так:

Здесь мы видим сигнал постоянного тока в 3 вольта.

По вертикали у нас напряжение в вольтах, а по горизонтали – ну, скажем, в секундах. Постоянный ток с течением времени всегда имеет одно и то же значение напряжения, поэтому, неважно, в секундах или в часах у нас идет отсчет по времени. Напряжение ни прыгнуло, ни упало. Оно как было 3 Вольта, так и осталось. То есть можно сказать, что сигнал постоянного тока представляет из себя прямую линию, параллельную оси времени t.

Вот так выглядит сигнал постоянного тока на аналоговом осциллографе

Какие же генераторы электрического тока могут выдать такой сигнал постоянного напряжения?

Это, конечно же различные батарейки

аккумуляторы для мобильного телефона

для ноутбука

автомобильные аккумуляторы

и другие химические источники тока.

В лабораторных условиях проще получить постоянное напряжение из переменного . Прибор, который это умеет делать, называется лабораторным блоком питания постоянного напряжения.

Шумовой сигнал или просто шум

А что будет, если напряжение будет принимать хаотическое значение? Получится что-то типа этого:

Такой электрический сигнал называется шумом .

Думаю, некоторые из вас впервые видят осциллограмму шума, но я уверен на 100%, что все слышали звучание этого сигнала;-). Ну-ка нажмите на Play ;-)

Шипение радиоприемника или старого ТВ, не настроенного на станцию или на какой-нибудь канал – это и есть шум;-) Как бы странно это не звучало, но такой сигнал тоже очень часто используется в электронике. Например, можно собрать схемку глушителя частот, который бы гасил все телевизионные и радиоприемники в радиусе километра). То есть генерируем шумовой сигнал, усиливаем его и подаем в эфир;-) В результате глушим всю приемопередающую аппаратуру.

Синусоидальный сигнал

Синусоидальный сигнал – самый любимый сигнал среди электронщиков.

Все любят качаться на качелях?

Здесь мы видим девочку, которая с радостью на них качается. Но предположим, она не знает фишку, что можно раскачаться самой, вовремя сгибая и разгибая ноги. Поэтому, пришел папа девочки и толкнул дочку вперед.

Ниже на графике как раз показан этот случай

Как вы видите, траектория движения девочки во времени получилась очень забавной. Такой график движения носит название “синусоида “. В электронике такой сигнал называют синусоидальным . Вроде бы до боли самый простой график, но вы не поверите, именно на такой простой синусоиде строится вся электроника.

Так как синусоидальный сигнал повторяет свою форму на протяжении всего времени, то его можно назвать периодическим. То есть вы периодически обедаете – периодами – равными отрезками времени. Тут то же самое. Этот сигнал периодически повторяется. Важные параметры периодических сигналов – это амплитуда, период и частота.

Амплитуда (A) – максимальное отклонение напряжения от нуля и до какого-то значения.

Период (T) – время, за которое сигнал снова повторяется. То есть если вы сегодня обедаете в 12:00, завтра тоже в такое же время, в 12:00, и послезавтра тоже в это же самое время, значит ваш обед идет с периодом в 24 часа. Все элементарно и просто;-)

Частота (F) – это просто единичка, поделенная на период, то есть

Измеряется в Герцах. Объясняется как “столько-то колебаний в секунду”. Ну пока для начала хватит;-).

Как я уже сказал, в электронике синусоида играет очень большую роль. Даже не надо далеко ходить. Достаточно сунуть паль… щупы осциллографа в свою домашнюю розетку, и можно уже наблюдать синусоидальный сигнал, частотой в 50 Герц и амплитудой в 310 Вольт.

Прямоугольный сигнал

Очень часто в электронике используется и прямоугольный сигнал:

Прямоугольный сигнал на рисунке ниже, где время паузы и время длительности сигнала равны, называется меандром .

Треугольный сигнал

Близкие друзья синусоидального сигнала – это треугольный сигнал

У треугольного сигнала есть очень близкий кореш – это пилообразный сигнал

Сложный сигнал

В электронике также используются сложные сигналы . Вот, например, один из них (я нарисовал его от балды):

Все эти сигналы относятся к периодическим сигналам , так как для них можно указать период , частоту следования и амплитуду самих сигналов:

Двухполярные сигналы

Для сигналов, которые “пробивают пол”, ну то есть могут иметь отрицательное значение напряжения, типа вот этих сигналов

кроме периода и амплитуды имеют еще один параметр. Называется он размах или двойная амплитуда . На буржуйском языке это звучит как amplitude Peak-to-peak , что в дословном переводе ” амплитуда от пика до пика”.

Вот двойная амплитуда для синусоиды (2А)

а вот для треугольного сигнала:

Чаще всего обозначается как 2А, что говорит нам о том, что это двойная амплитуда сигнала.

Импульсные сигналы

Также существуют сигналы, которые не подчиняются периодическому закону, но тоже играют немаловажную роль в электронике.

Импульсы – это те же самые сигналы, но они не поддаются периодическому закону, и меняют свое значение, в зависимости от ситуации.

Например, вот череда импульсов:

Каждый импульс имеет разную длительность во времени, поэтому мы не можем говорить о какой-то периодичности сигналов.

Звуковой сигнал

Также есть и звуковой сигнал

Хоть он и похож на белый шум, но несет информацию в виде звука. Если такой электрический сигнал подать на динамическую головку, то можно услышать какую-либо запись.

Вывод

В настоящее время электрические сигналы играют очень важную роль в радиоэлектронике. Без них не существовало бы никакой электроники, а тем более цифровой. В настоящее время цифровая электроника достигла своего апогея, благодаря цифровым сигналам и сложной системе кодирования.Скорость передачи данных просто ошеломляющая! Это могут быть гигабайты информации в секунду. А ведь все когда-то начиналось с простого телеграфа…

Проведем классификацию сигналов. Сигналы подразделяют на:

детерминированные;

случайные.

Детерминированными называют сигналы, которые точно определены в любые моменты времени. В отличие от них некоторые параметры случайных сигналов заранее предсказать невозможно.

Строго говоря, так как выдача источником сообщений (например, датчиком) того или иного конкретного сообщения случайна, то предсказать точно изменение значений параметров сигнала невозможно. Следовательно, сигнал принципиально имеет случайный характер. Детерминированные сигналы имеют весьма ограниченное самостоятельное значение только для целей наладки и регулировки информационной и вычислительной техники, играя роль эталонов.

В зависимости от структуры параметров сигналы подразделяются на:

дискретные;

непрерывные;

дискретно-непрерывные.

Сигнал считают дискретным по данному параметру, если число значений, которое может принимать этот параметр, конечно (счетно). В противном случае сигнал считают непрерывным по данному параметру. Сигнал, дискретный по одному параметру и непрерывный по другому, называют дискретно-непрерывным.

В соответствии с этим выделяют следующие виды сигналов (рис. 1.4.):

а) Непрерывные по уровню и времени (аналоговые) – это сигналы на выходе микрофонов, датчиков температуры, давления и т.д.

б) Непрерывные по уровню, но дискретные по времени. Такие сигналы получают в результате дискретизации по времени аналоговых сигналов.

Рис. 1.4. Разновидности сигналов.

Под дискретизацией подразумевают преобразование функции непрерывного времени (в частности непрерывного сигнала) в функцию дискретного времени, представляющую последовательность величин, называемых координатами, выборками или отсчетами (sample value).

Наибольшее распространение получил метод дискретизации, при котором роль координат выполняют мгновенные значения непрерывной функции (сигнала), взятые в определенные моменты времени S(t i), где i=1,…,n. Временные интервалы между этими моментами называют интервалами выборки (sample interval). Такой вид дискретизации часто называют амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ).

в) Дискретные по уровню, непрерывные по времени. Такие сигналы получают из непрерывных в результате квантования по уровню.

Под квантованием по уровню (или просто квантованием) подразумевают преобразование некоторой величины с непрерывной шкалой значений (например, амплитуда сигнала) в величину, имеющую дискретную шкалу значений.

Эту непрерывную шкалу значений разбивают на 2m+1 интервалов, называемых шагами квантования. Из множества мгновенных значений, принадлежащих j-тому шагу квантования, только одно значение S j является разрешенным, оно называется j-тым уровнями квантования. Квантование сводится к замене любого мгновенного значения непрерывного сигнала одним из конечного множества уровней квантования (обычно ближайшим):

S j , где j=-m,-m+1,…,-1,0,1,…,m.

Совокупность значений S j образует дискретную шкалу уровней квантования. Если эта шкала равномерна, т.е. разность ΔS j = S j - S j-1 постоянна, квантование называется равномерным. В противном случае – неравномерным. Благодаря простоте технической реализации равномерное квантование получило наиболее широкое распространение.

г) Дискретные по уровню и времени. Такие сигналы получают, осуществляя дискретизацию и квантование одновременно. Данные сигналы легко представить в цифровой форме (digital sample), т.е. в виде чисел с конечным числом разрядов, заменив каждый импульс числом, обозначающий номер уровня квантования, которого достиг импульс в конкретный момент времени. По этой причине данные сигналы часто называют цифровыми.

Толчком к представлению непрерывных сигналов в дискретной (цифровой) форме послужила необходимость засекречивания речевых сигналов во время 2-ой мировой войны. Еще большим стимулом к цифровому преобразованию непрерывных сигналов явилось создание ЭВМ, которые используются в качестве источника или приемника сигналов во многих системах передачи информации.

Приведем примеры цифрового преобразования непрерывных сигналов. Например, в цифровых телефонных системах (стандарт G.711) замена аналогового сигнала последовательностью отсчетов происходит с частотой 2F=8000 Гц, Т д = 125 мкс.(Так как диапазон частот телефонного сигнала составляет 300-3400 Гц, а частота выборки по теореме Найквиста-Котельникова должна быть как минимум в два раза больше максимальной частоты преобразовываемого сигнала F). Далее каждый импульс заменяется в 8-ми разрядном аналого-цифровом преобразователе (АЦП – ADC-Analog-to-Digital Converter) двоичным кодом, учитывающим знак и амплитуду отсчета (256 уровней квантования). Такой процесс квантования носит название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ или PCM – Pulse Code Modulation). При этом используется нелинейный закон квантования, названный "A=87,6", который лучше учитывает природу восприятия человеком речевых сигналов. Скорость передачи одного телефонного сообщения оказывается 8×8000=64 Кбит/с. 30-канальная система передачи телефонных сообщений (система первого уровня иерархии стандарта МККТТ – PDH-E1) с временным разделением каналов работает уже со скоростью 2048 Кбит/с.

При цифровой записи музыки на CD (Compact Disk - компакт-диск), вмещающим максимум 74 минуты стереозвучания, используют частоту дискретизации 2F≈44,1 КГц (так как предел слышимости человеческого уха 20 кГц плюс 10%-ный запас) и 16-ти разрядное линейное квантование каждой выборки (65536 уровней звукового сигнала, для речи достаточно 7-8 разрядов).

Использование дискретных (цифровых) сигналов резко снижает вероятность получения искаженной информации, потому что:

в этом случае применимы эффективные методы кодирования, которые обеспечивают обнаружение и исправление ошибок (см. тему 6);

можно избежать свойственного непрерывному сигналу эффекта накопления искажений в процессе их передачи и обработке, поскольку квантованный сигнал легко восстановить до первоначального уровня всякий раз, когда величина накопленных искажений приблизиться к половине шага квантования.

Кроме того, в этом случае обработку и хранение информации можно осуществлять средствами вычислительной техники.

Аналоговая величина – величина, значения которой в заданном интервале изменяются непрерывно. Её конкретное значение зависит только от точности прибора, производящего измерения. Это, например, температура.

Дискретная величина – величина, значения которой изменяются скачкообразно. Например, число студентов в аудитории. Измерительный сигнал – сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине. Например, напряжение на выходе термоэлектрического преобразователя, измеряющего температуру.

Сигнал данных – форма представления сообщения данных с помощью физической величины, изменения одного или нескольких параметров которой, отображает его изменение.

В микропроцессорной технике сигналами являются электрические величины (ток, напряжение). Представляющий параметр сигнала данных – параметр сигнала данных, изменение которого отображает изменение сообщения данных (амплитуда, частота, фаза, длительность импульса, длительность паузы).

– сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений, т.е. аналоговые сигналы описываются непрерывной (или кусочно-непрерывной) функцией x a (t), причём сама функция и аргумент t могут принимать любые значения на некоторых интервалах

Аналоговый сигнал f (t) называется периодическим, если существует действительное число T, такое, что f (t + T) = f (t) для любых t, при этом T называется периодом сигнала.

Дискретный сигнал данных – отличается от аналоговых тем, что его значения известны лишь в дискретные моменты времени. Дискретные сигналы описываются решётчатыми функциями – последовательностями – x д (nT), где T = const – интервал (период) дискретизации, n = 0, 1, 2, … .

Сама функция x д (nT) может в дискретные моменты принимать произвольные значения на некотором интервале. Эти значения функции называются выборками или отсчётами функции. Другим обозначением решётчатой функции x(nT) является x(n) или xn. Последовательность x(n) может быть конечной или бесконечной, в зависимости от интервала определения функции.

Квантованный сигнал данных – отличается от аналоговых или дискретных разбиением диапазона значений непрерывной или дискретной величины на конечное число интервалов. Простейшим видом квантования является деление целочисленного значения на натуральное число, называемое коэффициентом квантования.

Цифровой сигнал данных – сигнал, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений. Цифровые сигналы описываются квантованными решётчатыми функциями x ц (nT). При получении цифрового сигнала из аналогового происходят дискретизация и квантование.

Двоичный цифровой сигнал – сигнал данных, в котором используется способ представления информации о величине параметра в виде многоразрядной комбинации двух величин – нуля и единицы – и называемый обычно двоичным кодом.

Модуляция – процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала (сообщения).

В наше время двоичные цифровые сигналы в связи с простотой кодирования и обработки используются в цифровых электронных устройствах. Для передачи цифрового сигнала по каналам связи (например, электрическим или радиоканалам) используются различные виды модуляции.

Рассмотрим примеры представляющих параметров сигналов данных на примере различных видов модуляции (см. рис. 1). Кроме рассмотренных видов модуляции, также существуют фазовая (ФМ), время-импульсная (ВИМ), и другие модуляции.

Рис. 1. Различные виды модуляции сигналов – различные представляющие параметры сигналов данных

Для понимания сущности цифрового сигнала рассмотрим следующую классификацию. В цифровой технике выделяют сигналы (рис. 2):

произвольные по величине и непрерывные во времени (аналоговые);

произвольные по величине и дискретные по времени (дискретные);

квантованные по величине и непрерывные по времени (квантованные);

квантованные по величине и дискретные по времени (цифровые).

Рис. 2. Аналоговый, дискретный, квантованный и цифровой сигналы

Аналоговые сигналы часто используют для представления непрерывно изменяющихся физических величин. Например, аналоговый электрический сигнал, снимаемый , несёт информацию об изменении температуры, сигнал с микрофона – о быстрых изменениях давления в звуковой волне и т.п.

В области цифровой и импульсной техники терминология не является установившейся. Так, дискретный сигнал – это сигнал, значения представляющего параметра которого известны только в определённые моменты времени, а также это сигнал, в отличие от аналогового, представляющий параметр которого может принимать только фиксированные значения (обычно два: логический «ноль» или логическую «единицу»).

Во втором случае было бы правильно называть сигнал квантованным, но промышленные модули называются «модулями ввода дискретных сигналов». Кроме использования для передачи информации различных физических величин, сигналы различаются также представляющими параметрами.