Радиотехнические сигналы. Теория сигналов. Классификация. Основные характеристики сигналов. Лекции - Радиотехнические цепи и сигналы - файл Лекции (детерменированные сигналы).DOC Примерный перечень тем практических занятий

Чтобы передать информацию от источника к потребителю, необходимо совершить ряд преобразований, которые и называются радиотехническими процессами.

1. Преобразование сообщения в электриче-

скую функцию. Это действие происходит в уст- ройствах, называемых преобразователями. Например, преобразование звукового давления p(t) в электрический ток i(t) происходит при по-

Рис. 1.1. Преобразователь

мощи микрофона, а преобразование изображения в потенциал – при помощи телевизионной пере-

дающей трубки. Полученный таким способом сигнал b(t) называется первич-

ным. Обозначение преобразователя представлено на рис. 1.1.

2. Генерирование гармонических колебаний. Данное преобразование про-

исходит в устройствах, называемых генераторами. В них мощность источника постоянного тока P0 преобразуется в мощность P1 гармонических колебаний.

Интересно отметить, что вся история развития радиотехники и связи – это ис- тория освоения все более высокочастотных диапазонов волн, включая и опти- ческий диапазон. Разработано множество генераторов, начиная от ламповых генераторов до оптических квантовых генераторов (ОКГ). Основное требова- ние, предъявляемое к таким генераторам, – высокая стабильность частоты.

3. Модуляция. Без этого процесса невозможно

было бы передавать сообщения, обычно состоящие из совокупности низкочастотных колебаний, на большие расстояния. С позиции курса «Теория электрических цепей» модулятор является шести-

полюсником, на входы которого подается первич-

ный сигнал b(t) и высокочастотное гармоническое

Рис. 1.2. Модулятор

колебание u(t) (рис. 1.2.). В результате возникает высокочастотный сигнал s(t),

один из параметров которого изменяется по закону b(t).

4. Детектирование. Данный процесс является

S(t) b(t)

Рис. 1.3. Детектор

Рис. 1.4. Усилитель

обратным процессу модуляции, с помощью которо- го выделяется передаваемое сообщение. Устройст- во, выполняющее такое преобразование, называется детектором, тип которого должен соответствовать способу модуляции (рис. 1.3).

5. Усиление. Назначение этого процесса –

увеличение мощности принимаемого сигнала с со- хранением его формы. Устройство, осуществляющее этот радиотехнический процесс, называется усили- телем (рис. 1.4).

Кроме перечисленных процессов в РЭА исполь-

зуются и другие: преобразование частоты, умноже-

ние и деление частоты, выпрямление и т. д. Но только пять вышеперечислен- ных радиотехнических процессов являются основными, т. к. именно они опре- деляют возможность передачи сообщений от источника к потребителю.

Каналом связи называется комплекс радиотехнических устройств, при

помощи которых передается и принимается информация, плюс среда между ними (рис. 1.5). В канал связи включены устройства, осуществляющие все ос- новные радиотехнические процессы, а также передающая и приемная антенны. В этом случае информация передается через свободное пространство, волновое сопротивление которого равно 377 Ом (радиоканал). Если сигнал передается по кабелю, то волновое сопротивление линии связи определяется типом кабеля, а вместо антенн применяются специальные согласующие устройства (проводной канал).

Комплекс устройств, с помощью которых формируется сигнал, и излу- чающая антенна (или согласующее устройство) образуют радиопередающее устройство (передатчик).

Приемная антенна (согласующее устройство) и устройства обработки сиг-

нала составляют радиоприемное устройство (приемник). Физическая среда, по

которой распространяется сигнал, называется линией связи. Таким образом, в зависимости от типа среды каналы связи могут быть проводными и беспровод- ными (радиоканалами).

Рис. 1.5. Структурная схема канала связи:

1 – источник сообщения, 2 – преобразователь, 3 – модулятор, 4 – автогенератор,

5 – усилитель радиосигнала, 6 – передающая антенна (согласующее устройство),

7 – линия связи, 8 – приемная антенна (согласующее устройство),

9 – частотно-избирательное устройство, 10 – усилитель радиосигнала, 11 – детектор,

12 – усилитель видеосигнала, 13 – получатель сообщения

В случае передачи нескольких сигналов по одной линии связи осуществля- ется так называемая многоканальная связь (рис. 1.6). При этом возникают проблемы с разделением каналов. В настоящее время широко применяются частотный, временной и адресный методы разделения каналов. Суть частот- ного метода заключается в том, что каждому сигналу отводится своя опреде- ленная полоса частот и выделение сигнала при этом производится специальны- ми фильтрами. Преимущество частотного метода – большое быстродействие, т. к. информация передается параллельным способом. Недостатком частотного метода является широкая полоса частот, необходимая для организации связи. При временном методе каждый сигнал передается по одной и той же полосе частот, но в разные интервалы времени. Данный метод предполагает наличие специального временного распределительного и синхронизирующего уст- ройств, что усложняет канал связи. При экономном использовании полосы час- тот, получаем проигрыш в быстродействии. В адресных системах связи каналы различаются по форме передаваемых сигналов.

В зависимости от вида организации связи возможны различные режимы связи. Если передача сообщений осуществляется в одном направлении от ис-

точника к получателю, то такой режим называется симплексным, например, передача данных с автоматической метеостанции. Режим связи, при котором обеспечивается возможность одновременной передачи сообщений в прямом и

обратном направлениях, называется дуплексным. Классический пример – теле- фонная связь. Режим связи, при котором обмен информацией осуществляется поочередно, называется полудуплексным, например, работа диктора в телеви-

зионной студии и журналиста на месте события.

Σ Линия св.

Рис. 1.6. Структурная схема многоканальной системы связи:

ИсN – источники сообщений, KN – каналы связи, Σ – сумматор,

ФN – фильтры приемного устройства, ДN – детекторы, АN – получатели сообщений

В реальных каналах связи по различным причинам возможно случайное воздействие на сигнал, которое называется помехой n(t). В результате такого воздействия ухудшается достоверность воспроизведения сообщения. Если входной сигнал приемного устройства z(t) является суммой полезного сигнала s(t) и помехи n(t), то помеха называется аддитивной, т. е. z(t) = s(t) + n(t). В случае представления входного сигнала в виде z(t) = k(t) · s(t), помеха назы- вается мультипликативной. В реальных каналах связи действуют как адди- тивные, так и мультипликативные помехи различного происхождения. Если же в канале связи помехи отсутствуют, то такой канал связи является идеальным каналом.

Министерством образования

Республики Беларусь

· Регистрационный № ТД-I.008/тип.

·

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ

по специальностям 1Радиоинформатика,

СОСТАВИТЕЛЬ:

Доцент кафедры радиотехнических устройств Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», кандидат технических наук, доцент

РЕЦЕНЗЕНТЫ:

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

«Теоретические основы радиотехники» - это одна из дисциплин, определяющая своим содержанием профессиональную подготовку инженеров по специальностям 1Радиоинформатика,Радиоэлектронная защита информации. Цель дисциплины состоит в изучении теоретических основ современной радиотехники, связанных с анализом радиотехнических сигналов и устройств, использовании полученных знаний в качестве основы при изучении последующих радиотехнических дисциплин.

Дисциплина «Теоретические основы радиотехники» предусматривает изучение теории детерминированных и случайных радиосигналов, принципов их получения и преобразования в радиотехнических устройствах, методов анализа линейных, нелинейных и параметрических цепей, схемного построения типовых устройств канала связи и других информационных систем , вопросов оптимальной и цифровой обработки сигналов. В дисциплине используются современные математические методы решения задач анализа радиотехнических сигналов и цепей. Задача дисциплины - сформировать такой объем теоретических и физических знаний, которые обеспечат понимание и последующее изучение основных проблем синтеза и анализа сложных радиотехнических систем, оценки их качества по различным критериям.

Типовая программа по дисциплине «Теоретические основы радиотехники» рассчитана на объем 170 учебных часов. Примерное распределение учебных часов по видам занятий: лекций - 102 часа, лабораторных и практических занятий - 68 часов.

В результате изучения дисциплины студенты должны

знать:

Математические модели сигналов, методы описания и анализа их свойств;

Методы анализа линейных, нелинейных и параметрических цепей;

Схемное построение и принципы работы типовых устройств радиотехнического канала связи;

Основные положения статистического анализа случайных сигналов;

Методы анализа процессов линейного и нелинейного преобразований случайных сигналов;

Элементы теории оптимальной линейной фильтрации;

Основы теории цифровой обработки сигналов;

уметь:

Классифицировать радиотехнические сигналы и устройства в системе различных показателей;

Решать задачи анализа сигналов и их преобразований с применением современного математического аппарата и ЭВМ;

Анализировать процесс функционирования радиотехнических устройств в различных режимах;

Синтезировать схемы оптимальных и цифровых фильтров;

Проводить экспериментальный анализ сигналов и процессов их обработки с использованием натурного моделирования и моделирования на ЭВМ, оформлять результаты экспериментов и формулировать соответствующие выводы;

приобрести навыки:

Решения задач спектрального и корреляционного анализа радиотехнических сигналов;

Применения ЭВМ для расчета спектральных и временных характеристик сигналов и основных параметров процесса их преобразований;

Проведения экспериментальных исследований радиотехнических сигналов и цепей.

Перечень дисциплин, на которых базируется дисциплина «Теоретические основы радиотехники»: высшая математика, теория вероятностей, физика, основы электротехники , электронные приборы, основы теории цепей.

ВВЕДЕНИЕ

Тематика дисциплины «Теоретические основы радиотехники», необходимость и особенности ее изучения, место в системе подготовки специалистов по радиоинформатике. Основные задачи радиотехники и области ее применения, тенденции развития. Назначение радиотехнических информационных систем, их структура, классификация, принципы функционирования. Классификация сигналов. Проблема помехоустойчивости. Развитие радиоэлектронной промышленности в Республике Беларусь.

Раздел 1. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ

Тема 1.1. АНАЛИЗ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ

Математические модели и основные характеристики детерминированных сигналов. Векторное представление сигналов. Ортогональные сигналы и обобщенный ряд Фурье. Погрешность аппроксимации рядом Фурье.

Понятие спектра сигнала, необходимость его использования. Гармонический спектральный анализ и синтез периодических сигналов. Тригонометрическое и комплексное представление спектра периодического сигнала. Распределение мощности в спектре периодического сигнала.

Спектральный анализ непериодических сигналов. Основные свойства преобразования Фурье. Распределение энергии в спектре непериодического сигнала. Соотношение между длительностью сигнала и шириной его спектра. Связь между спектрами периодического и непериодического сигналов. Спектры испытательных сигналов: сигналов, описываемых дельта функцией и единичной функцией, гармонического сигнала.

Корреляционный анализ детерминированных сигналов. Связь между корреляционной и спектральной характеристиками сигнала. Дискретизация и восстановление сигналов по теореме отсчетов (теореме Котельникова). Ряд Котельникова. Принципы временного уплотнения каналов связи.

Тема 1.2. МОДУЛИРОВАННЫЕ СИГНАЛЫ

Необходимость применения модулированных колебаний. Виды модуляции. Сигналы с амплитудной модуляцией. Векторное представление и спектры сигналов с амплитудной модуляцией. Энергетические соотношения. Балансная и однополосная амплитудные модуляции.

Угловая модуляция. Сигналы с частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) модуляциями. Векторное представление и спектры сигналов с ЧМ и ФМ. Энергетические соотношения. Сравнительный анализ амплитудной, частотной и фазовой модуляций. Радиоимпульс с частотной модуляцией, его свойства и основные характеристики.

Сигналы с импульсной, амплитудно-импульсной и импульсно-кодовой (цифровой) модуляциями. Методы модуляции, используемые для передачи дискретных данных по каналам связи вычислительных сетей.

Обобщенное представление модулированных колебаний в виде узкополосных сигналов. Огибающая, частота и фаза узкополосного сигнала. Аналитический сигнал и его свойства.

Раздел 2. ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ В ЛИНЕЙНЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ

Тема 2.1. ЛИНЕЙНЫЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ С ПОСТОЯННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Классификация линейных цепей. Основные свойства и характеристики линейных цепей, методы их расчета и способы экспериментального определения. Устройства дифференцирования и интегрирования сигналов, их характеристики. Фильтры. Активные линейные цепи. Усилительные устройства, классификация и принцип работы.

Линейные радиотехнические цепи с обратной связью. Влияние обратной связи на характеристики устройств. Устойчивость линейных цепей с обратной связью. Критерии устойчивости Гурвица, Найквиста, Михайлова.

Тема 2.2. ПРОХОЖДЕНИЕ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ ЧЕРЕЗ ЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ

Постановка задачи и методы анализа линейных цепей. Временной и спектральный методы анализа, их сравнительная характеристика. Прохождение сигналов через дифференцирующую и интегрирующую цепи.

Особенности анализа прохождения широкополосных и узкополосных сигналов через узкополосные цепи. Упрощенный спектральный метод. Упрощенный временной метод (метод огибающей). Анализ прохождения сигналов с амплитудной и частотной модуляциями через резонансный усилитель.

Раздел 3. ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНЫХ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ

Тема 3.1. НЕЛИНЕЙНЫЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И МЕТОДЫ ИХ АНАЛИЗА

Нелинейные радиотехнические цепи, их свойства и основные характеристики. Методы аппроксимации характеристик нелинейных элементов. Преобразование спектра сигнала в цепи с нелинейным элементом при степенной и кусочно-линейной аппроксимации характеристик. Метод угла отсечки.

Метод фазовой плоскости. Фазовые траектории, особые точки, изоклины, предельные циклы. Анализ нелинейных устройств методом фазовой плоскости.

Тема 3.2. НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ

Нелинейное резонансное усиление сигналов, режимы работы и параметры усилителей. Умножение частоты. Синтез идеального умножителя частоты. Резонансные и параметрические умножители частоты.

Получение амплитудно-модулированных колебаний. Амплитудные модуляторы на основе резонансных усилителей и аналоговых перемножителях напряжений. Балансный модулятор. Выпрямление колебаний. Принципы построения и функционирования выпрямителей. Детектирование сигналов с амплитудной модуляцией. Линейный и квадратичный детекторы. Синхронное детектирование.

Получение сигналов с угловой модуляцией. Частотные и фазовые модуляторы. Принцип работы цифрового частотного модулятора. Детектирование сигналов с угловой модуляцией. Частотное и фазовое детектирование.

Преобразование частоты. Балансные преобразователи частоты .

Принципы построения модуляторов и демодуляторов (модемов), используемых в каналах связи вычислительных сетей.

Тема 3.3. АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Структурная схема автогенератора. Необходимость положительной обратной связи. Возникновение колебаний и стационарный режим работы автогенератора. Баланс амплитуд и баланс фаз. "Мягкий" и "жесткий" режимы самовозбуждения. Квазилинейный метод анализа стационарного режима. Определение амплитуды и частоты генерируемых колебаний в стационарном режиме.

Схемы автогенераторов. LC и RC автогенераторы. Трехточечные автогенераторы с индуктивной и емкостной связями. Автогенераторы на приборах с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Стабилизация частоты в автогенераторах.

Релаксационные автогенераторы. Мультивибраторы, одновибраторы.

Тема 3.4. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

Особенности и разновидности параметрических цепей. Энергетические соотношения в цепи с нелинейной емкостью. Уравнения Мэнли-Роу.

Дифференциальное уравнение цепи с переменной емкостью. Уравнение Матье. Усиление сигналов в параметрических цепях. Одноконтурный и двухконтурный параметрические усилители. Параметрическое возбуждение колебаний. Емкостной и индуктивный параметроны.

Раздел 4. ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ

Тема 4.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ

Случайные сигналы и помехи в системах связи и управления. Вероятностно-статистический подход к описанию физических явлений в радиотехнике. Случайный процесс как модель случайного сигнала. Одномерные и многомерные законы распределения вероятностей случайных процессов. Числовые характеристики. Корреляционная функция как мера статистических связей. Понятие статистической зависимости случайных процессов.

Стационарные и нестационарные случайные процессы. Эргодические случайные процессы. Статистические характеристики стационарных и эргодических случайных процессов.

Спектральная плотность мощности случайного сигнала. Теорема Винера-Хинчина. Соотношение между шириной спектра и интервалом корреляции. Некоторые модели случайных сигналов: нормальный (гауссовский) шум, белый шум, узкополосный случайный процесс, их вероятностные характеристики.

Тема 4.2. ЛИНЕЙНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ

Постановка задачи анализа линейных цепей при воздействии случайных сигналов. Спектральная плотность мощности и корреляционная функция случайного сигнала на выходе линейной цепи. Числовые характеристики. Определение законов распределения случайных сигналов на выходе линейной цепи. Эффект нормализации случайных сигналов в узкополосных цепях.

Характеристики собственных шумов линейных цепей. Дифференцирование и интегрирование случайных процессов.

Тема 4.3. НЕЛИНЕЙНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ

Постановка задачи анализа нелинейных цепей при воздействии случайных сигналов. Методы определения законов распределения вероятностей случайных сигналов на выходе нелинейной безынерционной цепи. Спектральная плотность мощности и корреляционная функция выходного сигнала. Определение числовых характеристик.

Преобразование сигнала и шума в приемном тракте. Характеристики огибающей и фазы узкополосного случайного процесса. Воздействие узкополосного нормального шума на линейный и квадратичный амплитудные детекторы. Совместное воздействие гармонического колебания и нормального шума на амплитудный детектор. Помехоустойчивость амплитудных детекторов. Воздействие сигнала и нормального шума на частотный детектор.

Тема 4.4. ПРИНЦИПЫ ОПТИМАЛЬНОЙ ЛИНЕЙНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ

Постановка задачи оптимальной линейной фильтрации сигналов на фоне помех. Коэффициент передачи согласованного фильтра и отношение сигнала к шуму на его выходе. Импульсная характеристика согласованного фильтра. Физическая осуществимость. Сигнал и помеха на выходе согласованного фильтра. Синтез согласованных фильтров для некоторых типовых сигналов. Формирование сигнала, сопряженного с заданным фильтром. Согласованная фильтрация заданного сигнала при "небелом" шуме.

Сущность корреляционного приема. Структурная схема корреляционного приемника. Квазиоптимальные фильтры.

Раздел 5. ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ

Тема 5.1. ПРИНЦИПЫ ДИСКРЕТНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ

Проблемы цифровой обработки сигналов. Общая структура цифрового фильтра. Спектр дискретизированного сигнала. Дискретное преобразование Фурье. Быстрое преобразование Фурье. Общие сведения о дискретном z - преобразовании. Дискретная свертка сигналов.

Тема 5.2. ЦИФРОВЫЕ ФИЛЬТРЫ

Принцип действия цифрового фильтра. Передаточная функция цифрового фильтра. Нерекурсивные и рекурсивные цифровые фильтры. Канонические схемы рекурсивных фильтров. Методы синтез цифровых фильтров.

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

1. Спектральный анализ периодических сигналов.

2. Спектральный анализ непериодических сигналов.

3. Корреляционный анализ сигналов.

4. Дискретизация и восстановление сигналов по теореме отсчетов (теореме Котельникова).

5. Прохождение сигналов через линейные устройства.

6. Нелинейные преобразования сигналов.

7. Расчет параметров амплитудно-модулированных колебаний.

8. Расчет параметров сигналов с частотной и фазовой модуляциями.

9. Расчет амплитуды и частоты колебаний, формируемых автогенераторами.

10. Расчет характеристик параметрических усилителей.

11. Расчет числовых характеристик стационарных и эргодических случайных сигналов.

12. Линейные преобразования случайных сигналов.

13. Нелинейные преобразования случайных сигналов.

14. Синтез согласованных фильтров для различных сигналов.

15. Синтез цифровых фильтров.

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

1. Исследование спектров периодических и непериодических сигналов.

2. Исследование спектров сигналов с амплитудной, частотной и фазовой модуляциями.

3. Корреляционный анализ детерминированных сигналов.

4. Исследование процессов дискретизации сигналов по теореме отсчетов.

5. Исследование прохождения сигналов через линейные устройства.

6. Исследование прохождения сигналов через нелинейные устройства.

7. Исследование процессов амплитудной модуляции.

8. Исследование процессов выпрямления и детектирования АМ колебаний.

9. Исследование генераторов гармонических колебаний.

10. Исследование законов распределения случайных сигналов.

11. Исследование прохождения случайных сигналов через линейные устройства.

12. Исследование прохождения случайных сигналов через нелинейные устройства.

13. Корреляционный анализ случайных сигналов.

14. Синтез и исследование цифровых фильтров.

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ КУРСОВЫХ РАБОТ

1. Расчет прохождения сигналов сложной формы через линейные цепи спектральным методом.

2. Расчет прохождения сигналов сложной формы через линейные цепи временным методом.

3. Расчет временных и спектральных характеристик сигналов на выходе нелинейных устройств.

4. Расчет статистических характеристик случайных сигналов на выходе линейного устройства.

5. Расчет статистических характеристик случайных сигналов на выходе нелинейного устройства.

ЛИТЕРАТУРА

ОСНОВНАЯ

1. Нефедов радиоэлектроники и связи: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 2002.

2. Гоноровский цепи и сигналы: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1986.

3. , Ушаков основы радиотехники: Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 2002.

4. Баскаков цепи и сигналы: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 2000.

5. Радиотехнические цепи и сигналы. , и др./Под ред. - Радио и связь, 1990.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ

1. Манаев радиоэлектроники. - М.: Радио и связь, 1990.

2. Хемминг фильтры: Пер. с англ. М:. Сов. радио. 1980.

3. Каяцкас радиоэлектроники. - М:. Высшая школа, 1988.

4. , Нефедов. - М.:МИРЭА, 1997.

5. Левин основы статистической радиотехники. - М.: Радио и связь, 1989.

6. Прокинс Дж. Цифровая связь. - М.: Радио и связь, 1999.

7. Битус цепи и сигналы. Часть 1 и 3. - Мн.: БГУИР, 1999 .

8. Радиотехнические цепи и сигналы. Примеры и задачи: Учебное пособие для вузов. / Под ред. - М: Радио и связь, 1989 .

9. Баскаков цепи и сигналы: Руководство к решению задач: Учебное пособие для вузов. - М: Высшая школа, 2002.

При проведении лекций в аудиториях, оборудованных системой учебного ТВ, обеспечивается их компьютерное сопровождение. Лабораторные и практические занятия проводятся в компьютерных классах с использованием персональных ЭВМ. Для этого имеются соответствующее программное обеспечение , созданное сотрудниками БГУИР, и пакеты прикладных программ типа Mathcad, Matlab и др.

УТВЕРЖДЕНА

Министерством образования

Республики Беларусь

16.01.2006

Регистрационный № ТД-I.009/тип.

ЭЛЕКТРОННЫЕ , СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ

И КВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ

Учебная программа для высших учебных заведений

по специальностям 1 –Радиотехника, 1 –Радиоэлектронные системы, 1 –Радиоинформатика, 1 –Радиоэлектронная защита информации

СОСТАВИТЕЛИ:

, заведующий кафедрой электроники Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», кандидат технических наук;

, старший преподаватель кафедры электроники Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»;

, доцент кафедры электроники Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», кандидат технических наук;

Под общей редакцией:

РЕЦЕНЗЕНТЫ:

Кафедра электроники Военной Академии Республики Беларусь (протокол от 01.01.2001.);

, начальник отдела научно-исследовательский приборостроительный институт», кандидат технических наук

Кафедрой электроники Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол от 01.01.2001.);

Научно-методическим советом Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол от 01.01.2001.)

СОГЛАСОВАНА :

Председателем Учебно-методическим объединением вузов Республики Беларусь по образованию в области информатики и радиоэлектроники;

Начальником Управлением высшего и среднего специального образования Министерства образования Республики Беларусь;

Первым проректором Государственным учреждением образования «Республиканский институт высшей школы»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Типовая программа «Электронные, сверхвысокочастотные и квантовые приборы» разработана для специальностей 1 –Радиотехника, 1 –Радиоэлектронные системы, 1 –Радиоинформатика, 1 –Радиоэлектронная защита информации высших учебных заведений и обеспечивает базовую подготовку студентов, необходимую для успешного изучения специальных дисциплин и последующего решения производственных и исследовательских задач в соответствии с образовательными стандартами. Целью изучения дисциплины является подготовка студентов к решению задач, связанных с рациональным выбором электронных приборов, их режимов работы и схем включения в различных устройствах.

Изучение дисциплины «Электронные, сверхвысокочастотные и квантовые приборы» должно опираться на содержание следующих дисциплин: «Высшая математика» (дифференциальное и интегральное исчисление, дифференциальные уравнения, функции комплексной переменной); «Физика» (электричество, магнетизм, электромагнитные волны, квантовая физика, физика твердого тела), «Электротехника» (теория линейных и нелинейных электрических цепей).

Программа составлена в соответствии с требованиями образовательных стандартов и рассчитана на объем 86 учебных часов. Примерное распределение учебных часов по видам занятий: лекций – 52 часа, лабораторных занятий – 34 часа.

В результате изучения курса «Электронные, сверхвысокочастотные и квантовые приборы» студент должен:

знать:

– физические основы явлений, принципы действия, устройство, параметры, характеристики электронных, сверхвысокочастотных и квантовых приборов и элементов микроэлектроники и их различных моделей, используемых при анализе и синтезе радиоэлектронных устройств;

– современное состояние и перспективы развития электронных, сверхвысокочастотных и квантовых приборов;

уметь:

– использовать полученные знания для правильного выбора электронного прибора и задания его рабочего режима по постоянному току;

– находить параметры приборов по их характеристикам;

– определять влияние режимов и условий эксплуатации на параметры приборов;

приобрести навыки работы:

– с электронными приборами и аппаратурой, используемой для исследования характеристик и измерения параметров приборов;

Раздел 1. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Определение термина «Электронные приборы». Классификация электронных приборов по характеру рабочей среды (вакуум , разреженный газ, твердое тело), принципу действия и диапазону рабочих частот. Основные свойства и особенности электронных приборов.

Краткий исторический очерк развития отечественной и зарубежной электронной техники. Роль электронных приборов в радиоэлектронике, телекоммуникационных системах, вычислительных комплексах и других областях науки и техники. Значение курса как одной из базовых дисциплин по радиотехническим специальностям.

Тема 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Свойства полупроводников. Основные материалы полупроводниковой электроники (кремний, германий, арсенид галлия, нитрид галлия), их основные электрофизические параметры. Процессы образования свободных носителей заряда.

Концентрация свободных носителей в собственном и примесном полупроводниках, ее зависимость от температуры. Время жизни и диффузионная длина носителей. Уровень Ферми, его зависимость от температуры и концентрации примесей.

Кинетические процессы в полупроводниках. Тепловое движение и его средняя скорость. Дрейфовое движение, подвижность носителей заряда и ее зависимость от температуры и концентрации примесей. Плотность дрейфового тока, удельная проводимость полупроводников и ее зависимость от температуры и концентрации примесей. Движение носителей в сильных электрических полях, зависимость дрейфовой скорости от напряженности электрического поля. Диффузионное движение носителей, коэффициент диффузии, плотность диффузионного тока. Соотношение Эйнштейна. Появление электрического поля в полупроводнике при неравномерном распределении примесей.

Физические процессы у поверхности полупроводника. Поверхностные энергетические состояния, особенности движения носителей вблизи поверхности, поверхностная рекомбинация. Полупроводник во внешнем электрическом поле, длина экранирования. Обедненный, обогащенный и инверсионный слои.

Контактные явления в полупроводниках. Физические процессы в электронно-дырочном переходе. Образование обедненного слоя, условие равновесия. Уравнение Пуассона. Энергетическая диаграмма, распределение потенциала, напряженности электрического поля и объемного заряда в переходе. Высота потенциального барьера и ширина перехода.

Электронно-дырочный переход при подаче внешнего напряжения. Инжекция и экстракция носителей заряда. Особенности несимметричного перехода.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного электронно-дырочного перехода. Распределение неравновесных носителей. Тепловой ток, его зависимость от ширины запрещенной зоны, концентрации примесей и температуры. Математическая модель и параметры идеализированного p-n-перехода: статическое и дифференциальное сопротивление, барьерная и диффузионная емкости перехода, их зависимость от приложенного напряжения. Пробой p-n-перехода. Виды пробоя.

Контакт металл-полупроводник. Выпрямляющий и невыпрямляющий (омический) контакты.

Гетеропереходы. Энергетические диаграммы. Особенности физических процессов. Особенности ВАХ.

Тема 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Классификация полупроводниковых диодов по технологии изготовления, мощности, частоте и функциональному применению: выпрямительные, стабилитроны, варикапы, импульсные диоды, диоды с накоплением заряда, диоды Шотки, туннельные и обращенные диоды. Принцип работы, характеристики, параметры, схемы включения. Система обозначения полупроводниковых диодов. Влияние температуры на ВАХ.

Тема 3. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Устройство биполярного транзистора (БТ). Схемы включения. Основные режимы: активный, отсечки, насыщения, инверсный. Принцип действия транзистора: физические процессы в эмиттерном переходе, базе и коллекторном переходе; распределение неосновных носителей в базе при различных режимах. Эффект модуляции ширины базы. Токи в транзисторе; коэффициенты передачи тока в схемах с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ).

Физические параметры транзистора: коэффициент передачи тока, дифференциальные сопротивления и емкости переходов, объемные сопротивления областей.

Статические характеристики транзистора. Модель идеализированного транзистора (модель Эберса-Молла). Характеристики реального транзистора в схемах с ОБ и ОЭ. Влияние температуры на характеристики транзистора.

Транзистор как линейный четырехполюсник. Понятие малого сигнала. Системы Z-, Y-, H - параметров и схемы замещения транзистора. Связь H-параметров с физическими параметрами транзистора. Определение H-параметров по статическим характеристикам. Зависимость H-параметров от режима работы и температуры. Т - и П-образные эквивалентные схемы транзисторов.

Работа транзистора с нагрузкой. Построение нагрузочной прямой. Принцип усиления.

Особенности работы транзистора на высоких частотах. Физические процессы, определяющие частотные параметры транзистора. Предельная и граничная частоты, эквивалентная схема транзистора на высоких частотах. Способы повышения рабочей частоты БТ.

Работа транзистора в импульсном режиме. Физические процессы накопления и рассасывания носителей заряда. Импульсные параметры транзистора.

Разновидности и перспективы развития БТ.

Тема 4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор (ПТ) с управляющим p-n-переходом. Устройство, схемы включения. Принцип действия, физические процессы, влияние напряжений электродов на ширину p-n-перехода и форму канала. Статические характеристики, области отсечки, насыщения и пробоя p-n-перехода.

ПТ с барьером Шотки. Устройство, принцип действия. Характеристики и параметры.

ПТ с изолированным затвором. МДП-транзисторы со встроенным и индуцированным каналами. Устройство, схемы включения. Режимы обеднения и обогащения в транзисторе со встроенным каналом и его статические характеристики.

ПТ как линейный четырехполюсник. Система у-параметров полевых транзисторов и их связь с физическими параметрами. Влияние температуры на характеристики и параметры ПТ.

Работа ПТ на высоких частотах и в импульсном режиме. Факторы, определяющие частотные свойства. Предельная частота. Эквивалентная схема на высоких частотах. Области применения ПТ. Сравнение полевых и биполярных транзисторов. Перспективы развития и применения ПТ.

Тема 5. ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИЕ ПРИБОРЫ

Устройство, принцип действия, ВАХ, разновидности тиристоров , диодные тиристоры, триодные тиристоры, симисторы, области применения. Параметры и система обозначения переключающих приборов.

· Тема 6. ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Общие сведения о микроэлектронике. Классификация компонентов электронной аппаратуры и элементов гибридных микросхем. Пассивные дискретные компоненты электронных устройств (резисторы, конденсаторы, индуктивности). Назначение, физические основы работы, параметры, системы обозначения. Пассивные элементы интегральных микросхем: резисторы, конденсаторы. Биполярные транзисторы в интегральном исполнении, транзисторы с барьером Шотки, многоэмиттерные транзисторы. Диоды полупроводниковых ИМС. Биполярные транзисторы с инжекционным питанием. Полупроводниковые приборы с зарядовой связью (ПЗС). Применение ПЗС. Параметры элементов ПЗС.

· Тема 7. КОМПОНЕНТЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ

Определение оптического диапазона электромагнитных колебаний. Классификация оптоэлектронных полупроводниковых приборов. Электролюминесценция. Основные типы полупроводниковых излучателей: некогерентные и когерентные полупроводниковые излучатели. Светодиоды, устройство, принцип действия, характеристики, параметры. Основные материалы, применяемые для изготовления светодиодов. Достижения в разработке светодиодов.

Полупроводниковые приемники излучения: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. Принцип работы, характеристики, параметры.

Устройство оптронов, основные типы оптронов: резисторные, диодные, транзисторные и тиристорные. Классификация, принцип действия, входные и выходные параметры оптронов.

Тема 10. ЭЛЕКТРОННО-УПРАВЛЯЕМЫЕ ЛАМПЫ

Электронная эмиссия. Виды эмиссии. Катоды электровакуумных приборов, основные типы катодов. Прохождение тока в вакууме, ток переноса, ток смещения, полный ток. Понятие о наведенном токе.

Вакуумный диод. Принцип действия. Понятие об объемном заряде. Режим насыщения и режим ограничения тока объемным зарядом. Идеализированная и реальная анодные характеристики диода. Статические параметры. Основные типы диодов, области применения.

Трехэлектродная лампа. Устройство, роль сетки в триоде. Понятие о действующем напряжении и проницаемости сетки. Токораспределение в триоде. Статические характеристики триода. Статические параметры и определение их по характеристикам. Междуэлектродные емкости. Режим работы триода с нагрузкой, нагрузочные характеристики, параметры режима работы с нагрузкой.

Тетроды и пентоды. Роль сеток. Действующее напряжение. Токораспределение. Статические характеристики и параметры многоэлектродных ламп; междуэлектродные емкости. Эквивалентные схемы электронных ламп на низких и высоких частотах.

Мощные генераторные и модуляторные лампы.

Особенности работы электронных ламп со статическим управлением электронным потоком в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ). Понятие о полном токе. Влияние инерционных свойств электронного потока на работу электронных ламп. Влияние на параметры ламп диапазона СВЧ междуэлектродных емкостей и индуктивностей выводов. Особенности конструкции электронных ламп диапазона СВЧ. Мощные электронные лампы СВЧ диапазона. Области применения электронных ламп диапазона СВЧ.

Тема 11. ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Классификация приборов для отображения информации.

Типы электронно-лучевых приборов. Устройство и принцип действия электронно-лучевых приборов. Элементы электронной оптики. Системы фокусировки и отклонения в электронно-лучевых трубках. Типы экранов электронно-лучевых трубок. Параметры экранов.

Типы электронно-лучевых трубок: осциллографические, трубки индикаторных устройств, кинескопы, трубки дисплеев, запоминающие трубки.

Полупроводниковые индикаторы.

Жидкокристаллические индикаторы. Основные параметры, характеризующие жидкие кристаллы. Устройство ЖКИ в проходящем и отраженном свете. Возможность отображения цвета в ЖКИ. ЖК мониторы, устройство и их основные параметры.

Вакуумные накаливаемые индикаторы (ВНИ), вакуумные люминесцентные индикаторы (ВЛИ): одноразрядные, многоразрядные, сегментные ВЛИ, электролюминесцентные индикаторы (ЭЛИ): устройство и принцип действия.

Газоразрядные индикаторы (ГРИ). Основные положения теории тлеющего разряда с холодным катодом. Дискретные газоразрядные индикаторы. Типы и основные параметры ГРИ. Устройство и принцип действия газоразрядных индикаторных панелей.

Из предыдущего видно, сколь разнообразным преобразованиям подвергается сигнал в процессе передачи по каналу связи. Некоторые из этих процессов являются обязательными для большинства радиотехнических систем независимо от их назначения, а также от характера передаваемых сообщений. Перечислим эти фундаментальные процессы и попутно отметим их основные черты применительно к обобщенной схеме радиотехнического канала, представленной на рис. 1.1.

Преобразование исходного сообщения в электрический сигнал и кодирование . При передаче речи и музыки такое преобразование осуществляется с помощью микрофона, при передаче изображений (телевидение) - с помощью передающих трубок (например, суперортикона). При передаче письменного сообщения (радиотелеграфия) сначала осуществляют кодирование, заключающееся в том, что каждая буква текста заменяется комбинацией стандартных символов (например, точек, тире и пауз в коде Морзе), которые затем преобразуют в стандартные электрические сигналы (например, импульсы разной длительности или разной полярности).

Следует отметить, что схема на рис. 1.1 соответствует случаю, когда информация вводится "в начале" канала связи, т. е. непосредственно в передатчике. Несколько иначе обстоит дело, например, в радиолокационном канале, где информация о цели (дальность, высота, скорость и т. д.) вводится в результате отражения радиоволны от цели в свободном пространстве.

Генерация высокочастотных колебаний . Высокочастотный генератор является источником колебаний несущей частоты. В зависимости от назначения радиоканала связи мощность колебаний изменяется от тысячных долей ватта до миллионов ватт. Естественно, что конструктивные формы и размеры этих генераторов различны - от простейшего малогабаритного элемента до грандиозного технического сооружения.

Основными характеристиками высокочастотного генератора являются частота и диапазонность (возможность быстрой перестройки с одной рабочей частоты на другую), мощность и коэффициент полезного действия. Особенно важное значение имеет стабильность частоты колебаний. Радиотехника в этом отношении находится в исключительном положении. Условия распространения радиоволн и широкий спектр частот сигналов диктуют применение очень высоких несущих частот. Условия же обработки сигналов на фоне помех и необходимость ослабления взаимных помех между различными радиоканалами заставляют добиваться максимально возможного уменьшения абсолютных изменений частоты. Это приводит к чрезвычайно жестким требованиям к относительной стабильности частоты.

Управление колебаниями (модуляция) . Процесс модуляции заключается в изменении одного или нескольких параметров высокочастотного колебания по закону передаваемого сообщения. Частоты модулирующего сигнала, как правило, малы по сравнению с несущей частотой генератора, Для осуществления модуляции используются различные приемы, обычно основанные на изменении потенциала электродов электронных приборов, входящих в схему радиопередающего устройства. Основная характеристика процесса модуляции - степень соответствия между изменением параметра высокочастотного колебания и модулирующим сигналом.

Усиление слабых сигналов в приемнике . Антенна приемника улавливает ничтожную долю энергии, излучаемой антенной передатчика, В зависимости от расстояния между передающей и приемной станциями, от степени направленности излучения антенн и условий распространения радиоволн мощность на входе приемника 10 -10 ... 10 -14 Вт. На выходе же приемника для надежной регистрации сигнала требуется мощность порядка милливатт, единиц ватт и более. Отсюда видно, что усиление в приемнике должно достигать 10 7 ... 10 14 по мощности или 10 4 ... 10 7 по напряжению.

В современных приемниках уверенная регистрация сигнала обеспечивается при напряжениях на входе порядка микровольта. Решение этой сложной задачи оказывается возможным благодаря достижениям современной электроники. Большую роль играют также специальные методы построения схем приемников, обеспечивающие большое усиление при сохранении устойчивости работы приемника. К таким методам относится преобразование (понижение) частоты колебания в тракте приемника, осуществляемое так, что при этом сохраняется структура передаваемого сигнала (в схеме на рис. 1.1 процесс преобразования частоты не обозначен). Помимо приемных устройств, процесс преобразования частоты широко используется в различных радиотехнических и радиоизмерительных устройствах.

Проблема усиления в приемнике неотделима от проблемы выделения сигнала на фоне помех. Поэтому одним из основных параметров приемника является избирательность, под которой подразумевается способность выделять полезные сигналы из совокупности сигнала и посторонних воздействий (помех), отличающихся от сигнала частотой. Частотная избирательность осуществляется с помощью резонансных колебательных цепей.

Выделение сообщения из высокочастотного колебания (детектирование и декодирование) . Детектирование является процессом, обратным по отношению к модуляции. В результате детектирования должно быть получено напряжение (ток), изменяющееся во времени так же, как изменяется один из параметров (амплитуда, частота или фаза) модулированного колебания. Иными словами, должно быть восстановлено передаваемое сообщение. Детектор, как правило, включается на выходе приемника, следовательно, к нему подводится модулированное колебание, уже усиленное предыдущими ступенями приемника. Основное требование к детектору - точное воспроизведение формы сигнала.

После детектирования осуществляется декодирование сигнала, т. е. процесс, обратный кодированию. В ряде радиотехнических каналов кодирование и декодирование не используются.

Помимо перечисленных процессов, так или иначе связанных с преобразованием частотных спектров, в радиотехнических устройствах широкое применение находит усиление колебаний без трансформации частоты, осуществляемое в различных усилителях. К таким усилителям относятся:

Низкочастотные усилители управляющих сигналов, используемые перед модулятором передатчика, а также на выходе приемника;

Усилители коротких импульсов, применяемые в телевизионной и радиолокационной технике, а также в импульсных системах радиосвязи;

Высокочастотные усилители большой мощности, используемые в радиопередающих устройствах;

Высокочастотные усилители слабых сигналов, применяемые в радиоприемных и измерительных устройствах.

Кроме упомянутых процессов, присущих, как уже отмечалось, любой радиотехнической линии, в ряде специальных случаев широко применяются многие другие процессы: умножение и деление частоты, генерация коротких импульсов, различные виды импульсной модуляции и т. д.

Прежде чем приступить к изучению каких-либо новых явлений, процессов или объектов, в науке всегда стремятся провести их классификацию по возможно большим признакам. Для рассмотрения и анализа сигналов выделим их основные классы. Это необходимо по двум причинам. Во-первых, проверка принадлежности сигнала к конкретному классу - процедура анализа. Во-вторых, для представления и анализа сигналов разных классов зачастую приходится использовать разные средства и подходы. Основные понятия, термины и определения в области радиотехнических сигналов устанавливает национальный (ранее, государственный) стандарт «Сигналы радиотехнические. Термины и определения». Радиотехнические сигналы чрезвычайно разнообразны. Часть краткой классификации сигналов по ряду признаков приведена на рис. 1. Более подробно сведения о ряде понятий изложены далее. Радиотехнические сигналы удобно рассматривать в виде математических функций, заданных во времени и физических координатах. С этой точки зрения сигналы обычно описывается одной (одномерный сигнал; n = 1), двумя

(двумерный сигнал; n = 2) или более (многомерный сигнал n > 2) независимыми переменными. Одномерные сигналы являются функциями только времени, а многомерные, кроме того, отражают положение в n-мерном пространстве .

Рис.1. Классификация радиотехнических сигналов

Будем для определенности и упрощения в основном рассматривать одномерные сигналы, зависящие от времени, однако материал учебного пособия допускает обобщение и на многомерный случай, когда сигнал представляется в виде конечной или бесконечной совокупности точек, например в пространстве, положение которых зависит от времени. В телевизионных системах сигнал черно-белого изображения можно рассматривать как функцию f(x, у, f) двух пространственных координат и времени, представляющую интенсивность излучения в точке (х, у) в момент времени t на катоде. При передаче цветного телевизионного сигнала имеем три функции f(x, у, t), g(x, у, t), h(x, у, t), определенные на трехмерном множестве (можно рассматривать эти три функции также как компоненты трехмерного векторного поля). Кроме того, различные виды телевизионных сигналов могут возникать при передаче телевизионного изображения совместно со звуком.

Многомерный сигнал - упорядоченная совокупность одномерных сигналов. Многомерный сигнал создает, например, система напряжений на зажимах многополюсника (рис. 2). Многомерные сигналы описывают сложными функциями, и их обработка чаще возможна в цифровой форме. Поэтому многомерные модели сигналов особенно полезны в случаях, когда функционирование сложных систем анализируется с помощью компьютеров. Итак, многомерные, или векторные, сигналы состоят из множества одномерных сигналов

где n - целое число, размерность сигнала.

Р
ис. 2. Система напряжений многополюсника

По особенностям структуры временного представления (рис. 3) все радиотехнические сигналы делятся на аналоговые (analog), дискретные (discrete-time; от лат. discretus - разделенный, прерывистый) и цифровые (digital).

Если физический процесс, порождающий одномерный сигнал, можно представить непрерывной функцией времени u(t) (рис. 3, а), то такой сигнал называют аналоговым (непрерывным), или, более обобщенно, континуальным (continuos - многоступенчатым), если последний имеет скачки, разрывы по оси амплитуд. Заметим, что традиционно термин «аналоговый» используют для описания сигналов, которые непрерывны во времени. Непрерывный сигнал можно трактовать как действительное или комплексное колебание во времени u(t), являющейся функцией непрерывной действительной временной переменной. Понятие «аналоговый» сигнал связано с тем, что его любое мгновенное значение аналогично закону изменения соответствующей физической величины во времени. Примером аналогового сигнала является некоторое напряжение, которое подано на вход осциллографа, в результате чего на экране возникает непрерывная кривая как функция времени. Поскольку современная обработка непрерывных сигналов с использованием резисторов, конденсаторов, операционных усилителей и т. п. имеет мало общего с аналоговыми компьютерами, термин «аналоговый» сегодня представляется не совсем неудачным. Более корректным было бы называть непрерывной обработкой сигналов то, что сегодня обычно называют аналоговой обработкой сигналов.

В радиоэлектронике и технике связи широко применяются импульсные системы, устройства и цепи, действие которых основано на использовании дискретных сигналов. Например, электрический сигнал, отражающий речь, является непрерывным как по уровню, так и по времени, а датчик температуры, выдающий ее значения через каждые 10 мин, служит источником сигналов, непрерывных по значению, но дискретных по времени.

Дискретный сигнал получают из аналогового путем специального преобразования. Процесс преобразования аналогового сигнала в последовательность отсчетов называется дискретизацией (sampling), а результат такого преобразования - дискретным сигналом или дискретным рядом (discrete series).

Простейшая математическая модель дискретного сигнала
- последовательность точек на временной оси, взятых, как правило, через равные промежутки времени
, называемые периодом дискретизации (или интервалом, шагом дискретизации;sample time), и в каждой из которых заданы значения соответствующего непрерывного сигнала (рис. 3, б). Величина, обратная периоду дискретизации, называется частотой дискретизации (sampling frequency):
(другое обозначение
). Соответствующая ей угловая (круговая) частота определяется следующим образом:
.

Дискретные сигналы могут быть созданы непосредственно источником информации (в частности, дискретные отсчеты сигналов датчиков в системах управления). Простейшим примером дискретных сигналов могут служить сведения о температуре, передаваемые в программах новостей радио и телевидения, в паузах же между таким передачами сведений о погоде обычно нет. Не следует думать, что дискретные сообщения обязательно преобразуют в дискретные сигналы, а непрерывные сообщения - в непрерывные сигналы. Чаще всего именно непрерывные сигналы используют для передачи дискретных сообщений (в качестве их переносчиков, т. е. несущей). Дискретные же сигналы можно использовать для передачи непрерывных сообщений.

Очевидно, что в общем случае представление непрерывного сигнала набором дискретных отсчетов приводит к определенной потере полезной информации, так как мы ничего не знаем о поведении сигнала в промежутках между отсчетами. Однако, существует класс аналоговых сигналов, для которых такой потери информации практически не происходит, и поэтому они могут быть с высокой степенью точности восстановлены по значениям своих дискретных отсчетов.

Последовательность чисел, представляющая сигнал при цифровой обработке, является дискретным рядом (discrete series). Числа, составляющие последовательность, являются значениями сигнала в отдельные (дискретные) моменты времени и называются цифровыми отсчетами сигнала (samples). Далее квантованное значение сигнала представляется в виде набора импульсов, характеризующих нули («0») и единицы («1») при представлении этого значения в двоичной системе счисления (рис. 3, г). Набор импульсов используют для амплитудной модуляции несущего колебания и получения кодово-импульсного радиосигнала.

В результате цифровой обработки не получается ничего «физического», только цифры. А цифры - это абстракция, способ описания информации, содержащейся в сообщении. Следовательно, нам необходимо иметь что-то физическое, что будет представлять цифры или «являться носителем» цифр. Итак, сущность цифровой обработки состоит в том, что физический сигнал (напряжение, ток и т. д.) преобразуется в последовательность чисел, которая затем подвергается математическим преобразованиям в вычислительном устройстве.

Трансформированный цифровой сигнал (последовательность чисел) при необходимости может быть преобразован обратно, в напряжение или ток.

Цифровая обработка сигналов предоставляет широкие возможности по передаче, приему и преобразованию информации, в том числе и те, которые не могут быть реализованы с помощью аналоговой техники. На практике при анализе и обработке сигналов чаще всего цифровые сигналы заменяют дискретными, а их отличие от цифровых интерпретируют как шум квантования. В связи с этим эффекты, связанные с квантованием по уровню и оцифровкой сигналов, в большинстве случаев не будут приниматься во внимание. Можно сказать, что и в дискретных и цифровых цепях (в частности, в цифровых фильтрах) обрабатывают дискретные сигналы, только внутри структуры цифровых цепей эти сигналы представлены числами.

Вычислительные устройства, предназначенные для обработки сигналов, могут оперировать с цифровыми сигналами. Существуют также устройства, построенные в основном на базе аналоговой схемотехники, которые работают с дискретными сигналами, представленными в виде импульсов различной амплитуды, длительности или частоты повторения.

Одним из основных признаков, по которым различаются сигналы, является предсказуемость сигнала (его значений) во времени.

Р
ис. 3. Радиотехнические сигналы:

а - аналоговый; б - дискретный; в - квантованный; г - цифровой

По математическому представлению (по степени наличия априорной, от лат. a priori - из предшествующего, т. е. доопытной информации) все радиотехнические сигналы принято делить на две основные группы: детерминированные (регулярные; determined) и случайные (casual) сигналы (рис. 4).

Детерминированными называют радиотехнические сигналы, мгновенные значения которых в любой момент времени достоверно известны, т. е. предсказуемы с вероятностью, равной единице. Детерминированные сигналы описываются заранее заданными функциями времени. Кстати, мгновенное значение сигнала - это мера того, на какое значение и в каком направлении переменная отклоняется от нуля; таким образом, мгновенные значения сигнала могут быть как положительными, так и отрицательными (рис. 4, а). Простейшими примерами детерминированного сигнала являются гармоническое колебание с известной начальной фазой, высокочастотные колебания, модулированные по известному закону, последовательность или пачка импульсов, форма, амплитуда и временное положение которых заранее известны .

Если бы передаваемое по каналам связи сообщение было детерминированным, т. е. заранее известным с полной достоверностью, то его передача была бы бессмысленной. Такое детерминированное сообщение по сути дела не содержит никакой новой информации. Поэтому сообщения следует рассматривать как случайные события (или случайные функции, случайные величины). Иначе говоря, должно существовать некоторое множество вариантов сообщения (например, множество различных значений давления, выдаваемых датчиком), из которых реализуют с определенной вероятностью одно. В связи с этим и сигнал является случайной функцией. Детерминированный сигнал не может быть носителем информации. Его можно использовать лишь для испытаний радиотехнической системы передачи информации или тестирования отдельных ее устройств. Случайный характер сообщений, а также помех обусловил важнейшее значение теории вероятностей в построении теории передачи информации.

Рис. 4. Сигналы:

а - детерминированный; б - случайный

Детерминированные сигналы разделяют на периодические и непериодические (импульсные). Сигнал конечной энергии, существенно отличный от нуля в течение ограниченного интервала времени, соизмеримого со временем завершения переходного процесса в системе, для воздействия на которую он предназначен, называют импульсным сигналом.

Случайными называют сигналы, мгновенные значения которых в любой момент времени не известны и не могут быть предсказаны с вероятностью, равной единице. Фактически для случайных сигналов можно знать только вероятность того, что он примет какое-либо значение.

Может показаться, что понятие «случайный сигнал» не совсем корректно.

Но это не так. Например, напряжение на выходе приемника тепловизора, направленного на источник ИК-излучения, представляет хаотические колебания, несущие разнообразную информацию об анализируемом объекте. Строго говоря, все сигналы, встречающиеся на практике, являются случайными и большинство из них представляют хаотические функции времени (рис. 4, б). Как ни парадоксально на первый взгляд, но сигналом, несущим полезную информацию, может быть только случайный сигнал. Информация в таком сигнале заложена во множестве амплитудных, частотных (фазовых) или кодовых изменений передаваемого сигнала. Сигналы связи во времени меняют мгновенные значения, причем эти изменения могут быть предсказаны лишь с некоторой вероятностью, меньшей единицы. Таким образом, сигналы связи являются в некотором роде случайными процессами, поэтому и их описание осуществляется посредством методов, аналогичных методам описания случайных процессов.

В процессе передачи полезной информации радиотехнические сигналы могут быть подвергнуты тому или иному преобразованию. Это обычно отражают в их названии: сигналы модулированные, демодулированные (детектированные), кодированные (декодированные), усиленные, задержанные, дискретизированные, квантованные и др.

По назначению, которое сигналы имеют в процессе модуляции, их можно разделить на модулирующие (первичный сигнал, который модулирует несущее колебание) или модулируемые (несущее колебание).

По принадлежности к тому или иному виду радиотехнических систем, и в частности систем передачи информации, различают «связные», телефонные, телеграфные, радиовещательные, телевизионные, радиолокационные, радионавигационные, измерительные, управляющие, служебные (в том числе пилот-сигналы) и другие сигналы.

Приведенная краткая классификация радиотехнических сигналов не полностью охватывает все их разнообразие.

Лекция №2 Радиотехнические сигналы

Теория сигналов. Классификация. Основные характеристики сигналов

Изменение во времени напряжения, тока, заряда или мощности в электрических цепях называют электрическим колебанием. Используемое для передачи информации электрическое колебание является сигналом. Сложность процессов в электрических цепях зависит от сложности исходных сигналов. Поэтому целесообразно пользоваться спектром сигналов. Из математики известны ряды и преобразования Фурье, с помощью которых удается представить сигналы совокупностью гармонических составляющих. На практике полезен анализ характеристики, дающий представление о скорости изменения и длительности сигнала. Это удается достичь с помощью корреляционного анализа.

2.1. Общие сведения о радиотехнических сигналах

Традиционно радиотехническими принято считать электрические (а теперь и оптические) сигналы, относящиеся к радиодиапазону. С математической точки зрения всякий радиотехнический сигнал можно представить некоторой

функцией времени u(t), которая характеризует изменение его мгновенных значений напряжения (такое представление применяют чаще всего), тока, заряда или мощности. Каждый класс сигналов имеет свои особенности и требует специфических методов описания и анализа. Одним из ключевых компонентов представления и обработки сигналов является анализ. Основной целью анализа служит сравнение сигналов друг с другом для выявления их сходства и различия. Различают три основные составляющие анализа электрических сигналов:

Измерение числовых параметров сигналов (энергию, среднюю мощность и среднее квадратическое значение);

Разложение сигнала на элементарные составляющие либо для их рассмотрения по отдельности, либо для сравнения свойств различных сигналов; такое разложение проводят с использованием рядов и интегральных преобразований, важнейшими из которых являются ряды и преобразование Фурье;

Количественное измерение степени «похожести» различных сигналов, их параметров и характеристик; такое измерение производят с применением аппарата корреляционного анализа.

Для того чтобы сделать сигналы объектами изучения и расчетов, следует указать способ их математического описания, т. е. создать математическую модель исследуемого сигнала. В радиотехнике каждому классу сигналов соответствует свое математическое представление, своя математическая модель, причем одна и та же математическая модель может практически всегда адекватно описывать напряжение, ток, заряд, мощность, напряженность электромагнитного поля и т. д. Наиболее распространенными способами представлений (описаний) сигналов являются временной, спектральный, аналитический, статистический, векторный, графический и геометрический. Функции, описывающие сигналы, могут принимать как вещественные, так и комплексные значения. Поэтому в дальнейшем в книге часто будем говорить о вещественных и комплексных сигналах. Часть краткой классификации сигналов по ряду признаков приведена на рис.2.1.

Рис.2.1. Классификация радиотехнических сигналов

Радиотехнические сигналы удобно рассматривать в виде математических функций, заданных во времени и физических координатах. С этой точки зрения сигналы обычно описывается одной (одномерный сигнал; п = 1), двумя (двумерный сигнал; п = 2) или более (многомерный сигнал п > 2) независимыми переменными. Одномерные сигналы являются функциями только времени, а многомерные, кроме того, отражают положение в «-мерном пространстве. Будем для определенности и упрощения в основном рассматривать одномерные сигналы, зависящие от времени, многомерный случай, когда сигнал представляется в виде конечной или бесконечной совокупности точек, например в пространстве, положение которых зависит от времени. В телевизионных системах сигнал черно-белого изображения можно рассматривать как функцию f(x,у,f) двух пространственных координат и времени, представляющую интенсивность излучения в точке (х, у) в момент времени t на катоде. При передаче цветного телевизионного сигнала имеем три функции f (x, у, t), g(x, у, t), h(x, у, t), определенные на трехмерном множестве (можно рассматривать эти три функции также как компоненты трехмерного векторного поля). Кроме того, различные виды телевизионных сигналов могут возникать при передаче телевизионного изображения совместно со звуком. Многомерный сигнал упорядоченная совокупность одномерных сигналов. Многомерный сигнал создает, например, система напряжений на зажимах многополюсника (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Система напряжений многополюсника.

Многомерные сигналы описывают сложными функциями, и их обработка чаще возможна в цифровой форме. Поэтому многомерные модели сигналов особенно полезны в случаях, когда функционирование сложных систем анализируется с помощью компьютеров. Итак, многомерные, или векторные, сигналы состоят из множества одномерных сигналов

где n целое число, размерность сигнала. По особенностям структуры временного представления (рис. 2.3) все радиотехнические сигналы делятся на аналоговые ( analog ), дискретные (discrete - time ; от лат. discretus разделенный, прерывистый) и цифровые ( digital ). Если физический процесс, порождающий одномерный сигнал, можно представить непрерывной функцией времени u(t) (рис. 2.3, а), то такой сигнал называют аналоговым (непрерывным). Примером аналогового сигнала является некоторое напряжение, которое подано на вход осциллографа, в результате чего на экране возникает непрерывная кривая как функция времени. Дискретный сигнал получают из аналогового путем специального преобразования. Процесс преобразования аналогового сигнала в последовательность отсчетов называется дискретизацией (sampling), а результат такого преобразования дискретным сигналом или дискретным рядом (discrete series). Простейшая математическая модель дискретного сигнала U n (t) последовательность точек на временной оси, взятых, как правило, через равные промежутки времени Т = ∆t, называемые периодом дискретизации (или интервалом, шагом дискретизации; sample time), и в каждой из которых заданы значения соответствующего непрерывного сигнала (рис. 2.3, б). Величина, обратная периоду дискретизации, называется частотой дискретизации (sampling frequency): f Д = 1/Т (другое обозначение f Д f Д = 1/∆t). Соответствующая ей угловая (круговая) частота определяется следующим образом: ω Д = 2π /∆t.

Рис. 2.3. Радиотехнические сигналы: а аналоговый; б дискретный; в квантованный; г цифровой

Разновидностью дискретных сигналов является цифровой сигнал ( digital signal ), В процессе преобразования дискретных отсчетов сигнала в цифровую форму (обычно в двоичные числа) производится его квантование по уровню ( quantization ) напряжения ∆. При этом значения уровней сигнала можно пронумеровать двоичными числами с конечным, требуемым числом разрядов. Сигнал, дискретный во времени и квантованный по уровню, называют цифровым сигналом. В цифровом сигнале дискретные значения сигнала u T (t) вначале квантуют по уровню (рис. 2.3, в) и затем квантованные отсчеты дискретного сигнала заменяют числами u Ц (t), чаще всего реализованными в двоичном коде, который представляют высоким (единица) и низким (нуль) уровнями потенциалов напряжения короткими импульсами длительностью τ (рис. 2.3, г). Такой код называют униполярным. При представлении сигнала неизбежно происходит его округление. Возникающие при этом ошибки округления называются ошибками (или шумами) квантования ( quantization error , quantization noise ). Последовательность чисел, представляющая сигнал при цифровой обработке, является дискретным рядом (discrete series). Одним из основных признаков, по которым различаются сигналы, является предсказуемость сигнала (его значений) во времени. Детерминированными называют радиотехнические сигналы, мгновенные значения которых в любой момент времени достоверно известны. Простейшими примерами детерминированного сигнала являются гармоническое колебание с известной начальной фазой, высокочастотные колебания, модулированные по известному закону. Детерминированный сигнал не может быть носителем информации. Детерминированные сигналы разделяют на периодические и непериодические (импульсные). Сигнал конечной энергии, существенно отличный от нуля в течение ограниченного интервала времени, соизмеримого со временем завершения переходного процесса в системе, для воздействия на которую он предназначен, называют импульсным сигналом.

Случайными называют сигналы, мгновенные значения которых в любой момент времени не известны и не могут быть предсказаны с вероятностью, равной единице. Сигналом, несущим полезную информацию, может быть только случайный сигнал.

Случайные процессы, параметры и свойства которых можно определять по одной случайной реализации (выборке) называются эргодическими, они обладают определенными свойствами.

Часто при описании и анализе некоторых видов сигналов (в первую очередь узкополосных) бывает удобной комплексная форма их представления

где - соответственно модуль и фаза комплексной величины

Комплексная функция u(t) может быть также представлена в виде

где Re, Im действительная и мнимая части комплексной функции. Из обоих формул получим:

При векторном представлении комплексный сигнал это вектор на комплексной плоскости с действительной осью осью абсцисс и мнимой осью осью ординат (рис. 2.5). Вектор на плоскости вращается в положительном направлении (против часовой стрелки) со скоростью ω 0 . Длина вектора равна модулю комплексного сигнала, угол между вектором и осью абсцисс аргументу φ 0 . Проекции вектора на оси координат равны соответственно действительной и мнимой частям комплексной величины.