Импульсные сигналы зависят от тока. Их применение в электроэнергетике, в основном, определяется системами телеметрического контроля, управле-ния, ремонтной защиты. Импульсные сигналы для передачи энергии не при-меняют. Это связано с их широким энергетическим (частотным) спектром. Они могут быть как периодическими, то есть повторяться через опреде-ленный интервал времени, либо не периодическими. Основное назначение таких сигналов – информационное.

Основные характеристики импульсных сигналов.

1) Мгновенное значение импульсного сигнала(U(t)) аналогично синусо-идальному можно определить c помощью приборов, представляющих форму сигнала.

2) Амплитудное значение U n характеризует наибольшее значение мгно-венного напряжения в интервале периода Т. Период исследования импу-льного сигнала определяется по точкам на уровне 0,5 амплитуды.

3) Время нарастания переднего фронта t ф + -- интервал времени между точками, соответствующими 0,1U m и 0,9U m . Передний фронт харак-теризует степень нарастания сигнала, т.е. как быстро импульс от уровня 0 достигает U m . В идеале t ф + должно равняться нулю, но на практике ни-когда этот интервал не равен нулю, t ф » 10 нС.

4) Время спада (заднего фронта) t ф - определяется аналогично от уровня 0,1 до 0,9 у амплитуды, но на спаде импульса. Время заднего фронта, как и переднего, также конечно. Его стремятся уменьшить, поскольку спад влияет на длительность импульса t u .

5) Длительность импульса t u – интервал времени, определяемый на уровне 0,5 амплитуды от переднего до заднего фронта. Важное значение для сигнала имеет отношение периода следования импульса к длительности импульса, называемого скважностью. Чем выше скважность, тем большее число раз импульс ²укладывается² в период следования T/m = q.

Частным случаем импульсного сигнала является ²меандр², у кото-рого скважность q = 2. Скважность косвенно указывает на энергетическую характеристику сигнала: чем она больше, тем меньшую энергию за период переносит сигнал. Поскольку сигнал характеризуется различными уровнями напряжения для него также применяют: действующее значение напряжения, аналоговая форма; средневыпрямленное значение напряжения.

Для прямоугольных сигналов эти величины оказываются равными. Часто рассматривают энергетическую характеристику - мощность сигнала. Мощность за период P определяется для прямоугольного сигнала как:

Где P u – мощность импульса, q – скважность

Мощность импульса может достигать больших величин, при этом средняя мощность оставаться невысокой. Короткими импульсами с большой амплитудой проверяются устройства.

6) Êîýôôèöèåíò ñïàäà âåðøèíû Y =

Спектр импульсных сигналов

w 0 2w 0 3w 0 4w 0 5w 0 6w 0 t

Согласно разложения в ряд Фурье периодических сигналов, импульсный сигнал также представляют состоящим из суммы множества составляющих. В первую очередь, это основная гармоника – частота исследования сигнала и ее кратные составляющие. Но вместе с ними в это разложение входит множество других гармоник, не кратных основной. Это гармоники меньшие основной и комбинации этих гармоник с основными. Такое представление показывает, что импульсного сигнала имеет широкую полосу. Все по одной линии.

Низкие частоты обеспечивают в форме импульса крышу. Чем меньше эти составляющие, тем меньше спад вершины импульса. Вместе с этим, скваж-ность нарастания и спада импульса зависит от высокочастотных составляющих в разложении сигнала. Чем больше частота, тем круче фронты импульса. Для передачи сигнала необходимо устройство, имеющее одинаковые коэффициенты передачи во всем диапазоне спектра импульса. Но такое устройство технически выполнить сложно. Поэтому всегда решают задачу: спектр выбрать поуже, а параметр импульса получше.

Основной критерий оптимизации: скважность передачи импульсных сигналов. Но сегодня в реальных системах она достигает 100Мбод = 10 8 единиц информации в сек.

Импульсные сигналы стремятся передать положительные полярности, так как полярность определяется питающим напряжением, хотя применяют импульсы отрицательной полярности для передачи информации. При измерении величины напряжения импульсных сигналов обращают внимание на прибор: пиковый вольтметр (амплитудный), средних значений, среднеквадратичных значений. Средние и среднеквадратичные значения напряжения зависят от длительности импульса. Пиковое значение – нет. Передача импульсных сигналов по проводным линиям приводит к заметному искажению сигналов: спектр сигнала сужается в ВЧ части, поэтому фронт и спад импульса увеличиваются.

По природе любые электрические сигналы делят на 2 группы: детер-минированные, случайные.

Первые в любой момент времени могут быть описаны конкретным зна-чением (мгновенным значением U(t)). Детерминированные сигналы соста-вляют большинство.

Случайные сигналы. Природа их появления непредсказуема заранее, поэтому их нельзя вычислить, обозначить в конкретной точке. Такие сигналы можно лишь исследовать, провести эксперимент, по которого опре-делить вероятностные характеристики сигналов. В энергетике к таким сигналам относят: помехи электромагнитных полей, искажающие основной сигнал. Дополнительные сигналы появляются при разрядах полных или частичных между линиями передач. Случайные сигналы анализируют, измеряют с помощью вероятностных характеристик. С точки зрения погрешностей измерения, случайные сигналы и их влияние относят к дополнительным случайным погрешностям. При этом если их величина на порядок меньше основных случайных, их из анализа можно исключить.

По принципу обмена информацией различают три вида радиосвязи:

симплексная радиосвязь;

дуплексная радиосвязь;

полудуплексная радиосвязь.

По типу аппаратуры, используемой в радиоканале связи, различают следующие виды радиосвязи:

телефонная;

телеграфная;

передачи данных;

факсимильная;

телевизионная;

радиовещания.

По типу используемых радиоканалов связи различают следующие виды радиосвязи:

поверхностной волной;

тропосферная;

ионосферная;

метеорная;

космическая;

радиорелейная.

Виды документированной радиосвязи:

телеграфная связь;

передача данных;

факсимильная связь.

Телеграфная связь – для передачи сообщений в виде буквенно-цифрового текста.

Передача данных для обмена формализованной информацией между человеком и ЭВМ или между ЭВМ.

Факсимильная связь для передачи электрическими сигналами неподвижных изображений.

1 – Телекс – для обмена письменной корреспонденцией между организациями и учреждениями с использованием пишущих машинок с электронной памятью;

2 – Теле (видео) текст – для получения информации из ЭВМ на мониторы;

3 – Теле (бюро) факс – для получения используются факсимильные аппараты (либо у пользователей, либо на предприятиях).

В радиосетях широко используются следующие виды сигналов радиосвязи:

А1 - AT с манипуляцией незатухающими колебаниями;

А2 - манипуляция тонально-модулируемыми колебаниями

АЗН - А1 (В1) - ОМ с 50 % несущей

АЗА - А1 (В1) - ОМ с 10 % несущей

АЗУ1 - А1 (Bl) - ОМ без несущей

3. Особенности распространения радиоволн различных диапазонов.

Распространение радиоволн мириаметрового, километрового и гектометрового диапазонов.

Для оценки характера распространения радиоволн того или иного диапазона необходимо знать электрические свойства материальных сред, в которых распространяется радиоволна, т.е. знать и ε А земли и атмосферы.

Закон полного тока в дифференциальной форме гласит, что

т.е. изменение во времени потока магнитной индукции обуславливает появление тока проводимости и тока смещения.

Запишем это уравнение с учетом свойств материальной среды:

λ < 4 м - диэлектрик

4 м < λ < 400 м – полупроводник

λ > 400 м – проводник

Морская вода:

λ < 3 м - диэлектрик

3 cм < λ < 3 м – полупроводник

λ > 3 м – проводник

Для волны мириаметрового (CВД):

λ = 10 ÷ 100 км f = 3 ÷ 30 кГц

и километрового (ДВ):

λ = 10 ÷ 1 км f = 30 ÷ 300 кГц

диапазонов поверхность земли по своим электрическим параметрам приближается к идеальному проводнику, а ионосфера имеет наибольшую проводимость и наименьшую диэлектрическую проницаемость, т.е. близка к проводнику.

RV диапазонов CДВ и ДВ практически не проникают в землю и ионос­феру, отражаясь от их поверхности и могут распространяться по естест­венным радиотрассам на значительные расстояния без существенной потери энергии поверхностными и пространственными волнами.

Т.к. длина волныСДВ диапазона соизмерима с расстоянием до нижней границы ионосферы, то понятие простой и поверхностной волны теряет смысл.

Процесс распространения RVрассматривается как происходящий в сферическом волноводе:

Внутренняя сторона - земля

Внешняя сторона (ночью - слой Е, днем - слой Д)

Волноводный процесс характеризуется незначительными потерями энергии.

Оптимальные RV – 25 ÷ 30 км

Критические RV (сильное затухание) - 100 км и более.

Присущи явления: - замирания, радиоэха.

Замирания (фединги) в результате интерференции RV, прошедших раз­ные пути и имеющие разные фазы в точке приема.

Если в противофазе в точке приема поверхностная и пространственная волна, то это фединг.

Если в противофазе в точке приема пространственные волны, то это дальний фединг.

Радиоэхо - это повторение сигнала в результате последовательного приема волн, отразившихся от ионосферы разное число раз (ближнее ради­оэхо) или пришедших в точку приема без и после огибания земного шара (дальнее радиоэхо).

Земная поверхность имеет устойчивые свойства , а места измерения условий ионизации ионосферы мало влияют на распространениеRV СДВ диапазона, то величина энергии радиосигнала мало изменяется в течение суток, года и вэкстремальных условиях.

В диапазоне км волн хорошо выражены и поверхностная и пространствен­ная волны (и днем, и ночью), особенно на волнах λ> 3 км.

Поверхностные волны при излучении имеют угол возвышения не более 3-4 градусов, а пространственные волны излучаются под большими углами к земной поверхности.

Критический угол падения RV км диапазона очень мал (днем на слой Д, а ночью на слой Е). Лучи с углами возвышения, близко к 90 ° отражаются от ионосферы.

Поверхностные волны км диапазона, благодаря хорошей дифракционной способнос­ти, могут обеспечить связь на расстояние до 1000 км и более. Однако с расстоянием эти волны сильно затухают. (На 1000 км поверхностная вол­на по интенсивности меньше пространственной).

На очень большие расстояния связь осуществляется только прост­ранственной км волной. В области равной интенсивности поверхностной и пространственной волн наблюдается ближний фединг. Условия расп­ространения км волн практически не зависят от сезона, уровня солнечной активности, слабо зависят от времени суток (ночью уровень сигнала боль­ше).

Прием в км диапазоне редко ухудшается из-за сильных атмосфер­ных помех (гроза).

При переходе от КМ (ДВ) км к гектометровому диапазону уменьшается проводимость земли и ионосферы. ε земли и приближается к ε атмос­феры.

Возрастают потери в земле. Волны глубже проникают в ионосферу. На расстоянии в несколько сот км начинают преобладать пространственные волны, т.к. поверхностные поглощаются землей и затухают.

На расстоянии примерно 50-200 км поверхностные и пространственные волны равны по интенсивности и может проявляться ближний фединг.

Замирания частые и глубокие.

С уменьшением λ глубина замираний возрастает при уменьшении дли­тельности запираний.

Особенно сильные замирания на λ больше 100 м.

Средняя длительность замираний колеблется от нескольких секунд (1 сек) до нескольких десятков секунд.

Условия радиосвязи в гектометровом диапазоне (СВ) зависят от сезона и времени суток, т.к. слой Д исчезает, а слой Е – выше, причем в слое Д большое поглощение.

Дальность связи ночью больше, чем днем.

Зимой условия приема улучшаются за счет уменьшения электронной плотности ионосферы и ослабляются в атмосферных полях. В городах при­ем сильно зависит от промышленных помех.

Распространение RV - декаметрового диапазона (КВ).

При переходе от СВ к КВ потери в земле сильно увеличиваются (зем­ля является несовершенным диэлектриком), в атмосфере (ионосфе­ре)-уменьшается.

Поверхностные волны на естественных радиотрассах КВ диапазона имеют малое значение (слабая дифракция, сильное поглощение).

2.1.1. Детерминированные и случайные сигналы

Детерминированный сигнал – это сигнал, мгновенное значение которого в любой момент времени можно предсказать с вероятностью равной единице.

Примером детерминированного сигнала (рис.10) могут быть: последовательности импульсов (форма, амплитуда и положение во времени которых известны), непрерывные сигналы с заданными амплитудно-фазовыми соотношениями.

Способы задания ММ сигнала: аналитическое выражение (формула), осциллограмма, спектральное представление.

Пример ММ детерминированного сигнала.

s(t)=S m ·Sin(w 0 t+j 0)

Случайный сигнал – сигнал, мгновенное значение которого в любой момент времени заранее неизвестно, а может быть предсказано с некоторой вероятностью, меньше единицы.

Примером случайного сигнала (рис. 11) может быть напряжение, соответствующее человеческой речи, музыке; последовательность радиоимпульсов на входе радиолокационного приемника; помехи, шумы.

2.1.2. Сигналы, применяемые в радиоэлектронике

Непрерывные по величине (уровню) и непрерывные по времени (непрерывные или аналоговые) сигналы – принимают любые значения s(t) и существуют в любой момент в заданном временном интервале (рис. 12).

Непрерывные по величине и дискретные по времени сигналы заданы при дискретных значениях времени (на счетном множестве точек), величина сигнала s(t) в этих точках принимает любое значение в определенном интервале по оси ординат.

Термин «дискретный» характеризует способ задания сигнала на оси времени (рис. 13).

Квантованные по величине и непрерывные по времени сигналы заданы на всей временной оси, но величина s(t) может принимать лишь дискретные (квантованные) значения (рис. 14).

Квантованные по величине и дискретные по времени (цифровые) сигналы – передаются значения уровней сигнала в цифровой форме (рис. 15).

2.1.3. Импульсные сигналы

Импульс – колебание, существующее лишь в пределах конечного отрезка времени. На рис. 16 и 17 представлены видеоимпульс и радиоимпульс.

Для трапециидального видеоимпульса вводят параметры:

А – амплитуда;

t и – длительность видеоимпульса;

t ф – длительность фронта;

t ср – длительность среза.

S р (t)=S в (t)Sin(w 0 t+j 0)

S в (t) – видеоимпульс – огибающая для радиоимпульса.

Sin(w 0 t+j 0) – заполнение радиоимпульса.

2.1.4. Специальные сигналы

Функция включения (единичная функция (рис. 18) или функция Хевисайда) описывает процесс перехода некоторого физического объекта из «нулевого» в «единичное» состояние, причем этот переход совершается мгновенно.

Дельта-функция (Функция Дирака) является импульсом, длительность которого стремится к нулю, при этом высота импульса неограниченно возрастает. Принято говорить, что функция сосредоточена в этой точке.

	(2)
	(3)

Сигнал - физический процесс, отображающий сообщение. В технических системах чаще всего используются электрические сигналы. Сигналы, как правило, являются функциями времени.

1. Классификация сигналов

Сигналы можно классифицировать по различным признакам:

1. Непрерывные ( аналоговые) - сигналы, которые описываются непрерывными функциями времени, т.е. принимают непрерывное множество значений на интервале определения. Дискретные - описываются дискретными функциями времени т.е. принимают конечное множество значений на интервале определения.

Детерминированные - сигналы, которые описываются детерминированными функциями времени, т.е. значения которых определены в любой момент времени. Случайные - описываются случайными функциями времени, т.е. значения которых в любой момент времени является случайной величиной. Случайные процессы (СП) можно классифицировать на стационарные, нестационарные, эргодические и неэргодические, а так же, гауссовы, марковские и т.д.

3. Периодические - сигналы, значения которых повторяются через интервал, равный периоду

х (t) = х (t+nT), где n = 1,2,...,¥; T - период.

4. Kаузальные - сигналы, имеющие начало во времени.

5. Финитные - сигналы конечной длительности и равные нулю вне интервала определения.

6. Когерентные - сигналы, совпадающие во всех точках определения.

7. Ортогональные - сигналы противоположные когерентным.

2. Характеристики сигналов

1. Длительность сигнала ( время передачи) Т с - интервал времени, в течении которого существует сигнал.

2. Ширина спектра F c - диапазон частот, в пределах которых сосредоточена основная мощность сигнала.

3. База сигнала - произведение ширины спектра сигнала на его длительность.

4. Динамический диапазон D c - логарифм отношения максимальной мощности сигнала - P max к минимальной - P min (минимально-различи-мая на уровне помех):

D c = log (P max /P min).

В выражениях, где может быть использованы логарифмы с любым основанием, основание логарифма не указывается.

Как правило, основание логарифма определяет единицу измерения (например: десятичный - [Бел], натуральный - [Непер]).

5. Объем сигнала определяется соотношениемV c = T c F c D c .

6. Энергетические характеристики: мгновенная мощность - P (t); средняя мощность - P ср и энергия - E. Эти характеристики определяются соотношениями:

P (t) = x 2 (t); ; (1)

где T = t max - t min .

3. Математические модели случайных сигнлов

Детерминированное, т.е. заранее известное сообщение, не содержит информации, т.к получателю заранее известно, каким будет переда-ваемый сигнал. Поэтому сигналы носят статистический характер .

Случайный (стохастический, вероятностный) процесс - процесс, который описывается случайными функциями времени.

Случайный процесс Х (t) может быть представлен ансамблем неслучайных функций времени x i (t), называемых реализациями или выборками (см. рис.1).

Рис.1. Реализации случайного процесса X (t)

Полной статистической характеристикой случайного процесса является n - мерная функция распределения: F n (x 1 , x 2 ,..., x n ; t 1 , t 2 ,..., t n), или плотность вероятности f n (x 1 , x 2 ,..., x n ; t 1 , t 2 ,..., t n).

Использование многомерных законов связанно с определенными трудностями,

поэтому часто ограничиваются использованием одномерных законов f 1 (x, t), характеризующих статистические характеристики случайного процесса в отдельные моменты времени, называемые сечениями случайного процесса или двумерных f 2 (x 1 , x 2 ; t 1 , t 2), характеризующих не только статистические характеристики отдельных сечений, но и их статистическую взаимосвязь.

Законы распределения являются исчерпывающими характеристиками случайного процесса, но случайные процессы могут быть достаточно полно охарактеризованы и с помощью, так называемых, числовых характеристик (начальных, центральных и смешанных моментов). При этом наиболее часто используются следующие характеристики: математическое ожидание (начальный момент первого порядка)

; (2)

средний квадрат (начальный момент второго порядка)

; (3)

дисперсия (центральный момент второго порядка)

; (4)

корреляционная функция, которая равна корреляционному моменту соответствующих сечений случайного процесса

. (5)

При этом справедливо следующее соотношение:

(6)

Стационарные процессы - процессы, в которых числовые характеристики не зависят от времени.

Эргодические процессы - процесс, в которых результаты усреднения и по множеству совпадают.

Гауссовы процессы - процессы с нормальным законом распределения:

(7)

Этот закон играет исключительно важную роль в теории передачи сигналов, т.к большинство помех являются нормальными.

В соответствии с центральной предельной теоремой большинство случайных процессов являются гауссовыми.

Марковский процесс - случайный процесс, у которых вероятность каждого последующего значения определяется только одним предыдущим значением.

4. Формы аналитического описания сигналов

Сигналы могут быть представлены во временной, операторной или частотной области, связь между которыми определяется с помощью преобразований Фурье и Лапласа (см. рис.2).

Преобразование Лапласа:

L -1: (8)

Преобразования Фурье:

F -1: (9)

Рис.2 Области представления сигналов

При этом могут быть использованы различные формы представления сигналов с виде функций, векторов, матриц, геометрическое и т.д.

При описании случайных процессов во временной области используется, так называемая, корреляционная теория случайных процессов, а при описании в частотной области - спектральная теория случайных процессов.

С учетом четности функций

и и в соответствии с формулами Эйлера: (10)

можно записать выражения для корреляционной функции R x (t) и энергетического спектра (спектральной плотности) случайного процесса S x (w), которые связанны преобразованием Фурье или формулами Винера - Хинчина

; (11) . (12)

5. Геометрическое представление сигналов и их характеристик

Любые n - чисел можно представить в виде точки (вектора) в n -мерном пространстве, удаленной от начала координат на расстоянии D ,

где . (13)

Сигнал длительностью T с и шириной спектра F с , в соответствии с теоремой Котельникова определяется N отсчетами, где N = 2F c T c .

Этот сигнал может быть представлен точкой в n - мерном пространстве или вектором, соединяющим эту точку с началом координат .

Длина этого вектора (норма) равна:

; (14)

где x i =x (n Dt) - значение сигнала в момент времени t = n. Dt.

Допустим: X - передаваемое сообщение, а Y - принимаемое. При этом они могут быть представлены векторами (рис.3).

X1 , Y1

0 a 1 a 2 x1 y1

Рис.3. Геометрическое представление сигналов

Определим связи между геометрическим и физическим представлением сигналов. Для угла между векторами X и Y можно записать

cos g = cos (a 1 - a 2) = cos a 1 cos a 2 + sin a 1 sin a 2 =

Обзор