Z-преобразование

 

При анализе и синтезе дискретных и цифровых устройств Z-преобразование играет такую же роль, как интегральные преобразования Фурье по отношению к непрерывным сигналам.

Пусть – числовая последовательность, конечная или бесконечная, содержащая отсчётные значения некоторого сигнала. Поставим ей в однозначное соответствие сумму ряда по отрицательным степеням комплексной переменной Z:

(7.9)

Эта сумма называется Z-преобразованием последовательности . Свойства дискретных последовательностей чисел можно изучать, исследуя их Z-преобразования обычными методами математического анализа.

На основании формулы (7.9) можно непосредственно найти Z-преобразования сигналов с конечным числом отсчётов. Так простейшему дискретному сигналу с единственным отсчётом соответствует Если же, например, , то

Рассмотрим случай, когда в ряде (7.9) число слагаемых бесконечно велико.

Возьмём дискретный сигнал образованный одинаковыми единичными отсчётами и служащий моделью обычной функции включения. Бесконечный ряд является суммой геометрической прогрессии и сходится при любых Z, |Z|> 1. Суммируя прогрессию, получаем

Аналогично получается Z-преобразование бесконечного дискретного сигнала , где а-некоторое вещественное число. Здесь

Данное выражение имеет смысл при |Z|> a

Пусть x(z) – функция комплексной переменной Z. Замечательное свойство Z-преобразование состоит в том, что функция x(z) определяет всю бесконечную совокупность отсчётов ().

Действительно, умножим обе части ряда (7.9) на множитель :

(7.10)

а затем вычислим интегралы от обеих частей полученного равенства, взяв в качестве контура интегрирования произвольную замкнутую кривую, При этом воспользуемся фундаментальным положением из теоремы Коши:

Интегралы от всех слагаемых правой части обратятся в нуль, за исключением слагаемого с номером m, поэтому:

(7.11)

Данное выражение носит название обратное Z-преобразование.

Важнейшие свойства Z-преобразования:

1. Линейность. Если и - некоторые дискретные сигналы, причём известны соответствующие Z-преобразования x(z) и y(z), то сигналу будет отвечать преобразование при любых постоянных и . Доказательство проводится путём подстановки суммы в формулу (7.9).

2. Z-преобразование смещённого сигнала. Рассмотрим дискретный сигнал , получающийся из дискретного сигнала путём сдвига на одну позицию в сторону запаздывания, т.е. когда . Непосредственно вычисляя Z-преобразование, получаем следующий результат:

(7.12)

Таким образом, символ служит оператором единичной задержки (на один интервал дискретизации) в Z-области.

3. Z-преобразование свёртки. Пусть x(z) и y(z) – непрерывные сигналы, для которых определена свёртка:

(7.13)

Применительно к дискретным сигналам по аналогии с (7.13) принято вводить дискретную свёртку – последовательность чисел общий член которой:

(7.14)

Подобную дискретную свёртку называют линейной

Вычислим Z-преобразование дискретной свёртки:

(7.15)

Итак свёртке двух дискретных сигналов отвечает произведение Z-преобразований.

Часть

Раздел 1.Каналы электросвязи

Тема1.1 Общие сведения о каналах электросвязи и их классификация

 

Каналом связи – называется совокупность средств, предназначенных для передачи сообщений (под “средством” понимают и технические устройства, и линию связи – физическую среду, в которой распространяется сигнал между пунктами связи).

Классификация каналов связи возможна с использованием различных признаков.

1) В зависимости от назначения систем каналы связи делят на: телефонные, телевизионные, телеграфные, фототелеграфные, звукового вещания, телеметрические, смешанные и т.п.

2) В зависимости от того, распространяется ли сигнал между пунктами связи в свободном пространстве или по направляющим линиям, выделяют каналы радио и проводной связи (воздушные, кабельные, волоконно-оптические линии связи, волноводные СВЧ тракты и т. п.).

3) Более существенна классификация каналов электрической связи по диапазону используемых частот. Так на современных симметричных кабельных линиях связи применяют сигналы, занимающие полосы частот в диапазоне, ограниченном сверху частотой в несколько сотен килогерц. Дополнительные мероприятия по увеличению симметрии кабельных пар позволяют увеличить верхний предел используемого диапазона частот до тысячи килогерц. Коаксиальные кабели, являющиеся основой сетей магистральной дальней связи, пропускают в настоящее время диапазон частот до сотен мегагерц.

На воздушных проводных линиях используют частоты не выше 150 кГц, ибо на более высоких частотах в этих линиях сильно сказывается мешающее действие аддитивных помех и резко возрастает затухание в линии.

Радиосвязь осуществляется с помощью электромагнитных волн, распространяющихся в частично ограниченном (например, землёй и ионосферой) пространстве. В настоящее время в радиосвязи применяют частоты примерно от до Гц. Этот диапазон принято в соответствии с десятичной классификацией подразделять следующим образом:

 

 

Диапазоны волн	Длины волн	Частоты
Декакилометровые (сверхдлинные, СДВ)	10 - 100км	3 - 30кГц
Километровые (длинные, ДВ)	1 - 10км	30 - 300кГц
Гектаметровые (средние, СВ)	100 - 1000м	0, 3 - 3МГц
Декаметровые (короткие, КВ)	10 - 100м	3 - 30МГц
Метровые	1 - 10м	30 - 300МГц
Дециметровые (УКВ) Сантиметровые	0, 1 - 1м 1 - 10см	300 - 3000МГц 3 - 30ГГц
Миллиметровые	1 - 10мм	30 - 300ГГц

Диапазон миллиметровых волн уже вплотную подходит к диапазону инфракрасных волн.

В настоящее время благодаря созданию и внедрению в практику квантовых генераторов (лазеров и мазеров) освоен и диапазон световых волн(оптический диапазон).

Для современного этапа развития техники связи характерна тенденция к переходу на все более высокие частоты. Это вызвано рядом причин, в частности, необходимостью повышать скорость передачи информации, возможностью получить остронаправленное излучение при необходимых размерах излучателей, меньшей интенсивностью атмосферных и многих видов промышленных помех в более высокочастотных диапазонах, возможностью применения помехоустойчивых систем модуляции и т.д.

4) Наибольший интерес для теории передачи сигналов представляет классификация каналов связи по характеру сигналов на входе и выходе канала. Различают каналы:

а) дискретные, на входе и выходе которых сигналы дискретные. Таковы каналы, заданные между точками или на схеме:

 

 

б) непрерывные, на входе и выходе которых сигналы непрерывны. Примером может служить канал, заданный между выходом модулятора и входом демодулятора в любой системе связи;

в) дискретные со стороны входа и непрерывные со стороны выхода, или наоборот. Такие каналы называются дискретно-непрерывными и непрерывно-дискретными (или полунепрерывными) (например, дискретно-непрерывные – это каналы, заданные между точками , ; непрерывно-дискретные – это канал )

Всякий дискретный, или полунепрерывный канал содержит внутри себя непрерывный канал.

Прохождение сигналов через каналы связи сопровождается изменениями (преобразованиями) этих сигналов.

5) С точки зрения передачи по каналу, важно подразделение преобразований сигнала на обратимые и необратимые. Обратимые преобразования не влекут за собой потери информации. При необратимых преобразованиях потери информации неизбежны. Для обратимых преобразований сигнала часто используют термин «искажение», а необратимые преобразования вызваны помехами (аддитивными и неаддитивными).