Дәріс . Радиотехникалық сигналдар түрлері

дәріс. Радиотехникалық сигналдар түрлері.

Кездейсоқ және детерминделген сигналдар Радиотехникалық жүйелер көмегімен қашықтыққа ақпаратты таратқанда радиотехникалық сигналдардың әртүрлі түрлері пайдаланылады. Дәстүрге сәйкес радиотехникалық сигналдар деп радиодиапазонға жататын кезкелген электрлік сигналдардыайтуға болады. Математикалық жағынан қарағанда қандайда болмасын радиотехникалық сигналды, әлдебір уақыттық функция u (t) деп қарауға болады, ол кернеудің, токтың немесе зарядтың ілездік мәндерінің өзгеруін сипаттайды. Жалпы жағдайда радиотехникалық сиг-налдарды уақыт және физикалық координаталар бойынша берілген математикалық функциялар түрінде қараған ыңғайлы. Осы көзқарасқа сәйкес сигналдар бірөлшемді және көпөлшемді болып бөлінеді. Іс жүзінде ең көп тараған бірөлшемді сигналдар уақыттың функциясы болып, ал көпөлшемді сиг-налдар сонымен қатар n -өлшемді кеңістіктегі орынды анықтайды. Мысалы, кезкелген заттың, адамның немесе жануардың бейнесі туралы ақпаратты алып жүретін сигналдар уақыт пен кеңістіктегі орынның функциясы болып табылады. Көпөлшемді, немесе векторлық сигналдар

 

u₂ u₃ u₄

u₁ u_n-1

u₀ u_n

 

 

2.1-сурет

 

бірөлшемді сигналдар жиынтығынан тұрады да (2.1-сурет), аналитикалық түрде былай жазылады

 

U(t) = { u₁ (t), u₂ (t), …, u_n (t)}, (2.1)

 

мұнда n – бүтін сан –сигнал өлшемдігі.

Біз күнде көретін теледидарлық сигнал үш өлшемді, онда кеңістікте және уақыт бойынша өзгеретін бейнені сипаттайтын жолдық және кадрлық ақпараттық кернеулер бар.

Радиоэлектроника және байланыс техникасында импульстық жүйелер кеңінен қолданылады, олардың әрекеті дискреттік сигналдарды пайдалануға негізделген. Мысалы сөзді бейнелейтін сигнал деңгейі бойынша да, уақыт бойынша да үзіліссіз болады, ал температураның мәнін әрбір 10 мин. сайын бергіш (датчик), шамасы бойынша үзіліссіз, бірақ уақыт бойынша дискретті мәлімет көзі болып табылады.

Сонғы он жыл радиотехника мен радиотехнологияның қарқынды дамуымен сипатталады (ұялы байланыс, теледидар, жерсеріктіктік байланыс, радиорелейлік байланыс.). Телекоммуникацияның даму қарқыны, бүкіл әлемдік экономиканың даму қорқынынан екі есе асып түседі. Қәзіргі кезең сигналдарды аналогтыктан айтарлықтай артықшылығы бар цифрлық өңдеу, тарату және сақтау әдістеріне жылдам ауысумен сипатталады.

 

 

 

 

	периодты емес

 

 

 

2.2 - сурет. Сигналдар жіқтелуі

 

Сигнал өзімен бірге ақпаратты тасушы физикалық үрдіс болып табылады.Сигнал дыбыстық сәулелік, пошта арқылы жіберу түрінде және т.б. болуы мүмкін. Сигналдың көп таралған түрі ол U(t) кернеудің уақытқа тәуелділік түріндегі электрлік қалпы.

Хабарды бейнелеуге қабілетті көрсеткіштері бар, кеңістікте және уақыт бойынша таратылатын физикалық үрдісті - сигнал деп атайды. s(t) сигнал деп физикалық үрдістің көрсеткіштерінің біреуі уақыт бойынша өзгеруін түсінеміз.

Уақыттың кез-келген сәтінде де нақты анықталған сигнал - детерминацияланған сигнал деп аталады (мысалы, аналитикалық түрде берілген). Детерминацияланған сигналдар периодтық және периодтық емес болуы мүмкін, s(t) = s(t + kT) шарты орындалғандағы сигнал периодтықдеп аталады, мұнда k - кез-келген бүтін сан, T – период.Периодтық сигналдың мысалы – гармоникалық тербеліс .

Кез-келген күрделі периодтық сигнал жиіліктері негізгі жиілікке еселі гармоникалық тербелістердің қосындысы түрінде бейнеленуі мүмкін.

Периодтық емес сигналережеге сәйкес уақыт бойынша шектеулі.

Кездейсоқ сигнал деп уақытқа тәуелді функциясы бар, мәндеріі әлдебір ықтималдықпен болжануы мүмкін және алдын ала белгісіз сигналды айтамыз. Кездейсоқ сигналдың негізгі қасиеттері:

а) ықтималдықты тарату заңы (анықталған аралықта сигнал шамасынның салыстырмалы болу уақыты);

б) сигнал қуатының спектралдық таралымы.

Барлық радиотехникалық сигналдар уақыт бойынша көрсету құрылымы ерекшеліктеріне қарай барлық аналогтық, дискреттік (латынша-discretus-бөлінген, үзілісті), квантталған және цифрлық болып бөлінеді.

Егер сигналды тудыратын физикалық процесті уақыттың үзіліссіз функциясы (2.3, а –сурет) түрінде көрсете алсақ, онда мұндай сигналды аналогтық деп атайды.

Цифрлық сигнал дегеніміз екілік түрде сигналдың дискретті саналуын айқындайтын амплитудаларды бирдей бір жақты импульстар комбинациясы.

Әрбір нақты жүйе үшін тербелістер аралығын таңдауға келесі факторлар әсер етеді:

а) берілген аралықтығы электромагниттік толқынның таралу ерекшелігі, толқын таралатын кеңістіктің күй – жайы. Ұзын толқындарды жер жұтып алады, қысқа және ультра қысқа толқындар кедегіні орап өтпейді. Ұзын, орташа және қысқа толқындар атмосфераның жоғарғы қабатынан көрінуі мүмкін.

б) техникалық қойылатын шарттар: сәулену бағыты, антенналық жүйенің сәйкес өлшемдерінің қолданылуы, қуатты тербелістерді генерациялау және оларды басқару, қабылдағыш құрылғының сұлбасы. Егер антенналық құрылғы өлшемі бойынша толқын ұзындығынан едәуір үлкен болса, онда сәулену бағытын қамтамасыз етуге болады. Бағыталуының радиолокацияда, радионавигацияда маңызы зор. Жердің жұтып алуы нәтижесінде ұзын толқындарда тербелістердің үлкен қуаты талап етеді, ал басқа аралықтарда аса қашық ғарыштық байланыс кезінде ғана бұл талап қойылады. Жаңа аралықтарды меңгеру үшін жаңа техникалық құралдар қажет. Оның нәтижесінде қысқа толқынды аймаққа өту генерациялау құрылғысын меңгеру шамасы бойынша біртіндеп жүзеге асырылады.

в) берілген аралықтағы шулармен бөгеуілдердің сипаты. Жүйелі түрде әртүрлі аралықтағы радиотолқындардың өтуі зерттеленіп тұрады.

г) хабар сипаты (ақпараттар саны және соған байланысты спектрдің ені (жиілік аралығы)).

Үлкен ақпарат беретін теледидардың жиілік жолағы кең болуы керек, сондықта ол тек ультра қысқа толқындарда ғана мүмкін.

u _T(t) – дискреттік сигналдың қарапайым математикалық моделі – уақыт өсіндегі нүктелер тізбегі, олардың әрқайсысында сәйкесті үзіліссіз сигнал мәндері берілген (2.3,ә-сурет).

Дискреттік сигналдардың бір түрі – цифрлық сигнал. Цифрлық деп көбінесе дискреттік деңгейлерінің шекті саны бар сигналды айтады. Цифрлық сигналда u _T(t) сигналдың дискретті мәндері u _ц(t) сандармен алмастырылады, көп жағдайда екілік кодада іске асырылады. Екілік коданы кернеу потенциалдары жоғары (бірлік) және төменгі (нөлдік) деңгейлерімен көрсетеді.

Математикалық ұсынылуы бойынша жөне ақпараттық көзқарас жағынан радиотехникалық сигналдардың бүкіл алуан түрлілігін екі негізгі топқа бөлуге келісілген: детерминделген (регулярлық) және кездейсоқ сигналдар.

Детерминделген деп, оның лездік мәнін уақыттың кезкелген сәтінде бірге тең ықтималдықпен алдын-ала айтуға болатын қандай да болмасын сигналды

 

а) ә)

 

б) в)

 

г)

 

2.3 – сурет. Сигналдар: а) – аналогтық; ә) – дискреттік; б) квантталған, в) – дискретті- квантталған, г) цифрлық

 

айтады. Детерминделген сигналдардың мысалы ретінде пішіні, амплитудасы және уақыт бойынша орны белгілі импульстарды немесе импульстер бумасын келтіруге болады. Сондай-ақ берілген амплитудалары және өзінің спектрі ішіндегі фазалық қатынастары бар үздіксіз сигналды айтуға болады.

Детерминделген сигналдың мысалы ретінде гармоникалық (синусоидалық) тербелісті, формасы, амплитудасы және уақыттық орны алдын-ала белгілі импульстер тізбегін немесе тобын келтіруге болады.

Іс жүзінде детерминделген сигналдың өзі ешқандай ақпаратты алып жүрмейді. Детерминделген сигналдарды әдетте байланыс жүйесін, радиоарналарды немесе жеке құрылғыларды сынау үшін қолданады. Детерминделген сигналдар периодикалық және периодикалық емес (импульстық) болып бөлінеді. Импульстық сигнал – шектелген қысқа уақыт аралығында мәні нөлге тең болмайтын, шекті энергиясы бар сигнал.

Кездейсоқ сигналдарға, ілездік мәндері алдын-ала белгісіз және де тек бірден кем ықтималдықпен болжап айтуға болатын сигналдарды жатқызады. Осындай сигналдар мысалы, сөзге, музыкаға, қайталанбайтын мәтінді бергендегі телеграфтық коданың ретті белгілеріне сәйкесті электр кернеулері. Шындығында өзімен бірге ақпаратты алып жүретін қандай да болмасын сигналды кездейсоқ деп есептеуге болады.

Теория бойынша және іс жүзінде кездейсоқ сигналдармен қатар кездейсоқ бөгеуліктер - шуылдармен де жұмыс істеуге тура келеді. Шуыл деңгейі, берілген сигалдағы ақпаратты беру жылдамдығын шектейтін негізгі себеп болып табылады. Сондықтан да кездейсоқ сигналдарды зерттеуді шуылдарды зерттеуден бөліп алып қарауға болмайды. Пайдалы кездейсоқ сигналдарды, сондай-ақ бөгеуліктерді кездейсоқ тербелістер немесе кездейсоқ процесс атауымен біріктіріп қарайды.

Периодикалық сигналдар гармоникалық яғни тек бір гармоникасы бар және спектрі көптеген гармоникалық құрастырушылардан тұратын полигармоникалық болуы мүмкін. Гармоникалық сигналдарға синус немесе косинус функциясымен сипатталатын сигналдар жатады. Басқа қалған сигналдар полигармоникалық болып табылады. Кездейсоқ сигналдар – ілездік мәндері уақыттың кезкелген сәтінде белгісіз және бірге тең ықтималдықпен жорамалдауға болмайтын сигналдар. Іс жүзінде барлық нақты кездейсоқ сигналдар немесе олардың көпшілігі бейберекет (хаотикалық) уақыт функциясы болып табылады. Ең қызық жері, пайдалы ақпаратты тасымалдайтын тек қана кездейсоқ сигнал. Ондағы ақпарат берілетін (тасымалданатын) сигналдың көптеген амплитудалық, жиліктігі (фазалық) немесе кодалық өзгерістері негізінде іске асады. Мысалы, кездейсоқ сигнал ретінде сөзді, музыканы, бейнені және т.б. түрлендіру нәтижесінде алынған электрлік кернеуді айтуға болады.

Сигналдарды әрі қарай бөлуді олардың табиғатымен байланыстыруға болады:

сигналға физикалық процесс турасынан немесе кодаланған, мысалы екілік кодаға, сандар деп қарауға болады. Бірінші жағдайда, сигнал ретінде берілетін хабармен анықталған түрде байланысқан кезкелген уақыт бойынша өзгеріп отыратын электрлік шаманы (кернеу, ток, заряд және т.б.) түсінуге болады. Екінші жағдайда сол хабар екілікті кодаланған сандар тізбегінде жатыр дейміз.

Сигналдарды динамикалық түрде көрсету. Радиотехниканың мәселелері, мысалы физикалық жүйенің белгілі кіріс әсерге жауап беруісигналдарды арнайы түрде анықтауды қажет етеді. Сигналдың ілездік мәні туралы ақпараттың болуы жеткіліксіз, сонымен қатар оның уақыттық өсіндегі «өткендегі» ғана емес, сондай-ақ «болашақтағы» жағдайын білуіміз керек.

Динамикалық түрде сигналды көрсетудің ұстанымы. Осындай сигналдардың моделдерін алудың әдісі мынандай. Нақты сигнал шамамен, ретті уақыт сәттерінде туындайтын әлдебір элементар сигналдардың қосындысы түрінде бейнеленеді. Енді егер жекелеген элементар сигналдардың ұзақтылығын нөлге ұмтылдырсақ, онда әрине шектікте бастапқы сигналдың дәлме-дәл көрсетімі шығады. Осы сигналдарды бейнелеу әдісін, осымен уақыт бойынша дамып отырған процесс сипатын ерекшелей отырып, сигналдарды динамикалық түрде көрсету деп айтамыз.

Сигналдарды динамикалық көрсетудің екі әдісі кең тараған. Біріншісіне сәйкес элементар сигналдар ретінде D бірдей уақыт аралықтарында туындайтын баспалдақты функциялар пайдаланылады (2.4, а-сурет). Өрбір басқыштың биіктігі D уақыт аралығындағы сигналдың өсіміне тең.

 

s(t) s(t)

 

 

 

0 D 2D 3D 4D 0 D 2D 3D 4D

а) б)

 

2.4 – сурет. Сигналдарды динамикалық түрде көрсету

 

Екінші әдісте элементар сигналдар ретінде тікбұрышты импульстер алынады. Осы импульстер бір-біріне іргелес орналасып, қисыққа жымдасып тізбек құрады (2.3,б-сурет).

Бірінші әдіс бойынша сигналды динамикалық көрсетуге пайдаланылатын элементар сигнал қасиеттерін қарайық.

Қосылу функциясы. Математикалық моделі теңдіктер жүйесімен берілген сигнал болсын дейік:

0, t < - x, v(t) = í1/2(x + 1), -x£ t £ x, (2.2)

1, t >; x.

 

Осындай функция өлдебір физикалық нысанның «нөлдіктен» «бірлік» күйге өту процесін сипаттйды. Өту процесі 2x уақытында сызықтық заңға сәйкес іске асырылады. Егер x параметрін нөлге ұмтылдырсақ, онда шектікте бір күйден екінші күйге өту ілезде іске асады. Осындай шектік сигналдың математикалық моделі қосылу функциясынемесе Хевисайд функциясыдеп аталады:

0, t < 0,

s(t) = í ½, t = 0, (2.3)

1, t > 0.

 

Жалпы жағдайда қосылу функциясы уақыт санағы басына қарағанда t ₀ шамасына жылжуы мүмкін. Сонда жылжыған функция мынандай болады:

 

0, t < 0,

s(t – t ₀) = í ½, t = 0, (2.4)

1, t > 0.

 

Қосылу функциясы көмегімен қандай да болмасын сигналды динамикалық көрсету.

s (t) әлдебір сигналды алып қарайық және де айқындық үшін t < 0- де s (t) = 0 деп алайық. {D_1, 2D₂, 3D,…} уақыт сәттері тізбегі, ал { s _1, s ₂, s ₃,…} оларға сәйкес сигналдар тізбегі дейік. Егер s ₀ = s (0) бастапқы мән болса, онда суреттен көрініп тұрғандай, кез-келген t- дасигналдың ағымдық мәні жуықтап баспалдақтық функция қосындысыны тең:

 

s (t)» s ₀s(t) + (s ₁ – s ₀) s(t -D) + (s ₂ – s ₁) s(t -2D) +…=

 

= s ₀s(t) + . (2.5)

Негiзгi әдебиет:1[11-38], 2[74-103]; 6[ 46-61];