Аналогові, дискретні та цифрові сигнали

Однією з тенденцій розвитку сучасних систем зв'язку є широке застосування в них дискретно-аналогової та цифрової обробки сигналів (ДАО та ЦГЗ).

Аналоговий сигнал Z'(t), що спочатку використовується в радіотехніці, може бути представлений у вигляді безперервного графіка (рис. 2.10а). До аналогових сигналів відносять АМ-, ЧС-, ФМ-сигнали, сигнали телеметричного датчика та ін. Пристрої, в яких обробляються аналогові сигнали, називаються пристроями аналогової обробки. До таких пристроїв відносяться перетворювачі частоти, різні підсилювачі, LC фільтри та ін.

Оптимальний прийом аналогових сигналів, як правило, передбачає алгоритм оптимальної лінійної фільтрації, яка є актуальною особливо при використанні складних шумоподібних сигналів. Однак саме в цьому випадку побудова узгодженого фільтра становить велику складність. При використанні узгоджених фільтрів на основі багатовідвідних ліній затримки (магнітострикційних, кварцових та ін) виходять великі згасання, габарити та нестабільність затримки. Перспективні фільтри на поверхневих акустичних хвилях (ПАР), але малі тривалості оброблюваних у них сигналів і складність перебудови параметрів фільтрів обмежують область їх застосування.

На зміну аналоговим РЕМ у 40-х роках прийшли пристрої дискретної обробки аналогових вхідних процесів. Ці пристрої забезпечують дискретно-аналогову обробку (ДАО) сигналів і мають великі можливості. Тут застосовується сигнал дискретний за часом, безперервний станами. Такий сигнал Z'(kT) є послідовністю імпульсів з амплітудами, рівними значенням аналогового сигналу Z'(t) в дискретні моменти часу t=kT, де k=0,1,2,… - цілі числа. Перехід від безперервного сигналу Z'(t) до послідовності імпульсів Z'(kT) називається дискретизацією за часом.

Малюнок 2.10 Аналогові, дискретні та цифрові сигнали

Рисунок 2.11 Дискретизація аналогового сигналу

Дискретизацію аналогового сигналу за часом може виконати каскад збігу "І" (рис. 2.11), на вході якого діє аналоговий сигнал Z'(t). Керується каскад збігу тактовою напругою UT(t) – короткими імпульсами тривалістю tі, що випливають з інтервалами T>>tі.

Інтервал дискретизації Т вибирається відповідно до теореми Котельникова T=1/2Fmax, де Fmax – максимальна частота у спектрі аналогового сигналу. Частоту fд = 1/Т називають частотою дискретизації, а сукупність значень сигналу при 0, Т, 2Т, - сигналом з амплітудо-імпульсною модуляцією (АІМ).

До кінця 50-х років сигнали АІМ застосовувалися лише за перетворення мовних сигналів. Для передачі по каналу радіорелейного зв'язку АІМ сигнал перетворюють на сигнал з фазоімпульсною модуляцією (ФІМ). При цьому амплітуда імпульсів стала, а інформація про мовне повідомлення міститься в відхиленні (фазі) Dt імпульсу щодо деякого середнього положення. Використовуючи короткі імпульси одного сигналу, і розміщуючи між ними імпульси інших сигналів, отримують багатоканальний зв'язок (але не більше 60 каналів).

В даний час ДАТ посилено розвивається на основі застосування «пожежних ланцюжків» (ПЦ) та приладів із зарядними зв'язками (ПЗЗ).

На початку 70-х років на мережах зв'язку різних країн та СРСР почали з'являтися системи з імпульсно-кодовою модуляцією (ІКМ), де застосовуються сигнали у цифровій формі.

Процес ІКМ є перетворення аналогового сигналу в цифри, складається з трьох операцій: дискретизація за часом через інтервали Т (рис.2.10,б), квантування за рівнем (рис. 2.10,в) і кодування (рис. 2.10,д). Операцію дискретизації за часом розглянуто вище. Операція квантування за рівнем полягає в тому, що послідовність імпульсів, амплітуди яких відповідають значенням аналогового сигналу 3 в дискретні моменти часу, замінюється послідовністю імпульсів амплітуди яких можуть приймати тільки обмежене число фіксованих значень. Ця операція призводить до помилки квантування (рис.2.10 г).

Сигнал ZКВ(kT) є дискретним сигналом як за часом, так і за станами. Можливі значення u0, u1,…,uN-1 сигналу Z'(kT) на приймальній стороні відомі, тому передають значення uk, яке сигнал прийняв на інтервалі Т, а тільки його номер рівня k. На приймальній стороні прийнятого номера k відновлюють значення uk. І тут передачі підлягають послідовності чисел у двійковій системі числення – кодові слова.

Процес кодування полягає у перетворенні квантованого сигналу Z'(kT) у послідовність кодових слів (x(kT)). На рис. 2.10, зображені кодові слова у вигляді послідовності двійкових кодових комбінацій при використанні трьох розрядів.

Розглянуті операції ІКМ застосовуються в РПУ з ЦГЗ, причому ІКМ необхідна не тільки для аналогових сигналів, але і для цифрових.

Покажемо необхідність ІКМ прийому цифрових сигналів по радіоканалу. Так, при передачі в декаметровому діапазоні елемент xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx цифрового сигналу xi(kT) (i=0,1), що відображає n-ий елемент коду, очікуваний сигнал на вході РПУ разом з адитивною перешкодою ξ(t) можна представити у вигляді:

z / i (t) = µx(kT) + ξ(t) , (2.2)

при (0 ≤ t ≥ ТЕ),

де μ-коефіцієнт передачі каналу, ТЕ - час тривалості елемента сигналу. З (2.2) видно, що перешкоди на вході РПУ утворюють безліч сигналів, що є аналоговим коливанням.

Прикладами цифрових схем є логічні елементи, регістри, тригери, лічильники, що запам'ятовують пристрої та ін.

1. Аналого-цифрові РПУ, які мають реалізовані на ІВ окремі вузли: синтезатор частоти, фільтри, демодулятор, АРУ та ін.

2. Цифрові радіоприймачі (ЦРПУ), в яких сигнал обробляється після аналого-цифрового перетворювача (АЦП).

На рис. 2.12 показані елементи основного (інформаційного каналу) ЦРПУ декаметрового діапазону: аналогова частина приймального тракту (АЧПТ), АЦП (що складається з дискретизатора, квантувача та кодера), цифрова частина приймального тракту (ЦЧПТ), цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) та фільтр нижніх частот (ФНЧ). Подвійні лінії позначають передачу цифрових сигналів (кодів), а одинарні – аналогових та АІМ сигналів.

Рисунок 2.12 Елементи основного (інформаційного каналу) ЦРПУ декаметрового діапазону

АЧПТ виробляє попередню частотну вибірковість, значне посилення та перетворення сигналу Z'(T) за частотою. АЦП перетворює аналоговий сигнал Z'(T) на цифровий x(kT) (рис. 2.10,д).

У ЦЧПТ зазвичай проводиться додаткове перетворення за частотою, вибірковість (у цифровому фільтрі – основний вибірковості) та цифрова демодуляція аналогових та дискретних повідомлень (частотної, відносної фазової та амплітудної телеграфії). На виході ЦППТ отримуємо цифровий сигнал y(kT) (рис. 2.10,е). Цей сигнал, оброблений за заданим алгоритмом, з виходу ЦЧПТ надходить у ЦАП або запам'ятовуючий пристрій ЕОМ (при прийомі даних).

У послідовно включених ЦАП і ФНЧ, цифровий сигнал y(kT) перетворюється спочатку безперервний за часом і дискретний за станами сигнал y(t), а потім у yФ(t), який безперервний за часом і станами (рис. 2.10,ж , З).

З багатьох методів цифрової обробки сигналів у ЦРПУ найважливішими є цифрова фільтрація та демодуляція. Розглянемо алгоритми та структуру цифрового фільтра (ЦФ) та цифрового демодулятора (ЦД).

Цифровий фільтр – це дискретна система (фізичний пристрій чи програма для ЕОМ). У ньому послідовність числових відліків (x(kT))вхідного сигналу перетворюється на послідовність (y(kT))вихідного сигналу.

Основними алгоритмами ЦФ є: лінійне різницеве ​​рівняння, рівняння дискретної згортки, операторна передатна функція в z-площині та частотна характеристика.

Рівняння, що описують послідовності чисел (імпульсів) на вході та виході ЦФ (дискретної системи із затримкою), називаються лінійними різницевими рівняннями.

Лінійне різницеве ​​рівняння рекурсивного ЦФ має вигляд:

, (2.3)

де x[(k-m)T] та y[(k-n)T] – значення вхідних та вихідних послідовностей числових відліків у моменти часу (k-m)T та (k-n)Т відповідно; m і n – число затриманих підсумованих попередніх вхідних та вихідних числових відліків відповідно;

a0, a1, …, am та b1, b2, …, bn – речові вагові коефіцієнти.

У (3) перший доданок є лінійним різницевим рівнянням нерекурсивного ЦФ. Рівняння дискретної згортки ЦФ одержують із лінійного різницевого нерекурсивного ЦФ шляхом заміни в ньому al на h(lT):

, (2.4)

де h(lT) – імпульсна характеристика ЦФ, що є відгуком на одиничний імпульс.

Операторна передатна функція є відношення перетворених за Лапласом функцій на виході та вході ЦФ:

, (2.5)

Цю функцію отримують безпосередньо з різницевих рівнянь, застосовуючи дискретне перетворення Лапласа та теорему усунення.

Під дискретним перетворенням Лапласа, наприклад, послідовності (x(kT)) розуміється отримання L – зображення виду

, (2.6)

де p = s + jw – комплексний оператор Лапласа.

Теорему усунення (зсуву) стосовно дискретних функцій можна сформулювати: усунення незалежної змінної оригіналу в часі на ±mT відповідає множенню L –зображення на . Наприклад,

Враховуючи властивості лінійності дискретного перетворення Лапласа та теорему зміщення, вихідна послідовність чисел нерекурсивного ЦФ набуде вигляду

, (2.8)

Тоді операторна передатна функція нерекурсивного ЦФ:

, (2.9)

Малюнок 2.13

Аналогічно з огляду на формулу (2.3) отримаємо операторну передатну функцію рекурсивного ЦФ:

, (2.10)

Формули операторних передавальних функцій мають складний вигляд. Тому великі труднощі виникають при дослідженні полів та полюсів (коренів рис. 2.13 полінома чисельника та коренів полінома знаменника), які в р-площині мають періодичну за частотою структуру.

Аналіз та синтез ЦФ спрощується при застосуванні z – перетворення, коли переходять до нової комплексної змінної z, пов'язаної з p співвідношенням z=epT або z-1=e-рT. Тут комплексна площина р = s + jw відображається іншою комплексною площиною z = x + jy. Для цього необхідно, щоб es+jw=x+jy. На рис. 2.13 показані комплексні площини р і z.

Зробивши заміну змінних e-pT=z-1 (2.9) і (2.10), отримаємо передатні функції в z-площині відповідно для нерекурсивного і рекурсивного ЦФ:

, (2.11)

, (2.12)

Передатна функція нерекурсивного ЦФ має лише нулі, тому він абсолютно стійкий. Рекурсивний ЦФ буде стійким, якщо його полюси будуть розташовані всередині одиничного кола z-площини.

Передатна функція ЦФ у вигляді полінома за негативними ступенями змінної z дає можливість безпосередньо на вигляд функції HЦ(z) скласти структурну схему ЦФ. Змінну z-1 називають оператором одиничної затримки, але в структурних схемах це елемент затримки. Тому старші ступеня чисельника та знаменника передавальної функції HЦ(z)річок визначають кількість елементів затримки відповідно у нерекурсивній та рекурсивній частинах ЦФ.

Частотну характеристику ЦФ отримують безпосередньо з його передавальної функції в z-площині шляхом заміни z на ejl (або z-1 на e-jl) та проведення необхідних перетворень. Тому частотну характеристику можна записати у вигляді:

, (2.13)

де КЦ(l) - амплітудно-частотна (АЧХ), а φ(l) - фазочастотна характеристики ЦФ; l=2 f' - цифрова частота; f '=f/fД – відносна частота; f – циклічна частота.

Характеристика КЦ(jl) ЦФ є періодичною функцією цифрової частоти з періодом 2 (або одиниці у відносних частотах). Справді, ejl±jn2 = ejl±jn2 = ejl, т.к. за формулою Ейлера ejn2 = cosn2 + jsinn2 = 1.

Малюнок 2.14 Структурна схема коливального контуру

У радіотехніці при аналоговій обробці сигналу найпростішим частотним фільтром є коливальний контур LC. Покажемо, що при цифровій обробці найпростішим частотним фільтром є рекурсивна ланка другого порядку, передатна функція в z-площині якої

, (2.14)

а структурна схема має вигляд, зображений на рис. 2.14. Тут оператор Z-1 є дискретним елементом затримки один такт роботи ЦФ, лінії зі стрілками позначають множення на a0, b2, і b1, «блок +» означає суматор.

Для спрощення аналізу у виразі (2.14) приймемо a0=1, представивши його за позитивними ступенями z, отримаємо

, (2.15)

Передатна функція цифрового резонатора, як і коливальний LC-контур, залежить тільки від параметрів ланцюга. Роль L,C,R виконують коефіцієнти b1 та b2.

З (2.15) видно, що передатна функція рекурсивної ланки другого порядку має в площині z нуль другої кратності (у точки z = 0) і два полюси

і

Рівняння частотної характеристики рекурсивної ланки другого порядку отримаємо (2.14), замінюючи z-1 на e-jl (при a0=1):

, (2.16)

Амплітудно-частотна характеристика дорівнює модулю (2.16):

Після проведення елементарних перетворень. АЧХ рекурсивної ланки другого порядку набуде вигляду:

Малюнок 2.15 Графік рекурсивної ланки другого порядку

На рис. 2.15 зображені графіки відповідно до (2.18) при b1=0. З графіків видно, що рекурсивне ланка другого порядку вузькосмугової виборчої системою, тобто. цифровий резонатор. Тут показано тільки робочу ділянку частотного діапазону резонатора f '<0,5. Далее характери-стики повторяются с интервалом fД

Дослідження показують, що резонансна частота f0' прийматиме наступні значення:

f0'=fД/4 при b1=0;

f0’ 0;

f0'>fД/4 при b1<0.

Значення b1 та b2 змінюють як резонансну частоту, так і добротність резонатора. Якщо b1 вибирати з умови

, де b1 і b2 будуть впливати тільки на добротність (f0'=const). Перебудову частоти резонатора можна забезпечити зміною fД.

Цифровий демодулятор

Цифровий демодулятор у загальній теорії зв'язку розглядається як обчислювальний пристрій, який виконує обробку суміші сигналу та перешкод.

Визначимо алгоритми ЦД для обробки аналогових сигналів АМ і ЧС з високим ставленням сигнал/шум. Для цього представимо комплексну обгинальну Z/(t) вузькосмугової аналогової суміші сигналу і перешкод Z'(t) на виході АЧПТ у показовій та алгебраїчній формі:

і

, (2.20)

є огинаючої та повної фазою суміші, а ZC(t) та ZS(t) – квадратурні складові.

З (2.20) видно, що сигнал, що огинає Z(t) містить повну інформацію про закон модуляції. Тому цифровий алгоритм обробки аналогового АМ-сигналу ЦД з використанням квадратурних складових XC(kT) і XS(kT) цифрового сигналу x(kT) має вигляд:

Відомо, що частота сигналу є першою похідною з його фази, тобто.

, (2.22)

Тоді з (2.20) та (2.22) випливають:

, (2.23)

Малюнок 2.16 Структурна схема ЦППТ

Використовуючи (2.23) квадратурні складові XC(kT) b XS(kT) цифрового сигналу x(kT) та замінюючи похідні першими різницями, отримаємо цифровий алгоритм обробки аналогового ЧС-сигналу в ЦД:

На рис. 2.16 показаний варіант структурної схеми ЦЧПТ прийому аналогових сигналів АМ і ЧМ, що складається з квадратурного перетворювача (КП) і ЦД.

У КП утворюються квадратурні складові комплексного цифрового сигналу шляхом перемноження сигналу x(kT) на дві послідовності (cos(2πf 1 kT)) та (sin(2πf 1 kT)), де f1 – центральна частота найнижчечастотного відображення спектра сигналу z'(t ). На виході перемножувачів цифрові фільтри нижніх частот (ЦФНЧ) забезпечують придушення гармонік частотою 2f1 і виділяють цифрові відліки квадратурних складових. Тут ЦФНЧ використовуються як цифровий фільтр основної вибірковості. Структурна схема ЦД відповідає алгоритмам (2.21) та (2.24).

Розглянуті алгоритми цифрової обробки сигналів можна реалізувати апаратним методом (за допомогою спеціалізованих обчислювачів на цифрових ІС, приладів із зарядним зв'язком або приладів на поверхнево-акустичних хвилях) та у вигляді програм на ЕОМ.

При програмній реалізації алгоритму обробки сигналів ЕОМ виконує арифметичні операції над що зберігаються в ній коефіцієнтами al, bl і змінними x(kT), y(kT).

Раніше недоліками обчислювальних методів були обмежена швидкодія, наявність специфічних похибок, необхідність переселекції, велика складність і вартість. Нині ці обмеження успішно долаються.

Перевагами пристроїв цифрової обробки сигналів перед аналоговими є досконалі алгоритми пов'язані з навчанням та адаптацією сигналів, простота управління характеристиками, висока часова та температурна стабільність параметрів, висока точність та можливість одночасної та незалежної обробки кількох сигналів.

Прості та складні сигнали. База сигналу

p align="justify"> Характеристики (параметри) систем зв'язку покращувалися в міру освоєння видів сигналів та їх способів прийому, обробки (поділу). Щоразу виникала потреба у грамотному розподілі обмеженого частотного ресурсу між працюючими радіостанціями. Паралельно вирішувалося питання зменшення смуги випромінювання сигналами. Проте були проблеми прийому сигналів, які простим розподілом частотного ресурсу не вирішувалися. Тільки застосування статистичного методу обробки сигналів – кореляційного аналізу дозволило вирішити проблеми.

Прості сигнали мають основу сигналу

BS=TS*∆FS≈1, (2.25)

де TS – тривалість сигналу; ∆FS – ширина спектра простого сигналу.

Системи зв'язку, що працюють на простих сигналах, називають вузькосмуговими. У складних (складових, шумоподібних) сигналів за час тривалості сигналу TS відбувається додаткова модуляція (маніпуляція) за частотою або фазою. Тому тут застосовується таке співвідношення бази складного сигналу:

BSS=TS*∆FSS>>1, (2.26)

де ∆FSS – ширина спектра складного сигналу.

Іноді кажуть, що з простих сигналів ∆FS = 1/ TS є спектром повідомлення. У складних сигналів спектр сигналів розширюється в ∆FSS / ∆FS разів. При цьому виходить надмірність у спектрі сигналу, що визначає корисні властивості складних сигналів. Якщо системі зв'язку зі складними сигналами збільшити швидкість передачі, щоб отримати тривалість складного сигналу TS = 1/ ∆FSS , то утворюється знову простий сигнал і вузькосмугова система зв'язку. Корисні властивості системи зв'язку зникають.

Способи розширення спектра сигналу

Розглянуті вище дискретні та цифрові сигнали – це сигнали тимчасовим розподілом.

Ознайомимося з широкосмуговими цифровими сигналами та методами багатостанційного доступу з кодовим (за формою) поділом каналів.

Спочатку широкосмугові сигнали застосовувалися у військовій та супутниковій связи.через їх корисних властивостей. Тут використовувалися їхня висока захищеність від перешкод і скритність. Система зв'язку з широкосмуговими сигналами може працювати, коли неможливе енергетичне перехоплення сигналу, а підслуховування без наявності зразка сигналу і без спеціальної апаратури неможливе і при прийнятому сигналі.

Використовувати відрізки білого теплового шуму як переносник інформації та метод широкосмугової передачі запропонував Шеннон. Він запровадив поняття пропускної спроможності каналу зв'язку. Показав зв'язок між можливістю безпомилкової передачі інформації із заданим ставленням і смугою частот, що займається сигналом.

Першою системою зв'язку зі складними сигналами з відрізків білого теплового шуму було запропоновано Костасом. У Радянському Союзі застосовувати широкосмугові сигнали, коли реалізується метод багатостанційного доступу з кодовим поділом каналів, запропонував Л. Є. Варакін.

Для тимчасового представлення будь-якого варіанта складного сигналу можна записати співвідношення:

де UI (t) і (t) – огинаюча та початкова фази, які є повільно змінюються

функціями порівняно з cosω 0 t; - несуча частота.

При частотному поданні сигналу його узагальнена спектральна форма має вигляд

, (2.28)

де – координатні функції; - Коефіцієнти розкладання.

Координатні функції повинні задовольняти умову ортогональності

, (2.29)

а коефіцієнти розкладання

(2.30)

Для паралельних складних сигналів як координатні функції спочатку використовували тригонометричні функції кратних частот

, (2.31)

коли кожен i-й варіант складного сигналу має вигляд

Z i(t) = t . (2.32)

Тоді, прийнявши

A ki = та = - arktg(β ki / ki), (2.33)

Ki , βki - Коефіцієнти розкладання в тригонометричний ряд Фур'є i-го сигналу;

i = 1,2,3,…,m; m – основа коду, отримуємо

Z i(t) = t . (2.34)

Тут складові сигналу займають частоти від ki1/2π=ki1/TS до ki2/2π=ki2/TS; ki1 = min (ki1) та ki2 = max (ki2); ki1 і ki2 – номери найменшої та найбільшої гармонійних складових, які суттєво впливають на формування i-го варіанта сигналу; Ni = ki2 – ki1 + 1 – число гармонійних складових складного i-го сигналу.

Смуга частот займається сигналом

∆FSS = (ki2 - ki1 + 1)ω 0 / 2π = (ki2 - ki1 + 1) / TS. (2.35)

У ній зосереджена переважна більшість енергетичного спектра сигналу.

Зі співвідношення (35) випливає, що база цього сигналу

BSS = TS ∙ ∆FSS = (ki2 - ki1 + 1) = Ni , (2.36)

дорівнює кількості гармонійних складових сигналу Ni, які формує i-й варіант сигналу

Малюнок 2.17

б)

Малюнок 2.18 Схема розширення спектра сигналу з графіком періодичної послідовності

З 1996-1997 років у комерційних цілях компанія Qualcomm почала застосовувати для формування паралельних складних сигналів на основі (28) підмножини (φk(t)) повних ортогоналізованих на інтервалі функцій Уолша. При цьому реалізується метод багатостанційного доступу із кодовим поділом каналів – стандарт CDMA (Code Division Multiple Access)

Малюнок 2.19 Схема кореляційного приймача

Корисні властивості широкосмугових (складових) сигналів

Малюнок 2.20

При зв'язку з рухомими станціями (ПС) проявляється багатопроменеве (багатошляхове) поширення сигналу. Тому можлива інтерференція сигналу, що призводить до появи просторового розподілу електромагнітного поля глибоких провалів (замирань сигналів). Так, у міських умовах у точці прийому може бути лише перевідбиті сигнали від висотних будівель, пагорбів тощо, якщо відсутня пряма видимість. Тому два сигнали з частотою 937,5 МГц (l = 32см), що прийшли зі зсувом у часі на 0,5 нс при різниці в дорозі 16см, складаються в протифазі.

Рівень сигналу на вході приймача змінюється і від проходить повз станцію транспорту.

Вузькосмугові системи зв'язку не можуть працювати в умовах багатопроменевості. Так якщо на вході такої системи буде три промені сигналу однієї посилки Si(t) –Si1(t), Si2(t), Si3(t), які перекриваються в часі за рахунок різниці в довжині шляху проходження, їх розділити на виході смугового фільтра (Yi1(t), Yi2(t), Yi3(t)) неможливо.

Системи зв'язку зі складними сигналами протистоять багатопроменевому характеру поширення радіохвиль. Так, вибираючи смугу ∆FSS такою, щоб тривалість згорнутого імпульсу на виході кореляційного детектора або узгодженого фільтра була менше часу запізнення сусідніх променів, можна прийняти один промінь або, забезпечивши відповідні затримки імпульсів (Gi(t)), скласти їх енергію, сигал/шум. Американська система зв'язку Rake подібно граблям збирала промені, що відбивалися від Місяця сигналу і підсумовували їх.

Принцип накопичення сигналу дозволяє значно покращити завадостійкість та інші властивості сигналу. Подання про накопичення сигналу дає просте повторення сигналу.

Першим елементом цієї мети використовувалася частотно-виборча система (фільтр).

Кореляційний аналіз дозволяє визначити статистичну зв'язок (залежність) між прийнятим сигналом та еталонним сигналом, що знаходиться на приймальній стороні. Поняття кореляційної функції ввів Тейлор в 1920г. Кореляційна функція - це статистичне середнє значення другого порядку за часом, або спектральне середнє значення, або середнє імовірнісне значення.

Якщо тимчасові функції (безперервні послідовності) x(t) та y(t) мають середні арифметичні значення

З тимчасовим поділом каналів;

З кодовим поділом каналів.

Періодична функція має вигляд:

f(t) = f(t+kT), (2.40)

де T-період, k-будь-яке ціле число (k= , 2, …). Періодичність існує на всій осі часу (-< t <+ ). При этом на любом отрезке времени равном T будет полное описа­ние сигнала.

На рис.2.10,а,б,зображений періодичний гармонійний сигнал u1(t) і його спектр амплітуд і фаз.

На рис.2.11,а,б,в зображені графіки періодичного сигналу u2(t) - послідовності прямокутних імпульсів та його спектр амплітуд та фаз.

Отже, будь-які сигнали можна певному проміжку часу у вигляді низки Фур'є. Тоді поділ сигналів будемо представляти через параметри сигналів, тобто через амплітуди, частоти і фазові зрушення:

а) сигнали, ряди яких з довільними амплітудами, що не перекривають частотами та довільними фазами поділяються по частоті;

б) сигнали, ряди яких з довільними амплітудами, перекриваються по частоті, але зрушеними по фазі між відповідними складовими рядів поділяються по фазі (фазовий зсув тут пропорційний частоті);

Висока ємність систем зв'язку із складовими сигналами буде показана нижче.

в) сигнали, ряди яких з довільними амплітудами, з складовими перекриваються за частотою (частоти можуть збігатися) і довільними фазами поділяються формою.

Поділ формою – це кодове поділ, як у передавальної і приймальної сторонах є спеціально створені з простих сигналів складні сигнали (зразки).

При прийомі складний сигнал спочатку схильний до кореляційної обробки, а потім

йде обробка простого сигналу.

Поділ частотного ресурсу при множинному доступі

В даний час сигнали можуть передаватися в будь-яких середовищах (в навколишньому просторі, у дроті, волоконно-оптичному кабелі та ін). Для підвищення ефективності частотного спектра, а за одне та лінії передачі утворюють групові канали для передачі сигналів по одній лінії зв'язку. На приймальній стороні відбувається зворотний процес – розподіл каналів. Розглянемо використовувані способи поділу каналів:

Рисунок 2.21 Частотний поділ каналів (Frequency Division Multiple Access FDMA)

Рисунок 2.22 Тимчасовий розподіл каналів (Time Division Multiple Access TDMA).

Малюнок 2.23 Кодовий розподіл каналів (Code Division Multiple Access CDMA)

Шифрування у wi-fi мережах

Шифрування даних у бездротових мережах приділяється так багато уваги через самий характер подібних мереж. Дані передаються бездротовим способом, використовуючи радіохвилі, причому у випадку використовуються всеспрямовані антени. Таким чином, дані чують усі – не тільки той, кому вони призначені, а й сусід, який живе за стінкою або «цікавиться», що зупинився з ноутбуком під вікном. Звичайно, відстані, на яких працюють бездротові мережі (без підсилювачів чи спрямованих антен), невеликі – близько 100 метрів в ідеальних умовах. Стіни, дерева та інші перешкоди сильно гасять сигнал, але це все одно не вирішує проблеми.

Спочатку для захисту використовувався лише SSID (ім'я мережі). Але, взагалі кажучи, саме захистом такий спосіб можна називати з великою натяжкою – SSID передається у відкритому вигляді і ніхто не заважає зловмиснику підслухати його, а потім підставити у своїх налаштуваннях потрібний. Не кажучи у тому, що (це стосується точок доступу) може бути включений широкомовний режим для SSID, тобто. він примусово розсилатиметься в ефір для всіх, хто слухає.

Тому виникла потреба саме у шифруванні даних. Першим таким стандартом став WEP – Wired Equivalent Privacy. Шифрування здійснюється за допомогою 40 або 104-бітного ключа (потокове шифрування з використанням алгоритму RC4 на статичному ключі). А сам ключ є набір ASCII-символів довжиною 5 (для 40-бітного) або 13 (для 104-бітного ключа) символів. Набір цих символів переводиться в послідовність шістнадцяткових цифр, які є ключем. Драйвера багатьох виробників дозволяють вводити замість набору ASCII-символів безпосередньо шістнадцяткові значення (той самої довжини). Звертаю увагу, що алгоритми перекладу ASCII-послідовності символів у шістнадцяткові значення ключа можуть різнитися у різних виробників. Тому, якщо в мережі використовується різнорідне бездротове обладнання і ніяк не вдається налаштування WEP шифрування з використанням ключа-ASCII-фрази, спробуйте ввести замість неї ключ у шістнадцятковому поданні.

А як же заяви виробників про підтримку 64 та 128-бітного шифрування, запитаєте ви? Все правильно, тут свою роль грає маркетинг - 64 більше 40, а 128 - 104. Реально шифрування даних відбувається з використанням ключа довжиною 40 або 104. Але крім ASCII-фрази (статичної складової ключа) є ще таке поняття, як Initialization Vector - IV - Вектор ініціалізації. Він служить для рандомізації частини ключа, що залишилася. Вектор вибирається випадково і динамічно змінюється під час роботи. У принципі, це розумне рішення, оскільки дозволяє ввести випадкову складову ключа. Довжина вектора дорівнює 24 біт, тому загальна довжина ключа в результаті виходить рівною 64 (40+24) або 128 (104+24) біт.

Все б добре, але алгоритм шифрування (RC4), що використовується, в даний час не є особливо стійким - при великому бажанні, за відносно невеликий час можна підібрати ключ перебором. Але все ж таки головна вразливість WEP пов'язана саме з вектором ініціалізації. Довжина IV становить лише 24 біти. Це дає нам приблизно 16 мільйонів комбінацій – 16 мільйонів різних векторів. Хоча цифра «16 мільйонів» звучить досить переконливо, але у світі все відносно. У реальній роботі всі можливі варіанти ключів будуть використані за проміжок від десяти хвилин до кількох годин (для 40-бітного ключа). Після цього вектора почнуть повторюватися. Зловмиснику варто лише набрати достатню кількість пакетів, просто прослухавши трафік бездротової мережі та знайти ці повтори. Після цього підбір статичної с

Проведемо класифікацію сигналів. Сигнали поділяють на:

детерміновані;

випадкові.

Детермінованими називають сигнали, точно визначені в будь-які моменти часу. На відміну від них, деякі параметри випадкових сигналів заздалегідь передбачити неможливо.

Строго кажучи, оскільки видача джерелом повідомлень (наприклад, датчиком) того чи іншого конкретного повідомлення випадкова, передбачити точно зміна значень параметрів сигналу неможливо. Отже, сигнал має випадковий характер. Детерміновані сигнали мають дуже обмежене самостійне значення лише з метою налагодження та регулювання інформаційної та обчислювальної техніки, граючи роль стандартів.

Залежно від структури параметрів сигнали поділяються на:

дискретні;

безперервні;

дискретно-безперервні.

Сигнал вважають дискретним за цим параметром, якщо число значень, яке може приймати цей параметр, звичайно (лічильна). В іншому випадку сигнал вважають безперервним за цим параметром. Сигнал, дискретний за одним параметром і безперервний за іншим, називають дискретно-безперервним.

Відповідно до цього виділяють такі види сигналів (рис. 1.4.):

а) Безперервні за рівнем та часом (аналогові) – це сигнали на виході мікрофонів, датчиків температури, тиску тощо.

б) Безперервні за рівнем, але дискретні за часом. Такі сигнали отримують у результаті дискретизації за часом аналогових сигналів.

Мал. 1.4. Різновиди сигналів.

Під дискретизацією мають на увазі перетворення функції безперервного часу (зокрема безперервного сигналу) на функцію дискретного часу, що представляє послідовність величин, званих координатами, вибірками або відліками (sample value).

Найбільшого поширення набув метод дискретизації, у якому роль координат виконують миттєві значення безперервної функції (сигналу), взяті у певні моменти часу S(t i), де i=1,…,n. Тимчасові інтервали між цими моментами називають інтервалами вибірки (sample interval). Такий вид дискретизації часто називають амплітудно-імпульсною модуляцією (АІМ).

в) Дискретні за рівнем, безперервні за часом. Такі сигнали отримують з безперервних у результаті квантування за рівнем.

Під квантуванням за рівнем (або просто квантуванням) мають на увазі перетворення деякої величини з безперервною шкалою значень (наприклад, амплітуда сигналу) величину, що має дискретну шкалу значень.

Цю безперервну шкалу значень розбивають на 2m+1 інтервалів, які називають кроками квантування. З безлічі миттєвих значень, що належать j-му кроці квантування, тільки одне значення S j є дозволеним, воно називається j-им рівнями квантування. Квантування зводиться до заміни будь-якого миттєвого значення безперервного сигналу одним з кінцевої множини рівнів квантування (зазвичай найближчим):

S j де j=-m,-m+1,…,-1,0,1,…,m.

Сукупність значень Sj утворює дискретну шкалу рівнів квантування. Якщо це шкала рівномірна, тобто. різниця ΔS j = S j - S j-1 постійна, квантування називається рівномірним. Інакше – нерівномірним. Завдяки простоті технічної реалізації рівномірне квантування набуло найбільш широкого поширення.

г) Дискретні за рівнем та часом. Такі сигнали отримують, здійснюючи дискретизацію та квантування одночасно. Дані сигнали легко у цифровій формі (digital sample), тобто. у вигляді чисел з кінцевим числом розрядів, замінивши кожен імпульс числом, що означає номер рівня квантування, якого досягнув імпульс у конкретний момент часу. З цієї причини ці сигнали часто називають цифровими.

Поштовхом до подання безперервних сигналів у дискретній (цифровій) формі послужила необхідність засекречування мовних сигналів під час Другої світової війни. Ще більшим стимулом до цифрового перетворення безперервних сигналів стало створення ЕОМ, які використовуються як джерело або приймач сигналів у багатьох системах передачі інформації.

Наведемо приклади цифрового перетворення безперервних сигналів. Наприклад, у цифрових телефонних системах (стандарт G.711) заміна аналогового сигналу послідовністю відліків відбувається з частотою 2F=8000 Гц, Т д = 125 мкс.(Оскільки діапазон частот телефонного сигналу становить 300-3400 Гц, а частота вибірки за теоремою Найквіста -Котельникова повинна бути як мінімум вдвічі більше максимальної частоти сигналу F, що перетворюється. Далі кожен імпульс замінюється в 8-розрядному аналого-цифровому перетворювачі (АЦП – ADC-Analog-to-Digital Converter) двійковим кодом, що враховує знак і амплітуду відліку (256 рівнів квантування). Такий процес квантування зветься імпульсно-кодової модуляції (ІКМ або PCM – Pulse Code Modulation). У цьому використовується нелінійний закон квантування, названий "A=87,6", який краще враховує природу сприйняття людиною мовних сигналів. Швидкість передачі одного телефонного повідомлення 8×8000=64 Кбіт/с. 30-канальна система передачі телефонних повідомлень (система першого рівня ієрархії стандарту МККТТ – PDH-E1) із тимчасовим поділом каналів працює вже зі швидкістю 2048 Кбіт/с.

При цифровому записі музики на CD (Compact Disk - компакт-диск), що вміщує максимум 74 хвилини стереозвучання, використовують частоту дискретизації 2F≈44,1 КГц (оскільки межа чутності людського вуха 20 кГц плюс 10%-ний запас) і 16-ти розрядне лінійне квантування кожної вибірки (65536 рівнів звукового сигналу, для промови достатньо 7-8 розрядів).

Використання дискретних (цифрових) сигналів різко знижує ймовірність отримання спотвореної інформації, оскільки:

у цьому випадку застосовні ефективні методи кодування, які забезпечують виявлення та виправлення помилок (див. тему 6);

можна уникнути властивого безперервного сигналу ефекту накопичення спотворень у процесі їх передачі та обробки, оскільки квантований сигнал легко відновити до початкового рівня щоразу, коли величина накопичених спотворень наблизиться до половини кроку квантування.

Крім того, у цьому випадку обробку та зберігання інформації можна здійснювати засобами обчислювальної техніки.

Практично з моменту зародження людські племена зіткнулося з необхідністю як накопичувати інформацію, а й обмінюватися нею друг з одним. Однак якщо з ближніми зробити це було не так вже й складно (мова та писемність), то з тими, хто був на далеких відстанях, цей процес викликав деякі проблеми.

Згодом вони були вирішені за допомогою винаходу сигналу. спочатку були досить примітивними (димові, звукові тощо), але поступово людство відкривало нові закони природи, що сприяло винаходу нових способів передачі інформації. Давайте дізнаємося, які види сигналів бувають, а також розглянемо, якими найчастіше користуються в сучасному суспільстві.

Що називається сигналом

Під цим словом мається на увазі закодована однією системою інформація, яка передається спеціальним каналом і може бути декодована іншою системою.

Багато вчених вважають, що здатність біологічних організмів або навіть окремих клітин взаємодіяти між собою (сигналізуючи про наявність поживних речовин чи небезпеки) стала основною рушійною силою еволюції.

Як сигнал може виступати кожен фізичний процес, параметри якого адаптуються під тип даних, що передаються. Наприклад, в системі телефонного зв'язку передавач перетворює слова абонента, що говорить, в електричний сигнал напруги, який по проводах передається до приймаючого апарату, біля якого знаходиться людина, що слухає.

Сигнал та повідомлення

Ці два поняття дуже близькі за значенням - вони містять певні дані, що передаються від відправника до одержувача. Однак між ними є відчутна відмінність.

Для реалізації поставленої мети повідомлення обов'язково має бути прийняте адресатом. Тобто його життєвий цикл складається з трьох етапів: кодування інформації – передача – декодування повідомлення.

У випадку сигналу його прийняття не є обов'язковою умовою його існування. Тобто зашифровану в ньому інформацію можна декодувати, але чи це буде зроблено кимось - невідомо.

Класифікація за різними критеріями сигналів: основні види

У природі існує чимало різновидів сигналів, що мають різні особливості. У зв'язку з цим їх класифікації використовують різні критерії цих явищ. Таким чином, виділяють три категорії:

• За способом подачі (регулярний/нерегулярний).
• На кшталт фізичної природи.
• На кшталт функції, що описує параметри.

Сигнали на кшталт фізичної природи

Залежно від способу освіти види сигналів бувають наступними.

• Електричні (носій інформації - струм, що змінюється в часі, або напруга в електричному ланцюзі).
• Магнітні.
• Електромагнітні.
• Теплові.
• Сигнали іонізуючих випромінювань.
• Оптичні/світлові.
• Акустичні (звукові).

Види сигналів останні два також є найпростішими прикладами комунікаційних технічних операцій, мета яких - оповіщення про особливості ситуації, що склалася.

Найчастіше їх використовують для попередження про небезпеку або несправності системи.

Нерідко звукові та оптичні різновиди використовуються як координуючі для налагодженої роботи автоматизованого обладнання. Так, деякі види сигналів управління (команди) є стимулюючими для системи, щоб почати діяти.

Наприклад, у протипожежних сигналізаціях для виявлення слідів диму датчиками вони видають пронизливий звук. Той, своєю чергою, сприймається системою як керуючий сигнал для гасіння вогнища займання.

Ще одним прикладом того, як сигнал (види сигналів на кшталт фізичної природи перераховані вище) активізує роботу системи у разі небезпеки, є терморегуляція людського організму. Так, якщо внаслідок різних факторів температура тіла підвищується, клітини «інформують» мозок про це і він включає «систему охолодження організму», більш відому всім як потовиділення.

За типом функції

За цим параметром виділяється різні категорії.

• Аналогові (безперервні).
• Квантові.
• Дискретні (імпульсні).
• Цифровий сигнал.

Всі ці види сигналів – електричні. Зумовлено це тим, що їх не лише легше обробляти, а й вони легко передаються на довгі дистанції.

Що таке аналоговий сигнал та його види

Така назва носять сигнали природного походження, що змінюються безперервно в часі (континуальні) і здатні набувати різних значень на деякому інтервалі.

Завдяки своїм властивостям вони чудово підходять для передачі даних у телефонному зв'язку, радіомовленні, а також телебаченні.

Фактично, решта всіх видів сигналів (цифрові, квантові і дискретні) за своєю природою - це перетворені аналогові.

Залежно від безперервних просторів та відповідних фізичних величин, виділяються різні види аналогових сигналів.

• Пряма.
• Відрізок.
• Окружність.
• Простір, що характеризується багатовимірністю.

Квантований сигнал

Як уже було сказано в минулому пункті, це все той же аналоговий вигляд, проте його відмінність полягає в тому, що він зазнав квантування. У цьому вся область значень його піддалася розбивці рівні. Їх кількість представляється у числах заданої розрядності.

Зазвичай цей процес практично використовується при стисканні звукових чи оптичних сигналів. Чим більше рівнів квантування, тим точнішою стає трансформація аналогового виду в квантовий.

Розглянутий різновид також відноситься до тих, які виникли штучним шляхом.

У багатьох класифікаціях видів сигналів цей сигнал не виділяється. Однак він існує.

Дискретний вигляд

Цей сигнал відноситься до штучних і має кінцеве число рівнів (значень). Як правило, їх два чи три.

На практиці відмінність дискретного та аналогового способів передачі сигналів можна проілюструвати, порівнявши запис звуку на вінілової платівці та компакт-диску. На першій інформації подано у вигляді безперервної звукової доріжки. А ось на другому - у вигляді випалених лазером точок з різною здатністю, що відбиває.

Цей вид передачі даних виникає шляхом перетворення безперервного аналогового сигналу набір дискретних значень у формі двійкових кодів.

Згаданий процес називається дискретизацією. Залежно кількості символів в кодових комбінаціях (рівномірне/нерівномірне) його ділять на два виду.

Цифрові сигнали

Сьогодні цей спосіб передачі наполегливо витісняє аналоговий. Як і два попередні, він також є штучним. Насправді він представлений як послідовності цифрових значень.

На відміну від аналогового, аналізований набагато швидше та якісніше передає дані, паралельно очищаючи їх від шумових перешкод. Одночасно в цьому полягає і слабкість цифрового сигналу (види сигналів - у попередніх трьох пунктах). Справа в тому, що фільтрована у такий спосіб інформація втрачає «зашумлені» частинки з даними.

На практиці це означає, що з зображення, що передається, зникають цілі шматки. А якщо йдеться про звук – слова чи навіть цілі речення.

Фактично, будь-який аналоговий сигнал може бути модульований в цифровий. Для цього він піддається одночасно двом процесам: дискретизації та квантування. Будучи окремим способом передачі, цифровий сигнал не ділиться на види.

Його популярність сприяє тому, що останніми роками телевізори нового покоління створюються спеціально для цифрового, а не аналогового способу передачі зображення та звуку. Однак їх можна підключати до звичайних телевізійних кабелів за допомогою адаптерів.

Модуляція сигналів

Всі перераховані вище способи передачі даних пов'язані з таким явищем, як модуляція (для цифрових сигналів - маніпуляція). Навіщо вона потрібна?

Як відомо, електромагнітні хвилі (за допомогою яких переносяться різні види сигналів) схильні до згасання, а це суттєво зменшує дальність їхньої передачі. Щоб цього не сталося, низькочастотні коливання переносяться в область довгих високочастотних хвиль. Це і називається модуляцією (маніпуляцією).

Крім збільшення відстані передачі даних, завдяки їй підвищується завадостійкість сигналів. А також з'являється можливість одночасно організовувати кілька незалежних каналів передачі інформації.

Сам процес виглядає так. У прилад, що називається модулятором, надходять одночасно два сигнали: низькочастотний (несе певну інформацію) і високочастотний (безінформаційний, проте здатний передаватися на довгі дистанції). У цьому пристрої вони перетворюються на один, який одночасно поєднує в собі переваги їх обох.

Види вихідних сигналів залежать від зміненого параметра вхідного несучого високочастотного коливання.

Якщо воно гармонійне – такий процес модуляції називається аналоговим.

Якщо періодичне – імпульсним.

Якщо несучим сигналом є просто постійний струм - такий різновид називається шумоподібним.

Перші два види модуляції сигналів, у свою чергу, поділяються на підвиди.

Аналогова модуляція буває такою.

• Амплітудна (АМ) – зміна амплітуди несучого сигналу.
• Фазова (ФМ) – змінюється фаза.
• Частотна – впливу піддається лише частота.

Види модуляції сигналів імпульсних (дискретних).

• Амплітудно-імпульсна (АІМ).
• Частотно-імпульсна (ЧИМ).
• Широтно-випульсна (ШІМ).
• Фазо-імпульсна (ФІМ).

Розглянувши, які існують методи передачі, можна дійти невтішного висновку, що, незалежно від своїх виду, вони грають значної ролі у житті, допомагаючи йому всебічно розвиватися і захищаючи від потенційних небезпек.

Що стосується аналогового та цифрового сигналів (за допомогою яких передається інформація в сучасному світі) то, найімовірніше, у найближчі двадцять років у розвинених країнах перший буде практично повністю витіснений другим.

Розглядаючи сигнали та види сигналів, необхідно сказати, що існує різна кількість даних зв'язків. Кожен день будь-яка людина стикається із використанням електронного приладу. Без них сучасне життя вже нікому не уявляється. Йдеться про роботу телевізора, радіо, комп'ютер і так далі. Раніше ніхто не думав про те, який сигнал використовується в багатьох працездатних приладах. Зараз уже давно на слуху слова аналоговий, цифровий та дискретний.

Не всі, проте деякі з перелічених вище сигналів вважаються досить якісними і надійними. Цифрова передача використовується нещодавно, як аналогова. Це пов'язано з тим, що техніка стала підтримувати цей вид тільки недавно, відкритий був цей вид сигналу також порівняно недавно. З дискретністю будь-яка людина стикається постійно. Говорячи про види обробки сигналу, необхідно нагадати, що цей трохи уривчастий.

Якщо заглиблюватися в науку, слід сказати, що дискретною є передача інформації, яка дозволяє переносити дані і змінювати час середовища. Завдяки останній властивості дискретний сигнал може набувати будь-яке значення. На даний момент цей показник йде на другий план, після того, як більшість техніки почали виробляти на чіпах.

Цифровий та інші сигнали цілісні, компоненти взаємодіють один з одним на всі 100%. У дискретності все навпаки. Справа в тому, що тут кожна деталь працює самостійно та відповідає за свої функції окремо.

Сигнал

Розглянемо види сигналів зв'язку трохи пізніше, зараз слід познайомитися з тим, що ж собою являє в принципі сам сигнал. Це звичайний код, який передається повітрям системами. Це формулювання загального типу.

У сфері інформації та деяких інших технологій є спеціальний носій, який дозволяє надсилати повідомлення. Його можна створити, але прийняти неможливо. У принципі, у деяких системах його можуть прийняти, але це не обов'язково. Якщо сигнал вважатиметься повідомленням, то «зловити» його потрібно обов'язково.

Подібний код передачі можна назвати звичайної математичної функцією. Він визначає будь-яку зміну доступних параметрів. Якщо розглядати радіотехнічну теорію, слід сказати, що такі опції вважаються базовими. Слід зауважити, що поняття "шум" є аналогічним сигналу.

Він спотворює його, може накладатися на вже переданий код, а також сам собою представляє функцію часу. У статті будуть нижче охарактеризовані сигнали та види сигналів, йдеться про дискретне, аналогове та цифрове. Коротко розглянемо всю теорію на тему.

Види сигналів

Є кілька видів, і навіть класифікації вже наявних сигналів. Розглянемо їх.

Перший тип – це електричний сигнал, є також оптичний, електромагнітний та акустичний. Є ще кілька подібних типів, але вони не є популярними. Така класифікація відбувається за фізичним середовищем.

За способом завдання сигналу вони поділяються на регулярні та нерегулярні. Перший вид має аналітичну функцію, і навіть детермінований вид передачі. Випадкові сигнали можуть формуватися за допомогою деяких теорій з вищої математики, більше того, вони здатні приймати багато значень у різні проміжки часу.

Види передачі сигналів досить різні, слід зазначити, що сигнали цієї класифікації поділяються на аналогові, дискретні і цифрові. Нерідко для забезпечення роботи електричних приладів використовуються такі сигнали. Щоб розібратися з кожним з варіантів, необхідно згадати шкільний курс фізики і трохи почитати теорії.

Навіщо обробляється сигнал?

Сигнал слід обробляти для отримання інформації, яка в ньому зашифрована. Якщо розглядати види модуляції сигналу, слід зазначити, що з амплітудної і частотної маніпуляції це досить складний процес, який необхідно повністю розуміти. Як тільки інформація буде отримана, її можна використовувати абсолютно різними способами. У деяких ситуаціях її форматують та відправляють далі.

Також слід зазначити інші причини, з яких відбувається обробка сигналів. Вона полягає в тому, щоб стиснути частоти, що передаються, проте не пошкодивши всю інформацію. Далі її форматують ще раз і передають. При цьому робиться це на повільних швидкостях. Якщо говорити про сигнали аналогового та цифрового вигляду, то тут використовуються особливі способи. Є фільтрація, пакунок та деякі інші функції. Вони потрібні для відновлення інформації, якщо сигнал був пошкоджений.

Створення та форматування

Багато видів інформаційних сигналів, про які ми поговоримо у статті, необхідно створити і після форматування. Для цього слід мати цифро-аналоговий перетворювач, а також аналого-цифровий. Як правило, використовуються вони обидва в одній ситуації: тільки у разі використання такої техніки, як DSP.

В інших випадках підійде лише перший прилад. Для того щоб створити фізичні аналогові коди і потім їх переформатувати на цифрові методи, необхідно використовувати спеціальні прилади. Це дозволить максимально запобігти пошкодженню інформації.

Динамічний діапазон

Діапазон будь-якого виду аналогового сигналу обчислити нескладно. Необхідно використовувати різницю більшого та меншого рівня гучності, що відображається в децибелах.

Слід зазначити, що інформація повністю залежить від особливостей її виконання. Причому йдеться як про музику, так і про розмови простої людини. Якщо брати диктора, який читатиме новини, то його динамічний діапазон становитиме не більше 30 децибелів. А якщо читати якийсь твір у фарбах, цей показник зросте до 50.

Аналоговий сигнал

Види подання сигналу задоволені різні. При цьому слід зауважити, що аналоговий сигнал є безперервним. Якщо говорити про недоліки, то багато хто наголошує на наявності шуму, який може, на жаль, призводити до втрати інформації.

Досить часто виникає така ситуація, що незрозуміло, де в коді є справді важлива інформація, а де просто спотворення. Саме через це аналоговий сигнал став менш популярним, і на даний момент його витісняє цифрова технологія.

Цифровий сигнал

Потрібно помітити, що такий сигнал, як і інші види сигналів, є потоком даних, який описується за рахунок дискретних характеристик.

Слід зазначити, що його амплітуда може повторюватися. Якщо вищеописаний аналоговий варіант здатний надходити в кінцеву точку з величезною кількістю шумів, то подібного цифрового не допускає. Він здатний самостійно ліквідувати більшу частину перешкод, щоб уникнути пошкодження інформації. Також слід зазначити, що цей вид переносить інформацію без будь-яких смислових навантажень.

Таким чином, через один фізичний канал користувач може легко відправити кілька повідомлень. Потрібно зауважити, що, на відміну від видів звукового сигналу, які є максимально поширеними на даний момент, а також аналогового цифровий не ділиться на кілька типів. Він є єдиним та самостійним. Являє собою двійковий потік. Зараз досить популярним, його просто використовувати, про що свідчать відгуки.

Застосування цифрового сигналу

Розглядаючи види передачі сигналів, слід сказати у тому, де застосовується цифровий варіант. Чим відрізняється від багатьох інших при передачі і при використанні? Справа в тому, що, надходячи до ретранслятора, він повністю регенерується.

Коли в обладнання надходить сигнал, який у процесі передачі отримав шуми та перешкоди, він одразу форматується. Завдяки цьому телевежі можуть сформувати сигнал наново, уникаючи використання шумового ефекту.

Аналоговий зв'язок у цьому випадку буде набагато кращим, оскільки при отриманні інформації з великою кількістю спотворень, її можна отримати хоча б частково. Якщо говорити про цифровий варіант, це неможливо. Якщо понад 50 % сигналу матиме шум, можна вважати, що інформація повністю втрачена.

Багато людей, обговорюючи стільниковий зв'язок, причому різних форматів і способів передачі, говорили, що іноді практично неможливо розмовляти. Люди можуть не чути слова або фрази. Це може відбуватися тільки на цифровій лінії, якщо є шум.

Якщо говорити про аналоговий зв'язок, то в цьому випадку розмову можна продовжувати далі. Через такі неполадки ретранслятори формують сигнал завжди по новій, щоб скоротити розриви.

Дискретний сигнал

На даний момент людина користується різними дзвонилками або іншими електронними приладами, які приймають сигнали. Види сигнали досить різноманітні, і одним із них є дискретний. Потрібно зауважити, що для того, щоб такі пристрої працювали, необхідно передавати звуковий сигнал. Саме тому необхідний канал, який має пропускну здатність набагато більшого рівня, ніж описано раніше.

З чим це пов'язано? Справа в тому, що для того, щоб якісно передати звук, необхідно використовувати дискретний сигнал. Він створює не хвилю звуку, яке цифрову копію. Відповідно, передача йде від самої техніки. Плюси такого перенесення в тому, що пакетне відправлення здійснюватиметься пакетами, а кількість даних, що передаються, зменшиться.

Тонкощі

У роботі обчислювальної техніки давно є таке поняття, як дискретизація. За рахунок такого сигналу можна використовувати інформацію, яка повністю закодована. Вона не є безперервною, а дані всі зібрані в блоки. При цьому останні є окремими частинками, які повністю завершені та не залежать один від одного.

Види модуляції

Описуючи види сигналів та сигнали в цілому, необхідно також поговорити і про модуляцію. Що це таке? Це процес зміни одразу кількох параметрів коливань, які здійснюються за певним законом. Потрібно помітити, що модуляція ділиться на цифрову і імпульсну, а також на деякі інші.

У свою чергу, багато хто з них поділяється окремо на кілька видів, причому їх досить багато. Слід сказати про основні характеристики такого поняття. Наприклад, за рахунок видів модуляції сигналу можна досягти стійкої передачі, мінімальної втрати, проте слід зауважити, що для кожного з них потрібний особливий підсилювач лінійності.

1. Основні поняття та визначення. Визначення радіоелектроніки. Визначення радіотехніки. Концепція сигналу. Класифікаційний аналіз сигналів. Класифікаційний аналіз радіотехнічних ланцюгів. Класифікаційний аналіз радіоелектронних систем

Сучасна радіоелектроніка – це узагальнена назва низки областей науки і техніки, пов'язаних з передачею та перетворенням інформації на основі використання та перетворення електромагнітних коливань хвиль радіочастотного діапазону; основними з цих областей є:

радіотехніка, радіофізика та електроніка.

Основне завдання радіотехніки полягає у передачі інформації на відстань за допомогою електромагнітних коливань. У ширшому сенсі сучасна радіотехніка – галузь науки і техніки, пов'язана з генерацією, посиленням, перетворенням, обробкою, зберіганням, передачею та прийомом електромагнітних коливань радіочастотного діапазону, що використовуються передачі інформації на відстань. Як випливає з цього, радіотехніка та радіоелектроніка тісно пов'язані і часто ці терміни замінюють один одного.

Науку, що займається вивченням фізичних засад радіотехніки, називають радіофізикою.

1. Поняття сигналу.

Сигналом (від латів. signum - знак) називається фізичний процес або явище, що несе повідомлення про якусь подію, стан об'єкта, або передає команди управління, оповіщення і т.д. Таким чином сигнал є матеріальним носієм повідомлення. Таким носієм може бути будь-який фізичний процес (світло, електричне поле, звукові коливання тощо). У радіоелектроніці вивчаються та використовуються переважно електричні сигнали. Сигнали як фізичні процеси спостерігаються за допомогою різних приладів та пристроїв (осцилографом, вольтметрів, приймачів). Будь-яка модель відображає обмежену кількість найбільш суттєвих ознак реального фізичного сигналу. Несуттєві ознаки сигналу ігноруються спрощення математичного опису сигналів. Загальною вимогою до математичної моделі є максимальне наближення до реального процесу за мінімальної складності моделі. Функції, що описують сигнали можуть приймати речові та комплексні значення, тому часто говорять про речові та комплексні моделі сигналів.

Класифікація сигналів. По возм-ти передбачення мгн. значень сигналу у будь-який час розл-ют:

Детерміновані сигнали, тобто. такі сигнали, для яких миттєві значення для будь-якого моменту часу відомі та передбачувані з ймовірністю рівної одиниці;

Випадкові сигнали, тобто. такі сигнали, значення яких у будь-який час неможливо передбачити з ймовірністю рівної одиниці.

Всі сигнали, що несуть інформацію, є випадковими, оскільки повністю детермінований сигнал (відомий) інформації не містить.

Найпростішими прикладами детермінованого та випадкового сигналів є напруги мережі та напруги шуму відповідно (див. рис.2.1).

У свою чергу випадкові та детерміновані сигнали можуть поділятися на безперервні або аналогові сигнали та дискретні сигнали, що мають кілька різновидів. Якщо сигнал можна вимірювати (спостерігати) у будь-який момент часу, його називають аналоговим. Такий сигнал існує будь-якої миті часу. Дискретні сигнали можуть спостерігатися і вимірюватися дискретні (окремі) обмежені за тривалістю до моменту появи відрізки часу. До дискретних сигналів відносяться імпульсні сигнали.

На малюнку показано два види імпульсів. Відеоімпульс та радіоімпульс. При формуванні радіоімпульсів відеоімпульс використовується як керуючий (модулюючий) сигнал і в цьому випадку між ними існує аналітичний зв'язок:

У цьому називається огинаючої радіоімпульсу, а функція- його заповненням.

Імпульси прийнято характеризувати амплітудою A, тривалістю, тривалістю фронту і зрізу при необхідності частотою або періодом повторення.

Імпульсні сигнали можуть бути різних видів. Зокрема розрізняють імпульсні сигнали, які називають дискретними (див. рис.2.3).

Цей різновид сигналів може бути представлений математичною моделлю у вигляді лічильної множини значень функції - де i = 1, 2, 3, ...., k, що відраховуються в дискретні моменти часу. Крок дискретизації сигналу за часом і амплітудою зазвичай величина стала для цього типу сигналу, тобто. мінімальне збільшення сигналу

Кожне із значень кінцевої множини S можна подати в двійковій системі обчислення у вигляді числа: - 10101; - 11001; - 10111. Такі сигнали називають цифровими.

Класифікація радіосистем та розв'язуваних ними завдань

За функціями, що виконуються, інформаційні радіосистеми можуть бути розділені на наступні класи:

передачі інформації (радіозв'язок, радіомовлення, телебачення);

вилучення інформації (радіолокація, радіонавігація, радіоастрономія, радіовимірювання тощо);

руйнування інформації (радіопротиводія);

управління різними процесами та об'єктами (безпілотні літальні апарати та ін.);

комбіновані.

У системі передачі є джерело інформації та її одержувач. У радіосистемі отримання інформації інформація як така не передається, а вилучається або з власних сигналів, випромінюваних у напрямку на досліджуваний об'єкт і відбитих від нього, або з сигналів інших радіосистем, або з власного радіовипромінювання різних об'єктів.

Радіосистеми руйнування інформації служать для створення перешкод нормальної роботи конкуруючої радіосистеми шляхом випромінювання сигналу, що заважає, або прийому, навмисного спотворення і перевипромінювання сигналу.

У радіосистемах управління вирішується завдання виконання об'єктом деякої команди, що надсилається з пульта управління. Командні сигнали є інформацією для слідкуючого пристрою, що виконує команду.

Основними завданнями, які вирішує радіосистема при прийомі інформації, є:

Виявлення сигналу на задньому плані.

Розрізнення сигналів на задньому плані.

Оцінка параметрів сигналу.

Відтворення повідомлення.

Найбільш просто вирішується перше завдання, в якій із заданими ймовірностями правильного виявлення та помилкової тривоги слід ухвалити рішення про наявність відомого сигналу в прийнятому повідомленні. Чим вище рівень завдання, тим складніше стає схема пристрою.

2. Енергія, потужність, ортогональність та когерентність сигналів. Взаємна енергія сигналів (інтеграл подібності). Концепція норми сигналу.