Классификация радиотехнических сигналов

Введение

Многие виды радиотехнических сигналов используются в различных областях современной радиотехники для выполнения различных задач. Некоторые из них можно разделить на радиосигналы и сигналы сообщения, чтобы подчеркнуть их функциональное предназначение. Например, люди обмениваются сообщениями между собой в повседневной жизни.

Общая информация

Среди наиболее распространенных видов таких сообщений можно выделить звуковые и визуальные. Тем не менее, передача таких сообщений в их первоначальной форме на большие расстояния может быть проблематичной: применение акустических мегафонов и биноклей лишь незначительно увеличивает возможную дистанцию между отправителем и получателем сообщения. Для этой цели используют средства радиотехники, которые позволяют преобразовывать естественные сигналы в электрические колебания (напряжение или тоны). Для преобразования звуковых колебаний используют микрофоны, где колебания мембраны, вызванные изменениями звукового давления, преобразуются в электрический сигнал. В случае с визуальными образами используют оптические преобразователи, которые переводят оптическое изображение в электрический сигнал (видеосигнал). В обоих случаях электрические сигналы отражают мгновенные значения процесса изменения во времени физического состояния данного объекта. Эти сигналы, называемые сигналами сообщения, демонстрируют уникальные особенности. Для звуковых колебаний, мгновенные значения сигналов сообщения коррелируют с мгновенным акустическим давлением. В случае видеосигналов, они тесно связаны с элементами визуального образа. Сигналы сообщения могут также информировать о перепадах температуры, влажности, напряжения и других параметрах, которые прямо или косвенно связаны с расстоянием.

Поскольку наши органы чувств обычно реагируют на низкочастотные колебания и могут передавать информацию только на короткие расстояния, сигналы сообщения (а также подобные сигналы) обычно имеют низкую частоту. Для передачи таких сигналов на большие расстояния используются радиоколебания. Это достигается с помощью колебаний определенной формы, таких как гармонические колебания, где изменение одного из параметров соответствует сигналу сообщения.

Радиосигналы

Радиосигналы — это сигналы, которые генерируются в радиочастотном диапазоне и содержат информацию о сигналах сообщения.

Радиосигналы представляют собой электромагнитные волны, используемые для беспроводной передачи информации, включая звук, данные и изображения. Они широко применяются в радиосвязи, беспроводной связи, телевидении и радиоэлектронике. Радиосигналы генерируются и передаются с помощью антенн и радиотехнических устройств. Модуляция и демодуляция позволяют кодировать и декодировать информацию, передаваемую в радиосигналах.

Независимо от того, как они представлены, сигналы классифицируются как детерминированные и случайные.

Детерминированные сигналы

Детерминированными сигналами — называются сигналы, мгновенное значение которых в любой момент времени можно предсказать заранее. К таким сигналам относятся гармонические сигналы, такие как синусоидальные и косинусоидальные волны, а также сигналы с определенной формой, такие как прямоугольные и треугольные сигналы. Например, если измерить амплитуду, частоту и начальную фазу сигнала, который генерируется электростанцией, то при неизменных параметрах работы станции можно предсказать его мгновенное значение в любой момент времени, будь то через час, неделю или год.

Случайные сигналы

Случайные или стохастические сигналы — это сигналы, мгновенные значения которых заранее неизвестны и могут быть предсказаны лишь с некоторой вероятностью. Примерами таких сигналов являются речь, музыка и другие аудиосигналы. Форма случайных сигналов неизвестна заранее, поэтому их математическое описание часто включает в себя плотность вероятности появления различных мгновенных значений. Если эта плотность зависит только от одного параметра, например, амплитуды сигнала, то она называется одномерной плотностью вероятности; если зависит от двух параметров, то двумерной, и так далее. Такие модели, как правило, сложны и используются для исследования различных свойств сигналов или их применения, например, для анализа акустических характеристик речи или исследования энергетических параметров усилителей при усилении речевых сигналов.

Классификация сигналов по форме

Сигналы, как детерминированные, так и случайные, могут быть классифицированы по форме на следующие типы:

1. Непрерывные сигналы (а): Эти сигналы изменяются непрерывно во времени и имеют бесконечное число значений в заданном интервале времени.
2. Дискретные сигналы (б): Эти сигналы имеют дискретные значения только в определенные моменты времени, а между ними значения не определены.
3. Периодические сигналы: Это сигналы, которые повторяются с постоянным интервалом времени, называемым периодом.
4. Квантовые сигналы (в): Эти сигналы описываются в рамках квантовой механики и могут иметь дискретные энергетические уровни. Они используются, например, в квантовой криптографии и квантовых вычислениях.
5. Цифровые сигналы (г): Эти сигналы могут принимать только дискретные значения, часто в форме бинарных цифр (0 и 1). Они используются в цифровой обработке сигналов и цифровой коммуникации.

Непрерывные сигналы

Непрерывные сигналы — мгновенные значения этих сигналов определены в любой момент времени. Обычно такие сигналы, соответствующие физическим процессам (например, звук, речь, музыка и др.), имеют множество различных мгновенных значений, включая нулевые.

Однако исследования показывают, что многие из них содержат информационную избыточность, то есть не все мгновенные значения несут существенную информацию. Для передачи и восприятия сигналов часто достаточно использовать характерные параметры, которые позволяют восстановить исходный сигнал с необходимой точностью. Например, для гармонического сигнала такими параметрами являются амплитуда, частота и начальная фаза колебания, которые определяют его форму в любой момент времени.

Эти параметры могут быть использованы для передачи информации о сигнале. Однако, в случае случайных сигналов, эти параметры меняются случайным образом, что усложняет их обработку и передачу. Для обработки таких сигналов может использоваться дискретизация колебания, что позволяет снизить информационную избыточность и упростить их обработку.

Дискретные сигналы

Дискретными сигналами — называются сигналы, мгновенные значения которых определены только в определенные фиксированные моменты времени, называемые выборками. Эти выборки разделены друг от друга на равные временные интервалы, известные как шаг дискретизации (T). Дискретизация — это метод представления сигнала, который помогает уменьшить информационную избыточность сигнала.

Во время интервалов между выборками сигнал не передается, и эти интервалы могут быть использованы для передачи выборок других колебаний. Таким образом, при передаче двух сообщений на одной линии связи в один и тот же момент времени происходит одновременная передача двух выборок с разных колебаний, что позволяет уплотнить использование канала передачи и сократить количество необходимых физических линий связи.

Дискретизация часто используется в передаче сообщений на большие расстояния, такие как междугородняя телефония.

Квантовые сигналы

Квантованными сигналами — называются колебания, мгновенные значения которых определены в любой момент времени, но их величины могут принимать только определенные значения, которые разделены друг от друга на величину, пропорциональную шагу квантования (Δs). Такие сигналы широко используются в помехоустойчивых системах, при формировании сигналов, для которых требования к форме сигнала не очень строгие, и при цифро-аналоговом преобразовании сигнала, например, в цифровом телевидении.

Использование квантованных сигналов позволяет упростить обработку сигналов и увеличить их устойчивость к помехам и искажениям.

Цифровые сигналы

Цифровыми сигналами — называются сигналы, которые дискретны во времени и квантованные по амплитуде. Для получения цифровых сигналов используется аналого-цифровой преобразователь (АЦП), устройство, которое принимает на вход непрерывный (аналоговый) сигнал и выдаёт цифровой сигнал на выходе.

Один из ключевых параметров АЦП — его разрядность, которая определяет число уровней квантования сигнала. Часто амплитуду выборки цифрового сигнала представляют в двоичном коде с использованием импульсно-кодовой модуляции. В двоичном коде каждый уровень квантования представлен соответствующей двоичной последовательностью, где присутствие импульса обозначает 1, а его отсутствие — 0.

Количество разрядов в коде (n) зависит от числа уровней квантования сигнала (N) и определяется формулой:

n = log2N

Полученные кодовые последовательности могут быть переданы последовательно или оформлены в виде отдельных блоков.

Помехоустойчивость в двоичном коде

Сигналы в двоичном коде хорошо защищены от помех: достаточно небольшого превышения сигнала над уровнем шума для успешного восстановления, чтобы определить наличие или отсутствие импульса. Таким образом, они широко используются в сетях, таких как компьютеры, телефоны и другие.

Скорость цифрового потока

Скорость цифрового потока, также известная как битовая скорость, представляет собой количество битов данных, передаваемых или обрабатываемых в единицу времени. Она обычно измеряется в битах в секунду (бит/сек) или в килобитах в секунду (кбит/сек) для больших объемов данных.

Скорость цифрового потока зависит от нескольких ключевых факторов:

1. Разрядность (битность): Это количество битов, используемых для представления каждого элемента данных. Например, в 8-битной системе каждый элемент данных представлен 8 битами. Чем больше битов, тем больше информации может быть передано за одну единицу времени.
2. Частота дискретизации: Это количество отсчетов данных, выполняемых в течение одной секунды. Частота дискретизации измеряется в герцах (Гц) и определяет, насколько часто сигнал аналогового сигнала анализируется и конвертируется в цифровую форму. Чем выше частота дискретизации, тем более подробную информацию можно получить о сигнале.
3. Кодирование данных: Важно учесть, какие методы кодирования данных используются. Некоторые кодирования могут потреблять больше битов для представления информации, что также влияет на скорость цифрового потока.

При проектировании и анализе цифровых систем и коммуникационных сетей скорость цифрового потока является ключевым фактором. Она определяет количество данных, которые можно передать или обработать цифровым устройством за единицу времени через определенный канал связи или цифровое устройство.

Восстановление первоначальной формы сообщения

Восстановление первоначальной формы сообщения из цифрового сигнала действительно происходит с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). ЦАП — это устройство, которое принимает цифровой сигнал и преобразует его обратно в аналоговую форму. Этот процесс включает в себя воссоздание непрерывных изменений амплитуды и времени, что позволяет восстановить оригинальный аналоговый сигнал.

ЦАП работает путем интерпретации цифровых значений и создания аналогового сигнала, который может быть представлен в виде непрерывной волны. Этот восстановленный аналоговый сигнал может быть звуком, видео, электрическим напряжением и так далее, в зависимости от типа информации, которая была преобразована в цифровой сигнал на этапе аналого-цифрового преобразования (АЦП).

ЦАПы широко применяются в различных областях, таких как аудио и видео обработка, коммуникации, измерительные устройства и другие, где необходимо восстановление аналоговых сигналов из цифровой формы.

Понятие «Информация» в радиотехнических сигналах

Информация — это ключевой термин, используемый при описании работы различных радиотехнических устройств. Сегодня, в связи с широким развитием методов передачи данных, этот термин приобрел два значения: абстрактное (качественное) и конкретное (количественное).

С одной стороны, информацией понимают любые сообщаемые сведения, данные или знания. Это абстрактное значение информации, которое относится к содержанию передаваемых сообщений.

С другой стороны, информация также может иметь конкретное (количественное) значение, связанное с мерой неожиданности или неопределенности в сообщении. Если в сообщении отсутствуют неизвестные сведения или если все сведения известны заранее, то количество информации равно нулю. Напротив, наиболее информативными считаются сообщения, в которых содержатся маловероятные или неожиданные сведения.

Для измерения количества информации в сообщении используется формула:

I(ak)=−log 
2

 (P(ak))

где:

• (I(ak)) — количество информации, связанной с событием (ak).
• (P(ak)) — вероятность появления события (ak).

Эта формула вычисляет количество информации в битах. Основание логарифма обычно принимается равным 2, так как в телекоммуникационной и компьютерной технике часто используются двоичные системы, хотя основание может быть и другим.

Свойства формулы включают в себя:

1. Суммирование информации: Если в сообщении содержится несколько независимых событий, общее количество информации в сообщении равно сумме информации каждого события по отдельности.
2. Известное сообщение: Если вероятность события равна 1 (событие обязательно произойдет), то количество информации равно нулю, так как событие уже известно заранее.

В данной формуле двоичная единица измерения количества информации называется «битом» (от английских слов «binary digit» — двоичная цифра).

Концепция однополярных и двуполярных сигналов

Однополярные сигналы

Однополярные сигналы — эти сигналы существуют только в одной из полуплоскостей относительно оси времени, либо только в положительной (верхней) полуплоскости, либо только в отрицательной (нижней) полуплоскости. В другой полуплоскости они имеют нулевые значения. Например, синусоидальный сигнал, который всегда положителен или всегда отрицателен, является однополярным сигналом.

Двуполярные (знакопеременные) сигналы

Двуполярные (знакопеременные) сигналы — эти сигналы пересекают ось времени и существуют как в положительной, так и в отрицательной полуплоскости. Они имеют как положительные, так и отрицательные значения в разные моменты времени и пересекают нулевую линию времени. Например, сигнал, который начинается с положительного значения, затем пересекает нулевую линию и становится отрицательным, является двуполярным сигналом.