1.3.1 Виды сигналов
Все многообразие сигналов по их характеру можно подразделить на:
1. Случайные (стохастические) – сигналы, изменение во времени которых происходит по заранее неизвестному закону (случайно). К случайным сигналам относятся сигналы помехи и принятые сигналы, которые представляют собой смесь полезного сигнала и помехи.
2. Детерминированные сигналы – сигналы, изменение которых во времени можно заранее предсказать. Такие сигнала задаются определенной функцией времени, например, синусоидальный сигнал с известной амплитудой А, частотой w0 и начальной фазой j0: S (t)= A sin(w0 t +j0).
3. Квазидетерминированные – сигналы, которые описываются функциями времени определенного вида, некоторые из параметров которых неизвестны. Например, известна форма напряжения в питающей сети – синусоидальная, известно амплитудное значение (220В), известна частота (50 Гц). Однако точно предсказать какое значение будет иметь данный сигнал в произвольный момент времени нельзя, т.к. неизвестна его начальная фаза.
Случайные сигналы характеризуются законами распределения мгновенных значений случайного процесса, моментными функциями, средними значениями и корреляционными функциями. Более подробно характеристики случайных процессов рассмотрены в приложении 1.
4. Сигналы также подразделяются на периодические и апериодические. Периодическим называется сигнал, любое значение которого, повторяется через равные интервалы времени, называемые периодом. Такие сигналы задаются в интервале времени -¥£t£¥. Простейшим периодическим сигналом является гармоническое колебание.
5. По форме представления все сигналы подразделяются на аналоговые, дискретные, цифровые.Аналоговые сигналы описываются непрерывной (или кусочно-непрерывной) функцией S(t), причем сама функция и ее аргумент t могут принимать любые значения на некоторых интервалах.
Дискретные сигналы отличаются от аналоговых тем, что их значения известны лишь в дискретные моменты времени. При этом, сама функция, описывающая сигнал, может в дискретные моменты принимать произвольные значения на некотором интервале. Эти значения функции называются выборками или отсчетами функции.
Цифровые сигналы представляют собой дискретные сигналы, которые в дискретные моменты времени могут принимать лишь конечный ряд дискретных значений – уровней квантования. Процесс преобразования дискретного сигнала в цифровой называется квантованием по уровню.
6. По числу переменных, описывающих сигналы, их можно подразделить на одномерные и многомерные. Одномерным называется сигнал, описываемый одной функцией времени. Например, напряжение или ток в цепи.
Многомерные сигналы образуются как совокупность упорядоченных одномерных сигналов. Примером такого сигнала является сигнал телевизионного изображения. Этот сигнал представляет собой функцию двух переменных (значение яркости в зависимости от координаты пиксела g(x,y)).
8. Очень важным классом сигналов являются импульсные сигналы, т.е. сигналы, существующие лишь в конечных интервалах времени. При этом различают видеоимпульсы и радиоимпульсы. Различие между ними состоит в следующем. Если S в(t) – видеоимпульс, то соответствующий ему радиоимпульс имеет вид S p(t)= S в(t)cos(w0 t +j0). При этом S в(t) называется огибающей радиоимпульса, а функция cos(w0 t +j) – его заполнением.
Помехи в линиях связи
Помехой называется внешнее или внутреннее воздействие, приводящее к искажению сигнала и затруднению его приема. Классификация помех приведена на рисунке 1.2
Рис.1.2. Классификация помех в каналах связи
Принятый сигнал в общем случае может быть представлен в виде:
,
где Z (t) – принятый сигнал (на входе приемника);
S (t) – переданный сигнал (на выходе передатчика);
k (t) – мультипликативная помеха;
x(t) – аддитивная помеха.
Таким образом, аддитивной называется такая помеха, которая при взаимодействии с сигналом складывается с ним. К аддитивным помехам, как правило, относятся помехи от внешних источников электромагнитных возмущений, а также тепловые шумы.
Мультипликативная помеха – это помеха, которая перемножается с сигналом. Такой вид помех обусловлен случайными изменениями коэффициента передачи среды распространения сигналов. Например, при передаче радиоволн на радиосигнал может влиять дождливая погода. Дождь и атмосферные загрязнения приводят к изменению коэффициента передачи воздушной среды, в которой распространяются сигналы.
В радиосвязи мультипликативные помехи называют замираниями. Замирание – это кратковременное снижение уровня принимаемого сигнала.
При использовании аналоговых радиорелейных станций вопрос борьбы с замираниями практически не возникал. Это было связано в первую очередь с тем, что длительных замираний при грамотном проектировании линии не было, а кратковременные (доли секунды) пропадания сигнала практически не оказывали влияния на качество передаваемой информации, поскольку инерционность человеческого уха при телефонном разговоре намного больше, чем длительность замирания. При использовании методов цифровой обработки сигналов даже очень короткое по длительности пропадание сигнала приводит к искажению передаваемой информации.
Замирания в по спектру частот подразделяют на общие, т.е. равномерные по всей полосе частот и селективные, т.е. проявляющиеся на части частотного спектра.
Причинами возникновения замираний являются:
1. Многолучевость распространения радиоволн. При многолучевом распространении радиоволн на вход приемника попадает не только прямой луч полезного сигнала, но и отраженные лучи, пришедшие с других направлений под разными углами. При этом на входе приемника складываются сигналы с разными фазами, что приводит к взаимной их компенсации и как следствие к падению уровня полезного сигнала. Отражения могут возникать от поверхности земли, водной поверхности, болота, рельефа местности (гор, зданий на пути распространения радиоволн), от границ сред с разной плотностью, например масс теплого и холодного воздуха или атмосферных слоев с различной влажностью.
2. Падение уровня сигнала происходит при возникновении на пути распространения радиоволн препятствия, ослабляющего полезный сигнал. Причинами падения уровня сигнала могут быть:
Осадки. Влияние осадков будет тем больше, чем выше частота сигнала. Практически полная непрозрачность атмосферы для радиоволн наблюдается на частоте 118.74 ГГц (резонансное поглощение в атомах кислорода), а на частотах больше 60 ГГц погонное затухание превышает 15 дБ/км.
Техногенные причины, вызванные выбросами в атмосферу продуктов сгорания и переработки на предприятиях тяжелой промышленности. Такие замирания, как и замирания от осадков, проявляются на частотах выше 10 ГГц.
Внешними являются помехи, возникающие вне канала, к ним относятся:
атмосферные (могут быть вызваны грозовыми разрядами, осадками, пылевыми бурями, северным сиянием);
космические (могут быть вызваны солнечной активностью, космическими телами);
промышленные (могут быть вызваны промышленными установками: высокочастотными генераторами, высоковольтными линиями электропередачи, электрифицированным транспортом);
от других систем связи обуславливаются воздействием на полезный сигнал одной системы связи сигналов других систем, например, прослушивание радиопередач или другого разговора в телефонной трубке, прием на одной частоте срезу нескольких радиопередач.
Внутренними являются помехи, возникающие внутри канала, к ним относятся собственные шумы, которые, в свою очередь, подразделяются на:
тепловые – обусловлены хаотическим движением электрических зарядов в проводниках;
дробовые – обусловлены неоднородной плотностью носителей заряда в проводниках.
Собственные шумы не могут быть устранены, т. к. они вызваны физикой процесса передачи электрической энергии.
По форме помехи подразделяются на:
Импульсные – представляют собой последовательность коротких импульсов со случайной амплитудой, длительностью и временным положением. При этом длительность импульса намного меньше, чем период их возникновения. Импульсные помехи, как правило имеют ограниченный спектр.
Флуктуационные помехи вызваны флуктуациями (отклонением от среднего значения) тока и напряжения. Этот вид помех представляет собой случайный процесс с нормальным законом распределения. По форме флуктуационная помеха имеет вид последовательности коротких имульсов со случайной амплитудой, длительностью и периодом повторения. При этом перид соспоставим с дительностиью импульсов помехи. Такая помеха имеет равномерный спектр на всей частотной области. По аналогии с белым светом, имеющем в своем спектре составляющие на всех частотах, данные шумы называются белым шумом.
Сосредоточенный по спектру помехи обусловлены, как правило воздействием на передаваемый сигнал сторонних радиостанций. Поэтому такая помеха имеет узкий (сосредоточенный) спектр.
При прохождении сигнала через систему связи и при воздействии на него помехи его форма изменяется. Изменение формы сигнала называется искажением. Различают нелинейные и линейные искажения.
Нелинейными являются искажения, при которых в спектре сигнала появляются новые частотные составляющие. Такие искажения вызваны нелинейностью характеристик элементов и блоков, входящих в аппаратуру системы связи.
Линейными являются искажения, при которых в спектре сигнала не появляются новые составляющие. Такие искажения возникают из –за изменения соотношения между составляющими спектра сигнала. Линейные искажения бывают амплитудно-частотными (АЧИ), при которых изменяются амплитуды составляющих спектра сигнала и фазо-частотные (ФЧИ), при которых изменяются фазы составляющих спектра.
1.3.2 Характеристики сигналов и помех
Основными параметрами сигнала являются:
- длительность сигнала;
- динамический диапазон сигнала – отношение максимальной мгновенной мощности сигнала к минимальной
;
- ширина спектра сигнала – дает представление о скорости изменения сигнала. Спектр сигнала может простираться в пределах очень большого диапазона частот. Однако достаточно учитывать диапазон частот, в пределах которого сосредоточена его основная энергия. Этот диапазон называется шириной спектра;
- относительный уровень сигнала – отношение мощности сигнала к мощности помехи. Логарифм этого отношения называется превышением сигнала над помехой.