A. Обобщённая структурная схема радиотехнической информационной системы

ЭЛЕМЕНТЫ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Теория сигналов абстрагируется (отходит) от физической природы сигнала. Здесь оперируют математическими моделями сигналов.

Обычно сигнал, независимо от его физической природы, представляют как некоторую функцию времениx(t). Такое представление есть общепринятая математическая абстракция физического сигнала.

Математическая модель сигнала должна соответствовать физическому сигналу, для описания которого она предназначена. Выбор модели зависит от объема и характера априорной информации о физическом сигнале.

Все модели сигнала делятся на полные и неполные. Примерами полных моделей могут служить: функция времени x(t) и спектральная функция F(jω).

Уточняя класс этих функций, можно получить конкретную математическую модель сигнала. Например, класс целых аналитических, т.е. бесконечно дифференцируемых функций - это конкретная полная модель сигнала.

Полная модель отражает всю необходимую информацию о физическом сигнале. Неполная модель (или оценка) дает не всю информацию о сигнале. Она позволяет описать его с некоторой погрешностью. В результате часть информации теряется.

Примерами неполных моделей могут служить: амплитудный спектр A(w), энергетический спектр E(w), корреляционная функция R(t), набор дискретных значений некоторой функции .

a. Обобщённая структурная схема радиотехнической информационной системы

Научно-технический прогресс в различных областях общественной жизни сопровождается резким увеличением потоков передаваемой и принимаемой информации. Основную роль в решении проблемы повышения эффективности передачи информации играют радиотехнические информационные системы (РТИС), к которым относятся системы радиосвязи, телевидения, радиолокации, радионавигации, радиотелеметрии и многие другие. Несмотря на различия, обусловленные целевым назначением, перечисленные системы характеризуются общими чертами, позволяющими изучать их с общих позиций. В связи с этим рассмотрим обобщённую структурную схему РТИС, представленную на рис. 1.1.

Рис. 1.1

В состав РТИС входят:

¾ источник сообщений;

¾ преобразователь сообщений в первичный сигнал;

¾ передающее устройство;

¾ линия связи;

¾ приёмное устройство;

¾ преобразователь первичного сигнала в сообщение;

¾ получатель сообщения.

Помимо этого в структурной схеме РТИС фигурирует источник помех.

Назовём сигналом изменяющуюся физическую величину, отображающую передаваемое сообщение. В качестве таких величин могут выступать ток, напряжение, электромагнитное поле, световой поток и др. Иными словами, сигнал выступает как материальный носитель информации.

Сигналы различают (см. рис.2.1):

` 1) по физической природе (электромагнитные и т.д.);

2) по зависимости от времени (постоянные и переменные);

3) по элементу случайности

и т.д.

Детерминированный,или регулярный, - это сигнал, закон изменения которого известен и известны все его параметры.

Квазидетерминированный - это сигнал, закон изменения которого известен, но один или несколько параметров - случайные величины. Пример: x(t)=Asin(wt+j), где А - случайная величина.

Случайным называют сигнал, значение которого в каждый момент времени есть случайная величина. Кроме этого все сигналы могут быть непрерывными и дискретными.

Дискретизированнымназывают сигнал, у которого хотя бы один параметр является дискретной величиной, т.е. имеет конечное множество значений.

Различают (рис.2.2) четыре формы сигнала x(t).

Рис.2.2

Для описания детерминированных сигналов используют амплитудно - временные характеристики и представления в виде суперпозиции простых колебаний.

Для описания случайных сигналов применяют методы теории вероятности и математической статистики; случайные сигналы моделируют детерминированными сигналами.

Изучение теории сигналов обычно начинают с изучения свойств и математических моделей детерминированных сигналов, которые потом дополняют различными статистическими методами.

Вид функции определяет форму сигнала.

Как функция времени сигнал может быть определён как на конечном, так и на бесконечном интервале времени. Реальные сигналы всегда конечны. Если сигнал определён на интервале , то величина называется длительностью сигнала. Такие сигналы получили название финитных сигналов. При теоретическом анализе сигнал может быть определён как на бесконечном , так и на полубесконечном интервале времени.

Т.к. сигнал является материальным носителем информации, он обладает энергетическими характеристиками. К основным энергетическим характеристикам относится энергия сигнала

, (1.6)

и средняя мощность

. (1.7)

Отметим, что если представляет собой изменение напряжения во времени, энергия сигнала, выделяемая при нагрузке в 1 Ом имеет размерность , а средняя мощность в .

Таким образом, в общем случае сигнал характеризуется формой, длительностью, энергией и средней мощностью.

Изменение сигнала во времени может происходить неслучайным (детерминированным), либо случайным образом. В соответствии с этим сигналы подразделяются на детерминированные и случайные.

К детерминированным сигналам относятся сигналы, значения которых в любой момент времени полностью известны. Детерминированным сигналом, например, является гармоническое колебание с постоянными на интервале амплитудой, частотой и начальной фазой. Детерминированные сигналы не переносят информации и являются вспомогательными при различных преобразованиях сигналов. С другой стороны, детерминированные сигналы являются удобной моделью при анализе радиотехнических систем.

Случайные сигналы – это сигналы, значения которых в любой момент времени точно предсказать невозможно. Математическими моделями случайных сигналов являются случайные процессы. Собственно говоря, информация содержится в случайных изменениях физических величин. С другой стороны, моделями случайных процессов описываются и помехи в линии связи. Всё это определяет важность изучения случайных сигналов.

Сигнал , как уже подчёркивалось выше, представляет собой изменяющуюся во времени величину и с этой точки зрения характеризуется множеством значений и множеством моментов времени , которые она может принимать эти значения. Как множество , так и множество может быть непрерывным (континуальным) или дискретным (счётным). Положим эти два признака в основу классификации сигналов.

На рис. 1.2 представлены графики изменения величины в зависимости от моментов времени в координатах

Рис. 1.2

Если множества и являются непрерывными множествами, т.е. в любой момент времени сигнал может принимать любое значение из множества , то такие сигналы называют аналоговыми (непрерывными) сигналами (рис. 1.2, а). Аналоговые сигналы имеют место на выходе микрофона, датчика температуры или давления и т.д.

Если множество непрерывно, а множество дискретно, т.е. сигнал может принимать любое значение из множества но в строго фиксированные моменты времени , или , то такие сигналы называются дискретными (рис 1.2, б). Здесь черта обозначает, что принимает значения от до . Примером дискретного сигнала может служить отражённый от цели сигнал на входе приёмника радиолокационной станции. Действительно, моменты времени определяются временем оборота антенны, а значения сигнал может принимать любые, т.к. цель может иметь произвольное положение в пространстве.

Если множество значений дискретно, а множество моментов времени непрерывно, т.е. сигнал принимает строго фиксированные значения в любой произвольный момент времени , или , то такие сигналы называются квантованными (рис. 1.2, в). К квантованным сигналам можно отнести сигнал на выходе контролёра-автомата метрополитена. Число пассажиров, которые проходят через контролёр - автомат всегда принимает целые значения, а значения моментов времени произвольные.

И, наконец, если множества и дискретны, то такие сигналы называются цифровыми (рис. 1.2, г). Своё название такие сигналы получили ввиду того, что значения сигнала и моменты времени изменений значений могут быть представлены числами натурального ряда. Примерами цифровых сигналов могут служить сигналы, которыми обмениваются устройства ЭВМ, сигналы телексной связи и другие.

Отметим, что в дискретном и цифровом сигналах значения сохраняются в течение интервала времени неизменным. Если значения сигнала фиксировать в моменты времени короткими импульсами , то такие сигналы называются импульсными (рис. 1.3).

Для сравнений на рисунке пунктирными линиями показан дискретный сигнал, соответствующий импульсному сигналу. В ряде случаев значения импульсного сигнала называют отсчётами.

Продолжим классификацию сигналов. Если на интервале времени сигнал описывается одной элементарной функцией времени, то такой сигнал называется простым (элементарным) сигналом (рис. 1.4,а).

Если же на этом интервале времени сигнал описывается совокупностью простых сигналов, например,

,

где имеет длительность , то такие сигналы называют составными (или сложными).

На рис. 1.4, б изображён составной сигнал, образованный совокупностью трёх простых сигналов описываемых гармоническими функциями.

И, наконец, в связи с широким использованием цифровых сигналов в современных РТИС, остановимся на понятии ансамбля сигналов. Ввиду того, что в цифровых РТИС число значений первичных сигналов ограничено, для их передачи можно использовать конечное число сигналов . Совокупность таких сигналов образуют ансамбль сигналов. Важнейшей характеристикой ансамбля сигналов является его объем , т.е. число сигналов, входящих в ансамбль. От этого показателя зависит информативность каждого сигнала в отдельности и ансамбля в целом, способность противостоять помехам, время доведения сообщений до получателя т.е. все то, что определяет эффективность радиотехнической информационной системы.

И в заключение отметим, что понятие ансамбля сигналов может быть распространенно и на совокупность ансамбля сигналов.