Информация, сообщения, сигналы.

Одним из важнейших назначений радиотехники является передача информации с помощью радиосигналов. Следовательно, всякуюинформацию предварительно необходимо представить в виде сигнала.

Информация одновременно и объективная реальность и как свойство материи, энергии, поля, вещества (или Истинного знания). И субъективное отражение мира,как объекта восприятия (во всех его формах, проявлениях и измерениях).

Сигнал - это изменяющаяся во времени электрическая величина (i, u, φ) в соответствии с передаваемой информацией.

Например. Если необходимо передавать речь человека, то необходимо преобразовать ее с помощью микрофона в электрический сигнал.

Любой низкочастотный сигнал можно представить в виде графика функции электрической величины от времени, либо математическим выражением.

Передача или прием сигналов связаны с прохождением их через различные электрические цепи (емкостная, индуктивная, контакты и т.п.) т.е. сигналы необходимо усиливать и обрабатывать соответствующим образом.

Прохождение синусоидальных сигналов через электрические цепи изучено в курсе ТОЭ, однако, реальные сигналы не всегда имеют синусоидальную форму, следовательно, невозможно проанализировать прохождение их через электрические цепи.

Тем не менее, математически доказано, что сигнал любой формы можно представить в виде' ряда Фурье, т.е. в виде бесконечной суммы постоянной составляющей и синусоидальных колебаний с различными амплитудами, частотами, начальными фазами . Причем частоты этих колебаний отличаются в кратное число раз, т.е. являются гармониками.

U(t)=U_o + U_m1sin(ω₁t +φ₁) + U_m2sin(2ω₁t +φ₂) + ...+U_mk(kω₁t +φ_k)

где - U(t) - мгновенное значение в момент времени

U₀ - постоянная составляющая

U_m1 амплитуда первой гармоники

U_mk- амлитуда К-той гармоники

φ₁ – φ_k - фазы гармоник

В этой форме совокупность амплитуд U называются спектром амплитуд, а совокупность фаз называются спектром фаз.

Например, если сигнал имеет синусоидальную форму u (t)= U_msin(ωt + φ) то в его спектре присутствует только первая гармоника с частотой ω, а постоянная составляющая и все высшие гармоники отсутствуют (т.е. их амплитуды равны 0).

Если же форма сигнала отличается от синусоидальной, то в спектре такого сигнала кроме первой гармоники должны присутствовать высшие гармоники, а иногда и постоянная составляющая.

Из всего множества сигналов следует различать периодические и не периодические.

Периодическим называется сигнал, значение которого совпадает через равные промежутки времени, равные периоду.

Известно, что период и частота связаны соотношением:

f=l/T = ω/2π ω = 2π/Т

Тогда для любого периодического сигнала частота первой гармоники ω₁ = 2π/Т, а частоты высших гармоник: 2ω, Зω, 4ω и т.д.

Спектр (от латинского spectrum – представление, образ) - в физике совокупность всех значений какой-либо физической величины, характеризующей систему или процесс. Чаще всего пользуются понятиями частотного спектра колебаний (в частности, электромагнитными или акустическими), спектра энергий, импульсов и масс частиц. Спектр может быть непрерывным или дискретным.

Спектральный анализ непериодических сигналов сложнее, чем периодических. Если для непериодического сигнала строго определить интервал времени t₀ < t < t₁, то частоты первой и высших гармоник будут определяться из условия, что такой непериодический сигнал имеет период

T = t₁ – t₀.

Если же строго определить интервал времени невозможно, как например для одиночного импульса, то анализ осуществляется из действия, что сигнал является периодическим с периодом Т → ∞.

Если же Т → ∞ частоты гармоник становятся величинами б\м т.е. спектр сигнала становится сплошным, а амплитуды спектральных составляющих U_mk быстро убывают.

Структура системы радиосвязи.

Передача информации (радиосвязь) осуществляется посредством электромагнитных волн. Электромагнитные волны создаются передающей антенной. Приемная антенна преобразует электромагнитные волны в электрические сигналы. Электромагнитные волны в пространстве быстро затухают (при удалении в 2 раза ослабляется в 4 раза), поэтому для увеличения дальности радиосвязи необходимо по возможности больше усилить как передаваемый сигнал, так и принятый приемной антенной.

Для усиления принятого антенной сигнала служат радиоприемные устройства, а для усиления передаваемых – радиопередающие устройства. Сигналы, несущие информацию обычно находятся в диапазоне нижних частот (речь 20Гц - 20кГц), однако передавать столь низкие частоты на большие расстояния нецелесообразно по двум причинам:

1. Для эффективного излучения энергии длинна антенны должна быть соизмерима с длинной передаваемой волны (3 мГц – 100 м; 300 кГц – 1 км; 30 кГц – 10 км; 3 кГц – 100 км), а длины волн для столь низких частот достигают тысячи километров.

2. При одновременной передаче в эфир реальных сигналов с одним спектром (например: речь) в точке приема невозможно выделить ни один из них, т.к. они смешиваются.

Для передачи сигналов используют высокие частоты от 100 кГц до 100000 мГц. При этом спектр сигналов несущих информацию переносят в область высоких частот.

Например: Необходимо передать низкочастотные сигналы с частотами 30 Гц – 20 кГц на частоте 1000 кГц. Для этого при помощи специального устройства (модулятор) переносят спектр музыкальных сигналов на 1000 кГц. Теперь спектр радиосигнала будет занимать в эфире частоты от 1000,03 кГц до 1020 кГц. Все радиочастоты используемые для передачи радиосигналов условно разбиты на диапазоны :

ДВ – 100 – 400 кГц;

СВ – 500 – 1500 кГц;

КВ – 3 мГц – 30 мГц;

УКВ – 30 мГц – 300 мГц.

Каждый из диапазонов имеет специфические особенности для распространения радиоволн. На низкочастотных диапазонах трудно разместить много радиостанций.

Например: Для радиовещания необходимо передавать сигналы, которые

занимают спектр от 0 до 15 кГц. В диапазоне ДВ таких радиостанций помещается только 20. Если их будет больше, то сигналы одних будут создавать помехи другим.

Низкочастотные диапазоны сильнее подвержены действию индустриальных помех т. к. помехи эти являются следствием включения или выключения мощных источников энергии, а включение или выключение является ничем иным как электрическим импульсом со сплошным спектром амплитудных гармоник, которые быстро убывают с ростом частоты.

Простейшая структурная схема для передачи информации выглядит так:

Наиболее сложные процессы происходят в переносе спектра сигнала в область более высоких (модуляция) либо более низких (преобразование, детектирование) частот.

Модуляция и ее разновидности.

Для переноса спектра НЧ сигнала в область более высоких частот используется модуляция.

Модуляция – это изменение одного из параметров высокочастотного колебания по закону управляющего сигнала (НЧ сигнала).

Любое высокочастотное колебание имеет три параметра, которые можно изменить:

U(t) = U_mSin(ωt + φ₀)

U_m; ω = 2π/Т; φ₀;

В зависимости от того, какой параметр изменяется при модуляции, различают амплитудную, частотную и фазовую модуляции.

Промодулированный сигнал несет в себе информацию, немодулированный информацию не несет.

Каждому виду модуляции присущи свои особенности.

График AM для простейшего случая модуляции с синусоидой.

При ЧМ одновременно происходит ФМ так как ω = dφ/dt, φ = ∫ωdt

Из графика иллюстрирующего AM видно, что амплитуда U_m высокочастотного колебания U(t) = U_m Sinωt должна изменяться во времени по закону:

U_m = U_ω + U_Ω SinΩt

где: U_ω – амплитуда несущего высокочастотного колебания в отсутствии

модуляции;

U_Ω – амплитуда модулирующего колебания.

Если подставить выражение U_m в уравнение для модулированного колебания, то получится:

U(t)=(U_ω+U_ΩSinΩt)Sinωt=U_ω(1+U_ΩSinΩt/U_ω)Sinωt = U_ω(l + mSinΩt)Sinωt

где m = U_Ω/U_ω – индекс модуляции, показывающий глубину модуляции m ≤ 1.

Если раскрыть скобки, то одно из слагаемых будет иметь сомножитель SinΩt*Sinωt.

Из тригонометрии известно что:

SinΩt*Sinωt = ½[Cos(ω - Ω)t - Cos(ω + Ω)t]

С учетом этого окончательное выражение амплитудно-модулированного колебания будет иметь вид:

U(t) = U_ωSinωt + mU_ωCos(ω - Ω)t/2 - mU_ωCos(ω + Ω)t /2

Из полученного выражения видно, что амплитудно-модулированное колебание состоит из трех слагаемых:

1. собственно высокочастотное несущее колебание;

2. колебание с частотой ω – Ω;

3. колебание с частотой ω + Ω;

причем максимально возможные амплитуды колебаний с частотами ω - Ω и ω+Ω, при m = 1 равны U_ω/2.

Колебания с частотами ω - Ωи ω + Ω называются боковыми частотами.

Спектральная диаграмма амплитудно-модулированного колебания имеет вид:

Все три слагаемых амплитудно-модулированного колебания можно представить векторами вращающимися с разными частотами:

Если предположить что наблюдатель вращения с частотой ω_n, то вектор U_ω как бы останавливается, а векторы боковых будут вращаться в разные стороны с частотой Ω,при этом суммарный вектор меняется по амплитуде.

Если модуляция осуществляется не одним, а несколькими сигналами (частотами), то на спектральной диаграмме появятся несколько боковых.

В пределе частот, при модуляции спектров, боковые частоты преобразуются в боковые спектры.