ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.11.2023
Просмотров: 913
Скачиваний: 6
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего образованияСибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики(«СибГУТИ»)Г.М. СидельниковРАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И СИГНАЛЫУчебное пособиеНовосибирск 2022УДК 621.391 Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИРецензент док. техн. наук, проф. В.П. РазинкинРецензент канд. техн. наук, доц. А.С. ЧухровГ.М.Сидельников. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебное пособие/ Г. М. Сидельников; Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики; каф. радиотехнических систем. - Новосибирск, 2022.– 110 с.В учебном пособии рассмотрены вопросы теоретические основы радиотехники, включая теорию радиотехнических сигналов, различные системы модуляции, аналоговые и дискретные, преобразование сигналов в нелинейных радиотехнических цепях, теорию случайных сигналов, прохождение случайных сигналов через радиотехнические цепи, прохождение случайных сигналов через радиотехнические цепи.Рассмотренные в учебном пособии материалы, в той или иной степени входят в учебные дисциплины «Радиотехнические цепи и сигналы», «Теорию связи», «Статистическую теорию радиотехнических систем», «Цифровую обработку сигналов», читаемые на кафедры радиотехнических систем СибГУТИ.© Сидельников Г.М., 2022© Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2022г.СОДЕРЖАНИЕВведение …………………………………………………………………………. . .51 Теория радиотехнических сигналов …………………….. . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Погрешности дискретизации и восстановления непрерывнысигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.4 Контрольные вопросы и задачи . . . . . . . .…… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 Модулированные аналоговые сигналы………………………………… . . . . 303.1 Сигналы с амплитудной модуляцией………………... . . . . . . . . . . . . . . . 303.2 Частотная модуляция……………… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.3 Фазовая модуляция………………………... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.4 Контрольные вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 Модулированные дискретные сигналы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.1 Бинарные сигналы с дискретной модуляцией……………………… . . . . 404.2 Контрольные вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455 Основы теории случайных процессов… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465.1 Вероятностные характеристики случайных процессов . . . . . . . . . . . . . .465.2 Числовые характеристики случайных процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485.3 Стационарные случайные процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.4 Эргодические случайные процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525.5 Нормальный случайный процесс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545.3 Контрольные вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576 Преобразование сигналов в нелинейных радиотехнических цепях . . . . .. 606.1 Спектральный анализ преобразованных сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . 606.1.1 Преобразование гармонического сигнала в нелинейной безынерционной цепи …………….. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606.1.2 Метод угла отсечки……………………… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626.2 Преобразование частоты (транспонирование спектра) . . . . . . . . . . . . . . 656.3 Умножение частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .676.4 Контрольные вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697 Радиотехнические устройства для формирования модулированныхсигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 7.1 Устройства формирования и детектирования сигналов с амплитудноймодуляцией . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727.1.1 Модуляторы АМ – сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727.1.2 Устройства детектирования АМ – сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 777.2 Устройства формирования и детектирования сигналов с частотноймодуляцией . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .817.2.1 Модулятор ЧМ – сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7.2.2 Детектирование ЧМ - сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .827.3 Контрольные вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 868 Спектральный анализ случайных процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 878.1 Спектральная плотность мощности случайных процессов . . . . . . . . . . 878.2 Узкополосные и широкополосные сигналы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 908.3 Контрольные вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 9 Прохождение случайных сигналов через радиотехнические цепи . . . . . . . .949.1 Преобразование случайных сигналов в линейных инерционных радиотехнических цепях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 949.2 Прохождение случайного сигнала через нелинейные безынерционные радиотехнические цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 959.3 Контрольные вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9610 Огибающая и фаза узкополосного случайного сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . 9810.1 Аналитический сигнал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9810.2 Огибающая и фаза узкополосного гауссовского случайного процесса и суммы гармонического сигнала и узкополосного гауссовского случайного сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10110.2.1 Огибающая и фаза узкополосного гауссовского процессаслучайного процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10110.2.2 Огибающая и фаза суммы гармонического колебания и узкополосного гауссовского случайного сигнала . . . . . . . . . . . . . . 10410.3 Контрольные вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109ВведениеНастоящее учебное пособие написано в соответствии с учебной программой «Радиотехнические цепи и сигналы» по направлению «Конструирование и технология электронных средств» и «Электроника и наноэлектроника», читаемой для студентов на кафедре РТС СибГУТИ. Материл пособия может быть полезен для студентов, обучающихся по направлению «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» и «Радиотехника».Дисциплина «Радиотехнические цепи и сигналы» включает в себя теорию радиотехнических сигналов, преобразование сигналов в линейных и нелинейных радиотехнических цепях, основы теории случайных процессов и преобразование случайных сигналов в радиотехнических цепях различной структуры.
Материал учебное пособия изложен таким образом, что сначала рассматриваются различные типы сигналов, используемые в радиотехнических системах, а затем преобразование сигналов в радиотехнических устройствах различного назначения. Содержание учебного пособия насчитывает 10 глав и множество параграфов, что обеспечивает удобный поиск учебного материала.Данное учебное пособие написано с использованием публикаций отечественных и зарубежных авторов, таких как С.И. Баскаков, В.П. Попов, В.Ф. Кушнир, В.А. Ферсман, Б.Р. Левин, М.А. Лаврентьев, Б.В. Шабат, А.А. Макаров, И.И. Резван, Л.А. Чиненков, К.А. Самойлов, Б.И. Филиппов, У.М. Сиберг.1 Теория радиотехнических сигналов1.1 Классификация радиотехнических сигналовВ качестве сигнала можно использовать любой физический процесс, изменяющийся в соответствии с переносимым сообщением. В современных радиотехнических системах используются электрические сигналы. Физической величиной, определяющий такой сигнал является ток или напряжение. Сигналы формируются путем изменения тех или иных параметров физического носителя по закону передаваемых сообщений. Такой процесс принято называть модуляцией. Сигнал является функцией времени, даже если сообщение таковым не является. Основные виды сигналов представлены на рис. 1.1. Как видно из рисунка, сигнал задается в некоторых случаях, не на всей оси, а только в определенные моменты времени. Такие сигналы называются дискретными по времени, в отличие от непрерывных сигналов по времени. Сигналы непрерывные по уровню содержат бесконечное количество информации, так как для описания его амплитуды необходимо бесконечное количество цифр[1].Рис.1.1 – Основные виды сигналовДругой принцип классификации радиотехнических сигналов основан на возможности или невозможности точного предсказания их мгновенных значений. Если математическая модель сигнала позволяет осуществить такое предсказание с вероятностью, равной единицы, то сигнал называется детерминированным, то есть полностью определенным. Способы его задания могут быль любыми – математическая формула, вычислительный алгоритм, или словесное описание [2].Строго говоря, детерминированных сигналов не существует. Наличие хаотических тепловых процессов, воздействие других случайных факторов природы, или просто незнание о начальном состоянии – все это заставляет рассматривать реальные сигналы как случайные функции времени.
В радиотехнике случайные сигналы часто проявляют себя как помехи, препятствующие извлечению информации из принятого сигнала. Проблема борьбы с помехами, повышение помехоустойчивости радиоприема - основная задача радиотехники. Таким образом, помеха всегда случайный сигнал, и модулированный сигнал, несущий информацию, тоже случайный сигнал. Детерминированный сигнал используется для настройки радиотехнических систем, а также как пилот-сигнал для определения параметров канала связи, при этом он не несет информации [3].В системах передачи информации сигнал является объектом транспортировки, а техника связи – техникой передачи сигналов по каналу связи. Поэтому целесообразно определить параметры сигнала, которые являются основными с точки зрения его передачи и приема. Такими параметрами являются: длительность сигнала Тс, его динамический диапазон Dс , ширина спектра Fс .Сигнал, рассматриваемый как временный процесс, имеет начало и конец. Поэтому длительность Тс сигнала является естественным его параметром. Он определяет интервал времени, в пределах которого сигнал существует.Динамический диапазон определяется как отношение максимального значение мгновенной мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличить от нуля при заданном качестве передачи сообщения. Динамический диапазон речи диктора, например, равен 25-30 дБ, симфонического оркестра 65-75 дБ.Третьим параметром является ширина спектра сигнала Fc. Эта величина дает представление о скорости изменения сигнала в пределах интервала его существования.Характеристикой всего ансамбля сигнала является объем сигнала, определяемый как: Vc = TcFcDc [3].Объем сигнала Vc дает общее представление о возможностях данного ансамбля как переносчика сообщений. Чем больше объем сигнала, тем больше объем информации он может перенести и тем труднее передать такой сигнал по каналу связи. 1.2 Спектральное представление сигналовСуществует достаточное число ортогональных функций, которые могут использоваться в качестве базисов радиотехнических сигналов. Следует отметить, что особое место занимают гармонические сигналы (синусоидальные и косинусоидальные) функции. Преимущество гармонических сигналов для радиотехники обусловлено рядом причин [4].
-
Классификация радиотехнических сигналов ……………. . . . . . . . . . . . . . 6 -
Спектральное представление сигналов. . . ………………………………. . 8
2.3 Погрешности дискретизации и восстановления непрерывнысигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.4 Контрольные вопросы и задачи . . . . . . . .…… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 Модулированные аналоговые сигналы………………………………… . . . . 303.1 Сигналы с амплитудной модуляцией………………... . . . . . . . . . . . . . . . 303.2 Частотная модуляция……………… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.3 Фазовая модуляция………………………... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.4 Контрольные вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 Модулированные дискретные сигналы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.1 Бинарные сигналы с дискретной модуляцией……………………… . . . . 404.2 Контрольные вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455 Основы теории случайных процессов… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465.1 Вероятностные характеристики случайных процессов . . . . . . . . . . . . . .465.2 Числовые характеристики случайных процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485.3 Стационарные случайные процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.4 Эргодические случайные процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525.5 Нормальный случайный процесс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545.3 Контрольные вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576 Преобразование сигналов в нелинейных радиотехнических цепях . . . . .. 606.1 Спектральный анализ преобразованных сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . 606.1.1 Преобразование гармонического сигнала в нелинейной безынерционной цепи …………….. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606.1.2 Метод угла отсечки……………………… . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626.2 Преобразование частоты (транспонирование спектра) . . . . . . . . . . . . . . 656.3 Умножение частоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .676.4 Контрольные вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697 Радиотехнические устройства для формирования модулированныхсигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 7.1 Устройства формирования и детектирования сигналов с амплитудноймодуляцией . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727.1.1 Модуляторы АМ – сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727.1.2 Устройства детектирования АМ – сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 777.2 Устройства формирования и детектирования сигналов с частотноймодуляцией . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .817.2.1 Модулятор ЧМ – сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
7.2.2 Детектирование ЧМ - сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .827.3 Контрольные вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 868 Спектральный анализ случайных процессов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 878.1 Спектральная плотность мощности случайных процессов . . . . . . . . . . 878.2 Узкополосные и широкополосные сигналы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 908.3 Контрольные вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 9 Прохождение случайных сигналов через радиотехнические цепи . . . . . . . .949.1 Преобразование случайных сигналов в линейных инерционных радиотехнических цепях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 949.2 Прохождение случайного сигнала через нелинейные безынерционные радиотехнические цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 959.3 Контрольные вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9610 Огибающая и фаза узкополосного случайного сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . 9810.1 Аналитический сигнал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9810.2 Огибающая и фаза узкополосного гауссовского случайного процесса и суммы гармонического сигнала и узкополосного гауссовского случайного сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10110.2.1 Огибающая и фаза узкополосного гауссовского процессаслучайного процесса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10110.2.2 Огибающая и фаза суммы гармонического колебания и узкополосного гауссовского случайного сигнала . . . . . . . . . . . . . . 10410.3 Контрольные вопросы и задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109ВведениеНастоящее учебное пособие написано в соответствии с учебной программой «Радиотехнические цепи и сигналы» по направлению «Конструирование и технология электронных средств» и «Электроника и наноэлектроника», читаемой для студентов на кафедре РТС СибГУТИ. Материл пособия может быть полезен для студентов, обучающихся по направлению «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» и «Радиотехника».Дисциплина «Радиотехнические цепи и сигналы» включает в себя теорию радиотехнических сигналов, преобразование сигналов в линейных и нелинейных радиотехнических цепях, основы теории случайных процессов и преобразование случайных сигналов в радиотехнических цепях различной структуры.
Материал учебное пособия изложен таким образом, что сначала рассматриваются различные типы сигналов, используемые в радиотехнических системах, а затем преобразование сигналов в радиотехнических устройствах различного назначения. Содержание учебного пособия насчитывает 10 глав и множество параграфов, что обеспечивает удобный поиск учебного материала.Данное учебное пособие написано с использованием публикаций отечественных и зарубежных авторов, таких как С.И. Баскаков, В.П. Попов, В.Ф. Кушнир, В.А. Ферсман, Б.Р. Левин, М.А. Лаврентьев, Б.В. Шабат, А.А. Макаров, И.И. Резван, Л.А. Чиненков, К.А. Самойлов, Б.И. Филиппов, У.М. Сиберг.1 Теория радиотехнических сигналов1.1 Классификация радиотехнических сигналовВ качестве сигнала можно использовать любой физический процесс, изменяющийся в соответствии с переносимым сообщением. В современных радиотехнических системах используются электрические сигналы. Физической величиной, определяющий такой сигнал является ток или напряжение. Сигналы формируются путем изменения тех или иных параметров физического носителя по закону передаваемых сообщений. Такой процесс принято называть модуляцией. Сигнал является функцией времени, даже если сообщение таковым не является. Основные виды сигналов представлены на рис. 1.1. Как видно из рисунка, сигнал задается в некоторых случаях, не на всей оси, а только в определенные моменты времени. Такие сигналы называются дискретными по времени, в отличие от непрерывных сигналов по времени. Сигналы непрерывные по уровню содержат бесконечное количество информации, так как для описания его амплитуды необходимо бесконечное количество цифр[1].Рис.1.1 – Основные виды сигналовДругой принцип классификации радиотехнических сигналов основан на возможности или невозможности точного предсказания их мгновенных значений. Если математическая модель сигнала позволяет осуществить такое предсказание с вероятностью, равной единицы, то сигнал называется детерминированным, то есть полностью определенным. Способы его задания могут быль любыми – математическая формула, вычислительный алгоритм, или словесное описание [2].Строго говоря, детерминированных сигналов не существует. Наличие хаотических тепловых процессов, воздействие других случайных факторов природы, или просто незнание о начальном состоянии – все это заставляет рассматривать реальные сигналы как случайные функции времени.
В радиотехнике случайные сигналы часто проявляют себя как помехи, препятствующие извлечению информации из принятого сигнала. Проблема борьбы с помехами, повышение помехоустойчивости радиоприема - основная задача радиотехники. Таким образом, помеха всегда случайный сигнал, и модулированный сигнал, несущий информацию, тоже случайный сигнал. Детерминированный сигнал используется для настройки радиотехнических систем, а также как пилот-сигнал для определения параметров канала связи, при этом он не несет информации [3].В системах передачи информации сигнал является объектом транспортировки, а техника связи – техникой передачи сигналов по каналу связи. Поэтому целесообразно определить параметры сигнала, которые являются основными с точки зрения его передачи и приема. Такими параметрами являются: длительность сигнала Тс, его динамический диапазон Dс , ширина спектра Fс .Сигнал, рассматриваемый как временный процесс, имеет начало и конец. Поэтому длительность Тс сигнала является естественным его параметром. Он определяет интервал времени, в пределах которого сигнал существует.Динамический диапазон определяется как отношение максимального значение мгновенной мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличить от нуля при заданном качестве передачи сообщения. Динамический диапазон речи диктора, например, равен 25-30 дБ, симфонического оркестра 65-75 дБ.Третьим параметром является ширина спектра сигнала Fc. Эта величина дает представление о скорости изменения сигнала в пределах интервала его существования.Характеристикой всего ансамбля сигнала является объем сигнала, определяемый как: Vc = TcFcDc [3].Объем сигнала Vc дает общее представление о возможностях данного ансамбля как переносчика сообщений. Чем больше объем сигнала, тем больше объем информации он может перенести и тем труднее передать такой сигнал по каналу связи. 1.2 Спектральное представление сигналовСуществует достаточное число ортогональных функций, которые могут использоваться в качестве базисов радиотехнических сигналов. Следует отметить, что особое место занимают гармонические сигналы (синусоидальные и косинусоидальные) функции. Преимущество гармонических сигналов для радиотехники обусловлено рядом причин [4].