Методи та пристрої перетворення сигналів

Інформація про навчальний заклад

ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Інститут комп’ютерних технологій, автоматики та метрології
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Захист інформації

Інформація про роботу

Рік:
2019
Тип роботи:
Конспект лекцій
Предмет:
Основи збору, передавання та обробки інформації

Частина тексту файла

Національний університет «Львівська політехніка»
Інститут комп’ютерних технологій, автоматики та метрології
Кафедра «Захист інформації»
Джала Роман Михайлович
Основи
збору,
передавання
та
обробки
інформації
Конспект лекцій
Тема 4:
Методи та пристрої перетворення сигналів
Множення, перетворення і ділення частоти. Модуляція і демодуляція сигналів. Види гармонічної модуляції, їх призначення та здійснення. Структура каналів з використанням різновидностей маніпуляції гармонічної несучої. Види та призначення імпульсної модуляції. Багатократні методи модуляції.
ЗМІСТ
4.1. Основні види нелінійних перетворень сигналів.
Апроксимація нелінійних характеристик.
Перетворення спектру на нелінійному елементі.
4.2. Пристрої перетворення сигналів. Множення, перетворення і ділення частоти.
Випрямлення. Посилення коливань. Помножувач частоти. Параметричне множення і ділення частоти.
Перетворення частоти (транспонування спектру). Подільники частоти
4.3. Модуляція і демодуляція сигналів.
Модульовані гармонічні коливання (АМ, ЧМ, ФМ), призначення та здійснення. Дискретна модуляція (маніпуляція).
Методи імпульсної модуляції (АІМ, ШІМ, ЧІМ).
Пристрої формування імпульсних модульованих послідовностей.
Багатократні методи модуляції.
4.К. Питання до самоконтролю.
4.Л. Література.
Львів – 2008
4.1. Основні види нелінійних перетворень сигналів.
У радіотехнічних пристроях використовують різні нелінійні перетворення сигналів: підсилення і множення коливань, перетворення частоти, модуляція, демодуляція (детектування), випрямлення і т.п.
Для лінійної системи справедливий принцип суперпозиції. Проходячи через лінійну стаціонарну систему, гармонічний сигнал залишається незмінним по формі, змінюються лише амплітуда і початкова фаза.
Для зміни спектру частот потрібні нелінійні перетворення, коли зв’язок між вхідним сигналом
uвх(t) і вихідним сигналом (реакцією)
uвих(t) описується нелінійною функціональною залежністю
uвих(t)=f(uвх, t) .
(1)
Таку залежність можна розглядати як просту математичну модель нелінійного елемента; тут не фігурують його внутрішні процеси, а маємо справу лише із зовнішньою характеристикою системи.
У радіотехніці найбільш поширеними нелінійними елементами є діоди і транзистори. Вивчення властивостей нелінійних елементів і систем є фундаментом теорії більшості радіоелектронних пристроїв.
Розрізняють резистивні (опори) та реактивні (індуктивності, ємності) нелінійні елементи. Часто обмежуються дослідженням безінерційних нелінійних елементів, вважаючи, що за зміною зовнішнього вхідного впливу миттєво (одночасно) відбувається вихідна реакція. Тоді нелінійна залежність не містить явно часу
t.
В якості зовнішніх характеристик розглядають напругу u на вході та струм i на виході. Залежність i(u) називають вольт-амперною характеристикою (ВАХ) нелінійного елемента.
Опір нелінійного двополюсника. Важливими параметрами резистивних нелінійних елементів є опір і крутизна. При використанні нелінійного елемента як двополюсника (наприклад, прикладаючи напругу між анодом і катодом діода чи тріода) відношення
R= = U0/I0
(2)
називають опором елемента постійному струму.
На відміну від звичайного опору лінійного резистора значення величини R= не постійне, а залежить від прикладеної напруги (рис.4.1).

Рис. 4.1. Диференціальні опір і крутизна.
Якщо на нелінійний елемент одночасно діють дві напруги
U0
i
Δu , причому EMBED Equation.3
, то розкладаючи ВАХ у ряд Тейлора в околі точки
U0 , знаходимо струм EMBED Equation.3
.
Відношення
Rдиф = Δu /Δi = EMBED Equation.3

(3)
називають диференційним опором нелінійного двополюсника.
Зручніше використовувати диференціальну крутизну ВАХ
Sдиф
= 1/ Rдиф = EMBED Equation.3
,
(4)
яка є тангенсом кута нахилу дотичної ВАХ у даній
робочій точці.
Вводячи поняття
Rдиф
і Sдиф
по суті лінеаризують реальну ВАХ, що справедливо лише для малих приростів сигналу відносно робочої точки.
4.1.1. Апроксимація нелінійних характеристик.
Вольт-амперні характеристики (ВАХ) нелінійних елементів найчастіше отримують експериментально; іноді вдається знайти їх теоретично.
Для вивчення процесів у нелінійних колах потрібний опис вольт-амперних або інших аналогічних характеристик нелінійних елементів у математичній формі, придатній для розрахунків. Простим способом є представлення характеристики у вигляді таблиці, що вигідно для досліджень з допомогою ЕОМ.
Для досліджень аналітичними методами треба ВАХ представити функцією. Реальні характеристики доволі складні, тому їх замінюють (апроксимують) функціями, які наближено відображають істинні найважливіші характеристики. Вибір оптимальної апроксимації залежить від виду нелінійності та від режиму роботи нелінійного елемента. Найчастіше використовують кусково-лінійну, ступеневу та показникову апроксимації ВАХ [Баск.-п.11.1, Гон.2-п1.2].
Показникова апроксимація ВАХ напівпровідникового діода.
З теорії р-п переходу при и>0
EMBED Equation.3
,
I0 – зворотний струм насичення (пікоампери);
иТ – температурний потенціал (= 25 мВ для кремнієвих діодів при стандартній температурі 300 К).
Кусково-лінійну та ступеневу апроксимації розглянемо на прикладах.
4.1.2. Перетворення
спектру
на
нелінійному
елементі.
Нехай на нелінійний елемент з заданою ВАХ і=і(и) подається напруга сигналу
ис(t), спектр якого відомий. Вихідною величиною вважаємо струм і(t), що протікає через нелінійний елемент під дією напруги
ис(t).
Для якісного дослідження тут зручна апроксимація ВАХ ступеневим поліномом. В околі робочої точки U0 маємо
EMBED Equation.3
;
(5)
де
EMBED Equation.3

при
u=U0 .
Прикладена до нелінійного двополюсника напруга
EMBED Equation.3
.
(6)
Використаємо відомі формули
EMBED Equation.3
;
EMBED Equation.3
,
EMBED Equation.3
,
EMBED Equation.3
,
EMBED Equation.3

Шляхом підстановки отримуємо
EMBED Equation.3

EMBED Equation.3
.
(7)
Або у загальному вигляді
EMBED Equation.3
.
Квадратична нелінійність спричинює появу другої гармоніки з частотою 2ω та приріст постійної складової струму. Кубічна нелінійність спричинює третю гармоніку 3ω
і змінює першу гармоніку основної частоти. Парні ступені нелінійності впливають на постійну складову та привносять парні частоти 2ω, 4ω, 6ω і т.д., а непарні привносять частоти ω, 3ω, 5ω
і т.д.
Нехай тепер сигнал складається з двох гармонічних коливань
EMBED Equation.3
.
(8)
У нелінійному колі принцип суперпозиції (накладання) незастосовний; тому тут не можна розглядати окремо дію кожного коливання. Підставляємо у квадратичну складову сумарний сигнал
EMBED Equation.3

EMBED Equation.3
. (9)
Маємо другі гармоніки 2ω1 і 2ω2
від компонент вхідного сигналу та комбінаційні
частоти
ω1+ω2
і
ω1-ω2 .
При складніших вхідних сигналах та складнішій нелінійності на виході нелінійного елемента виникають основні частоти
ω1, ω2 , ω3 , їх гармоніки
пω1, пω2 , пω3 та комбінаційні коливання пωі  mωк .
Збагачення спектру тут відбувається за рахунок кратних частот пω.
Фізичною причиною спотворень сигналу на нелінійному елементі є різна крутизна ВАХ на різних ділянках: однаковим приростам напруги відповідають різні прирости струму
Δі =Sдиф (и) Δи.
i(u)=i(uc ,U0).
4.2. Пристрої
перетворення
сигналів
Для перетворень сигналів використовують нелінійні електричні кола (які описуються нелінійними рівняннями) або лінійні кола зі змінними параметрами (параметричні). Параметричні кола описують лінійними рівняннями зі змінними коефіцієнтами або їх можна розглядати як системи з нелінійними елементами.
Пристрої нелінійного перетворення
(рис. 4.2) містять принаймні два елементи
uвих(t) Лінійний фільтр Нелінійний елемент
Рис. 4.2. Пристрій нелінійного перетворення.
4.2.1. Випрямлення змінного струму (напруги) у постійний.
Як нелінійний (або зі змінними параметрами) елемент використовують вентилі – пристрої, які проводять струм в одному напрямі значно краще, ніж в іншому (рис. 4.3). Вентилі бувають електричні (нелінійні): вакуумні (діоди, кенотрони), іонні (тиратрони, газотрони, ртутні лампи), напівпровідникові (кремнієві, германієві, купроксні, селенові) та механічні (зі змінними параметрами): вібраційні і контактні.

Рис. 4.3. Принципова схема однопівперіодного випрямляча.
Лінійний фільтр виділяє постійну складову і зменшує пульсації випрямленого струму. Фільтри бувають пасивні (LC, RC) і активні (з транзисторами). У даній схемі ємність вибирають з умови
EMBED Equation.3
.
(10)
Чим сильніша нерівність, тим менша частина змінних складових протікає через навантаження R .
Вентильні властивості нелінійного елемента описує вольт-амперна характеристика (рис. 4.4)

Рис. 4.4. Вольт-амперна характеристика ідеального (а) і
реального (б) вентилів.
Для аналізу посилювачів коливань та помножувачів частоти зручна кусково-лінійна апроксимація ВАХ нелінійного елемента (діода):
EMBED Equation.3
;
(11)
Нехай подано напругу
EMBED Equation.3
.
Форма струму в колі з нелінійним елементом, що має кусково-лінійну характеристику (11) показана на рис. 4.5.

Рис. 4.5. Форма струму в колі, яке має нелінійний елемент
з кусково-лінійною характеристикою.
З виразу номінальної напруги (щодо робочої і коливання)
EMBED Equation.3

(12)
визначають кут відсічки
θ
імпульсів струму
EMBED Equation.3
.
(13)
Аналітичний запис імпульсів отриманої послідовності:
EMBED Equation.3

при
EMBED Equation.3
.
(14)
Розклад у ряд по гармоніках:
EMBED Equation.3
,
(15)
коефіцієнти розкладу мають вигляд:
постійна складова
EMBED Equation.3
,
гармоніки
EMBED Equation.3

де
EMBED Equation.3

- функції Берга:
EMBED Equation.3
, ...
(16)
Гармоніки струму:
EMBED Equation.3
,
п=0, 1, 2, ....
4.2.2. Посилення коливань.
Розрізняють режими роботи посилювача з різними кутами відсічки: при θ=π відсічка анодного струму відсутня; θ=π/2, та ін. Режими з відсічкою θ π/2 вигідні, бо в інтервалах між імпульсами не споживається енергія. Але імпульсний струм не повторює форми вхідної сіткової напруги.
Коефіцієнт нелінійних спотворень:
EMBED Equation.3
,
(17)
тут
а1- амплітуда корисної а
а2 , , ап – паразитних складових.
4.2.3. Помножувач частоти.
Замінивши у попередній схемі посилювача
R
на
LC-контур, настроєний на частоту ωрез= пω1 , маємо резонансний помножувач частоти.


Рис. 4.7. Помножувач частоти на тріоді (а), на транзисторі (б).
Амплітуда напруги на виході:
EMBED Equation.3

Для множення з високою кратністю п
потрібні малі кути відсічки θ; оптимально
θопт= π /п . Проте з ростом п
коефіцієнт гармоніки зменшується, тому множать частоту в 2, 3 рази і включають каскадно декілька помножувачів.
Для отримання набору гармонік помножувачі працюють з малими кутами відсічки. Тоді коефіцієнт амплітуди αп  4θ / 3π
при пθ <0), а п-а гармоніка споживає. Тут ККД <1/n2 . Решта потужності Р1 переходить у постійну складову і спричинює нагрівання елемента.
Переваги варакторного над діодним помножувачем зростають зі збільшенням ступеня (кратності) множення.
Параметричні кола можна використовувати і для ділення частоти.
4.2.5. Перетворення частоти, точніше: транспонування спектру або гетеродинування – зміщення всього спектру по осі частот без його зміни. Використовують:
- у супергетеродинному приймачі для того, щоб основну вибірковість і підсилення здійснювати на постійній (проміжній) частоті незалежно від настройки приймача, - досягають високої вибірковості при великому підсиленні;
- при мірянні частоти коливань (гетеродинні хвилеміри);
- при побудові генераторів коливань звукової частоти (генератори на биттях);
- при прийманні односмугових сигналів і т.п.
Перетворювач частоти (рис. 4.8) містить у собі:
- нелінійний (параметричний) елемент – змішувач,
- допоміжний генератор – гетеродин,
- фільтр проміжної частоти.

Рис. 4.8. Перетворювач частоти.
Перетворений сигнал є результатом множення корисного з частотою ωс і допоміжного ωg сигналів. Крім корисних складових EMBED Equation.3
появляються складові вищих гармонік і комбінаційних частот
EMBED Equation.3
, амплітуди яких залежать від виду нелінійності.
Фільтр виділяє одну з складових, наприклад EMBED Equation.3
, яку використовують як коливання перетвореної (проміжної) частоти. Амплітуда сумарної і різницевої складових пропорційна добутку амплітуд сигналу і гетеродина Асg~ Ас Аg . Тут найкращою є квадратична характеристика. Для ВАХ з вищими ступенями появляються складові з частотами, близькими до корисної проміжної; це спричинює інтерференційні завади (комбінаційні свисти).
4.2.6. Подільники частоти будують на основі тригерів, які використовуються у схемах лічильників імпульсів. Найпростіший лічильник ділить частоту на 2; каскадним включенням добиваються потрібної кратності ділення.
Використовують мікросхеми КМОП середнього рівня інтеграції.
Є декілька груп лічильників-подільників: для електронних секундомірів, годинників, таймерів; для обслуговування цифрових мультиметрів і т.п. Мають різні можливості ділення частот.
Розрізняють лічильники синхронні, асинхронні, розрядні.
4.3. Модуляція і демодуляція сигналів.
Для передавання повідомлень слід вибирати сигнали найбільш придатні в конкретних умовах та враховувати можливості їх поширення (передавання) по лінії зв’язку; треба знати особливості сигналів, що формуються передавачем.
4.3.1. Модульовані гармонічні коливання
застосовують як сигнали – носії інформації у середовищі між передавачем і приймачем та як допоміжні коливання в операціях ущільнення і розділення каналів.
Основні види модуляції гармонічних коливань: АМ, ФМ, ЧМ.
При модуляції параметрів носія
EMBED Equation.3

(1)
формується модульоване коливання (радіосигнал)
EMBED Equation.3
,
(2)
де ω0 – несуча частота; EMBED Equation.3
- миттєва фаза коливання.
Спектр модульованого коливання (2) зазвичай ширший спектру модулюючого сигналу.
У радіосигналів ширина спектру 2Δω мала порівняно з несучою 2Δω/ω0<<1, тому їх відносять до вузькосмугових сигналів.
Амплітудно-модульовані коливання.
Модульовані гармонічні коливання
АМ,
ЧМ,
ФМ,
призначення та здійснення.
4.3.2. Дискретна модуляція (маніпуляція).
Загальні принципи модуляції вважаємо відомі. Розглянемо коротко особливості дискретної модуляції.
При дискретній модуляції закодоване повідомлення а , що представляє собою послідовність кодових символів {bi}, перетворюється у послідовність елементів (посилань) сигналу {ui}. Часто дискретна модуляція зводиться до дії (впливу) кодових символів на переносчик (носій інформації)
f(t).
Один з параметрів носія змінюють за законом, який визначає код. Наприклад, при безпосередній передачі (у первинній смузі) носієм м.б. постійний струм а змінними параметри – його величина чи напрям.
Частіше носієм, як і при неперервній модуляції, використовують змінний струм (гармонічне коливання). Отримують амплітудну (АМ), частотну (ЧМ) і фазову (ФМ) модуляціі. Дискретну модуляцію часто називають маніпуляцією, а дискретний модулятор - маніпулятор або генератор сигналів.
На рис. 4.7 показано форми сигналів при двійковому коді для різних видів маніпуляції. При АМ символу 1 відповідає передавання несучого коливання протягом часу Т (посилка), 0 - відсутнісь коливання (пауза).
При ЧМ передача несучого коливання з частотою f1 відповідає 1, а передача з f0 відповідає 0.
При двійковій ФМ міняють фазу несучої на 180о при кожному переході від 1 до 0 і від 0 до 1.
Використовують ще відносну фазову модуляцію (ВАМ, ОФМ), де фаза сигналу відраховується від фази попереднього елемента. У двійковому коді символ 0 передають відрізком синусоїди з початковою фазою попереднього елемента сигналу, а 1 - таким же відрізком з початковою фазою, що відрізняється від початкової фази попереднього елемента на . При ВФМ передачу починають з посилання одного елемента, який не несе інформації а служить опорним сигналом для порівняння фази наступного елемента. ВФМ має свої переваги.
EMBED Visio.Drawing.6

Загалом дискретну модуляцію (ДМ) розглядають як перетворення кодових символів
і = 0, 1, , m-1
у певні відрізки сигналу ui(t).
Вид відрізка сигналу ui(t), у принципі, м.б. довільний. Практично його вибирають так, щоб задовольнити вимоги системи зв’язку (за швидкістю передачі та смугою частот) і щоб сигнали добре розрізнялись на фоні завад.
4.3.3. Імпульсні модульовані коливання.
Модуляція імпульсної піднесучої (імпульсна модуляція).
Застосовують при передавання інформації по лініях з низькою (починаючи з 0 Гц) частотою пропускання.
Види та призначення імпульсної модуляції.
Методи імпульсної модуляції (АІМ, ШІМ, ЧІМ).
4.3.4. Пристрої формування імпульсних
модульованих послідовностей.
4.3.5. Багатократні методи модуляції
Вид модуляції сигналу суттєво впливає на швидкість передавання інформації по телекомунікаційному каналу. Удосконалюючи методи модуляції можна збільшувати кількість передаваної інформації та підвищити завадостійкість СПІ.
Кількість даних, які може переносити сигнал, залежить від кількості модульованих параметрів. У сучасних модемах використовують модуляцію амплітуди, частоти, фази або тривалості сигналу.
Чотирифазна модуляція (ФМ-4) полягає у лінійній комбінації двох ортогональних складових – синусоїдальної та косинусоїдальної і має у часовій області вигляд:
EMBED Equation.3
.
(1)
За ФМ-4 з двома складовими та двома рівнями модулюючих сигналів є чотири комбінації. Амплітуда сигналу на виході модулятора в EMBED Equation.3
разів більша від амплітуди складових, а фаза може набувати 4 значення EMBED Equation.3
. Отже, за один такт можна передати два біти. При А=1 В
і В=1 В рівні сигналів на вході модуляторів відрізняються на
EMBED Equation.3
В, а на виході демодуляторів – на EMBED Equation.3
В.
Квадратурна амплітудна модуляція КАМ-16 складніша від ФМ-4 і використовується в обладнанні для передавання даних. Тут сигнал на виході модулятора також описує формула (1), проте модулюючі сигнали А(t) і
В(t) є послідовностями прямокутних інформаційних імпульсів із чотирма можливими рівнями 1 та 0,33 В. При цьому є 16 комбінацій. На виході демодуляторів сигнали можуть набувати значень 0,5 або 0,17 В, тобто найменша різниця рівнів на вході модуляторів
EMBED Equation.3
В, а на виході демодуляторів EMBED Equation.3
В.
Застосовують і інші види КАМ, де використовують більше рівнів модулюючих сигналів. Збільшується кількість даних та зменшується відстань між рівнями на виході демодуляторів, що спричинює зниження завадостійкості.
4.К. Питання до самоконтролю.
Нелінійні перетворення (основні види).
Апроксимація ВА характеристик нелінійних елементів.
Множення частоти.
Перетворення (транспонування) частоти.
Параметричне множення і ділення частоти.
Модуляція і демодуляція сигналів.
Основні види модуляції гармонічних коливань,
Призначення та здійснення модуляції.
Аналітичний опис, параметри модульованих сигналів
Пристрої перетворення сигналів передавача, їх основні складові.
Види та призначення імпульсної модуляції (АІМ, ШІМ, ЧІМ, ДМ, ІКМ).
Імпульсні модульовані коливання (опис, представлення).
Методи та пристрої формування імпульсних модульованих послідовностей.
1. Що таке модуляція і як класифікуються її методи ?
2. Який спектр амплітудної модуляції? Які у неї переваги та недоліки?
3. Що таке девіація частоти та індекс частотної модуляції ?
4. Що спільного між частотною та фазовою модуляціями? Чому?
5. Які бувають методи імпульсної модуляції? Провести їх порівняльний аналіз.
6. Які параметри носія змінюють при чотирифазній модуляції (ФМ-4) ?
7. Суть квадратурної амплітудної модуляції КАМ-16.
4. Література.
1. Пенин П.И., Филиппов Л.И. Радиотехнические системы передачи информации: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь. 1984. – 256 с.
2. Жураковский Ю.П. Передача информации в ГАП. - К.: Вища школа, 1991. - 216 с.
3. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. для вузов. – 2-е изд. – М.: Высш. шк., 1988. – 448 с.
4. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. пособие для вузов. / Под ред. К.А.Самойло. – М.: Радио и связь, 1982. – 528 с.
5. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Ч.2.: Нелинейные системы. Преобразование случайных процессов в линейных и нелинейных системах. Борьба с помехами. – М.: Сов. Радио, 1967. – 328 с.
6. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники. / Под ред. Б.Х.Кривицкого. Т.2. – М.: Энергия, 1977. – 472 с.
7. Шило В.А. Популярные цифровые микросхемы. – Челябинск: Металлургия, 1989. – 352 с.
8. Тимченко О.В., Горбатий І.В. Метод підвищення швидкості передавання даних через телекомунікаційний канал шляхом удосконалення модуляції сигналу. // Відбір і обробка інформації. 2004. Вип.21(97). – С.53.
Антиботан аватар за замовчуванням

01.01.1970 03:01

Коментарі

Ви не можете залишити коментар. Для цього, будь ласка, увійдіть або зареєструйтесь.

Оголошення від адміністратора

Антиботан аватар за замовчуванням

пропонує роботу

Admin

26.02.2019 12:38

Привіт усім учасникам нашого порталу! Хороші новини - з‘явилась можливість кожному заробити на своїх знаннях та вміннях. Тепер Ви можете продавати свої роботи на сайті заробляючи кошти, рейтинг і довіру користувачів. Потрібно завантажити роботу, вказати ціну і додати один інформативний скріншот з деякими частинами виконаних завдань. Навіть одна якісна і всім необхідна робота може продатися сотні разів. «Головою заробляти» продуктивніше ніж руками! :-)

Завантаження файлу

Якщо Ви маєте на своєму комп'ютері файли, пов'язані з навчанням( розрахункові, лабораторні, практичні, контрольні роботи та інше...), і Вам не шкода ними поділитись - то скористайтесь формою для завантаження файлу, попередньо заархівувавши все в архів .rar або .zip розміром до 100мб, і до нього невдовзі отримають доступ студенти всієї України! Ви отримаєте грошову винагороду в кінці місяця, якщо станете одним з трьох переможців!
Стань активним учасником руху antibotan!
Поділись актуальною інформацією,
і отримай привілеї у користуванні архівом! Детальніше

Новини