Непрерывные и импульсные модуляцииСтр 1 из 23Следующая ⇒
Журкин И.Г., Шавенько Н.К. СИГНАЛЫ Учебное пособие по курсу «Автоматизированная обработка аэрокосмической информации» МОСКВА Министерство щбразования Российской Федерации Московский государственный университет геодезии и картографии Журкин И.Г., Шавенько Н К. СИГНАЛЫ Учебное пособие по курсу «Автоматизированная обработка аэрокосмической информации» Для студентов 4 и 5 курсов специальностей «Исследование природных ресурсов» и «Информационные системы в геодезии»
МОСКВА
Журкин И.Г., Шавенько Н.К. Сигналы.Учебное пособие—М.: МИИГАиК, 2002 г., с.
Учебное пособие написано в соответствии с утвержденной программой курса «Автоматизированная обработка аэрокосмической информации», рекомендовано кафедрой вычислительной техники и автоматизированной обработки аэрокосмической информации и утверждено к изданию редакционно-издательской комиссией факультета прикладной космонавтики. Учебное пособие содержит основные теоретические сведения о сигналах, используемых в процессе автоматизированной обработки информациии и описание двух лабораторных работ, которые апробированы в течение ряда лет в Московском государственном университете геодезии и картографии.
Рецензенты:
Гл. 1. Сигналы
Основные понятия и классификация
Как отмечалось ранее, сигналы представляют собой физический процесс, несущий информацию или используемый для передачи информации, содержащейся в каком-либо сообщении, то есть сигнал – это форма представления информации на некотором носителе. При этом под носителем понимают некоторые характеристики физических явлений или величины их характеризующие, которые могут меняться как во времени, так и в пространстве. Если a – некоторая характеристика физического явления, информация о котором должна быть передана, то сигнал образуется этой характеристикой как функция (1.1) t – время. Функция F определяет структуру сигнала. В зависимости от вида F, все сигналы делятся на детерминированные, для которых функция F выражается функцией, значения которой известны при любых значениях аргументов, и случайные (стохастические), для которых функция F есть случайная функция. В свою очередь детерминированные сигналы подразделяются на периодические и непериодические в зависимости от того, является ли детерминированная функция F периодической или непериодической, а случайные сигналы подразделяются на стационарные и нестационарные. Стационарный случайный сигнал характеризуется не зависящими от времени статическими характеристиками (закон распределения, математическое ожидание, дисперсия и другие), тогда как у нестационарного случайного сигнала они могут изменяться в каждый фиксированный момент времени. В зависимости от вида используемых аргументов функции F (пространственные или временные) все сигналы делятся на статические и динамические. Не изменяющиеся во времени сигналы называют статическими, а сигналы, изменяющиеся во времени – динамическими, причем преобразование динамического сигнала в статический называется запоминанием, а обратное преобразование – считыванием. Интервал возможных значений аргументов функции F называют областью определения сигнала, а диапазон возможного изменения значений функции F называют областью значения сигнала a. Обычно мы имеем дело с элементами сигнала, которые называются значениями сигнала. В зависимости от того, какие значения может принимать сигнал, все сигналы делят на следующие классы: - дискретный дискретного аргумента; - дискретный непрерывного аргумента; - непрерывный дискретного аргумента; - непрерывный непрерывного аргумента. Первый и последний класс соответственно часто именуется «дискретным сигналом» и «непрерывным сигналом». В качестве аргумента используют либо пространственные координаты (x,y,z), либо время (t), либо (x,y,z,t) – пространство-время. Под дискретным сигналом подразумевают любой сигнал, который может принимать только конечное число фиксированных значений. Дискретность аргумента указывает на то, что значение аргумента определено лишь в конечном числе фиксированных значений из области определения функции F. Под непрерывным сигналом подразумевают сигнал, значения которого могут принимать любую величину из заданного интервала. Непрерывность аргумента говорит о том, что он может принимать любое значение из области определения. По методу образования значений все сигналы часто делят на две группы. К первой группе относят сигналы, являющиеся функцией избранной характеристики используемого физического процесса, то есть являющиеся значением самой физической характеристики a. Сигналы этой группы в общем случае называют амплитудными сигналами. Они могут быть как непрерывными, так и дискретными. В частности, к сигналам этой группы относят различные аналоговые сигналы и сигналы, получаемые после дискредитации аналогового сигнала по аргументу, по уровню или одновременно по аргументу по уровню. Ко второй группе относят сигналы, которые являются функцией как избранной характеристики используемого физического явления, так и некоторых структурных параметров сигнала (в общем случае это некоторый функционал). При использовании сигналов для передачи информации необходимо чтобы они обладали двумя видами параметров: информационными и селекции. Информационными параметрами сигнала называют те его физические параметры, в которых содержится передаваемое сообщение, а параметры селекции служат для возможности выделения данного сигнала из множества подобных. Все сигналы, относящиеся к первой группе, всегда имеют информативный параметр, а сигналы второй группы делятся на сигналы с информационным параметром и на сигналы без информационного параметра. К сигналам второй группы с информационным параметром относят сигналы, в которых информация содержится в физических характеристиках элемента сигнала. К этой группе, в частности, относят различные импульсные сигналы (амплитудно-импульсные, частотно-импульсные, широтно-импульсные) и частотные сигналы, у которых для передачи сообщения используют изменение частоты, амплитуды или фазы гармонических колебаний. В сигналах второй группы без информационного параметра информация содержится в комбинации или во взаимном расположении отдельных элементов или значений характеристики физического явления. Чаще всего они строятся на основе каких-либо стандартных импульсов. При этом метод образования этих сигналов из импульсов называется кодированием, причем различают последовательное и параллельное кодирование. При последовательном кодировании значение сигнала состоит из последовательности импульсов (или иных символов), а при параллельном – значение сигнала образуется как совокупность символов, полученных по нескольким каналам. В первом случае для каждого символа выделяется промежуток времени, а во втором – канал связи. Классификация сигналов представлена на рис.1.1
На практике чаще всего приходится иметь дело с одномерными сигналами, которые представляются в виде функции (F) одного аргумента x, y, z или t. И все приведенные выше определения и классификации чаще всего подразумевают именно это. Однако, наряду с одномерными сигналами, которые можно представить в виде функции одшого аргумента, при автоматической обработке информации (пространственные данные и изображения) приходится иметь дело и с многомерными сигналами, которые могут быть представлены в виде функции нескольких переменных. Так сигналы, соответствующие изображению аэрофотоснимка можно представить в виде функции двух аргументов, в кпчестве которых используются координаты точек снимка x и y. Многомерные сигналы часто называют скалярными полями. Кроме того при автоматизированой обработке изображений используются сигналы, значение которых могут быть представлены в виде n-мерных векторов. Например, для цветного фотоизображения значение цветовой характеристики каждой точки представляются в виде трехмерного вектора, в качестве компонента которого используется относительные величины основных цветов (при использовании трёхкомпонентных систем представления цвета). Такие сигналы называют многопараметрическими или векторными полями. Многомерные и многопараметрические сигналы могут быть классифицированы и описаны с помощью тех же понятий, как это было сделано для одномерных сигналов.
Модуляция сигналов Как отмечалось в предыдущем параграфе, для передачи сообщений формируются сигналы, как правило, имеющие два вида параметров: информационные и селекции. Параметры селекции позволяют выделить полезный сигнал из совокупности сигналов и помех и обеспечивают эффективную передачу информацию по каналам связи. Информационные параметры содержат необходимые сведения о передаваемом сообщении, то есть именно в изменении этих параметров и содержится передаваемое сообщение. Процесс, при котором информационные параметры, предназначенного для передачи сигнала (сообщения) управляются в соответствии с законом изменения сформированного и непосредственно передаваемого по каналу связи сигнала, будем называть модуляцией. Сформулированный таким образом передаваемый сигнал будем называть модулированным. При этом сигнал, соответствующий закону изменения информационного параметра будем называть модулирующим, сигнал, полученный в результате преобразования – модулированным, а сигнал-переносчик – модулируемым. Модуляцией называют преобразование одного сигнала, называемого сигналом-переносчиком (носителем), в другой сигнал путём управления информационным параметром сигнала-переносчика в соответствии с законом изменения передаваемого сообщения. Сигнал-переносчик – это материальная основа, представляющая собой некий процесс или объект, который становится носителем информации в процессе модуляции. Если обозначить сигнал-переносчик через , передаваемое сообщение через , то при модуляции выполняется преобразование двух сигналов и в один модулированный сигнал , то есть . (1.2) Для выделения переданного сообщения из необходимо произвести демодуляцию – преобразование, описываемое оператором демодуляции D, то есть . (1.3) В качестве сигнала-переносчика используются различные виды сигналов. Если в качестве сигнала-переносчика выступает непрерывный сигнал, то говорят о непрерывных видах модуляции. В случае использования в качестве сигнала-переносчика периодической последовательности импульсов, говорят об импульсных видах модуляции. Модуляции, при которых информационный параметр принимает конечное число различных значений, называют дискретными. Если значения сигнала, полученные при дискретной модуляции, кодируют и передают в виде цифр, то говорят о цифровой модуляции, которая используется при цифровой обработке сигналов. Классификация различных видов модуляции обычно выполняют исходя из: - вида сигнала-переносчика; - информационного параметра сигнала; - вида передаваемого сигнала или сообщения. Таблица 1.1. иллюстрирует принятую ГОСТом классификацию различных видов модуляции, исходя из вида сигнала-переносчика и вид модулируемого сигнала . В таблице приняты следующие обозначения для видов модулирующих сигналов : A – детерминированные непрерывные сигналы; B – детерминированные дискретные последовательности; C – случайные стационарные неперывные сигналы; D – случайные стационарные последовательности; E – случайные нестационарные непрерывные сигналы; F – случайные нестационарные последовательности; G – дискретные случайные стационарные последовательности; H – дискретные случайные нестационарные последовательности. Аналогичные виды сигналов-переносчиков обозначены соответсвенно цифрами 1-8. Таблица 1.1.
Выбор используемого вида модуляции в основном определяется: - видом модулирующего сигнала или сообщения; - свойством канала; - потенциальной помехустойчивостью; - сложностью технической реализации; Как было показано в §1, для передачи информации могут использоваться только случайные сигналы и последовательности, так как детерминированный сигнал, значения которого известны, в любой момент времени, не несет никакой информации. Поэтому для передачи сообщений не могут использоваться модулирующие сигналы А и В.
Непрерывные и импульсные модуляции
Если в качестве сигнала-переносчика используются детерминированные непрерывные сигналы, у которых под воздействием передаваемого сообщения информационные параметры изменяются непрерывно, то такие виды модуляции называются непрерывными и по привиденной классификации (Таблица 1.1) они относятся к классу 1. Наиболее распространенными непрерывными модуляциями являются гармонические модуляции, в которых в качестве переносчика выступает гармоническое колебание , (1.4) где A – амплитуда гармонического колебания; w – частота; j – фаза; t – время или текущая пространственная координата; Сигнал-переносчик для такого вида модуляций называют несущим и, как видно из выражения (1.4), он является функцией трех параметров A, w, j, каждый из которых может быть выбран в качестве информационного. Если в качестве информационного параметра используется амплитуда А, то говорят об амплитудной модуляции, при которой модулированный по амплитуде сигнал можно описать выражением: , (1.5) где – модулирующий сигнал, соответствующий передаваемому сообщению. Если в качестве информационного параметра используют частоту w, то такой вид гармонической модуляции называют частотным. При этом виде модуляции частота несущей является функцией модулирующего сигнала и модулированный по частоте сигнал может быть представлен выражением: . (1.6) В качестве информационного параметра может быть выбрана фаза сигнала-переносчика (j). В этом случае говорят о фазовой модуляции и сигнал, модулированный по фазе представляется в виде: (1.7) Применяют и комбинированные виды гармонической модуляции, при которых в соответствии с изменением передаваемого сигнала одновременно меняются два параметра сигнала-переносчика, например, амплитуда и частота. Однако во всех случаях один из параметров не должен изменяться, чтобы играть роль параметра селекции, иначе модулированный сигнал нельзя будет выделить на фоне помех и множества иных подобных сигналов. Часто в качестве сигнала-переносчика используют детерминированную последовательность импульсов, параметры которой меняются в зависимости от передаваемого сообщения. Такие виды модуляции называют импульсными, и они могут быть отнесены к классам 2, приведенной классификации (Таблица 1.1). Детерминированная последовательность импульсов может быть описана выражением: (1.8) где A – амплитуда импульсов; T – период следования импульсов; τ – длительность импульсов; t – текущее время или текущая пространственная координата; График детерминированной последовательности импульсов представлен на рис.1.2
Любой из параметров последовательности импульсов (A, T, τ) может быть использован в качестве информационного. Если в качестве информационного параметра используют амплитуду А, то такая модуляция называется амплитудно-импульсной, при этом модулированный сигнал можно описать выражением: (1.9) где – модулирующий сигнал, соответствующий передаваемому сообщению. Если же в качестве информационного параметра выбран период следования импульсов Т, то такой вид импульсной модуляции называют частотно-импульсной. При этом виде модуляции период следования импульсов (Т) является функцией модулирующего сигнала , и модулированный сигнал может быть представлен выражением: (1.10) В качестве информационного параметра может быть выбрана длительность импульса (t). В этом случае говорят о широтно-импульсной модуляции и сигнал, полученный в результате этого вида модуляции может быть представлен в виде: (1.11) Могут использоваться и комбинированные виды импульсной модуляции, при которых в качестве информационных параметров используют сразу два параметра последовательности импульсов, например, амплитуда и частота. В этом случае один сигнал-переносчик может служить для передачи сразу двух сообщений, каждое из которых будет управлять своим информационным параметром.
Цифровая модуляция
Цифровая модуляция широко используется при цифровой обработке сигналов с помощью ЭЦВМ. Сущность цифровой модуляции заключается в том, что сигнал, соответствующий передаваемому сообщению, подвергается дискретной модуляции по амплитуде и (или) текущему параметру, а полученные отсчеты представляются в виде цифр в какой-либо системе счисления. Цифровые виды модуляции относятся к классам G1-G4 классификации различных видов модуляции (Таблица 1.1). Цифровые виды модуляции находят широкое применение при передаче и обработке сигналов и сообщений, так как обладают важными достоинствами: - слабое влияние неидеальности и нестабильности аппаратуры на качество передачи информации; - высокая помехоустойчивость; - универсальная форма представления сигналов; - простое согласование с ЦВМ; - возможность унификации и стандартизации элементов и устройств обработки и передачи сигналов. Из недостатков цифровых видов модуляции следует отметить значительное расширение полосы частот, которое требуется для их передачи, и необходимость точной синхронизации сигналов. Из различного вид цифровых модуляций при обработке сигналов с помощью ЦВМ наиболее широко применяется так называемое аналого-цифровое преобразование, включающее в себя следующие необходимые преобразования непрерывного сигнала: - дискредитацию (квантование) по уровню; - дискредитацию (квантование) по времени или по пространственной координате; - представление полученных отсчетов в какой-либо системе счисления и кодирование. Очередность выполнения операций дискредитации по уровню и дискредитации по времени не существенна. Однако обе эти операции имеют свои специфические особенности, которые влияют на точность и достоверность аналого-цифрового преобразования, что требует их детального рассмотрения.
©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.
|