Измерительные сигналы. 
Измерительные сигналы

Классификация сигналов

гармоника амплитудный автоколебания Сигналом называется материальный носитель информации, представляющий собой некоторый физический процесс, один из параметров которого функционально связан с измеряемой физической величиной. Такой параметр называют информативным.

Измерительный сигнал? это сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине. Основные понятия, термины и определения в области измерительных сигналов устанавливает ГОСТ 16 465–94 «Сигналы радиотехнические. Термины и определения». Измерительные сигналы чрезвычайно разнообразны. Их классификация по различным признакам приведена на рисунке 1.1.

По характеру измерения информативного и временного параметров измерительные сигналы делятся на аналоговые, дискретные и цифровые.

Аналоговый сигнал? это сигнал, описываемый непрерывной или кусочнонепрерывной функцией Uа (t), причём как сама эта функция, так и её аргумент t могут принимать любые значения на заданных интервалах U?(Umin; Umax) и t?(tmin; tmax) (рисунок 1.2,а).

Дискретный сигнал? это сигнал, изменяющийся дискретно во времени или по уровню. В первом случае он может принимать в дискретные моменты времени nT, где Т = const? интервал (период) дискретизации; n = 0; 1; 2;??? целое, любые значения Uд (nT)? (Umin; Umax), называемые выборками или отсчётами. Такие сигналы (рисунок 1.2,б) описываются решётчатыми функциями. Во втором случае значения сигнала Uд (t) существуют в любой момент времени t? (tmin; tmax), однако они могут принимать ограниченный ряд значений hi = nq, кратных кванту q.

Цифровые сигналы? квантованные по уровню и дискретные по времени сигналы Uц (nT), которые описываются квантованными решётчатыми функциями (квантованными последовательностями), принимающими в дискретные моменты времени nT лишь конечный ряд дискретных значений — уровней квантования h1, h2, …, hn (рисунок 1.2,в).

Эти сигналы подробно рассмотрены в подразделе 1.5.

По характеру изменения во времени сигналы делятся на постоянные, значения которых в течение времени не изменяются, и переменные, значения которые меняются во времени. Постоянные сигналы являются наиболее простым видом измерительных сигналов.

Переменные сигналы могут быть непрерывными во времени и импульсными. Непрерывным называется сигнал, параметры которого изменяются непрерывно. Импульсный сигнал? это сигнал конечной энергии, существенно отличный от нуля в течение ограниченного интервала времени, соизмеримого со временем завершения переходного процесса в системе, для воздействия на которую этот сигнал предназначен. Характеристики и параметры импульсных сигналов рассмотрены в подразделе 1.4.

По степени наличия априорной информации переменные измерительные сигналы делятся на детерминированные, квазидетерминированные и случайные. Детерминированный сигнал — это сигнал, закон изменения которого известен, а модель не содержит неизвестных параметров. Мгновенные значения детерминированного сигнала известны в любой момент времени. Детерминированными (с известной степенью точности) являются сигналы на выходе мер. Например, выходной сигнал генератора низкочастотного синусоидального сигнала характеризуется значениями амплитуды и частоты, которые установлены на его органах управления. Погрешности установки этих параметров определяются метрологическими характеристиками генератора. Квазидетерминированные сигналы — это сигналы с частично известным характером изменения во времени, т. е. с одним или несколькими неизвестными параметрами. Они наиболее интересны с точки зрения метрологии. Подавляющее большинство измерительных сигналов являются квазидетерминированными.

Детерминированные и квазидетерминированные сигналы делятся на элементарные, описываемые простейшими математическими формулами, и сложные. К элементарным относятся постоянный и гармонический сигналы, а также сигналы, описываемые единичной и дельта-функцией. Они рассмотрены в подразделе 1.3. К сложным сигналам относятся импульсные и модулированные сигналы, описанные в подразделе 1.4.

Сигналы могут быть периодическими и непериодическими. Непериодические сигналы делятся на почти периодические и переходные. Почти периодическим называется сигнал, значения которого приближённо повторяются при добавлении к временному аргументу надлежащим образом выбранного числа — почти периода. Периодический сигнал является частным случаем таких сигналов. Почти периодические функции получаются в результате сложения периодических функций с несоизмеримыми периодами, например U (t) = sin (щt) + + sin (2 щt). Переходные сигналы описывают переходные процессы в физических системах.

Периодическим называется сигнал, мгновенные значения которого повторяются через постоянный интервал времени. Период T сигнала? параметр, равный наименьшему такому интервалу времени. Частота f периодического сигнала? величина, обратная периоду.

Периодический сигнал характеризуется спектром. Различают три вида спектра:

• — комплексный? комплексная функция дискретного аргумента, кратного целому числу значений частоты щ периодического сигнала U (t), представляющая собой значения коэффициентов комплексного ряда Фурье:
  • 2A (kщ) = 2
• ? U (t)e? jkwt dt, (1.1)

где k — любое целое число;

— амплитудный? функция дискретного аргумента, представляющая собой модуль комплексного спектра периодического сигнала:

G (k)щ= A (k)щ.

Re 2 [A (k)]щ.

+ Im2 [A (k)]щ, (1.2).

где Re (z), Im (z) -действительная и мнимая части комплексного числа z;

• — фазовый? функция дискретного аргумента, представляющая собой аргумент комплексного спектра периодического сигнала:
• (? k) щ

= arg[A (k)]щ.

= arctg AIm[.

(k)]щ. (1.3).

Re[A (k)]щ Периодический сигнал содержит ряд гармоник. Гармоника — гармонический сигнал с амплитудой и начальной фазой, равными соответствующим значениям амплитудного и фазового спектра периодического сигнала при некотором значении аргумента. Наличие высших гармоник в спектре периодического сигнала количественно описывается коэффициентом гармоник, характеризующим отличие формы данного периодического сигнала от гармонической (синусоидальной). Он равен отношению среднеквадратического значения сигнала суммы всех его гармоник, кроме первой, к среднеквадратическому значению первой гармоники:

? U.

k Г =.

? i, (1.4).

i = 2 1U.

где Ui, U1 — i-я и первая гармоники сигнала U (t).

Периодические сигналы бывают гармоническими, т. е. содержащими только одну гармонику, и полигармоническими, спектр которых состоит из множества гармонических составляющих. К гармоническим сигналам относятся сигналы, описываемые функцией синуса или косинуса. Все остальные сигналы являются полигармоническими.

Случайный сигнал? это изменяющаяся во времени физическая величина, мгновенное значение которой является случайной величиной. Характеристики и параметры случайных сигналов, или, как еще говорят, процессов, рассмотрены отдельно.

Модуляция (от лат. Modulatio — мерность, размеренность) — изменение какого — либо параметра периодических колебаний высокой частоты под воздействием других колебаний существенно более низкой (модулирующей) частоты.

Для передачи сообщений звуковой частоты (речь, музыка, изображение) сигналы преобразовывают в электрическую форму. В такой форме эти сигналы не всегда пригодны для эффективного излучения с помощью антенн и распространения в свободном пространстве, так как представляют собой низкочастотные колебания, которые быстро затухают. Для передачи низкочастотных колебаний на большие расстояния используются высокочастотные колебания, которые обладают свойствами, необходимыми для передачи на большие расстояния. Содержащее сообщение низкочастотное колебание как бы накладывают на высокочастотное колебание, в результате чего оно изменяется по закону передаваемого сообщения.

Высокочастотное колебание называется несущим, а передаваемое сообщение, содержащее низкочастотное колебание, называется управляющим (модулирующим) сигналом.

Преобразование колебаний — процессы изменения амплитуды, частоты или фазы при модуляции и детектировании.

Рис. 1 Изображение модулятора: Uнес — несущее колебание; Uупр — управляющий сигнал; Uмод — модулированное колебание

Модуляцию осуществляют в специальных устройствах — модуляторах (рис. 1.).

На два входа модулятора подают управляющий (низкочастотный) сигнал Uупр и гармоническое несущее (высокочастотное) колебание Uнес, а на выходе появляется модулированное (высокочастотное) колебание.

В зависимости от того, воздействует ли модулирующий сигнал на амплитуду, частоту или фазу несущего высокочастотного колебания, различают соответственно амплитудную, частотную или фазовую модуляцию Недостатки амплитудной модуляции.

Недостатком амплитудной модуляции является плохое использование мощности высокочастотных колебаний и, как следствие этого, уменьшение дальности действия радиостанции. В приемниках амплитудно-модулированных сигналов трудно бороться с помехами от атмосферных разрядов и электрических установок. Помехи производят дополнительную амплитудную модуляцию принятых колебаний, которая проявляется в виде шорохов и тресков.

Достоинства частотной модуляции Главным достоинством частотной модуляции является ослабление действия помех, что позволяет улучшить качество приема. По сравнению с амплитудной модуляцией при частотной модуляции лучше используется мощность передатчика.

В радиосвязи и радиовещании успешно применяется частотная модуляция. В нашей стране создана сеть УКВ радиовещательных станций, работающих с частотной модуляцией в диапазоне 64,5 — 73 МГц. Для радиовещания применяется широкополосная частотная модуляция, при которой наибольшее отклонение частоты от первоначального значения достигает десятков килогерц (обычно + 75 кГц). Такое отклонение частоты допустимо только в случае, если частота несущих колебаний достаточно велика. Поэтому радиовещание с частотной модуляцией ведется на ультракоротких волнах, т. е. на частотах не менее десятков мегагерц.

Частотная модуляция При частотной модуляции амплитуда несущего колебания остается постоянной, а несущая частота щ0 изменяется во времени по закону модулирующего сигнала.

Рис. 2 Частотная модуляция, а — несущее колебание; б — модулирующий сигнал; в — частотно — модулированный сигнал; ин — мгновенное значение напряжения несущего колебания; и — мгновенное значение напряжения модулирующего сигнала; ичм — мгновенное значение напряжения частотно — модулированного сигнала; t — текущее значение времени

На рис. 2. показаны графики модулирующего синусоидального звука и колебания с переменной высокой частотой, полученного в результате частотной модуляции. Во время первого положительного полупериода звукового колебания частота несущего колебания возрастает, доходит до наибольшего значения, а затем возвращается к первому значению. В течение другого отрицательного полупериода звука частота несущего колебания уменьшается, доходит до наименьшего значения и снова принимает первоначальное значение. Чем больше амплитуда модулирующего сигнала, тем сильнее изменяется частота.

При частотной модуляции модулируемым параметром является частота гармонического колебания щ0, которая получает приращение Дщ, зависящее от времени и пропорциональное мгновенному значению модулирующего сигнала U. В случае гармонического колебания мгновенная частота щ не меняется во времени, она равна несущей частоте щ0.

При частотной модуляции частота несущего колебания щсвязана с модулирующим сигналом U зависимостью щ = щ0 +kчU,.

где щ0 — несущая частота несущего колебания; kч — размеренный коэффициент пропорциональности между частотой и напряжением, рад / (В· с).

Максимальное отклонение мгновенного значения частоты модулированного колебания от среднего значения называется девиацией частоты.

щд = щmф = kчU/щ, где щ — мгновенное значение круговой частоты; mф — девиация фазы несущего колебания (индекс частотной модуляции); U — амплитуда модулирующего сигнала.

Наибольшее применение имеет частотный модулятор на основе варикапа — полупроводникового диода с обратно смещенным p-n-переходом. Закон изменения емкости p-n-перехода, называемой барьерной, или зарядной, от величины обратного напряжения U имеет вид:

C (U)=Cнач / (1 + |U|/ц0)ґ,.

где Снач — начальная емкость; ц0 =0,5 … 0,7 В (для кремния) — контактная разность потенциалов.

График зависимости приведен на рис. 3а.

Схема частотного модулятора с варикапом, подключенным к контуру автогенератора, приведена на рис. 3б.

Стабилизация частоты несущей при частотной модуляции При прямом методе частотной модуляции к контуру автогенератора подключается частотный модулятор, это приводит к снижению стабильности частоты автоколебаний.

Для нейтрализации этого явления используют три способа:

Применяют косвенной метод модуляции, т. е. преобразование фазовой модуляции в частотную;

Модуляцию осуществляют в кварцевом автогенераторе;

Стабилизируют частоту автогенератора, к которому подключен частотный модулятор, с помощью системы автоматической подстройки частоты.

Косвенный метод модуляции.

Рис. 4 Структурная схема преобразования фазовой модуляции в частотную: Гавтогенератор; У — усилитель; ЧМ — частотный модулятор; И — интегратор

Косвенный метод заключается в преобразовании фазовой модуляции в частотную.

Для преобразования фазовой модуляции в частотную на входе фазового модулятора включается интегратор рис. 4.

Минимальному значению частоты модулирующего сигнала соответствует максимальное значение отклонения девиации фазы. Небольшое значение девиации частоты, которое можно получить при косвенном методе, ограничивает область его использования. Повышение девиации частоты возможно путем увеличения максимальной девиации фазы за счет применения многоконтурных колебательных цепей или умножения частоты сигнала в n раз, что в такое же число раз увеличивает девиацию частоты.

Пример кварцевого автогенератора с частотным модулятором на варикапе.

Рис. 5 кварцевый генератор

В ней Дfдев = 2…3 кГц при частоте несущей 10…20 МГц.

Два первых способа обеспечивают получение сравнительно малой девиации частоты, и поэтому они применяются в основном при узкополосной частотной модуляции, когда девиация частоты не превышает несколько килогерц.

Метод стабилизации частоты автогенератора, к которому подключен частотный модулятор, с помощью системы автоматической подстройки частоты Данный метод позволяет обеспечить малую нестабильность частоты, требуемое, большое значение девиации частоты.

В схеме на рис. 6. частотный модулятор подключен к стабилизируемому автогенератору согласно рис. 7.

Следует установить такое быстродействие системы авторегулирования, чтобы она реагировала на относительно медленные изменения частоты автогенератора под действием дестабилизирующих факторов (например, изменение температуры) и не откликалась бы на относительно быстрые изменения частоты под действием модулирующего сигнала. Для реализации данного условия амплитудно-частотная характеристика замкнутого конца автоподстройки частоты должна иметь вид согласно рис. 8, на котором ї1 — ї2 спектр частот модулирующего сигнала.