Импульсные сигналы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Импульсные сигналы

Параметры, спектры

В настоящее время электроника является исключительно важным средством при решении самых различных задач по сбору, обработки и передачи информации. Трудно найти отрасль науки и техники, развитие которой не было бы тесно связано с применением электронных компонентов. В связи с этим все более широкому кругу специалистов становится необходимыми знание электроники.

В первой части курса ЭМСТ вы изучили так называемую аналоговую электронику, предназначенную для работы с сигналами, изменяющимися по закону непрерывной функции. Предметом второй части курса будет импульсная и цифровая электроника.

Значение цифровой электроники трудно переоценить - наблюдается процесс постепенного вытеснения аналоговой электроники. В производстве электронных компонентов львиную долю занимают цифровые микросхемы, и многие фирмы заявляют о полном переходе на цифровую технологию. Причем эта тенденция наблюдается как в бытовой, так и в профессиональной технике. Ведущая роль импульсной электроники обусловлена следующими факторами:

1. Импульсный режим позволяет реализовать распределение полезного сигнала во времени, благодаря чему он используется в радиолокации, радионавигации, радиоуправлении различного рода устройствами, в измерительной технике при научных экспериментах. Кроме того, сокращается время воздействия помех на устройство, и следовательно возрастает его помехоустойчивость.

2. Используя импульсный режим можно осуществить огромную концентрацию энергии во времени. Импульсная мощность может в сотни раз превышать среднюю мощность, что приводит к существенному облегчению режимов работы радиокомпонентов. Благодаря этому появилась возможность создавать большие плотности энергии (звуковой, световой, магнитной, электрической и т.д.) различных средах.

3. Наконец, в основе работы всех современных компьютеров лежит импульсный режим. (Мы не будем принимать в расчет исследовательские работы по аналоговым компьютерам).

Электрическим импульсом называется кратковременное отклонение тока или напряжения от исходного уровня. Графически импульсы изображаются на временных диаграммах - зависимости величины тока или напряжения от времени.

Импульсные сигналы бывают двух видов: видеоимпульс и радиоимпульс.

Различаются они отсутствием или наличием высокочастотного заполнения.

На рис 1а и 1б приведены различные виды радио- и видеоимпульсов.

На рис.1б представлены однополярные импульсы - напряжение изменяется только в одну сторону. Бывают импульсы двуполярные - их пример приведен на рис.1в.

На практике редко встречаются одиночные импульсы. Как правило, применяются несколько импульсов следующие один за другим - последовательности импульсов. Последовательности импульсов бывают периодические, квазипериодические и непериодические:

Последовательность импульсов периодическая, если каждый последующий импульс отстоит от предыдущего на одно и тоже значение - их пример приведен на рис.2а.

Последовательность называется квазипериодической, если выполняется условие периодичности для одного или нескольких параметров - рис.2б.

Последовательность называется непериодической, если не выполняется условие периодичности ни для одного параметра - рис.2в.

Для описания импульсов применяют различного рода параметры:

1. Основные.

2. Производные.

3. Дополнительные.

Основные. Амплитуда импульсов Um, длительность импульса t_и, период следования Т.

См.рис.2а.

Производные. Производные параметры можно получить из основных - частота F=1/T [Гц], скважность импульсов - q=T/t_и показывает сколько импульсов умещается в 1 периоде, например, для меандра q=2(меандр -такой вид последовательности импульсов у которой длительность равна паузе). См.рис.2а. коэффициент заполнения k_з =t_и/T - величина обратная скважности.

Дополнительные. К дополнительным параметрам прибегают для описания импульсов непрямоугольной формы:

А - высота (амплитуда) импульса, А - спад вершины импульса, k_сп = А/А - коэффициент спада, t_и0 - длительность импульса, t_ф0 - длительность фронта импульса, t_с0 - длительность среза импульса, t_и - активная длительность импульса, измеренная на уровне 0,5U_m. При не столь явном переходе от переднего фронта к вершине вводят активные длительности фронта и среза - t_ф и t_с. Их измеряют, как показано на рис.3б.

Для описания пилообразного импульса используют следующие параметры (рис.3в):

t _{п.х .}- время прямого хода, t_о.х. - время обратного хода, скорость нарастания импульса - V_Uп.х.=U_m/ t_п.х., коэффициент нелинейности k_н=1-tg₀/tg₁ импульс сигнал гармоника спектр

Для математического описания импульсов непрямоугольной формы наиболее часто прибегают к экспоненциальной функции. Его форма описывается разностью двух экспонент:

u(t) = A(e^-1t - e^-2t). Постоянные времени 1/2 и 1/1 описывают восходящую и падающую части импульса. Определим активные длительности t_и и t_ф импульса. Опуская промежуточные вычисления, получим: t_и =(2/+0,78)/1 t_ф = 0,55ln(/(-1)), где =2/1.

Особую роль в технике приема импульсных сигналов играет колокольный импульс. При такой форме наиболее удачно сочетаются требования сосредоточения энергии импульса как во времени, так и в спектре. Его форма определяется функцией u(t) =

Легко найти для такой формы активные длительности t_и и t_ф импульса. t_и =1,66/, t_и =0,72t_и .

Представление импульсов во временной области позволяет определять его параметры, энергию, мощность, но не является единственно возможной. Нередко уделяется большое внимание частотным свойствам сигналов. Для этого используется представление сигналов в частотной области в виде спектра, получаемого на основе математического аппарата преобразования Фурье. Знание частотных свойств позволяет решать задачи идентификации сигнала, его фильтрации и т.д. Одним из важнейших частотных характеристик сигнала является ширина его спектра.

Найдем частотный спектр одиночного прямоугольного импульса, описываемого следующей функцией:

Частотный спектр этой функции определяется интегралом Фурье:

f(w) = = = =

Амплитудно-частотный спектр одиночного прямоугольного импульса приведен на рис.4. По оси ординат отложены относительные значения амплитуд гармоник в единицах А, по оси абcцисс - циклическая частота w. Как видно из графика, в спектре преобладают низкочастотные составляющие. Можно показать, что 90% полной энергии сигнала сосредоточено в диапазоне частот от 0 до 2/, 95% - до частот 4/. Полоса частот, в которой сосредоточено 95% энергии импульса, называется активной шириной сигнала.

Разность частот между соседними гармониками w=2/T, где Т - период следования импульсов. Для одиночного импульса Т=, следовательно, спектр непрерывный. При увеличении числа импульсов в последовательности спектр, приобретает характер линейчатого. Если количество импульсов в последовательности равно 20-30, то спектр, практически можно считать линейчатым. Он состоит из отдельно стоящих компонент спектра, разделенных полосами частот w.

Возвращаясь к спектру одиночного импульса можно заметить, что чем короче импульс (меньше ) , тем более широкий спектр должен быть сохранен при передачи сигнала (в противном случае сигнал будет искажен).

Приведенную схему анализа можно обобщить на импульсы различной формы

Размещено на Allbest.ru