Спектральное представление временных функций широко используется в теории связи. Для теоретических и экспериментальных исследований характеристик электрических цепей и передачи сообщений по каналам связи используется различные типы сигналов: гармонические колебания, уровни постоянных напряжений, последовательности прямоугольных и радиоимпульсов и т. д. Особо важную роль в теоретических исследованиях электрических цепей играют вычислительные сигналы в форме единичной функции и импульсной функции (функции Дирака). Определим спектры наиболее распространенных типовых сигналов.
11.1 Спектр последовательности прямоугольных импульсов
Пусть имеется периодическая последовательность импульсов прямоугольной формы периодом Т длительностью импульсов t и и амплитудой А. Аналитическое выражение функции , описывающей импульс на отрезке , имеет вид
(11.1)
График периодической последовательности импульсов изображен на рисунке 11.1.
Рисунок 11.1
Данная функция является четной, так как ее график симметричен относительно оси ординат. Тогда коэффициенты Фурье это функции вычисляются по формулам (КФТ2), где .
Число представляет собой среднее значение функции за период и называется постоянной составляющей. Частоту называют основной, или первой гармоникой, а частоты k высшими гармониками, где k=2,3,4,…
Построим амплитудный спектр рассматриваемой последовательности прямоугольных импульсов. Так как функция периодическая, то ее амплитудный спектр является линейчатым. Обозначим через расстояние между любыми соседними гармониками. Очевидно, оно равно . Амплитуда k-ой гармоники согласно (11.2) имеет вид
(11.3)
Найдем отношение между периодом Т и длительностью импульса , при котором амплитуда k-ой гармоники обращается в нуль.
А 2 ≈32В, А 3 ≈15В, А 4 ≈0, А 5 ≈6,36В, А 6 ≈10,5В, А 7 ≈6,36В, А 8 ≈0, А 9 ≈4,95В, А 10 ≈6,37В.
Полученный в результате расчета амплитудный спектр приведен на рисунке 11.2.
Рисунок 11.2
Такой спектр называют линейчатым или дискретным спектром.
Аналогично рассчитаны и построены спектры для q=8 и q=16. Они приведены на рисунках 11.3 и 11.4 соответственно.
Рисунок 11.3
Рисунок 11.4
Из рисунка видно, что чем больше скважность прямоугольных импульсов, тем меньше значение имеет амплитуда первой гармоники, но тем медленнее убывает спектр.
11.2 Спектр одиночного прямоугольного импульса
Рассмотрим Ф (11.1) для случая, когда Т→∞, то есть периодическая последовательность импульсов вырождается в одиночный прямоугольный импульс, длительностью t u .
Аналитическое выражение для этого импульса запишется в виде:
График этой функции изображен на рисунке 11.5.
Рисунок 11.5
В этом случае частота первой гармоники и расстояние между гармониками становится равным 0, следовательно, спектр из дискретного превращается в непрерывный, состоящий из бесконечно большого числа спектральных линий, находящихся на бесконечно малых расстояниях друг от друга. Такой спектр называют сплошным. Отсюда следует важнейшее правило: периодические сигналы порождают дискретные спектры, а непериодические – сплошные (непрерывные).
Спектр прямоугольного одиночного импульса можно найти непосредственно из прямого преобразования Фурье (10.1)
В данном выражении
 |
функция sinc, как показано на рис. 2.6, достигает максимума (единицы) при у = 0и стремится к нулю при у ® ±¥, осциллируя с постепенно уменьшающейся амплитудой. Через нуль она проходит в точках у = ±1, ±2, …. На рис. 2.7, а как функция отношения п/Т 0 показан амплитудный спектр последовательности импульсов |с n |, а на рис. 2.7, б изображен фазовый спектр q n . Следует отметить, что положительные и отрицательные частоты двустороннего спектра - это полезный способ математического выражения спектра; очевидно, что в реальных условиях воспроизвести можно только положительные частоты.
Отношение
Идеальная периодическая последовательность импульсов включает все гармоники, кратные собственной частоте. В системах связи часто предполагается, что значительная часть мощности или энергии узкополосного сигнала приходится на частоты от нуля до первого нуля амплитудного спектра (рис. 2.7, а ). Таким образом, в качестве меры ширины полосы последовательности импульсов часто используется величина 1/T (где Т - длительность импульса). Отметим, что ширина полосы обратно пропорциональна длительности импульса; чем короче импульсы, тем более широкая полоса с ними связана. Отметим также, что расстояние между спектральными линиями Df = 1/Т 0 обратно пропорционально периоду импульсов; при увеличении периода линии располагаются ближе друг к другу.
Таблица 2.1. Фурье-образы
| x (t ) | X (f ) |
| d(t ) | |
| d(f ) | |
| cos 2 pf 0 t | /2 |
| sin 2 pf 0 t | /2 |
| d(t - t 0) | |
| d(f - f 0) | |
| , a >0 | |
 |  |
 | |
| exp(-at )u (t ), a >0 | |
| rect(t / T ) | T sinc fT |
| W sinc Wt | rect (f / W ) |
 |
sinc x
=
Таблица 2.2 Свойства преобразования Фурье f )
Для определения спектров для различных видов импульсной модуляции найдем спектр самого носителя. Возьмем импульсный носитель с импульсами прямоугольной формы (рис. 3.10).
Рис. 3.10 Периодическая последовательность прямоугольных импульсов
Последовательность таких импульсов можно представить рядами Фурье.
,
(3.32)
где
- комплексная амплитуда k-ой гармоники;
- постоянная составляющая.
Найдем комплексные амплитуды для указанных пределов (рис. 3.10).
(3.33)
Постоянная составляющая
(3.34)
Подставим (3.33) и (3.34) в (3.32) и после преобразования получим:
(3.35)
Из выражения видно, что спектр линейчатый с огибающей, повторяющей спектр одиночного импульса (рис. 3.11). Другими словами, для импульсов одинаковой формы решетчатая функция вписывается в непрерывную S(jω).
Р
ис.
3.11 Спектр периодической последовательности
импульсов
Постоянная составляющая А 0 /2 имеет при этом вдвое меньшее значение. Расстояние между составляющими гармоник равно основной частоте носителя ω 0 =2π/Т. Отсюда следует, что изменение периода Т следования импульсов приводит к изменению плотности дискретных составляющих, а изменение скважности Т/τ при неизменном периоде (т.е. изменение τ) вызывает сужение или расширение огибающей с сохранением ее формы, оставляя неизменным расстояние между линиями дискретного спектра. При достаточно большой плотности этих линий, когда между узлами размещается по крайней мере несколько линий спектра (Т>>τ), ширину спектра ω импульсного носителя можно считать практически такой же, как и для одиночного импульса. С приближением τ к Т эти спектры могут оказаться различными по ширине. На Рис. 3.12 изображены деформации спектра импульсного носителя при изменении Т, а на Рис. 3.13 при изменении τ для импульсов прямоугольной формы.
Р
ис.
3.12 Изменение характера спектра носителя
при изменении
периода Т следования импульсов прямоугольной формы.
При неизменной амплитуде импульсов согласно выражению (3.25) огибающая дискретного спектра увеличивается пропорционально увеличению площади импульсов (рис. 3.13).
Следует отметить, что периодической последовательности в чистом виде не бывает поскольку любая последовательность имеет начало и конец. Степень приближения зависит от числа импульсов в последовательности. Поэтому для строгого описания импульсного носителя последний должен рассматриваться как одиночный импульс, представляющий собой пакет элементарных импульсов определенной формы. Такой сигнал имеет непрерывный спектр.
Однако по мере накопления числа импульсов в последовательности ее спектр дробится и деформируется таким образом, что все более приближается к решетчатому.
Рис. 3.13 Изменение характера спектра носителя при изменении
длительности импульса τ для импульсов прямоугольной формы.
3.7 Спектры сигналов с импульсной модуляцией
Спектры всех видов импульсных модуляций имеют сложное строение, а выводы зачастую получаются слишком громоздкими. По этой причине вопрос о спектральном составе сигналов импульсной модуляции рассмотрим, опуская в ряде случаев слишком сложные промежуточные преобразования. Такое рассмотрение позволяет показать подход к задаче, наметить путь решения и проанализировать окончательные выводы.
Найдем спектр при амплитудно–импульсной модуляции (АИМ). Для упрощения модулирующую функцию f(t) выберем, содержащую одну гармонику sint
Раскрывая это выражение и заменяя произведение синуса на косинус
.
(3.36)
И
з
(3.36) видно, что в спектре сигнала содержится
частота модулирующей функции и наивысшие
гармонические составляющие kω 0
±
с двумя боковыми спутниками. При этом
наивысшие гармонические составляющие
вписываются в огибающую спектра
одиночного импульса носителя. На Рис.
3.14 показан спектр при амплитудно-импульсной
модуляции.
Рис. 3.14 Спектр при амплитудно-импульсной модуляции.
Ширина спектра при АИМ не изменяется, так как величина амплитуд, которые нужно принимать во внимание при определении ширины, зависит только от соотношения τ /Т, а эта величина при АИМ постоянна. Если последовательность импульсов модулируется сложной функцией от min до max , то в спектре после модуляции появляются не спектральные линии, а полосы частот min … max и кω 1 ±( min … max)
Рассмотрим особенности спектра при фазо-импульсной модуляции (ФИМ), которая относится к разновидности время-импульсной модуляции (ВИМ).
П
ри
ФИМ – модуляции (Рис. 3.15) пунктирной
линией показано изменение модулирующей
функции во времени. Вертикальные
пунктирные линии соответствуют положению
переходных фронтов немодулированнойпоследовательности
импульсов. Из рисунка видно, что положение
импульсов (фаза) меняется относительно
так называемых тактовых точек t k
, соответствующих положению на оси
времени передних фронтов немодулированной
последовательности импульсов. Смещение
одного из импульсов на время ∆t k
показано на рисунке.
Рис. 3.15 Иллюстрация ФИМ – модуляции.
Рис. 3.16 Положение импульса без модуляции
и при наличии модуляции.
На
рис. 3.16 пунктиром показан немодулированный
импульс, расположенный симметрично
относительно тактовой точки, соответствующей
началу отсчета. При модуляции импульс
сместится на величину
,
где t 1
соответствует новому положению переднего
фронта, а t 2
– новому положению заднего фронта.
Будем считать, что максимальное смещение
импульса ∆t K
соответствует значению U(t) = 1.
Если модулирующая функция изменяется синусоидально, то для модулированного импульса моменты времени, соответствующие положению переднего и заднего фронтов будет:
(3.37)
(3.38)
В последнем выражении (3.38) значение времени равно (t-τ) поскольку задний фронт смещен относительно переднего на величину длительности импульса.
Для
получения спектра при ФИМ необходимо
подставить вместо τ значение t 2 -t 1
, поскольку t 1
и t 2
являются текущими координатами. Отразить
смещение осевой линии можно, заменяя
время t временем
.
В результате подстановки этих значений
в (3.35) получим:
(3.39)
Подставляя в выражение (3.39) значения t 1 и t 2 и после преобразования получим выражение, совпадающее со спектром при АИМ, только около составляющей основной частоты и каждой высшей гармоники появились не одна нижняя и одна верхняя боковые спектральные линии, а полосы боковых гармоник с частотами (kω 0 ±n).
Примерный вид спектра показан на рис. 3.17. Однако боковые спутники быстро убывают, так как в них входят Бесселевы функции.
Р
ис.
3.17 Спектр при фазо-импульсной модуляции.
Спектры при ШИМ и ЧИМ по своему составу оказываются такими же, как и спектр при ФИМ – модуляции.
Несмотря на то, что характер спектра при модуляции носителя изменяется и зависит от вида модуляции, его ширина остается такой же, как и для одиночного импульса и определяется в основном длительностью импульсов τ.
Передача измерительной информации в телеметрических устройствах с временным разделением каналов часто оказывается более предпочтительной, чем передача при помощи частотного разделения каналов, так как при временном разделении не требуется фильтров и, кроме того, ширина полосы пропускания не зависит от числа каналов.
В зависимости от вида модуляции в каналах (первичной) и вида модуляции несущей частоты (вторичной) существуют основные типы телеизмерительных устройств с временным разделением каналов: АИМ-ЧМ, ШИМ-ЧМ, ФИМ-АМ, ФИМ-ЧМ, КИМ-АМ, КИМ-ЧМ.
Системы с временным разделением каналов применяются для передачи измерительной информации с искусственных спутников и космических кораблей.
Рассмотрим периодическую последовательность импульсов прямоугольной формы с периодом Т, длительностью импульсов t u и максимальным значением . Найдем разложение в ряд такого сигнала, выбрав начало координат, как показано на рис. 15. При этом функция симметрична относительно оси ординат, т.е. все коэффициенты синусоидальных составляющих =0, и нужно рассчитать только коэффициенты .
постоянная составляющая
(2.28)
Постоянная составляющая – это среднее значение за период, т.е. это площадь импульса , деленная на весь период, т.е. 
, т.е. то же, что получилось и при строгом формальном вычислении (2.28).
Вспомним, что частота первой гармоники ¦ 1 = , где Т – период прямоугольного сигнала. Расстояние между гармониками D¦=¦ 1 . Если номер гармоники n окажется таким, что аргумент синуса , то амплитуда этой гармоники первый раз обращается в нуль. Это условие выполняется при . Номер гармоники, при котором амплитуда ее обращается в ноль первый раз, называют «первым нулем» и обозначают его буквой N, подчеркивая особые свойства этой гармоники:
С другой стороны, скважность S импульсов – это отношение периода Т к длительности импульсов t u , т.е. . Следовательно «первый нуль» численно равен скважности импульса N=S . Поскольку синус обращается в ноль при всех значениях аргумента, кратных p, то и амплитуды всех гармоник с номерами, кратными номеру «первого нуля», тоже обращаются в ноль. То есть при , где k – любое целое число. Так, например, из (2.22) и (2.23) следует, что спектр прямоугольных импульсов со скважностью 2 состоит только из нечетных гармоник. Поскольку S=2 , то и N=2 , т.е. амплитуда второй гармоники первый раз обращается в ноль – это «первый нуль». Но тогда и амплитуды всех остальных гармоник с номерами, кратными 2, т.е. все четные тоже должны обращаться в ноль. При скважности S=3 нулевые амплитуды будут у 3, 6, 9, 12, ….гармоник.
С увеличением скважности «первый нуль» смещается в область гармоник с большими номерами и, следовательно, скорость убывания амплитуд гармоник уменьшается. Простой расчет амплитуды первой гармоники при U m =100В для скважности S =2, U m 1 =63,7B, при S =5, U m 1 =37,4B и при S =10, U m 1 =19,7B, т.е. с ростом скважности амплитуда первой гармоники резко уменьшается. Если же найти отношение амплитуды, например, 5-й гармоники U m 5 к амплитуде первой гармоники U m 1 , то для S =2, U m 5 /U m 1 =0,2, а для S =10, U m 5 /U m 1 = 0,9, т.е. скорость затухания высших гармоник с ростом скважности уменьшается.
Таким образом, с ростом скважности спектр последовательности прямоугольных импульсов становится более равномерным.
2. Спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов
Рассмотрим периодическую последовательность прямоугольных импульсов, изображенную на рис. 5. Данный сигнал характеризуется длительностью импульса, его амплитудой и периодом. По вертикальной оси откладывается напряжение.
Рис.5. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов
Начало отсчета выберем в середине импульса. Тогда сигнал разлагается только по косинусам. Частоты гармоник равныn/T , где n - любое целое число. Амплитуды гармоник согласно (1.2.) будут равны :
так как V(t) =Е при , где - длительности импульса и V(t) =0 при , то
Эту формулу удобно записать в виде:
(2.1.)
). Эту функцию называют огибающей
спектра. Следует иметь ввиду, что
физический смысл она имеет только на
частотах, где существуют
соответствующие гармоники. На рис. 6
приведен спектр периодической
последовательности прямоугольных
импульсов.
Рис.6. Спектр периодической последовательности
прямоугольных импульсов.
При построении огибающей имеем ввиду, что - является
Осцилирующей функцией частоты, а знаменатель монотонно возрастает с ростом частоты. Поэтому получается квазиосцилирующая функция с постепенным убыванием. При частоте стремящейся к нулю, к нулю стремятся одновременно и числитель и знаменатель, их отношение стремится к единице (первый классический предел). Нулевые значения огибающей возникают в точках где т. е.
Где m – целое число (кроме m
Загрузка...