МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н. П. ОГАРЁВА»

ФАКУЛЬТЕТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Кафедра «АВТОМАТИКА»

М. В. ИЛЬИН

с. с. КАПИТОНОВ

Авторы-составители: заведующий кафедрой «Автоматика», канд. техн. наук, доцент кафедры «Автоматика», канд. техн. наук, преподаватель кафедры «Автоматика» , доцент кафедры «Автоматика» .

Прохождение сигналов различной формы через линейные RC -цепи: лаборатораторный практикум / Н. Н. Беспалов, М. В. Ильин, . - Саранск: Ковылк. тип., 2012. - 24 с.

ISBN ___________

Содержатся теоретические сведения и методические указания к выполнению лабораторной работы «Прохождение сигналов различной формы через линейные RC -цепи» по курсу «Электронные цепи и микросхемотехника». Предназначено для студентов направлений подготовки «Электроника и наноэлектроника», «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», «Электроэнергетика и электротехника » и «Приборостроение». Однако данным пособием смогут пользоваться студенты и других специальностей связанных с электротехникой, электроникой и радиотехникой.

Печатается по решению научно-методического совета Мордовского государственного университета им. ёва.

УДК 621.391.3.011.71(076)

ББК Б534

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий лабораторный практикум содержит описание первой лабораторной работы, которая проводится при изучении студентами дневной и заочной форм обучения импульсных цепей в рамках курса «Электронные цепи и микросхемотехника».

Основной целью данной работы является изучение процессов передачи импульсов различной формы через RC -цепи.

Поскольку выполнение лабораторных работ по изучаемому курсу часто опережает лекционное изложение соответствующих разделов, в описании работы введены теоретические приложения, которые могут служить учебными пособиями к соответствующим разделам курса, а также пособиями по курсовому проектированию и типовым расчетам.

Однако использование для подготовки к лабораторной работе только одного теоретического приложения является недостаточным. Необходимо изучение соответствующих разделов в литературе, приведенной в конце сборника.

При подготовке к очередной работе студент обязан ознакомиться с описанием работы, теоретическим пособием, указанной литературой, а также выполнить предварительное расчетное задание.

Отчёт по работе должен содержать изучаемые схемы, выполненное предварительное расчетное задание и полученные результаты. Отчет должен быть оформлен аккуратно на листах стандартного размера А4, а также представлен в электронном виде.

Порядок прохождения данной лабораторной работы следующий.

1. Группа студентов, приступающая к выполнению лабораторных работ, должна пройти инструктаж по общим правилам поведения в данной лаборатории и по правилам техники безопасности , о чем делается запись в соответствующем журнале с росписью каждого студента.

2. Перед очередным занятием каждый студент сдает коллоквиум по текущей работе. Если студент не готов к работе или не выполнил предварительное расчетное задание, то он к работе не допускается.

3. На следующем занятии после выполнения работы , студент должен предъявить оформленный отчёт по выполненной работе и защитить работу.

Студенты, не защитившие двух работ к моменту выполнения очередной работы, к занятиям не допускаются. Оформление отчёта по работе проводится каждым студентом.

Все лабораторные работы по изучаемому курсу рассчитаны на четырехчасовое занятие в аудитории и четырехчасовую домашнюю подготовку.

1 КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Линейными цепями называются цепи, состоящие из совокупности линейных элементов, т. е. элементов, номинальные значения которых не зависят от протекающего тока или приложенного напряжения. Для всех линейных цепей применим принцип суперпозиции. Например, для описания процессов в линейных цепях можно использовать методы, основанные на применении интеграла Дюамеля, или методы гармонического анализа. Рассматриваемые RC -цепи используются во многих практических схемах в качестве функциональных преобразователей. В зависимости от структуры и соотношения параметров элементов RC -цепи могут использоваться для дифференцирования (фильтр высоких частот) или интегрирования (фильтр низких частот) входных сигналов.

Для анализа переходных процессов в импульсных цепях используются классический, операторный, частотный методы, а также метод интеграла Дюамеля (суперпозиционный метод).

Классический метод . При расчете переходных процессов этим методом входной сигнал представляется в виде функции U вх (t ), а исследуемая RC-цепь описывается дифференциальным уравнением (ДУ), устанавливающим связь между выходным и входным напряжениями, параметрами элементов схемы и внешним воздействием. При составлении ДУ используют ряд законов и теорем, определяющих связь между напряжениями и токами. Основными из них являются закон Ома, коммутации, Кирхгофа и теорема об эквивалентном генераторе.

Во многих случаях при анализе переходных процессов эквивалентная схема исследуемой цепи описывается ДУ первого порядка с постоянной правой частью:

где τ -постоянная времени, характеризующая инерционность цепи; x(t) -искомая величина (ток, напряжение); Z 0 - внешнее возмущающее воздействие.

Общее решение уравнения (1) имеет вид:

https://pandia.ru/text/78/069/images/image003_175.gif" width="93" height="29 src=">,

где А - постоянная интегрирования (находится из начальных условий); р - корень характеристического уравнения https://pandia.ru/text/78/069/images/image005_134.gif" width="63" height="48 src=">.

Таким образом, общее решение ДУ (1) запишется в виде:

https://pandia.ru/text/78/069/images/image007_114.gif" width="40" height="20"> и , найдем:

https://pandia.ru/text/78/069/images/image011_83.gif" width="123" height="24 src=">.

Следовательно, решение ДУ (1) можно записать в виде

https://pandia.ru/text/78/069/images/image013_87.gif" width="181" height="60 src=">. (3)

Для конкретной RC-цепи определяют операторный коэффициент передачи К(р) , затем находят изображение выходного напряжения и по функции U вых (р) определяют оригинал U вых (t ) , используя обратное преобразование Лапласа:

https://pandia.ru/text/78/069/images/image008_110.gif" alt="*" width="12" height="23 src=">определяется по формуле:

https://pandia.ru/text/78/069/images/image017_73.gif" width="248" height="56 src=">.

Если знаменатель изображения U вых (р) имеет наряду с простыми корнями р 1, р 2 …, р n корень р n+1 кратности a, т. е. изображение U вых (р ) записывается в виде дроби:

https://pandia.ru/text/78/069/images/image008_110.gif" alt="*" width="12" height="23">будет функция:

https://pandia.ru/text/78/069/images/image008_110.gif" alt="*" width="12 height=23" height="23">Частотный способ . При использовании этого метода входной сигнал U вх (t )на основании прямого преобразования Фурье представляется в виде частотного спектра U вх (j w ). Затем находится комплексный коэффициент передачи К (j w )https://pandia.ru/text/78/069/images/image020_61.gif" width="244" height="60 src=">.

https://pandia.ru/text/78/069/images/image008_110.gif" alt="*" width="12" height="23 src=">сложной формы. Выходное напряжение находят из выражения:

https://pandia.ru/text/78/069/images/image022_36.jpg" width="507" height="353 src=">

Рисунок 1 - Прохождение ступеньки напряжения через RC -цепь.

Входной сигнал можно записать в виде

0 при t < 0

U вх (t )= Um при t > 0.

При использовании классического метода необходимо составить ДУ RC -цепи. Согласно второму закону Кирхгофа можно записать:

U вых (t ) = U c(t ) + U вх (t ). (4)

При подаче входного сигнала через ёмкость С протекает ток i (t ) и напряжение на ёмкости https://pandia.ru/text/78/069/images/image025_52.gif" width="237" height="60 src=">.

Учитывая, что Ri (t ) = U вых (t ), и дифференцируя правую и левую части этого уравнения, получим:

https://pandia.ru/text/78/069/images/image027_46.gif" width="212" height="43 src=">.

Подставив в полученное уравнение значение U вх (t ), для выходного напряжения получим:

https://pandia.ru/text/78/069/images/image029_48.gif" width="289 height=49" height="49">.

Для нахождения выражения U вых (t ) в данном случае можно воспользоваться уравнением (3), которое запишутся в виде:

https://pandia.ru/text/78/069/images/image031_40.gif" width="67" height="25 src="> - выходное напряжение при t = ∞ (после окончания переходного процесса, т. е. при = 0); U вых (0) - выходное напряжение при t = 0, (в момент коммутации, когда U вых(0) = Um ).

Следовательно, выходное напряжение определится как:

https://pandia.ru/text/78/069/images/image033_39.gif" width="104" height="52">. Операторный коэффициент передачи К (р ) для данной RC-цепи определится следующим образом:

https://pandia.ru/text/78/069/images/image028_48.gif" width="129" height="47">.

Прохождение через RC -цепь импульса прямоугольной формы . На рисунке 2а изображена RC -цепь, на вход которой подается прямоугольный импульс с амплитудой Um и длительностью. Входной сигнал можно представить в виде двух разнополярных перепадов напряжения величиной Um , сдвинутых друг относительно друга на время t и (рисунок 2б).

При 0< t < t и

U вх (р)= https://pandia.ru/text/78/069/images/image039_37.gif" width="18" height="151 src=">.gif" width="151" height="72 src="> при t и > 0,

а затем, используя обратное преобразование Лапласа, находим временную функцию U вых (t ):

При 0< t < t и

U вых (t )= при t и > 0.

Форма выходного импульса зависит от соотношения t и и τ . На рисунке 3а приведена форма выходного сигнала при τ << t и , а на рисунке 3б изображен выходной сигнал при τ >> t и . Из рисунка видно, что в случае, если RC -цепь должна передавать прямоугольный импульс без искажения, то нужно выбирать соотношение τ >> t и . Для оценки искажений вершины импульса используют относительный спад вершины импульса Δ:

https://pandia.ru/text/78/069/images/image046_20.jpg" width="597" height="285 src=">

Рисунок 3 - Форма выходного сигнала для различных t .

Аналогично можно определить форму выходного сигнала для RC -цепи, изображенной на рисунке 4а (интегрирующая RC -цепь). Из рисунка 4б видно, что для передачи импульса с минимальными искажениями фронта необходимо выбирать τ << t и .

https://pandia.ru/text/78/069/images/image048_18.jpg" width="376" height="261">

Рисунок 5 - К определению длительности фронта импульса.

Прохождение через RC -цепь линейно-нарастающего напряжения . На рисунке 6 представлена RC -цепь, на вход которой поступает линейно-нарастающее напряжение U вх (t ) =kt , где k = tgα - коэффициент пропорциональности.

https://pandia.ru/text/78/069/images/image050_24.gif" width="221" height="25 src=">.gif" width="31 height=43" height="43"> можно представить в виде ряда:

https://pandia.ru/text/78/069/images/image054_22.gif" width="323" height="55 src=">.

Отсюда видно, что при малых значениях t (t <<τ ) выходное напряжение практически совпадает с входным, т. е. U вых (t ) ≈ kt .

Искажение формы выходного сигнала:

https://pandia.ru/text/78/069/images/image056_21.gif" width="141" height="48 src="> - нижняя граничная частота, определяемая при спаде частотной характеристики, равном 3 дб. Например, для передачи напряжения развертки с длительностью 2 мс и отклонением от линейности не более 0,1% из последнего уравнения находим, что необходимо иметь f н < 0,16 Гц или RC = τ > 1с.

При t >> τ выходное напряжение стремится к постоянной величине kτ . Напряжение на ёмкости С может быть найдено следующим образом:

https://pandia.ru/text/78/069/images/image058_11.jpg" width="369" height="314">

Рисунок 7 - Представление напряжения трапециидальной формы в виде четырех линейно-нарастающих сигналов.

Резисторные делители с несколькими входами. Пример схемы многовходового делителя приведён на рисунке 8.

https://pandia.ru/text/78/069/images/image060_22.gif" width="269" height="64 src=">,

В частном случае, когда https://pandia.ru/text/78/069/images/image064_18.gif" width="253" height="60 src=">,

https://pandia.ru/text/78/069/images/image067_19.gif" width="21" height="25 src=">, но и от числа слагаемых напряжений, соотношения величин сопротивлений связи и сопротивления нагрузки .

Рисунок 9 - Резисторный делитель, нагруженный ёмкостью C .

При передаче импульса через такой делитель происходит растягивание его фронтов, обусловленное процессами заряда и разряда конденсатора С , и уменьшение его амплитуды, обусловленное наличием делителя (https://pandia.ru/text/78/069/images/image072_18.gif" width="165" height="29 src=">

и амплитудой:

DIV_ADBLOCK157">

https://pandia.ru/text/78/069/images/image075_17.gif" width="128" height="49 src=">.

Резисторно-ёмкостные делители. В ряде случаев для передачи перепадов входного напряжения выход резистора https://pandia.ru/text/78/069/images/image077_4.jpg" width="511" height="377 src=">

Рисунок 9 - Прохождение прямоугольного импульса через резисторно-ёмкостной делитель.

Пусть на вход такого делителя подан прямоугольный импульс напряжения с амплитудой Е , причём будем считать, что источник входных импульсов - идеальный, лишённый внутреннего сопротивления, и, следовательно, способный развивать бесконечно большую мощность.

В момент коммутации (t = 0) происходит бесконечно большой скачок тока через ёмкости https://pandia.ru/text/78/069/images/image079_17.gif" width="24" height="23">, и в результате на ёмкостях получаются мгновенные конечные скачки напряжения и https://pandia.ru/text/78/069/images/image082_18.gif" width="273" height="55 src=">,

где и - заряды на конденсаторах и в момент t . При t = 0 = , так как при t = 0 ток проходит только через ёмкости https://pandia.ru/text/78/069/images/image079_17.gif" width="24" height="23 src="> то:

https://pandia.ru/text/78/069/images/image088_12.gif" width="336" height="60 src=">,

https://pandia.ru/text/78/069/images/image091_11.gif" width="205" height="55 src=">. и до начальных (при t > 0) уровней напряжения.

В некоторых устройствах (например, в мультивибраторах) в резисторно-ёмкостном делителе резистор https://pandia.ru/text/78/069/images/image111_9.gif" width="64" height="23 src=">.

На практике используются и резисторно-ёмкостные делители с несколькими входами.

2 РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

Цель работы : Исследование влияния параметров RC -цепей на искажение формы передаваемых импульсов.

1. По заданию преподавателя для одной из представленных на рисунке 10 схем и выбранных величин параметров элементов рассчитать относительный спад вершины и длительности фронта выходного сигнала при подаче на вход однополярного прямоугольного импульса.

2. Для выбранной RC -цепи и параметров ее элементов рассчитать искажение формы выходного сигнала при подаче на вход линейно-нарастающего напряжения (пилообразного импульса).

3. Для выбранной схемы создать модель в Multisim. Экспериментально с помощью виртуального осциллографа определить величины параметров выходных импульсов, приведённых в пунктах 1 и 2, и сравнить их с расчётными величинами. Сохранить в виде графических файлов осциллограммы входных и выходных импульсов для последующего формирования отчёта.

4. В созданной в пункте 3 модели заменить источник входного сигнала на источник сигнала сложной формы. Варианты сложных сигналов приведены на рисунке 11. Форма сигнала задаётся преподавателем. Результаты моделирования привести в отчёте в виде осциллограмм входного и выходного сигнала.

https://pandia.ru/text/78/069/images/image113_3.jpg" width="604" height="527 src=">

Рисунок 11 - Входные сигналы различной формы.

3 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Сформулируйте основные принципы классического метода анализа переходных процессов в импульсных цепях.

2. Сформулируйте основные принципы операторного метода анализа переходных процессов в импульсных цепях.

3. Сформулируйте основные принципы частотного метода анализа переходных процессов в импульсных цепях.

4. Какие цепи называют линейными?

5. В чем заключается принцип суперпозиции при анализе сигналов сложной формы?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Улахович теории линейных электрических цепей / . - СПб. : БХВ-Петербург, 2009. - 816 с.

2. Белецкий линейных электрических цепей. Издание 2 / - М. : Лань, 2011. - 544 с.

3. Колонтаевский: Учеб. пособие для СПТУ / . - М. : Высш. шк., 1988. -304 с.

4 Радиотехника: Учебное пособие для студентов физ.-мат. фак. пед. ин-тов / , . - М. : Просвещение, 1986. -319 с.

5. Гольденберг устройства / . М. : Радио и связь, 1981. - 221 с.

6. Гоноровский цепи и сигналы: Учебник для вузов. 4-изд., пераб. и доп. / . М. : Радио и связь, 1988. -512 с.

	предисловие ……………………………………………………….
	Краткие теоретические сведения …………………………………
	Рабочее задание ……………………………………………………
	Контрольные вопросы ……………………………………………
	Библиографический список ………………………………………

ПРОХОЖДЕНИЕ СИГНАЛОВ

РАЗЛИЧНОЙ ФОРМЫ

ЧЕРЕЗ ЛИНЕЙНЫЕ RC -ЦЕПИ

Лабораторный практикум

по курсу «Электронные цепи и микросхемотехника»

Учебное издание

Б. И. ПЕТРОВ

Авторы-составители: Н. Н. БЕСПАЛОВ, М. В. ИЛЬИН,

С. С. КАПИТОНОВ, .

Печатается в соответствии с предоставленным

оригинал-макетом

Сдано в набор __.11.2012. Подписано в печать __.12.2012.

Гарнитура Таймс. Печать офсетная. Формат 60х84 1/16.

Уч.-изд. л. 0,00 Усл. печ. л. ___. Тираж 100 экз.

Мордовский государственный университет им. ёва

Отпечатано в Ковылкинской типографии Министерства печати и информации Республики Мордовия

В радиоэлектронике приходится иметь дело с различными сигналами и разными цепями, при прохождении сигналов по таким цепям возникают переходные процессы, в результате которых форма передаваемого сигнала может измениться. Большинство устройств содержит в себе совокупность линейных и нелинейных элементов, что усложняет строгий анализ прохождения сигналов. Однако имеется достаточно широкий круг задач, которые успешно можно решать линейными методами, даже если в цепи имеется нелинейный элемент. Это относится к устройствам, в которых сигналы настолько малы по амплитуде, что нелинейностью характеристик нелинейного элемента можно пренебречь, так что его также можно считать линейным.

Большинство методов анализа прохождения сигналов через линейную цепь основано на основополагающем принципе - принципе суперпозиции, при котором реакция цепи на сложное воздействие может быть определена как сумма реакций на более простые сигналы, на которые можно разложить сложное воздействие. Реакция линейной цепи на известное простое (тестовое) воздействие называется системной (т.е. зависящей только от цепи) передаточной характеристикой цепи. Сама передаточная характеристика может быть определена:

а) классическим методом, при котором цепь описывается системой линейных дифференциальных уравнений, в правой части которой записано тестовое воздействие; этим методом чаще всего определяются реакции на единичную ступенчатую функцию или дельта-функцию, так называемые переходная и импульсная характеристики цепи, являющиеся передаточными характеристиками цепи для метода наложения (или метода интеграла Дюамеля); классическим методом при достаточно несложных цепях и воздействиях может быть сразу решена задача анализа, т.е. нахождения реакции цепи на входной сигнал;

б) комплексным методом, если в качестве тестового сигнала используется гармоническое колебание; в этом случае определяется такая передаточная характеристика цепи как частотная характеристика, являющаяся основой частотного метода анализа;

в) операторным методом, при котором используется аппарат преобразования Лапласа, в результате чего определяется операторная передаточная характеристика цепи, так как операторный метод использует сигнал вида e pt , где p =s +jw , то при замене в операторной передаточной характеристике p на jw получается частотная передаточная характеристика, кроме того, как будет показано ниже, оригинал от операторной передаточной характеристики является импульсной характеристикой цепи.

Поэтому можно классифицировать методы анализа прохождения сложных сигналов на

а) частотные , применяющиеся главным образом для анализа установившихся процессов;

б) временные , использующие переходную или импульсную характеристику цепи, применяющиеся в случаях быстро меняющихся (импульсных) сигналов, когда важными являются переходные процессы в цепи.

При анализе прохождения сигналов через узкополосные избирательные цепи эти же методы можно использовать не для мгновенных значений сигнала, а для медленноменяющейся огибающей.

Рассмотрим линейную инерционную систему с известной передаточной функцией или импульсной реакцией . Пусть на вход такой системы поступает стационарный случайный процесс с заданными характеристиками: плотностью вероятности , корреляционной функцией или энергетическим спектром . Определим характеристики процесса на выходе системы: , и .

Наиболее просто можно найти энергетический спектр процесса на выходе системы. Действительно, отдельные реализации процесса на входе являются детерминированными

функциями, и к ним применим аппарат Фурье. Пусть - усеченная реализация длительности Т случайного процесса на входе, а

Ее спектральная плотность. Спектральная плотность реализации на выходе линейной системы будет равна

Энергетический спектр процесса на выходе согласно (3.3.3) будет определиться выражением

(3.4.3)

т.е. будет равен энергетическому спектру процесса на входе, умноженному на квадрат амплитудно-частотной характеристики системы, и не будет зависеть от фазочастотной характеристики.

Корреляционная функция процесса на выходе линейной системы может быть определена как преобразование Фурье от энергетического спектра:

(3.4.4)

Следовательно, при воздействии случайного стационарного процесса на линейную систему на выходе получается также стационарный случайный процесс с энергетическим спектром и корреляционной функцией, определяемыми выражениями (3.4.3) и (3.4.4). Мощность процесса на выходе системы будет равна

(3.4.5)

Плотность распределения вероятности и числовые характеристики сигнала на выходе безынерционной нелинейной цепи.

Баскаков стр. 300 – 302

Прохождение случайных сигналов через нелинейные безинерционные цепи.

Рассмотрим теперь задачу о прохождении случайного процесса через нелинейную систему. В общем случае эта задача весьма сложная, но она значительно упрощается, когда нелинейная система является безынерционной. В безынерционных нелинейных системах значения выходного процесса в данный момент времени определяются значениями входного процесса в тот же самый момент времени. Для нелинейных безынерционных преобразований более простой задачей является определение функций распределения на выходе в гораздо более сложной – определение корреляционной функции или энергетического спектра.

Как отмечалось выше, n - мерная функция распределения случайного процесса по сути дела является функцией распределения n случайных величин, представляющих собой значения случайного процесса в n различных моментов времени, Определение законов распределения функционально преобразованных случайных величин является сравнительно простой задачей.

Рассмотрим простейший пример одномерной случайной величины. Пусть - плотность вероятности случайной величины ζ, которая подвергается нелинейному преобразованию . Определим плотность вероятности случайной величины η. Предположим, что функция такова, что обратная ей функция – однозначна.

Если случайная величина ζ находится в достаточно малом интервале , то вследствие однозначной функциональной зависимости между ζ и η случайная величина η обязательно будет находиться в интервале , где , вероятности этих событий должны быть одинаковыми, т.е. (3.4.13)

откуда находим

(3.4.14)

Производная в последнем выражении берется по абсолютной величине, так как плотность вероятности не может быть отрицательной. Если обратная функция неоднозначная, т.е. имеет несколько ветвей , то для плотности вероятности с использованием теоремы сложения вероятностей можно получить

(3.4.15)

Отметим, что для определения числовых характеристик нелинейно-преобразованных случайных процессов нет необходимости определять их плотности вероятностей. Действительно, в общем случае для начального момента k-го порядка имеем

(3.4.16)

Но согласно (3.4.13) и . Поэтому последнее выражение можно переписать

(3.4.17)

Полученные выражения (3.4.14) и (3.4.15) легко распространить на случай нескольких величин. Приведем здесь лишь окончательный результат для двумерного случая. Если случайные величины и имеют совместную плотность вероятностей , то для случайных величин

(3.4.18)

при однозначности обратных функций

совместная плотность вероятностей будет определяться выражением

Где величина

называется якобианом преобразования и представляет собой отношение элементарных площадей при переходе от одной системы координат к другой. Если , то справедливо равенство

где

Вопрос № 23

Дискретная импульсная последовательность, их спектр.

Баскаков стр. 382-383

Дискретизация периодических сигналов. Дискретное преобразование Фурье (ДПФ). Восстановление исходного сигнала по ДПФ. Обратное дискретное преобразование Фурье (ОДПФ).

Баскаков стр. 388-392

Вопрос № 24

Принцип цифровой обработки (ЦО) сигналов на основе дискретного преобразования Фурье.

Баскаков стр. 400-405

Реализация алгоритмов цифровой фильтрации (трансверсальные ЦФ, рекурсивные ЦФ, импульсная характеристика, сигнал на выходе)

Цифровые фильтры в зависимости от обратной связи бывают рекурсивные (РФ) и нерекурсивные (НФ).

Преимущества нерекурсивных фильтров по сравнению с рекурсивными сводятся к следующему:

Нерекурсивные фильтры могут иметь точно линейную ФЧХ;

Мощность собственных шумов НФ, как правило, гораздо меньше, чем у РФ;

Для НФ проще вычисление коэффициентов.

Недостатки нерекурсивных фильтров по сравнению с рекурсивными сводятся к следующему:

Рекурсивные фильтры позволяют производить обработку сигнала с более высокой точностью, так как они позволяют более правильно реализовать импульсную характеристику без отбрасывания ее «хвоста»;

Схемная реализация РФ намного проще, чем у НФ;

Рекурсивные фильтры позволяют реализовать алгоритмы, вообще не- реализуемые с помощью нерекурсивных фильтров.

Импульсная характеристика рекурсивного фильтра бесконечная, а нерекурсивного конечная.

Баскаков стр. 405-408, 409-411, 413

Вопрос №25

Понятие отношения сигнал/шум, фильтрации и оптимального фильтра.

Отношение сигнал/шум - безразмерная величина, равная отношению мощности полезного сигнала к мощности шума.

Фильтрация - это процесс обработки сигнала частотно-избирательными устройствами с целью изменения спектрального состава сигнала.

Оптимальным линейным фильтром называют частотно-избирательную систему, выполняющую обработку суммы сигнала и шума некоторым наилучшим образом. На выходе максимизирует отношение сигнал/шум.

Баскаков стр. 423-424

Отношение сигнал/шум на выходе согласованного фильтра.

Баскаков стр. 425, 431-432

Характеристики оптимального (согласованного) фильтра для сигналов известной формы (АЧХ, ФЧХ, ИХ).

Сигнал на выходе согласованного фильтра.

Для определения устойчивости годограф строить необязательно. Для этого достаточно проанализировать АЧХ и ФЧХ. Следовательно, третья альтернативная формулировка критерия Найквиста: если АЧХ больше единице на частотах, при которых ФЧХ равна 0 или где n € z , то система с обратной связью не устойчива, в противном случае устойчива (Рисунок 3.10).

Рис. 3.9 АЧХ и ФЧХ разомкнутой системы с обратной связью

4 Прохождение случайных сигналов через линейные стационарные цепи

Основными характеристиками случайного процесса является плотность вероятности мгновенных значений сигнала, корреляционная функция и спектральная плотность мощности. Отыскание плотности вероятности мгновенных значений сигнала на выходе линейной цепи по известной плотности вероятности на входе цепи и известным характеристикам цепи представляет весьма сложную задачу. Однако, если входной сигнал является гауссовым, то выходной сигнал так же всегда будет гауссовым. Это означает, что решение задачи упрощается и сводится к нахождению параметров выходного сигнала (математического ожидания и дисперсии).

Задача нахождения корреляционной функции и спектральной плотности мощности выходного сигнала значительно проще.

Обратные преобразования Фурье от спектральной плотности мощности согласно теории Винера – Хинчина:

– корреляционная функция сигнала

Обратные преобразования Фурье от коэффициента передачи по мощности:

– корреляционная функция импульсной характеристики сигнала

Так как произведение спектров двух сигналов равно спектру свёртки этих сигналов, то можно записать:

То есть корреляционная функция сигнала на выходе линейной цепи равна свёртке корреляционной функции сигнала на входе цепи и корреляционной функции импульсной характеристики цепи.

При анализе различных систем в качестве помехи часто выступает белый шум, имеющий спектральную плотность мощности постоянную во всём диапазоне частот:

и корреляционная функция

Следовательно, корреляционная функция выходного сигнала равна автокорреляционной функции импульсной характеристики с коэффициентом .

5 Прохождение сигналов через нелинейные цепи

Линейные стационарные цепи не изменяют спектральный состав сигнала. Основные радиотехнические преобразования, связанные с изменением спектрального состава сигнала, осуществляется либо с помощью нелинейных цепей, либо линейных цепей с переменными параметрами.

Исследование нелинейных цепей представляет собой сложную задачу, состоящую в решении нелинейных дифференциальных уравнений. Анализ нелинейных цепей упрощается, если нелинейный элемент является безынерционным, т. е. реакция на изменение входного воздействия происходит мгновенно. Строго говоря, безынерционных элементов (БНЭ) нет, но в случае, когда время изменения входного сигнала значительно превышает время установления процесса в нелинейном элементе, элемент может считаться безынерционным. В радиотехнике в качестве нелинейных элементов чаще всего используют полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы). Для описания таких приборов используют ВАХ, которые связывают между собой напряжения, приложенные к приборам и токи, протекающие через приборы.

Общая задача изучения прохождения случайных сигналов через нелинейные

цепи состоит в нахождении статистических характеристик выходного сигнала по известным данным цепи и статистическим характеристикам сигнала. Эту задачу следует разбить на ряд отдельных задач по признакам, относящимся к характеристикам входного сигнала, свойствам цепи и исходным характеристикам выходного сигнала.

Нелинейные цепи представляют собой соотношение нелинейных элементов с однозначной вольт-амперной характеристикой и определяются как безынерционные.

По искомым статистическим характеристикам выходного сигнала следует различать задачи, с помощью которых должен быть найден закон распределения мгновенных значений или огибающей, и задачи, когда достаточно определить первые моменты этих законов.

Анализ исследований и публикаций. В зависимости от способов обработки сигналов от различных источников возникает необходимость проводить такие математические действия над ними как, например, деление, умножение и др. Такие математические действия над сигналами технически могут быть реализованы с помощью нелинейных безынерционных устройств. Вследствие этого задачи изучения прохождения случайных сигналов через нелинейные цепи, с помощью математических действий, далеко не всегда могут быть доведены до решения в приемлемой форме.

В общем виде принципиальное решение задачи о нелинейных безынерционных преобразованиях случайных процессов производится известным свойством инвариантности дифференциала вероятности. Однако применение этого свойства к практически интересным нелинейным преобразованиям вызывает большие трудности. Поэтому ввиду сложности вычисления плотности вероятностей часто ограничиваются нахождением более простых не менее полных статистических характеристик выходного сигнала.

Постановка задачи. Операция деления двух случайных сигналов может быть отнесена к задаче синтеза нелинейной цепи по заданному преобразованию входного сигнала, котораявключает установление вида характеристики цепи, осуществляющей данное преобразование, а затем реализация полученной характеристики. При двух входных сигналах, представляющих собой случайные процессы, например, операция умножения выполняется с помощью нелинейной детерминированной безынерционной системы, которая представлена на рис. 1. Она состоит из двух логарифматоров 1, 2 (устройства с логарифмической амплитудной характеристикой), сумматора и экспонатора 3, устройства с экспоненциальной амплитудной характеристикой. Такой подход к решению задачи основан на том, что нелинейное безынерционное преобразование случайного процесса не вносит дополнительных временных связей. То есть, если процесс до безынерционного преобразования характеризировался n-мерным распределением, то и процесс после него будет характеризироваться распределением n-го порядка.

Известно, что закон распределения вероятностей суммы двух случайных процессов с нормальными законами распределения также является нормальным. Поэтому можно считать, что сигнал на входе экспонатора имеет нормальный закон распределения плотностей вероятностей.

Полученный результат имеет столь простое решение, как исключение и имеет место только при экспоненциальном преобразовании нормального стационарного процесса.

Однако такой результат имеет сравнительно общее значение, так как часто характеристики нелинейных элементов можно аппроксимировать суммой, содержащей два – три экспоненциальных слагаемых; при таком подходе общая корреляционная функция выходного процесса будет равна сумме корреляционных функций, вычисленных для каждого экспоненциального слагаемого в отдельности.

Задачи изучения прохождения случайных сигналов через нелинейные безынерционные цепи, которые выполняют над сигналами функции математических действий, например деление или умножение двух сигналов, не всегда могут быть доведены до решения в прямой форме. Однако получение результата решения задачи определения статистических характеристик в этих случаях можно осуществить путем решения задачи синтеза нелинейных цепей по заданному преобразованию входных сигналов, в которую входит установление вида характеристик отдельных элементов цепи, осуществляющих данное преобразование сигнала. При таком подходе задача определения результирующего сигнала будет определяться на выходе каждого элемента, выполняющего заданную ему функцию.