Министерство образования и науки Украины
КИЕВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИИИ ДИЗАЙНА
Кафедра автоматизации и компьютерныхсистем
РЕФЕРАТ
Из курса: «Интеллектуальные сенсорныесистемы»
на тему:
«Виды сигналов, их спектры. Приборыдля анализа спектров сигналов»
Подготовила:
Ст. гр. Бак-3-06 Алёша А.А.
Проверил: Кущинский О.А.
Киев 2010
1) Сигнал -это материальный носитель информации. В природе он проявляется в виде некоторогофизического процесса.
Обычно сигнал, независимо от его физической природы, представляюткак некоторую функцию времени x (t). Такое представление есть общепринятая математическая абстракцияфизического сигнала.
/>
Каждый сигнал характеризуется некоторыми параметрами. Например,функция x (t) имеет два параметра- уровень или значение “x” и время “t”. Для непрерывного или аналоговогосигнала оба параметра являются непрерывными величинами, т.е. имеют бесконечное множествозначений.
Дискретизированным называют сигнал, у которого хотя быодин параметр является дискретной величиной, т.е. имеет конечное множество значений.
Спектр (лат. spectrum от лат. specter — виде́ние, призрак)в физике — распределение значений физической величины (обычно энергии, частоты илимассы). Графическое представление такого распределения называется спектральной диаграммой[источник не указан 180 дней]. Обычно под спектром подразумевается электромагнитныйспектр — спектр частот (или, что то же самое, энергий квантов) электромагнитногоизлучения. В научный обиход термин спектр ввёл Ньютон в 1671-1672 годах для обозначениямногоцветной полосы, похожей на радугу, которая получается при прохождении солнечноголуча через треугольную стеклянную призму.
На рис.1 (слева) представлены основные виды сигналов, используемыхв ультразвуковых диагностических системах.
/>
Вид сигналов, используемых в ультразвуковой диагностике (слева),и соответствующих им амплитудно-частотных спектров (справа).
Сигналы и их спектры связаны между собой преобразованием Фурье,
а — В-режим,
б — CW-режим,
в — PW-режим — одиночный импульс,
г — PW-режим — пачка из N импульсов.
спектр сигнал радиочастотный цифровой
Эти сигналы излучаются датчиками, а получаемые в результате отраженияв тканях эхо-сигналы принимаются теми же датчиками и далее усиливаются и преобразуютсяв системе. Каждый из сигналов может быть представлен в виде суммы синусоидальных(гармонических) колебаний с различными частотами, амплитудами и фазами. Такое представлениеназывается спектром сигнала. Спектр характеризует распределение интенсивности сигналапо частотам, т.е. определяет, какие частотные составляющие представлены больше илименьше в сигнале. Спектр — очень важная характеристика сигнала и связана с временнымвидом сигнала взаимно-однозначной зависимостью. Если известен вид сигнала, то спектрсигнала может быть вычислен с помощью так называемого преобразования Фурье. И наоборот- зная амплитудно-фазовый спектр, можно определить вид сигнала на оси времени путемвычисления обратного преобразования Фурье. Естественно, принимаемые эхо-сигналытакже характеризуются спектром, который может быть вычислен с помощью преобразованияФурье.
Рассмотрим импульсный сигнал, используемый для получения двухмерногосерошкального изображения в В-режиме (рис.1 а). Длительность этого сигнала τиочень мала, что обусловлено стремлением получить хорошее продольное разрешение.Амплитудный спектр G (f) этого сигнала, напротив, очень широкий. Вообще для сигналовпростой формы существует четкая связь между длительностью сигнала τи и ширинойего спектра Δf: чем короче импульс, тем шире его спектр, и наоборот, чем длиннеесигнал, тем уже спектр. Ширина спектра (по уровню 0,5 от максимума спектра GM) приближенноравна Δf = 1/τи
В реально используемых датчиках сигналы в В-режиме имеют ширинуспектра Δf не менее 40÷50% от центральной частоты f0. Например, приработе с датчиком 3,5 МГц (f0 = 3,5 МГц), ширина спектра — не менее 1,4 МГц. Длительностьсигнала τи при этом не более 0,7 мкс. В современных системах все чаще используютсясигналы с еще более широким спектром частот, что обеспечивает высокую разрешающуюспособность.
Непрерывно-временное преобразование Фурье
Определение: Непрерывно-временным преобразованиемФурье называется функция
/>
В спектральном анализе переменная />в комплексной синусоиде /> соответствует частоте,измеряемой в герцах, если переменная />измеряется в единицах времени (в секундах).По сути дела, непрерывно-временное преобразование Фурье идентифицирует частоты иамплитуды тех комплексных синусоид, на которые разлагается некоторое произвольноеколебание.
Определение: Обратное преобразование Фурье определяетсявыражением
/>
Существование прямого и обратного преобразований Фурье с непрерывнымвременем для данной функции определяется целым рядом условий. Одно из достаточныхусловий состоит в том, что сигнал />должен быть абсолютно интегрируемымв смысле
/>
2) Анализатор спектра — прибор для наблюдения и измерения относительногораспределения энергии электрических (электромагнитных) колебаний в полосе частот.
Радиоспектрометр (астрономический) — анализатор спектра космическихрадиоизлучений, представляющий собой специальный радиотелескоп или приставку к радиотелескопу.Существуют также химические радиоспектрометры, близкие по принципу действия, ноимеющие другое назначение.
Классификация анализаторов спектра:
1) По диапазону частот — низкочастотные, радиодиапазона (широкополосные)и оптического диапазона.
2) По принципу действия — параллельного и последовательного типа.
3) По способу обработки измерительной информации и представлениюрезультатов — аналоговые и цифровые.
4) По характеру анализа — скалярные, дающие информацию толькооб амплитудах гармонических составляющих спектра, и векторные, предоставляющие такжеинформацию о фазовых соотношениях.
Анализатор спектра позволяет определить амплитуду и частоту спектральныхкомпонент, входящих в состав анализируемого процесса. Важнейшей его характеристикойявляется разрешающая способность: наименьший интервал по частоте между двумя спектральнымилиниями, которые ещё разделяются анализатором спектра. Анализатор спектра можетдать истинный спектр только тогда, когда анализируемое колебание периодично, либосуществует только в пределах интервала. При анализе длительностей процессов анализаторспектра даёт не истинный спектр, а его оценку, зависящую от времени включения ивремени анализа. Так как спектр колебания может в общем случае изменяться во времени,то оценка даёт т. н. текущий спектр.
НЧ анализаторы бывают параллельного и последовательноготипа (чаще параллельного) и предназначены для работы в диапазонах частот от несколькихгерц до десятков — сотен килогерц. Используются в акустике, например, при исследованиихарактеристик шума, при разработке и обслуживании аудиоаппаратуры и в других целях.Анализаторы, используемые для контроля качества питающей электросети, иначе называютсяанализаторами гармоник.
Радиочастотные анализаторы
Большинство радиочастотных анализаторов являются широкополосными,позволяют работать в полосе от нескольких килогерц до единиц — сотен гигагерц, какправило, это анализаторы последовательного типа. Применяются для анализа свойстврадиосигналов, для исследования характеристик радиоустройств.
Анализаторы последовательного типа
Анализаторы последовательного типа являются наиболее распространеннымвидом анализаторов для исследования радиосигналов, принцип их действия состоит всканировании полосы частот с помощью перестраеваемого гетеродина. Составляющие спектрапоследовательно переносятся на промежуточную частоту. Перестройка частоты гетеродинаэквивалентна перемещению спектра исследуемого сигнала. Селективный УПЧ последовательновыделяет составляющие спектра, и, благодаря синхронной развёртке осциллографическогоиндикатора, отклики каждой спектральной составляющей последовательно воспроизводятсяна его экране.
Анализаторы параллельного типа
Анализаторы параллельного типа содержат набор идентичных узкополосныхфильтров (высокодобротных резонаторов), каждый из которых настроен на определеннуючастоту (в области низкочастотных измерений фильтры могут иметь одинаковой не абсолютнуюполосу пропускания, а относительный частотный интервал, например, «третьоктавныефильтры»). При одновременном воздействии исследуемого сигнала на все фильтрыкаждый из них выделяет соответствующую его настройке составляющую спектра. Параллельныйанализатор спектра имеет перед последовательным преимущество в скорости анализа,однако уступает ему в простоте.
Цифровые анализаторы
Цифровые анализаторы могут быть построены двумя способами. Впервом случае это обычный анализатор последовательного типа, в котором измерительнаяинформация, полученная методом сканирования полосы частот с помощью гетеродина,оцифровывается с помощью АЦП и, далее, обрабатывается цифровым методом. Во второмслучае реализуется цифровой эквивалент параллельного типа в виде БПФ-анализатора,который вычисляет спектр с помощью алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ).По сравнению с последовательными цифровые параллельные БПФ-анализаторы обладаютопределёнными преимуществами: более высоким разрешением и скоростью работы, возможностьюанализа импульсных и однократных сигналов. Они способны вычислять не только амплитудный,но и фазовый спектры, а также одновременно представлять сигналы во временной и частотнойобластях. К сожалению, параллельные БПФ-анализаторы из-за ограниченных возможностейаналого-цифровых преобразователей (АЦП) работают только на относительно низких частотах.
Анализаторы оптического спектра строятся на основе дифракционнойрешетки, интерферометров Майкельсона, Фабри-Перо и других интерференционных схем.В настоящее время, благодаря высокой технологичности, наибольшее распространениеполучили анализаторы использующие дифракционную решётку и только тогда, когда ихразрешающая способность оказывается недостаточной, используются более дорогостоящиеинтерферометрические методы измерений спектра.
Применение. Анализ оптического спектра в связи с развитием технологиителекоммуникаций становится одним из важнейших видов измерений в современных волоконно-оптическихсистемах связи. Необходимость данного вида измерений в первую очередь связана сконтролем спектра источников оптического излучения, а также определением степенивлияния спектральных составляющих на параметры волоконно-оптических компонентови передачу данных по волоконно-оптическим линиям связи. При этом одним из существенныхфакторов ограничивающих ширину полосы пропускания высокоскоростных линий связи внастоящее время становится хроматическая дисперсия оптического волокна, котораяопределяется шириной спектра источника излучения и проявляется в увеличении длительностипередаваемого импульса по мере его распространения по оптическому волокну, что также требует анализа оптического спектра. Кроме этого введение в линии связи волоконно-оптическихусилителей, в частности EDFA (эрбиевых усилителей) и развитие технологии WDM (мультиплексированияпо длине волны) в телекоммуникациях, определяют анализ оптического спектра в процессеинсталляции и эксплуатации волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) как наиболееактуальный вид измерений.
Основные нормируемые характеристики:
a) Диапазон длин волн
b) Разрешение по длине волны
c) Погрешность измерения по длине волны
d) Диапазон отображения по амплитуде
e) Погрешность измерения по амплитуде
f) Динамический диапазон
Измерение спектральной плотности импульсных напряжений
Спектральная плотность импульсных напряжений измеряется с помощьюанализаторов гармоник и спектра. Анализаторы гармоник предназначаются для измеренияамплитуд и частот отдельных гармонических составляющих периодических несинусоидальныхсигналов, когда спектр исследуемого сигнала имеет линейчатый характер и. относительныйинтервал между соседними составляющими. достаточно велик по сравнению с полосойрасфильтровки. В зависимости от способа выделения гармоник различают анализаторы'гармоник с резонансными и избирательными контурами и гетеродинпые. Наиболее широкоераспространение получили гетеродинные анализаторы, принцип работы которых аналогиченпринципу работы селективных вольтметров или избирательных измерителей уровня. Гетеродинныеанализаторы отличаются тщательно отградуированной шкалой гетеродина, обеспечивающейзаданную погрешность определения частоты измеряемой гармонии, обычно — ± (10-6 ÷10-3),и высокой.
Анализатор спектра сигналов аналогового и цифрового кабельногоТВ AT-2500RQv
ОСНОВНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ.
Анализатор спектра, предназначенный специально для систем кабельноготелевидения (КТВ)
Диапазон частот измерения от 5 МГц до 1.5 ГГц
Анализ сигналов цифровой модуляции 16/64/256 QAM в соответствиис рекомендацией МСЭ-Т J.83 Приложения A, B и C (DVS, DVB, DOCSIS, EuroDOCSIS)
Полный пакет измерений для систем КТВ, режим измерения во временнойобласти, анализатор QAM и демодулятора видеосигналов
Настройка под конкретные требования измерения КТВ с помощью аппаратныхи программных опций
Портативный анализатор с возможностью питания от батарей.
Анализатор спектра AT-2500RQv — высокопроизводительный, портативныйанализатор с возможностью питания от батарей, предназначенный для тестирования сетейкабельного телевидения в режиме головного узла и эксплуатационном портативном варианте.Характерной чертой данного анализатора являются мощные опции, позволяющие расширятьвозможности измерения под будущие технологии или индивидуальные требования. Объединениевозможностей измерения цифровых сигналов QAM (квадратурная амплитудная модуляция)и демодуляции видеосигнала в портативном анализаторе спектра является безусловнымпрорывом с точки зрения цены и производительности.