Радиотехнические сигналы. Временное и спектральное представление

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное 

образовательное учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

А. В. ПОМАЗАНОВ
П. М. ЧИЖИКОВ

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ. 

ВРЕМЕННОЕ И СПЕКТРАЛЬНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2020

 

 

Содержание

2

УДК 621.396.62
ББК 32.842

П55

Печатается по решению кафедры информационной безопасности

телекоммуникационных систем Института компьютерных технологий 
и информационной безопасности Южного федерального университета

(протокол № 14 от 26 февраля 2020 г.)

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор Южного федерального университета 

К. Е. Румянцев

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, начальник 

лаборатории АО «ТНИИС» С. В. Крикотин

Помазанов, А. В.

П55
Радиотехнические сигналы. Временное и спектральное представ
ление : учебное пособие / А. В. Помазанов, П. М. Чижиков ; Южный 
федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство 
Южного федерального университета, 2020. – 127 с.

ISBN 978-5-9275-3659-7
В учебном пособии рассматривается временное и спектральное представ
ление радиотехнических сигналов, способы формирования и погрешности 
оценки параметров сигналов. В пособие вошли свыше ста осциллограмм и спектрограмм сигналов, широко используемых в радио- и других областях техники. 
Все временные и спектральные графики получены с помощью современных 
цифровых приборов.

Предназначено для студентов старших курсов, изучающих дисциплину 

«Телекоммуникационные системы». Учебное пособие может быть полезно при 
изучении дисциплины «Радиоприемные и радиопередающие устройства», а 
также при курсовом и дипломном проектировании.

УДК 621.396.62

ББК 32.842

ISBN 978-5-9275-3659-7

© Южный федеральный университет, 2020
© Помазанов А. В., Чижиков П. М., 2020
© Оформление. Макет. Издательство 

Южного федерального университета, 2020

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК  СОКРАЩЕНИЙ  И  УСЛОВНЫХ  ОБОЗНАЧЕНИЙ ...
5

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………….
6

1. СИГНАЛЫ СИСТЕМ СВЯЗИ ………………………………….
8

1.1. Виды сигналов систем связи …………………………………
8

1.2. Спектральный анализ сигналов систем связи ……………….
10

2. АКУСТООПТИЧЕСКИЕ  ИЗМЕРИТЕЛИ  СПЕКТРАЛЬНЫХ  
ПАРАМЕТРОВ  РАДИОСИГНАЛОВ ……………………………..
15

2.1. Общие принципы построения акустооптических измерителей ………………………………………………………………….
15

2.2. Панорамный измеритель частоты последовательного типа
22

2.3. Акустооптические измерители частотных и временных параметров сигналов ………………………………………………...
31

2.4. Устройства цифровой обработки в акустооптическом спектроанализаторе …………………………………………………….
33

2.5. Способ измерения частоты радиосигнала в акустооптическом приёмнике-частотомере …………………………………….
35

3. ИЗМЕРЕНИЕ  ВРЕМЕННЫХ  И  СПЕКТРАЛЬНЫХ  ПАРАМЕТРОВ  СИГНАЛОВ ……………………………………………...
42

4. ПЕРЕЧЕНЬ  ПРИБОРОВ И  ОБОРУДОВАНИЯ,  ИСПОЛЬЗОВАННЫХ  ПРИ  ПОДГОТОВКЕ  ПОСОБИЯ …………………….
44

4.1. Анализатор спектра «СК4-БЕЛАН 32» ……………………...
44

5. РИСУНКИ  ОСЦИЛЛОГРАММ  И  СПЕКТРОГРАММ  СИГНАЛОВ ……………………………………………………………….
49

6. ФОРМИРОВАНИЕ  СИГНАЛОВ ШИРОКОПОЛОСНОЙ  СИСТЕМЫ  СВЯЗИ ……………………………………………………..
55

7. СИГНАЛЫ  СИСТЕМ  БЕСПРОВОДНОЙ  СВЯЗИ …………….
65

8. СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЕ  СИГНАЛЫ ……………………
97

 

Содержание

4

9. МЕТОД  ФОРМИРОВАНИЯ  СВЕРХКОРОТКИХ  РАДИОИМПУЛЬСОВ ……………………………………………………….
108

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………...
116

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………….
117

ПРИЛОЖЕНИЯ ……………………………………………………..
120

Приложение А. Примеры разложения периодических функций 
в тригонометрический ряд ………………………………………..
120

Приложение Б. Примеры непериодических функций и их частотных спектров ………………………………………………….
121

Приложение В. Индикация режимов и положения органов 
управления на ЖКИ осциллографа GDS-810C ………………….
124

Приложение Г. Комментарии к надписям на экране анализатора 
спектра СКЧ-Белан 32 …………………………………………….
126

 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

f0 – частота периодического или несущего колебания модулирован
ных сигналов

Fм – частота модуляции
Fд – частота дискретизации в режиме создания СПФ
Fсвип. – частота свипирования сигнала в режиме ЛЧМ
fнач. – начальная частота свипирования
fкон. – конечная частота свипирования
f ц. ч. – центральная частота полосы обзора анализатора спектра
Fсл. – частота следования импульсной последовательности сигналов 

или кодовых комбинаций

τи – длительность импульсов
q – скважность импульсной последовательности сигналов или кодо
вых комбинаций

Tзап. – период следования синхроимпульсов
АМ, ЧМ, ФМ – соответственно амплитудная, частотная и фазовая 

модуляции

ЛЧМ – линейная ЧМ
m – индекс модуляции
Ψрад. – девиация фазы в радианах
∆f д – девиация частоты
СПФ – сигнал произвольной формы
ТВ тест-сигнал – телевизионный испытательный сигнал
ПАЛ, СЕКАМ – системы цветного телевидения
СШПС – сверхширокополосный сигнал
АОД – акустооптический дефлектор

 

 

Содержание

6

ВВЕДЕНИЕ

Уровень развития человеческого общества можно определять по 

степени развития систем передачи информации. Чем выше уровень развития общества, тем интенсивнее обменные процессы информацией в нем.

Информация есть свойство материи. Все процессы в природе и об
ществе связаны с передачей информации.

На ранних стадиях развития человеческого общества первобытные 

люди для обмена информацией использовали сначала звуки, жесты, далее 
речь. По мере развития человеческого общества росло и количество информации, которое использовалось человеком в повседневной жизни.

Во многих источниках информация определяется как сведения о ли
цах, предметах, фактах, событиях, явлениях и процессах независимо от 
формы их представления.

Человечество накапливало сведения – знания, которые необходимо 

было сохранять для последующих поколений. Это способствовало появлению наскальной живописи, потом письменности. Человек научился фиксировать и сохранять информацию на носителях – рисунки, надписи на различных физических объектах. И каждое новое приобретенное свойство, 
умение, знание человеком существенно расширяло его информационное 
поле, и как следствие, информационное взаимодействие.

Для передачи информации от источника до получателя используют 

сигналы. Сигнал – материальный носитель или физический процесс, отражающий (несущий) передаваемое сообщение.

В технических системах передачи информации применяются элек
трические сигналы – изменяющиеся во времени по закону передаваемого 
сообщения токи или напряжения. Сигнал, его параметры определяются количеством информации, которую он несет.

Сигналы распространяются по направляющим средам, образуя соот
ветствующие виды систем передачи информации:

−
проводам – проводные;

−
радиочастотным кабелям – кабельные;

−
волноводам – волноводные;

−
волоконно-оптическим линиям связи – волоконно-оптические;

 

Введение

7

−
в свободном (воздушном и безвоздушном) пространстве как элек
тромагнитные волны, радиосистемы и так далее.

С помощью технических средств человек формирует сигнал как пе
реносчик информации. Следовательно, сигнал имеет начало и конец во времени. Чем больший объем информации в единицу времени сигнал переносит, тем он более сложный, например, его параметры быстрее и в большем 
диапазоне значений изменяются.

Изменяющийся во времени физический процесс, несущий информа
цию, – первичный сигнал, как правило, непрерывен во времени. Для его 
преобразования в первичный электрический сигнал используют соответствующие преобразователи физического процесса в пропорционально изменяющиеся токи или напряжения. Например, акустические волны преобразуются в соответствующие им по информации электрические токи или 
напряжения с помощью микрофона. И теперь уже параметры электрического сигнала определяют передаваемое сообщение.

Создавая технические средства передачи информации, человек по
стоянно стремится к повышению их эффективности, которая характеризуется как качественными параметрами (верность передаваемого сообщения), так и количественными (скорость передачи информации). Как результат этого – постоянное развитие и усложнение типов сигналов.

Человечество познает мир от теории к практике. Практика является 

критерием истинности теории.

Теории сигналов посвящено большое множество работ как научного,

так и учебного плана [1–5]. Прежде чем осуществлять инженерную деятельность, будущий специалист в начале изучает теорию. Однако практические 
навыки должны формироваться в процессе обучения. В части, касающейся 
сигналов, это знания временного и спектрального представления сигналов и 
умения с помощью современных контрольно-измерительных приборов производить измерения временных и спектральных параметров сигналов.

Теория позволяет, зная временную функцию сигнала, рассчитать его 

спектр. Расчеты можно провести с помощью вычислительной техники. На 
практике, работая с конкретной аппаратурой, приходится использовать 
контрольно-измерительные приборы.

Авторы благодарят В. И. Черкасова, В. В. Тимонова за помощь в из
мерении спектральный и временных параметров радиосигналов.

Содержание

8

1. СИГНАЛЫ СИСТЕМ СВЯЗИ

1.1. Виды сигналов систем связи

Аналоговые системы связи – это системы связи, в которых все про
цессы: формирование, модуляция, преобразование, усиление и излучение 
сигнала в передающем устройстве; прием, фильтрация, усиление, преобразование, демодуляция в приемном устройстве, осуществляются в аналоговой форме.

Аналоговый сигнал – это непрерывный во времени сигнал. То есть 

область определения значений аналитической функции, описывающей сигнал во времени и ее аргумент – время, непрерывна.

Дискретный сигнал – сигнал, у которого область определения значе
ний аналитической функции, описывающей сигнал по времени, и ее аргумент – время, принимают ряд дискретных значений. При этом различают 
несколько видов дискретного сигнала:

−
дискретный по времени – область определения значений функ
ции – непрерывная величина, область определения значений аргумента 
(времени) – дискретная;

−
дискретный по амплитуде (значению функции) и непрерывный по 

времени (аргументу);

−
дискретный и по амплитуде, и по времени – цифровой сигнал.

Сигнал в радиотехнике – это изменяющиеся во времени токи и 

напряжения в соответствии с передаваемым сообщением. Первичный сигнал, получаемый как преобразование в определенном устройстве физического процесса, несущего информацию, в электрический процесс – ток или 
напряжение, носит всегда аналоговый, т.е. непрерывный характер в течение конечного интервала времени.

На практике наиболее часто используют аналитическую, графиче
скую и спектральную формы представления сигналов.

Аналитическая форма представления сигнала – представление сиг
нала в виде аналитической функции S(t), описывающей изменение сигнала во времени и являющейся математической моделью информационного сигнала.

 

1.1. Виды сигналов систем связи

9

В классе модулированных сигналов для анализа устройств и систем 

используют моногармоническую модель сигнала – модуляцию несущей частоты одним тоном (одной частотой).

Графическая форма представления сигнала – представление сигнала 

в виде графика в декартовой системе координат, где аргумент время, а 
функция – амплитуда сигнала. Контрольно-измерительные приборы, отображающие изменение амплитуды сигнала во времени, – осциллографы, 
формируют на экране изображение изменяющегося во времени сигнала –
осциллограммы.

Спектральная форма представления сигнала – представление сиг
нала в виде совокупности амплитуд спектральных составляющих сигнала.

Из математики известно, что любую временную функцию сложной 

формы можно представить в виде суммы более простых функций, которые 
называются базисными. Существует большое множество базисных функций, однако традиционно в радиотехнике используют базис гармонических 
функций. Гармонические функции имеют ряд практически важных особенностей. Они при прохождении через линейные цепи не изменяют форму, 
меняется только амплитуда в соответствии с коэффициентом передачи 
цепи, они довольно просто генерируются автогенераторами при формировании сигналов.

Спектр периодического сигнала S(t) находится путем его разложе
ния в ряд Фурье, при этом рассматривают амплитудный и фазовый спектры сигнала.

Амплитудный спектр представляется как дискретная функция 

Gn(ω) = f(nω1), n = 0; 1; 2;…, показывающая зависимость амплитуд гармоник от частоты.

Фазовый спектр – это функция ψn(ω) = f(nω1), показывающая, как 

зависят от частоты начальные фазы гармоник сигнала.

Амплитудный спектр измеряется анализатором спектра.
Аналоговые системы связи строятся по принципу частотного разде
ления каналов в многоканальных системах передачи информации, т.е. каждому каналу связи (передачи информации) выделяется своя центральная 
частота и необходимая для передачи сообщений полоса частот.

Эффективная полоса частот, занимаемая модулированным сигналом 

относительно несущей (центральной частоты спектра модулированного 

1. Сигналы систем связи

10

сигнала), определяется видом модуляции верхней граничной частотой 
спектра информационного сигнала. Перед модуляцией спектр информационного сигнала обычно ограничивают фильтром нижних частот.

В аналоговых системах связи применяют амплитудную (АМ), ча
стотную (ЧМ) и фазовую (ФМ) модуляции, а также их комбинации.

1.2. Спектральный анализ сигналов систем связи

Спектральный (частотный) анализ наряду с временным является ос
новным инструментом исследования различных физических процессов (явлений), в том числе электромагнитных колебаний. Спектральным представлениям и их практическому использованию в науке и технике посвящена обширная литература [1–10 и др.].

Измерение спектральных характеристик сигналов на практике осу
ществляется на основе различных методов спектрального анализа: фильтровый, цифровой, дисперсионный, акустооптический и др. Акустооптические измерители параметров радиосигналов обладают во многом уникальными техническими характеристиками и подробно описаны в литературе 
[11–16] и разд. 2 настоящего учебного пособия.

Спектральный анализ базируется на преобразованиях Фурье и из
вестном из теории колебаний разделении временных функций f(t) на периодические, непериодические и почти периодические.

Преобразования Фурье заключаются в возможности разложения вре
менных функций в тригонометрические ряды, когда любая несинусоидальная кривая может быть представлена в виде совокупности (ряда) синусоидальных колебаний, каждое со своей амплитудой, частотой и фазой. Именно 
такая совокупность гармонических колебаний и называется частотным спектром. Различают частотные спектры амплитуд и фаз функции f(t). В дальнейшем нас будут интересовать только амплитудные спектры.

Понятие о разложении Фурье является общеизвестным, а его матема
тические подробности можно найти в любом учебнике по теории сигналов.

Наиболее важные положения частотного анализа сводятся к следу
ющему.

1. В теории спектров рассматривают аналоговые фильтровые, циф
ровые и ряд других методов анализа [2].