Теория радиотехнических сигналов
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Общенаучное знание и теории
Издательство:
Инфра-Инженерия
Автор:
Коптев Дмитрий Сергеевич
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 240
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-1570-5
Артикул: 815621.01.99
Рассматриваются основные вопросы теории детерминированных сигналов: спектральный и временной анализ немодулироваиных и модулированных сигналов, проблемы дискретизации аналоговых сигналов, методы формирования и основных преобразований сигналов, методы расширения спектра сигналов. Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств» и специальности 10.05.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем». Может быть полезно аспирантам и преподавателям вузов, специализирующимся в области разработки и эксплуатации радиотехнических систем передачи информации.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 11.03.02: Инфокоммуникационные технологии и системы связи
- 11.03.03: Конструирование и технология электронных средств
- ВО - Специалитет
- 10.05.02: Информационная безопасность телекоммуникационных систем
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
ǫǸDZǵǶǹǬǩ ǹǬǵǷǯȆǷǧǫǯǵǹǬǼǴǯǾǬǸDZǯǼǸǯǪǴǧDzǵǩ ǺȞȌȈȔȕȌȖȕȘȕȈȏȌ dzȕȘȑȉȇǩȕȒȕȊȋȇ ªǯȔțȗȇǯȔȍȌȔȌȗȏȦ«
УДК 621.396.669 ББК 32 К65 Рецензенты: доктор технических наук, главный научный сотрудник НИИЦ (г. Курск) «18 ЦНИИ» МО РФ А. С. Сизов; кандидат технических наук, начальник отдела АО «Авиаавтоматика» им. В. В. Тарасова Ю. А. Векленко Коптев, Д. С. К65 Теория радиотехнических сигналов : учебное пособие / Д. С. Коптев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 240 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-1570-5 Рассматриваются основные вопросы теории детерминированных сигналов: спектральный и временной анализ немодулированных и модулированных сигналов, проблемы дискретизации аналоговых сигналов, методы формирования и основных преобразований сигналов, методы расширения спектра сигналов. Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств» и специальности 10.05.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем». Может быть полезно аспирантам и преподавателям вузов, специализирующимся в области разработки и эксплуатации радиотехнических систем передачи информации. УДК 621.396.669 ББК 32 ISBN 978-5-9729-1570-5 Коптев Д. С., 2023 Юго-Западный государственный университет, 2023 Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ ...................................................................................... 5 СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ ................................................. 7 ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................. 9 1. ЭЛЕМЕНТЫ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ РАДИОТЕХНИКИ ......................... 12 1.1. Радиотехнические сигналы и системы ......................................... 14 1.2. Структурная схема системы передачи информации .................... 18 1.3. Классификация детерминированных сигналов и их основные характеристики .................................................... 23 Контрольные вопросы ........................................................................ 34 2. СПЕКТРАЛЬНЫЙ И КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ .................................................. 35 2.1. Обобщенный ряд Фурье и его свойства ....................................... 35 2.2. Гармонический спектральный анализ периодических сигналов ....................................................................................... 37 2.3. Гармонический спектральный анализ непериодических сигналов ....................................................................................... 52 2.4. Определение спектров некоторых сигналов ................................ 65 2.5. Корреляционный анализ сигналов ............................................... 76 2.6. Дискретизация и восстановление сигналов по теореме отсчетов (теореме Котельникова) ............................................................... 90 Контрольные вопросы ...................................................................... 101 3. РАДИОСИГНАЛЫ ........................................................................... 102 3.1. Общие сведения о радиосигналах .............................................. 102 3.2. Радиосигналы с амплитудной модуляцией ................................ 104 3.3. Радиосигналы с угловой модуляцией ......................................... 126 3.4. Импульсная модуляция .............................................................. 138 3.5. Характеристика и особенности технологии сверхширокополосной импульсной модуляции ........................ 144 Контрольные вопросы ...................................................................... 153 4. СИГНАЛЫ С ЦИФРОВЫМИ ВИДАМИ МОДУЛЯЦИИ ................ 154 4.1. Общая характеристика цифровых видов модуляции ................. 154 4.2. Цифровые сигналы с простыми видами модуляции .................. 157 4.3. Цифровые сигналы с многопозиционными видами модуляции .................................................................................. 177
Оглавление 4.4. Сигналы с многомерной ортогональной частотной модуляцией ................................................................................ 183 4.5. Сравнение сигналов с цифровыми видами модуляции .............. 196 Контрольные вопросы ...................................................................... 206 5. КОНЦЕПЦИЯ И МЕТОДЫ РАСШИРЕНИЯ СПЕКТРА СИГНАЛОВ ....................................................................... 207 5.1. Общая характеристика методов расширения спектра ............... 207 5.2. Сигналы с прямым расширением спектра ................................. 216 5.3. Метод псевдослучайной перестройки рабочей частоты ............ 220 Контрольные вопросы ...................................................................... 226 ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ .................... 227 ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................... 234 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .................................................. 236
ПРЕДИСЛОВИЕ Целью данного учебного пособия является базовая подготовка будущих специалистов в области радиотехники, необходимая для успешного изучения дисциплин профессионального цикла, а также формирование системы фундаментальных понятий, идей и методов в области радиотехнических сигналов, объединяющих физические представления с математическими моделями основных классов сигналов и устройств для их обработки. Содержание учебного пособия в полной мере охватывает следующий перечень вопросов: элементы общей теории радиотехнических сигналов и систем; спектральный и корреляционный анализ радиотехнических сигналов; подробное описание радиосигналов с амплитудной, частотной, фазовой и импульсной модуляцией, а также узкополосных радиосигналов; анализ цифровых видов манипуляции сигналов; методы расширения спектра радиосигналов. Содержание учебного пособия соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования направлений подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств» и специальности 10.05.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», рабочим программам соответствующих дисциплин и основным целям и задачам их освоения. Данное учебное пособие может быть использовано для изучения теоретических основ следующих дисциплин: «Теория электросвязи», «Физические основы передачи сигналов», «Теоретические основы радиотехники», «Сигнально-кодовые конструкции в системах мобильной связи». Дисциплины, связанные с анализом радиотехнических сигналов, являются неотъемлемой частью подготовки будущих специалистов в области радиотехники, радиоэлектроники и систем телекоммуникаций. Основной целью их изучения является овладение методами формирования и обработки радиотехнических сигналов, что необходимо
Предисловие для решения конкретных практических задач в области радиотехники, в частности, для создания современных радиотехнических систем, состоящих из большого количества различных устройств. Пособие является теоретической базой, позволяющей специалисту в области радиотехники и систем связи квалифицированно использовать и модернизировать современные телекоммуникационные системы. В данном учебном пособии рассматриваются основные вопросы теории детерминированных и случайных сигналов: спектральный и временной анализ немодулированных и модулированных сигналов, проблемы дискретизации аналоговых сигналов, методы формирования и основных преобразований сигналов, методы расширения спектра сигналов.
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ АБГШ аддитивный белый гауссовский шум АИМ амплитудно-импульсная модуляция АКФ автокорреляционная функция АМ амплитудная модуляция АМн амплитудная манипуляция АФМн амплитудно-фазовая манипуляция ВИМ временная импульсная модуляция ГКРЧ государственная комиссия по радиочастотам ГММС гауссовская модуляция с минимальным сдвигом частоты ИКМ импульсно-кодовая модуляция КАМ квадратурная амплитудная модуляция КПД коэффициент полезного действия ММС модуляция с минимальным сдвигом частоты ОСШ отношение сигнал/шум РТС радиотехническая система СПМ спектральная плотность мощности СРС средства радиосвязи СШПС сверхширокополосные сигналы УКВ ультракороткие волны УПЧ усилитель промежуточной частоты УВЧ усилитель высокой частоты УНЧ усилитель низкой частоты ФАПЧ фазовая автоподстройка частоты ФИМ фазоимпульсная модуляция ФМ фазовая модуляция ФНЧ фильтр низкой частоты ФМн фазовая манипуляция ЦЛС цифровые линии связи ЧИМ частотно-импульсная модуляция ЧМ частотная модуляция ЧМн частотная манипуляция ЧМНФ частотная манипуляция с непрерывной фазой ШИМ широтно-импульсная модуляция ЭИИМ эффективная изотропная излучаемая мощность ЭВМ электронно-вычислительная машина
Список принятых сокращений BPSK Binary Phase Shift Keying - двоичная фазовая манипуляция DBPSK Different Binary Phase Shift Keying - дифференциальная двоичная фазовая манипуляция DSSS Direct Sequence Spread Spectrum - широкополосная модуляция с прямым расширением спектра DQPSK Different Quadrature Phase Shift Keying - дифференциальная четырехпозионная фазовая манипуляция FCC Federal Communications Commission - Федеральная комиссия связи FHSS Frequency-Hopping Spread Spectrum - метод передачи информации, основанные на псевдослучайной перестройке рабочей частоты OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access - множественный доступ с ортогональным частотным разделением OQPSK Offset Quadrature Phase Shift Keying - четырехпозиционная фазовая манипуляция со сдвигом QPSK Quadrature Phase Shift Keying - четырехпозиционная фазовая манипуляция UWB Ultra-Wide Band - сверхширокополосная беспроводная технология связи
ВВЕДЕНИЕ В любой радиотехнической системе приходится иметь дело с сигналами, служащими для переноса информации между отдельными устройствами системы. Такие сигналы можно назвать информационными сигналами. В этих же системах всегда присутствуют сигналы, искажающие передаваемую информацию. Это могут быть сигналы других систем, накладывающиеся на информационные сигналы, либо шумовые сигналы, обусловленные физическими процессами в элементах самой системы. Примером таких шумовых сигналов может быть тепловой шум. В целом, как полезные информационные, так и искажающие сигналы относятся к категории случайных сигналов, значения которых в каждый конкретный момент времени можно определить лишь с некоторой вероятностью. При разработке, отладке и тестировании радиотехнических систем необходимо задавать полностью известные сигналы, с тем чтобы по результатам измерения сигналов, прошедших через устройства системы, можно было судить о правильности функционирования того или иного устройства или системы в целом. Это можно сделать, сравнивая измеренные сигналы с ожидаемыми сигналами. Кроме того, разработка любого электронного устройства включает в себя процесс анализа прохождения сигналов через это устройство. Анализ проводится с помощью моделей сигналов и устройств, описываемых некоторыми математическими функциями. Модели можно строить как в аналитическом виде, т. е. в виде формул и соотношений, так и в виде компьютерных моделей. Сигналы, используемые при моделировании, отладке и тестировании систем, относятся к классу детерминированных сигналов. Детерминированным называется сигнал, который можно полностью описать аналитической функцией, зависящей от времени или частоты. Детерминированные сигналы используются для описания реальных сигналов, действующих в радиотехнических системах. Детерминированные сигналы можно разделить на две группы: импульсные и периодические сигналы. Сигналы, обладающие конечной энергией, называются импульсными сигналами. При этом импульсные сигналы могут описываться как ограниченной на задан- ном интервале времени функцией, так и бесконечной функцией. Пе-
Введение риодические сигналы могут быть получены путем суммирования бесконечного числа импульсных сигналов, отстоящих друг от друга на одинаковый интервал времени, называемый периодом сигнала. Периодические сигналы обладают бесконечной энергией, поэтому для их характеристики пользуются средней мощностью сигнала за период. Детерминированные сигналы могут быть заданы в виде функции непрерывного аргумента времени (аналоговые сигналы). Если же сигнал задан только в дискретные моменты времени своими отсчётами, то такой сигнал называется дискретным сигналом. Сигнал может быть дискретным по своей природе либо быть получен из аналогового сигнала путем его дискретизации во времени. Таким образом, детерминированные сигналы в общем случае могут быть отнесены к одному из четырех типов сигналов, каждому из которых свойственно использование специфического математического аппарата для его описания: аналоговые импульсные сигналы, спектр которых определяется с помощью преобразования Фурье, а прохождение сигналов через линейную цепь во временной области описывается операцией свёртки; аналоговые периодические сигналы, спектр которых определяется с помощью ряда Фурье, а прохождение сигналов через линейную цепь во временной области описывается операцией циклической свёртки; дискретные импульсные сигналы, спектр которых определяется с помощью дискретного по времени преобразования Фурье, а прохождение сигналов через систему дискретного времени описывается операцией дискретной свёртки; дискретные периодические сигналы, спектр которых определяется с помощью дискретного преобразования Фурье, а прохождение сигналов через систему дискретного времени описывается операцией дискретной циклической свёртки. Анализ сигналов в радиотехнических системах заключается в определении временных и частотных характеристик этих сигналов. К ним относятся: временная функция сигнала, автокорреляционная функция сигнала, спектральная плотность или спектр сигнала, энергетический спектр или спектр мощности сигнала. По этим характеристикам можно определить параметры сигналов, главными из которых