РефератыИнформатика, программированиеСиСигналы и их характеристики

Сигналы и их характеристики

Тема: "Сигналы и их характеристики"

Сигнал

- физический процесс, отображающий сообщение. В технических системах чаще всего используются электрические сигналы. Сигналы, как правило, являются функциями времени.


1. Классификация сигналов

Сигналы можно классифицировать по различным признакам:


1. Непрерывные (

аналоговые) - сигналы, которые описываются непрерывными функциями времени, т.е. принимают непрерывное множество значений на интервале определения. Дискретные

- описываются дискретными функциями времени т.е. принимают конечное множество значений на интервале определения.


Детерминированные -

сигналы, которые описываются детерминированными функциями времени, т.е. значения которых определены в любой момент времени. Случайные -

описываются случайными функциями времени, т.е. значения которых в любой момент времени является случайной величиной. Случайные процессы (СП) можно классифицировать на стационарные, нестационарные, эргодические и неэргодические, а так же, гауссовы, марковские и т.д.


3. Периодические

- сигналы, значения которых повторяются через интервал, равный периоду


х (t) = х (t+nT),
где n
= 1,2,...,¥; T -
период.


4. Kаузальные -

сигналы, имеющие начало во времени.


5. Финитные -

сигналы конечной длительности и равные нулю вне интервала определения.


6. Когерентные

- сигналы, совпадающие во всех точках определения.


7. Ортогональные

- сигналы противоположные когерентным.


2. Характеристики сигналов

1. Длительность сигнала (

время передачи) Тс
- интервал времени, в течении которого существует сигнал.


2. Ширина спектра

Fc
- диапазон частот, в пределах которых сосредоточена основная мощность сигнала.


3. База сигнала

- произведение ширины спектра сигнала на его длительность.


4. Динамический диапазон

Dc
-
логарифм отношения максимальной мощности сигнала - Pmax
к минимальной - Pmin
(
минимально-различи-мая на уровне помех):


Dc
= log (Pmax
/Pmin
).


В выражениях, где может быть использованы логарифмы с любым основанием, основание логарифма не указывается.


Как правило, основание логарифма определяет единицу измерения (например: десятичный - [Бел], натуральный - [Непер]).


5. Объем сигнала

определяется соотношениемVc
= Tc
Fc
Dc
.


6. Энергетические характеристики:

мгновенная мощность - P (t);
средняя мощность - Pср
и энергия - E.
Эти характеристики определяются соотношениями:


P (
t) =
x2
(
t); ;
(1)


где T =
tmax
-
tmin
.


3. Математические модели случайных сигнлов

Детерминированное, т.е. заранее известное сообщение, не содержит информации, т.к получателю заранее известно, каким будет переда-ваемый сигнал. Поэтому сигналы носят статистический характер [11].


Случайный (стохастический, вероятностный) процесс - процесс, который описывается случайными функциями времени.


Случайный процесс Х (t)
может быть представлен ансамблем неслучайных функций времени xi
(t),
называемых реализациями или выборками (см. рис.1).





Рис.1. Реализации случайного процесса X (t)


Полной статистической характеристикой случайного процесса является n -
мерная функция распределения: Fn
(x1
, x2
,..., xn
; t1
, t2
,..., tn
),
или плотность вероятности fn
(x1
, x2
,..., xn
; t1
, t2
,..., tn
).


Использование многомерных законов связанно с определенными трудностями,поэтому часто ограничиваются использованием одномерных законов f1
(x, t),
характеризующих статистические характеристики случайного процесса в отдельные моменты времени, называемые сечениями случайного процесса или двумерных f2
(x1
, x2
; t1
, t2
),
характеризующих не только статистические характеристики отдельных сечений, но и их статистическую взаимосвязь.


Законы распределения являются исчерпывающими характеристиками случайного процесса, но случайные процессы могут быть достаточно полно охарактеризованы и с помощью, так называемых, числовых характеристик (начальных, центральных и смешанных моментов). При этом наиболее часто используются следующие характеристики: математическое ожидание (начальный момент первого порядка)


; (2)


средний квадрат (начальный момент второго порядка)


; (3)


дисперсия (центральный момент второго порядка)


; (4)


корреляционная функция, которая равна корреляционному моменту соответствующих сечений случайного процесса



. (5)


При этом справедливо следующее соотношение:


(6)


Стационарные процессы

- процессы, в которых числовые характеристики не зависят от времени.


Эргодические процессы

- процесс, в которых результат

ы усреднения и по множеству совпадают.


Гауссовы процессы

- процессы с нормальным законом распределения:


(7)


Этот закон играет исключительно важную роль в теории передачи сигналов, т.к большинство помех являются нормальными.


В соответствии с центральной предельной теоремой большинство случайных процессов являются гауссовыми.


Марковский процесс

- случайный процесс, у которых вероятность каждого последующего значения определяется только одним предыдущим значением.


4. Формы аналитического описания сигналов

Сигналы могут быть представлены во временной, операторной или частотной области, связь между которыми определяется с помощью преобразований Фурье и Лапласа (см. рис.2).


Преобразование Лапласа:


L: L-1
: (8)


Преобразования Фурье:


F: F-1
: (9)


L:



L-1:


F-1 : p=jw



F: jw=p


Рис.2 Области представления сигналов


При этом могут быть использованы различные формы представления сигналов с виде функций, векторов, матриц, геометрическое и т.д.


При описании случайных процессов во временной области используется, так называемая, корреляционная теория случайных процессов, а при описании в частотной области - спектральная теория случайных процессов.


С учетом четности функций и и в соответствии с формулами Эйлера:


(10)


можно записать выражения для корреляционной функции Rx
(
t)
и энергетического спектра (спектральной плотности) случайного процесса Sx
(
w),
которые связанны преобразованием Фурье или формулами Винера - Хинчина


; (11)


. (12)


5. Геометрическое представление сигналов и их характеристик

Любые n -
чисел можно представить в виде точки (вектора) в n
-мерном пространстве, удаленной от начала координат на расстоянии D
,


где . (
13)


Сигнал длительностью Tс
и шириной спектра Fс
, в соответствии с теоремой Котельникова определяется N
отсчетами, где N = 2Fc
Tc
.


Этот сигнал может быть представлен точкой в n - мерном пространстве или вектором, соединяющим эту точку с началом координат [5].


Длина этого вектора (норма) равна:


; (14)


где xi
=x (n
Dt) -
значение сигнала в момент времени t = n.
Dt.


Допустим: X
- передаваемое сообщение, а Y
- принимаемое. При этом они могут быть представлены векторами (рис.3).


X2 ,Y2



x2 X


d


y2 Y


g


X1 , Y1


0
a
1
a
2 x1 y1


Рис.3. Геометрическое представление сигналов


Определим связи между геометрическим и физическим представлением сигналов. Для угла между векторами X
и Y
можно записать


cos
g =
cos (
a1
-
a2
) =
cos
a1
cos
a2
+
sin
a1
sin
a2
=


= (
15)


Для N -
отсчетов:


cos
g
(16)


Найдем модуль формального вектора. Для этого рассмотрим кванто-ванный сигнал (рис. 4).





Рис. 4. График сигнала


Рис.4. График сигнала


Средняя мощность сигнала


.


Энергия сигнала


.


Энергия кванта


.


Энергию квантованного сигнала можно определить по формуле


.


При этом модуль сигнала равен


.


Взаимная корреляционная функция равна


.


При этом


.


Это нормированная корреляционная функция


Если g
= 90о
, то rxy (
t) = 0 - сигналы ортогональны, т.е. независимы;


Если g
= 0, то rxy (
t) = 1 - передаваемый сигнал равен принятому;


Вектор d
- характеризует (помеху) ошибку. Определим дисперсию ошибки:



По вектору ошибки определяют, допустима ли ее величина.


Список литературы

1. Hayes, M. H. Statistical Digital Signal Processing and Modeling. NewYork: JohnWiley & Sons, 1996.


2. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. для вузов по спец. "Радиотехника". - М.: Высш. шк., 2000.


3. Голд Б., Рэйдер Ч. Цифровая обработка сигналов / Пер. с англ., под ред.А.М. Трахтмана. - М., "Сов. радио", 1973, 368 с.


4. Гринченко А.Г. Теория информации и кодирование: Учебн. пособие. - Харьков: ХПУ, 2000.


5. Карташев В.Г. Основы теории дискретных сигналов и цифровых фильтров. - М.: Высш. шк., 1982.


6. Колесник В.Д., Полтырев Г.Ш. Курс теории информации. -М.: Наука, 1982.


7. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. - Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования. - СПб.: Политехника, 1999.


8. Марпл С.Л. Цифровой спектральный анализ. М.: Мир, 1990.


9. Рудаков П. И, Сафонов В.И. Обработка сигналов и изображений Matlab 5. x. Диалог-МИФИ. 2000.


10. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. - СПб.: Питер, 2002.

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Сигналы и их характеристики

Слов:1289
Символов:11339
Размер:22.15 Кб.