Сигналы и процессы в электронике. В радиоэлектронике
 Скачать 2.48 Mb.
|
|
Ю. Б. Гимпилевич МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» СИГНАЛЫ И ПРОЦЕССЫ В РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ Учебное пособие Севастополь СевГУ 2019 УДК 621.396.1 ББК 32.841 Г48 Р е ц е н з е н т ы: И.Л. Афонин - доктор технических наук, профессор кафедры «Радиоэлектроника и телекоммуникации» Севастопольского государственного университета С.Р. Зиборов - кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиоэлектроника и телекоммуникации» Севастопольского государственного университета Гимпилевич Ю.Б. Г48 Сигналы и процессы в радиоэлектронике: учеб. пособие / Ю.Б. Гимпилевич. В учебном пособии рассмотрены основные теоретические разделы дисциплины, приведены примеры решения задач. Для студентов очной и заочной форм обучения высших учебных заведений радиоэлектронных и телекоммуникационных специальностей. УДК 621.396.1 ББК 32.841 Учебное пособие утверждено на заседании кафедры «Радиоэлектроника и телекоммуникации», протокол № 6 от 28 ноября 2018 г. Допущено ученым советом Института радиоэлектроники и информаци- онной безопасности СевГУ в качестве учебного пособия для студентов очной и заочной форм обучения, протокол № 4 от 6 декабря 2018 г. © ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», 2019 – Севастополь: СевГУ, 2019. – 247 с.: ил. 3 СОДЕРЖАНИЕ Принятые сокращения ...................................................................................... 9 Предисловие...................................................................................................... 10 1. Введение в радиоэлектронику .................................................................... 12 1.1. Основная задача радиоэлектроники ....................................................... 12 1.2. Основные радиоэлектронные процессы................................................. 12 1.3. Основные области применения радиоэлектроники............................... 18 2. Электрические сигналы и их характеристики ........................................ 20 2.1. Определение электрического сигнала.................................................... 20 2.2. Классификация сигналов ........................................................................ 20 2.3. Энергетические характеристики сигналов............................................. 26 2.4. Разложение сигнала по системе ортогональных функций.................... 31 2.5. Пример решения задачи .......................................................................... 32 3. Спектральный Фурье - анализ периодических сигналов ...................... 34 3.1. Определение спектра по Фурье и основные понятия............................ 34 3.2. Разложение периодического сигнала в комплексный ряд Фурье ......... 35 3.3. Ряд Фурье в тригонометрической форме ............................................... 38 3.4. Спектры чётных и нечётных функций времени .................................... 41 3.5. Распределение средней мощности периодического сигнала по спектру. Эффективная ширина спектра ....................................................................... 42 3.6. Спектр периодической последовательности импульсов прямоугольной формы.............................................................................................................. 43 3.7. Меандр и его спектр ................................................................................ 46 3.8. Пример решения задачи .......................................................................... 47 4 4. Спектральный Фурье - анализ непериодических сигналов .................. 51 4.1. Постановка задачи................................................................................... 51 4.2. Преобразование Фурье. Спектральная плотность сигнала ................... 52 4.3. Некоторые представления спектральной плотности ............................. 54 4.4. Обратное преобразование Фурье в тригонометрической форме.......... 55 4.5. Спектральная плотность чётных и нечётных функций времени .......... 56 4.6. Свойства спектральной плотности сигнала ........................................... 57 4.7. Распределение энергии в спектре непериодического сигнала. Эффективная ширина спектра ....................................................................... 63 4.8. Спектр одиночного импульса прямоугольной формы .......................... 64 4.9. Функция Дирака ( δ -функция) и её свойства .......................................... 67 4.10. Спектральная плотность постоянного напряжения............................. 70 4.11. Спектральная плотность гармонического колебания.......................... 71 4.12. Спектральная плотность произвольного периодического процесса .. 72 4.13. Взаимосвязь между спектрами одиночного импульса и сигнала, получаемого периодическим повторением этого импульса ........................ 73 4.14. Спектр пачки разновеликих прямоугольных импульсов .................... 74 4.15. Пример решения задачи ........................................................................ 76 5. Применение преобразования Лапласа для спектрального анализа..... 79 5.1. Постановка задачи................................................................................... 79 5.2. Преобразование Лапласа......................................................................... 79 5.3. Методика определения спектральной плотности .................................. 81 5.4. Методика определения оригинала по спектральной плотности ........... 81 5.5. Функция Хэвисайда и ее спектр ............................................................. 82 5.6. Спектральная плотность усечённого гармонического колебания ........ 84 5.7. Пример решения задачи .......................................................................... 86 6. Корреляционный анализ детерминированных сигналов ...................... 89 6.1. Автокорреляционная функция сигналов с конечной энергией ............ 89 6.2. Автокорреляционная функция прямоугольного импульса ................... 90 5 6.3. Автокорреляционная функция пачки импульсов .................................. 92 6.4. Автокорреляционная функция периодических сигналов...................... 94 6.5. Автокорреляционная функция гармонического колебания .................. 96 6.6. Взаимосвязь автокорреляционной функции и спектральной плотности детерминированного сигнала ........................................................................ 96 6.7. Взаимная корреляционная функция двух сигналов .............................. 97 6.8. Пример решения задачи .......................................................................... 99 7. Сигналы с ограниченным спектром и их свойства .............................. 102 7.1. Определение и критерии ограничения спектра ................................... 102 7.2. Идеальный низкочастотный сигнал ..................................................... 103 7.3. Проблема дискретизации аналогового сигнала ................................... 105 7.4. Теорема отсчетов................................................................................... 106 7.5. Спектр дискретного сигнала ................................................................. 109 7.6. Синтез аналогового сигнала по дискретным отсчетам ....................... 112 7.7. База сигнала с ограниченным спектром............................................... 114 7.8. Пример решения задачи ........................................................................ 115 8. Радиосигналы и их характеристики ....................................................... 117 8.1. Общие положения ................................................................................. 117 8.2. Понятие узкополосности радиосигналов ............................................. 118 8.3. Радиосигналы с амплитудной модуляцией.......................................... 119 8.4. Радиосигналы с угловой модуляцией................................................... 130 8.5. Радиоимпульс с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ).................. 139 8.6. Пример решения задачи ........................................................................ 143 9. Основы теории случайных процессов..................................................... 145 9.1. Основные характеристики случайных процессов ............................... 146 9.2. Некоторые законы распределения случайных процессов................... 152 9.3. Спектральный анализ случайных процессов ....................................... 155 9.4. Пример решения задачи ........................................................................ 162 6 10. Линейные радиоэлектронные цепи с постоянными параметрами... 164 10.1. Классификация цепей и основные определения................................ 164 10.2. Характеристики линейных цепей с постоянными параметрами ...... 165 10.3. Взаимосвязь характеристик линейной цепи ...................................... 169 10.4. Апериодические линейные цепи ........................................................ 172 10.5. Линейные частотно-избирательные (колебательные) цепи .............. 179 10.6. Пример решения задачи ...................................................................... 182 11. Методы расчета реакции линейной цепи ............................................. 185 11.1. Классический метод расчёта............................................................... 185 11.2. Спектральный метод расчета .............................................................. 187 11.3. Операторный метод расчета ............................................................... 188 11.4. Метод интеграла наложения ............................................................... 189 11.5. Приближенный метод расчета реакции узкополосной цепи на узкополосное воздействие (метод комплексной огибающей) ................... 190 11.6. Условия неискаженной передачи сигнала линейной цепью............. 192 11.7. Преобразование статистических характеристик случайного процесса линейной цепью ........................................................................................... 195 11.8. Пример решения задачи ...................................................................... 198 12. Прохождение детерминированных сигналов через линейные цепи .. 201 12.1. Прохождение видеоимпульса прямоугольной формы через цепь интегрирующего типа .................................................................................. 201 12.2. Прохождение видеоимпульса прямоугольной формы через цепь дифференцирующего типа........................................................................... 203 12.3. Прохождение видеоимпульса прямоугольной формы через апериодический усилитель .......................................................................... 204 12.4. Прохождение радиосигнала с амплитудной модуляцией через частотно-избирательную цепь..................................................................... 205 12.5. Прохождение радиосигнала с частотной модуляцией через частотно- избирательную цепь ..................................................................................... 209 7 12.6. Прохождение манипулированных радиосигналов через частотно- избирательную цепь ........................................................................................ 210 12.7. Пример решения задачи ........................................................................ 217 13. Обратная связь в активных линейных цепях. Устойчивость линейных цепей с обратной связью .......................................................... 219 13.1. Определение обратной связи ................................................................ 219 13.2. Передаточная функция усилителя c обратной связью ....................... 221 13.3. Проблема устойчивости активной линейной цепи ............................. 223 13.4. Критерий устойчивости Ляпунова ....................................................... 224 13.5. Критерий устойчивости по передаточной функции ........................... 225 13.6. Критерий устойчивости Рауса - Гурвица ............................................ 225 13.7. Частотный критерий устойчивости Михайлова ................................. 226 13.8. Частотный критерий устойчивости Найквиста ................................... 228 13.9. Устойчивость неинвертирующего усилителя с мостом Вина в цепи обратной связи ................................................................................................. 231 13.10. Пример решения задачи ...................................................................... 233 14. Собственные шумы радиоэлектронной аппаратуры .......................... 235 14.1. Классификация собственных шумов ................................................... 235 14.2. Характеристики дробового тока ........................................................... 236 14.3. Дробовый шум на выходе апериодического усилителя .................... 239 14.4. Дробовый шум на выходе резонансного усилителя ........................... 240 14.5. Пример решения задачи ........................................................................ 242 Приложение: таблица изображений и оригиналов по Лапласу .............. 244 Библиографический список ............................................................................ 247 8 ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ АД — амплитудный детектор АКФ — автокорреляционная функция АМ — амплитудная модуляция АЧХ — амплитудно-частотная характеристика ВЧ — высокая частота ИНЧ — идеальный низкочастотный сигнал ИХ — импульсная характеристика ККП — комплексный коэффициент передачи ЛЗ — линия задержки НЧ — низкая частота НБП — нижняя боковая полоса ВБП —верхняя боковая полоса ВКФ —Взаимная корреляционная функция ОЛФ — оптимальная линейная фильтрация ПХ — переходная характеристика ПЧ — промежуточная частота РГЗ — расчетно-графическое задание РЭА — радиоэлектронная аппаратура РЭС — радиоэлектронное средство СФ — согласованный фильтр ТАМ — тональная амплитудная модуляция ТУМ — тональная угловая модуляция 9 УВЧ — усилитель высокой частоты УЗЛ — ультразвуковая линия задержки УМ — угловая модуляция УН — усилитель напряжения УНЧ — усилитель низкой частоты УПЧ — усилитель промежуточной частоты УЧ — умножитель частоты ФВЧ — фильтр верхних частот ФД — фазовый детектор ФМ ― фазовая модуляция ФНЧ — фильтр нижних частот ФЧХ — фазо-частотная характеристика ЧД — частотный детектор ЧМ — частотная модуляция ЭМС — электромагнитная совместимость 10 ПРЕДИСЛОВИЕ Дисциплина «Сигналы и процессы в радиоэлектронике» играет важней- шую роль в системе подготовки специалистов радиоэлектронного профиля. В рамках этой дисциплины изучаются фундаментальные свойства сигналов, методы их обработки, преобразования и передачи по каналам связи. Целью данного методического пособия является оказание помощи сту- дентам очной и заочной форм обучения в изучении теоретической части дис- циплины, а также в получении ими практических навыков анализа характе- ристик сигналов и цепей в процессе выполнения расчетно-графического за- дания и лабораторного практикума. Изучение дисциплины базируется на знаниях, которые студенты полу- чили при изучении таких дисциплин, как «Высшая математика», «Физика», «Основы теории цепей». Основу учебного пособия составил лекционный курс, который разрабо- тан автором и используется в учебном процессе в Севастопольском государ- ственном университете. В учебном пособии рассмотрен следующий круг вопросов: — свойства детерминированных и случайных сигналов; — разложение детерминированных сигналов по ортогональному базису; — спектральный и корреляционный анализ детерминированных и слу- чайных сигналов; — основы теории дискретизации аналоговых сигналов; — характеристики и свойства узкополосных детерминированных и слу- чайных процессов; — характеристики линейных цепей с постоянными параметрами; — преобразование детерминированных и случайных сигналов в линей- 11 ных радиоэлектронных цепях; — прохождение радиосигналов с различными видами модуляции и ма- нипуляции через избирательные цепи; — теория устойчивости линейных радиоэлектронных цепей Автор выражает признательность рецензентам профессору Афонину И. Л. и доценту Зиборову С. Р. за полезные замечания и внимание, проявленные к учебному пособию. 12 1. ВВЕДЕНИЕ В РАДИОЭЛЕКТРОНИКУ 1.1. Основная задача радиоэлектроники Термин «радиоэлектроника» возник от латинского слова «radio», что в переводе означает «излучаю». Этот термин в полной мере определяет основ- ную задачу радиоэлетроники, которую сформулируем следующим образом. Основной задачей радиоэлектроники является передача информа- ции с помощью излучаемых электромагнитных волн. Основным признаком радиоэлектронных систем является наличие бес- проводного канала передачи информации. Термин «wireless» (беспроводный) является синонимом термина «radio» и часто используется применительно к радиоэлектронным системам и устройствам. Смежными для радиоэлектроники являются такие отрасли как инфо- коммуникации и электротехника. Следует помнить, что основные задачи, решаемые этими отраслями, отличаются от основной задачи радиоэлектро- ники. Основной задачей инфокоммуникаций является передача информации по любым линиям связи, в том числе и беспроводным. В этом смысле радио- электроника и инфокоммуникации являются родственными отраслями. Ос- новной задачей электротехники является передача электрической энергии, что существенно отличает эту отрасль от радиоэлектроники и инфокоммуни- каций. |