2.2 Сигналы электросвязи. Ширина полосы частот сигнала.
Практически все электрические сигналы, отображающие реальные сообщения содержат бесконечный спектр частот. Для неискажённой передачи таких сигналов потребовался бы канал с бесконечной полосой пропускания. С другой стороны, потеря на приёме хотя бы одной составляющей спектра приводит к искажению временной формы сигнала. Поэтому ставится задача передавать сигнал в ограниченной полосе пропускания канала таким образом, чтобы искажения сигнала удовлетворяли требованиям и качеству передачи информации. Таким образом, полоса частот – это ограниченный (исходя из технико-экономический соображений и требований к качеству передачи) спектр сигнала.
Ширина полосы частот ΔF определяется разностью между верхней FВ и нижней FН частотами в спектре сообщения, с учётом его ограничения. Так, для периодической последовательности прямоугольных импульсов полоса сигнала ориентировочно может быть найдена из выражения:
, где tn – длительность импульса.
Первичный телефонный сигнал (речевое сообщение), называемый также абонентским, является нестационарным случайным процессом с полосой частот от 80 до 12 000 Гц. Разборчивость речи определяется формантами (усиленные области спектра частот), большинство которых расположено в полосе 300 … 3400 Гц. Поэтому по рекомендации Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии (МККТТ) для телефонной передачи принята эффективно передаваемая полоса частот 300 … 3400 Гц. Такой сигнал называется сигналом тональной частоты (ТЧ). При этом качество передаваемых сигналов получается достаточно высоким – слоговая разборчивость составляет около 90%, а разборчивость фраз – 99% [3].
Сигналы звукового вещания. Источниками звука при передаче программ вещания являются музыкальные инструменты или голос человека. Спектр звукового сигнала занимает полосу частот 20…20000 Гц.
Для достаточно высокого качества (каналы вещания первого класса) полоса частот ∆FC должна составлять 50…10000 Гц, для безукоризненного воспроизводства программ вещания (каналы высшего класса) – 30…15000 Гц., второго класса – 100…6800 Гц [4].
В вещательном телевидении принят метод поочередного преобразования каждого элемента изображения в электрический сигнал с последующей передачей этого сигнала по одному каналу связи. Для реализации такого принципа на передающей стороне применяются специальные электронно-лучевые трубки, преобразующие оптическое изображение передаваемого объекта в развернутый во времени электрический видеосигнал.
Внутри стеклянной колбы, находящейся под высоким вакуумом, расположены полупрозрачный фотокатод (мишень) и электронный прожектор (ЭП). Снаружи на горловину трубки надета отклоняющая система (ОС). Прожектор формирует тонкий электронный луч, который под воздействием ускоряющего поля направляется к мишени. При помощи отклоняющей системы луч перемещается слева направо (по строкам) и сверху вниз (по кадру), обегая всю поверхность мишени. Совокупность всех (N) строк называется растром. На мишень трубки, покрытую светочувствительным слоем, проецируется изображение. В результате каждый элементарный участок мишени приобретает электрический заряд. Образуется так называемый потенциальный рельеф. Электронный луч, взаимодействуя с каждым участком (точкой) потенциального рельефа, как бы стирает (нейтрализует) ее потенциал. Ток, который течет через сопротивление нагрузки Rн, будет зависеть от освещенности участка мишени, на который попадает электронный луч, и на нагрузке выделится видеосигнал Uс (рисунок 2.2.2). Напряжение видеосигнала будет изменяться от уровня «черного», соответствующего наиболее темным участкам передаваемого изображения, до уровня «белого», соответствующего наиболее светлым участкам изображения [4].
Рисунок 2.2.2 – Форма телевизионного сигнала на временном интервале, где отсутствуют кадровые импульсы.
Если уровню «белого» будет соответствовать минимальное значение сигнала, а уровню «черного» – максимальное, то видеосигнал будет негативным (негативной полярности). Характер видеосигнала зависит от конструкции и принципа действия передающей трубки.
Телевизионный сигнал является импульсным однополярным (так как он является функцией яркости, которая не может быть разнополярной) сигналом. Он имеет сложную форму, и его можно представить в виде суммы постоянной и гармонических составляющих колебаний различных частот. Уровень постоянной составляющей характеризует среднюю яркость передаваемого изображения. При передаче подвижных изображений величина постоянной составляющей будет непрерывно меняться в соответствии с освещенностью. Эти изменения происходят с очень низкими частотами (0-3 Гц). С помощью нижних частот спектра видеосигнала воспроизводятся крупные детали изображения [4] .
Телевидение, равно как и световое кино, стало возможным благодаря инерционности зрения. Нервные окончания сетчатки глаза продолжают ещё какое-то время оставаться возбуждёнными после прекращения действия светового раздражителя. При частоте смены кадров Fк ≥ 50 Гц глаз не замечает прерывистости смены изображения. В телевидении время считывания всех N строк (время кадра – Tк) выбирается равным Tк = 
с. С целью уменьшения мерцания изображения используется чересстрочная развертка. Вначале за время полукадра, равное Тп/к = 
= 
с, считываются поочередно все нечетные строки, затем, за такое же время – все четные строки. Частота спектра видеосигнала получится при передаче изображения, представляющего собой сочетание светлой и темной половины растра (рисунок 2.2.4). Сигнал представляет собой импульсы близкие по форме к прямоугольной. Минимальная частота этого сигнала при чересстрочной развертке частоте полей, т.е.
Рисунок 2.2.3 – К определению минимальной частоты спектра частот телевизионного сигнала
С помощью верхних частот передаются наиболее мелкие детали изображения. Такое изображение можно представить в виде чередующихся по яркости мелких черных и белых квадратов со сторонами, равными диаметру луча (рисунок 2.2.4, а), расположенными вдоль строки. Такое изображение будет содержать максимальное количество элементов изображения.
Рисунок 2.2.4 – К определению максимальной частоты видеосигнала
Стандарт предусматривает разложение изображения в кадре на N = 625 строк. Время прочерчивания одной строки (рис. 2.2.4, б) будет равно 
. Меняющийся по строке сигнал получится когда чередуются чёрные и белые квадратики. Минимальный период сигнала будет равен времени считывания пары квадратов: 
, где nпар – число пар квадратов в строке.
Число квадратов (n) в строке будет равно:
,где 
– формат кадра (смотри рисунок 2.2.4, а), b – ширина, h – высота поля кадра.Тогда 
;
Формат кадра принимается равным к=4/3. Тогда верхняя частота сигнала Fв будет равна:
При передаче 25 кадров в секунду с 625 строками в каждом номинальное значение частоты разложения по строкам (частота строк) равно 15.625 кГц. Верхняя частота телевизионного сигнала будет равна 6.5 МГц.
Согласно принятому в нашей стране стандарту напряжение полного видеосигнала UТВ, состоящего из импульсов синхронизации UC, сигнала яркости и гасящих импульсов UP составляет UТВ = UP + UC =1В. При этом UC = 0.3 UТВ, а UP =0.7 UТВ. Как видно из рисунка 2.2.5 сигнал звукового сопровождения располагается выше по спектру (fнЗВ = 8 МГц) видеосигнала. Обычно сигнал видео передаётся посредством амплитудной модуляции (АМ), а сигнал звука – частотной (ЧМ) [4].
Иногда, в целях экономии полосы канала верхняя частота видеосигнала ограничивается значением Fв = 6.0 МГц, а несущая звука передаётся на частоте fнзв = 6.5 МГц.
Рисунок 2.2.5 – Размещение спектров сигналов изображения и звука в канале телевизионного вещания.
Факсимильные сигналы. Факсимильная (фототелеграфная) связь – это передача неподвижных изображений (рисунков, чертежей, фотографий, текстов, газетных полос и так далее). Устройство преобразования факсимильного сообщения (изображения) преобразовывает световой поток, отражаемый от изображения, в электрический сигнал (Рисунок 2.2.6)
Рисунок 2.2.6 Функциональная схема факсимильной связи
Где 1 – канал факсимильной связи; 2 – привод, синхронизирующие и фазирующие устройства; 3 – передающий барабан, на который помещается оригинал передаваемого изображения на бумажном носителе; ФЭП – фотоэлектронный преобразователь отражённого светового потока в электрический сигнал; ОС – оптическая система для формирования светового луча [5].
При передаче чередующихся по яркости элементов сигнал приобретает вид импульсной последовательности. Частоту следования импульсов в последовательности называют частотой рисунка. Максимального значения частота рисунка, Гц, достигает при передаче изображения, элементы и разделяющие их промежутки которого равны размерам развертывающего луча:
где τu – длительность импульса, с, равная длительности передачи элемента изображения, которую можно определить через параметры развертывающего устройства.
Так, если π·D – длина строки, а S – шаг развертки (диаметр развертывающего луча), то в строке π·D/S элементов. При N оборотах в минуту барабана, имеющего диаметр D, время передачи элемента изображения, измеряемое в секундах:
, 
(2.2.2)
Минимальная частота рисунка (при изменении по строке), Гц, будет при развертке изображения, содержащего по длине строки черную и белую полосы, равные по ширине половине длины строки. При этом:
Для выполнения удовлетворительной по качеству фототелеграфной связи достаточно передавать частоты от Fрис min до Fрис max. Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии рекомендует для факсимильных аппаратов N = 120, 90 и 60 об/мин; S = 0.15 мм; D = 70 мм. Из (2.2.2) и (2.2.3) следует, что при N = 120 Fрис max = 1466 Гц; Fрис min = 2 Гц; при N =60 Fрис max = 733 Гц; Fрис min = 1 Гц; Динамический диапазон факсимильного сигнала составляет 25 дБ [1].
Телеграфные сигналы и сигналы передачи данных. Сообщения и сигналы телеграфии и передачи данных относятся к дискретным.
Устройства преобразования телеграфных сообщений и данных представляют каждый знак сообщения (букву, цифру) в виде определённой комбинации импульсов и пауз одинаковой длительности [3]. Импульс соответствует наличию тока на выходе устройства преобразования, пауза – отсутствию тока.
Для передачи данных используют более сложные коды, которые позволяют обнаруживать и исправлять ошибки в принятой комбинации импульсов, возникающие от действия помех [6].
Устройства преобразования сигналов телеграфии и передачи данных в сообщения по принятым комбинациям импульсов и пауз восстанавливают в соответствии с таблицей кода знаки сообщения и выдают их на печатающее устройство или экран дисплея.
Чем меньше длительность импульсов, отображающих сообщения, тем больше их будет передано в единицу времени. Величина, обратная длительности импульса, называется скоростью телеграфирования: В = 1/τи, где τи – длительность импульса, с. Единицу скорости телеграфирования назвали бодом. При длительности импульса τи = 1 с скорость В = 1 Бод. В телеграфии используются импульсы длительностью 0.02 с, что соответствует стандартной скорости телеграфирования 50 Бод. Скорости передачи данных существенно выше (200, 600, 1200 Бод и более).
Сигналы телеграфии и передачи данных обычно имеют вид последовательностей прямоугольных импульсов (рисунок 2.1.4, а).
При передаче двоичных сигналов достаточно зафиксировать только знак импульса при двуполярном сигнале либо наличие или отсутствие – при однополярном сигнале. Импульсы можно уверенно зафиксировать, если для их передачи используется ширина полосы частот, численно равная скорости передачи в бодах. Для стандартной скорости телеграфирования 50 Бод ширина спектра телеграфного сигнала составит 50 Гц. При скорости 2400 Бод (среднескоростная система передачи данных) ширина спектра сигнала равна примерно 2400 Гц.
Средняя мощность сообщений РСР определяется путем усреднения результатов измерений за большой промежуток времени.
Средняя мощность, которую развивает случайный сигнал s(t) на резисторе сопротивлением 1 Ом:
Мощность, заключённую в конечной полосе частот между ω1 и ω2, определяют интегрированием функции G(ω) в соответствующих пределах:
Функция G(ω) представляет собой спектральную плотность средней мощности процесса, то есть мощность, заключённую в бесконечно малой полосе частот.
Для удобства расчетов мощность обычно дается в относительных единицах, выраженных в логарифмической форме (децибелах, дБ). В этом случае уровень мощности: , (2.2.4)
Если эталонная мощность РЭ=1 мВт, то рх называют абсолютным уровнем и выражают в дБм. С учетом этого абсолютный уровень средней мощности: , (2.2.5)
Пиковая мощность рпик (ε %) – это такое значение мощности сообщения, которое может превышаться в течение ε % времени. , (2.2.6)
Пик-фактор сигнала определяется отношением пиковой мощности к средней мощности сообщения, дБ,
, (2.2.7)
Из последнего выражения, поделив числитель и знаменатель на РЭ, с учетом (2.2.4) и (2.2.6) определим пик-фактор как разность абсолютных уровней пиковой и средней мощностей:
, (2.2.8)
Под динамическим диапазоном D (ε%) понимают отношение пиковой мощности к минимальной мощности сообщения Рmin. Динамический диапазон, как и пик-фактор, принято оценивать в дБ:
, (2.2.9)
Средняя мощность сигнала тональной частоты, измеренная в час наибольшей нагрузки (ЧНН), с учётом сигналов управления – набора номера, вызова и так далее – составляет 32 мкВт, что соответствует уровню (по сравнению с 1 мВт) pср = –15 дБм.Максимальная мощность телефонного сигнала, вероятность превышения которой мала, равна 2220 мкВт (что соответствует уровню +3.5 дБм); минимальная мощность сигнала, который еще слышен на фоне шумов, принята равной 220000 пВт (1 пВт = 10 -12 мВт), что соответствует уровню – 36. 5 дБм.
Средняя мощность РСР сигнала вещания (измеренная в точке с нулевым относительным уровнем) зависит от интервала усреднения и равна 923 мкВт при усреднении за час, 2230 мкВт – за минуту и 4500 мкВт – за секунду. Максимальная мощность сигнала вещания 8000 мкВт.
Динамический диапазон DC сигналов вещания составляет для речи диктора 25…35 дБ, для инструментального ансамбля 40…50 дБ, для симфонического оркестра до 65 дБ.
В соответствии с рекомендацией МККТТ мощность допустимых помех не должна превышать РП = 4000 пВт.
Первичные дискретные сигналы обычно имеют вид прямоугольных импульсов постоянного или переменного тока, как правило, с двумя разрешёнными состояниями (двоичные или двухпозиционные).
Скорость модуляции определяется количеством единичных элементов (элементарных посылок), передаваемых в единицу времени, и измеряется в бодах:
где τи – длительность элементарной посылки.
Скорость передачи информации определяется количеством информации, передаваемой в единицу времени, и измеряется в бит/с:
, (2.2.11)где М – число позиций сигнала.
В двоичных системах (М=2) каждый элемент несет 1 бит информации, поэтому согласно (2.1.10) и (2.2.11) [7]:Сmax =В, бит/с
2.2 Сигналы электросвязи. Ширина полосы частот сигнала.
Практически все электрические сигналы, отображающие реальные сообщения содержат бесконечный спектр частот. Для неискажённой передачи таких сигналов потребовался бы канал с бесконечной полосой пропускания. С другой стороны, потеря на приёме хотя бы одной составляющей спектра приводит к искажению временной формы сигнала. Поэтому ставится задача передавать сигнал в ограниченной полосе пропускания канала таким образом, чтобы искажения сигнала удовлетворяли требованиям и качеству передачи информации. Таким образом, полоса частот – это ограниченный (исходя из технико-экономический соображений и требований к качеству передачи) спектр сигнала.
Ширина полосы частот ΔF определяется разностью между верхней FВ и нижней FН частотами в спектре сообщения, с учётом его ограничения. Так, для периодической последовательности прямоугольных импульсов полоса сигнала ориентировочно может быть найдена из выражения:
, где tn – длительность импульса.
Первичный телефонный сигнал (речевое сообщение), называемый также абонентским, является нестационарным случайным процессом с полосой частот от 80 до 12 000 Гц. Разборчивость речи определяется формантами (усиленные области спектра частот), большинство которых расположено в полосе 300 … 3400 Гц. Поэтому по рекомендации Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии (МККТТ) для телефонной передачи принята эффективно передаваемая полоса частот 300 … 3400 Гц. Такой сигнал называется сигналом тональной частоты (ТЧ). При этом качество передаваемых сигналов получается достаточно высоким – слоговая разборчивость составляет около 90%, а разборчивость фраз – 99% [3].
Сигналы звукового вещания. Источниками звука при передаче программ вещания являются музыкальные инструменты или голос человека. Спектр звукового сигнала занимает полосу частот 20…20000 Гц.
Для достаточно высокого качества (каналы вещания первого класса) полоса частот ∆FC должна составлять 50…10000 Гц, для безукоризненного воспроизводства программ вещания (каналы высшего класса) – 30…15000 Гц., второго класса – 100…6800 Гц [4].
В вещательном телевидении принят метод поочередного преобразования каждого элемента изображения в электрический сигнал с последующей передачей этого сигнала по одному каналу связи. Для реализации такого принципа на передающей стороне применяются специальные электронно-лучевые трубки, преобразующие оптическое изображение передаваемого объекта в развернутый во времени электрический видеосигнал.
Внутри стеклянной колбы, находящейся под высоким вакуумом, расположены полупрозрачный фотокатод (мишень) и электронный прожектор (ЭП). Снаружи на горловину трубки надета отклоняющая система (ОС). Прожектор формирует тонкий электронный луч, который под воздействием ускоряющего поля направляется к мишени. При помощи отклоняющей системы луч перемещается слева направо (по строкам) и сверху вниз (по кадру), обегая всю поверхность мишени. Совокупность всех (N) строк называется растром. На мишень трубки, покрытую светочувствительным слоем, проецируется изображение. В результате каждый элементарный участок мишени приобретает электрический заряд. Образуется так называемый потенциальный рельеф. Электронный луч, взаимодействуя с каждым участком (точкой) потенциального рельефа, как бы стирает (нейтрализует) ее потенциал. Ток, который течет через сопротивление нагрузки Rн, будет зависеть от освещенности участка мишени, на который попадает электронный луч, и на нагрузке выделится видеосигнал Uс (рисунок 2.2.2). Напряжение видеосигнала будет изменяться от уровня «черного», соответствующего наиболее темным участкам передаваемого изображения, до уровня «белого», соответствующего наиболее светлым участкам изображения [4].
Рисунок 2.2.2 – Форма телевизионного сигнала на временном интервале, где отсутствуют кадровые импульсы.
Если уровню «белого» будет соответствовать минимальное значение сигнала, а уровню «черного» – максимальное, то видеосигнал будет негативным (негативной полярности). Характер видеосигнала зависит от конструкции и принципа действия передающей трубки.
Телевизионный сигнал является импульсным однополярным (так как он является функцией яркости, которая не может быть разнополярной) сигналом. Он имеет сложную форму, и его можно представить в виде суммы постоянной и гармонических составляющих колебаний различных частот. Уровень постоянной составляющей характеризует среднюю яркость передаваемого изображения. При передаче подвижных изображений величина постоянной составляющей будет непрерывно меняться в соответствии с освещенностью. Эти изменения происходят с очень низкими частотами (0-3 Гц). С помощью нижних частот спектра видеосигнала воспроизводятся крупные детали изображения [4] .
Телевидение, равно как и световое кино, стало возможным благодаря инерционности зрения. Нервные окончания сетчатки глаза продолжают ещё какое-то время оставаться возбуждёнными после прекращения действия светового раздражителя. При частоте смены кадров Fк ≥ 50 Гц глаз не замечает прерывистости смены изображения. В телевидении время считывания всех N строк (время кадра – Tк) выбирается равным Tк = 
с. С целью уменьшения мерцания изображения используется чересстрочная развертка. Вначале за время полукадра, равное Тп/к = 
= 
с, считываются поочередно все нечетные строки, затем, за такое же время – все четные строки. Частота спектра видеосигнала получится при передаче изображения, представляющего собой сочетание светлой и темной половины растра (рисунок 2.2.4). Сигнал представляет собой импульсы близкие по форме к прямоугольной. Минимальная частота этого сигнала при чересстрочной развертке частоте полей, т.е.
Рисунок 2.2.3 – К определению минимальной частоты спектра частот телевизионного сигнала
С помощью верхних частот передаются наиболее мелкие детали изображения. Такое изображение можно представить в виде чередующихся по яркости мелких черных и белых квадратов со сторонами, равными диаметру луча (рисунок 2.2.4, а), расположенными вдоль строки. Такое изображение будет содержать максимальное количество элементов изображения.
Рисунок 2.2.4 – К определению максимальной частоты видеосигнала
Стандарт предусматривает разложение изображения в кадре на N = 625 строк. Время прочерчивания одной строки (рис. 2.2.4, б) будет равно 
. Меняющийся по строке сигнал получится когда чередуются чёрные и белые квадратики. Минимальный период сигнала будет равен времени считывания пары квадратов: 
, где nпар – число пар квадратов в строке.
Число квадратов (n) в строке будет равно:
,где 
– формат кадра (смотри рисунок 2.2.4, а), b – ширина, h – высота поля кадра.Тогда 
;
Формат кадра принимается равным к=4/3. Тогда верхняя частота сигнала Fв будет равна:
При передаче 25 кадров в секунду с 625 строками в каждом номинальное значение частоты разложения по строкам (частота строк) равно 15.625 кГц. Верхняя частота телевизионного сигнала будет равна 6.5 МГц.
Согласно принятому в нашей стране стандарту напряжение полного видеосигнала UТВ, состоящего из импульсов синхронизации UC, сигнала яркости и гасящих импульсов UP составляет UТВ = UP + UC =1В. При этом UC = 0.3 UТВ, а UP =0.7 UТВ. Как видно из рисунка 2.2.5 сигнал звукового сопровождения располагается выше по спектру (fнЗВ = 8 МГц) видеосигнала. Обычно сигнал видео передаётся посредством амплитудной модуляции (АМ), а сигнал звука – частотной (ЧМ) [4].
Иногда, в целях экономии полосы канала верхняя частота видеосигнала ограничивается значением Fв = 6.0 МГц, а несущая звука передаётся на частоте fнзв = 6.5 МГц.
Рисунок 2.2.5 – Размещение спектров сигналов изображения и звука в канале телевизионного вещания.
Факсимильные сигналы. Факсимильная (фототелеграфная) связь – это передача неподвижных изображений (рисунков, чертежей, фотографий, текстов, газетных полос и так далее). Устройство преобразования факсимильного сообщения (изображения) преобразовывает световой поток, отражаемый от изображения, в электрический сигнал (Рисунок 2.2.6)
Рисунок 2.2.6 Функциональная схема факсимильной связи
Где 1 – канал факсимильной связи; 2 – привод, синхронизирующие и фазирующие устройства; 3 – передающий барабан, на который помещается оригинал передаваемого изображения на бумажном носителе; ФЭП – фотоэлектронный преобразователь отражённого светового потока в электрический сигнал; ОС – оптическая система для формирования светового луча [5].
При передаче чередующихся по яркости элементов сигнал приобретает вид импульсной последовательности. Частоту следования импульсов в последовательности называют частотой рисунка. Максимального значения частота рисунка, Гц, достигает при передаче изображения, элементы и разделяющие их промежутки которого равны размерам развертывающего луча:
где τu – длительность импульса, с, равная длительности передачи элемента изображения, которую можно определить через параметры развертывающего устройства.
Так, если π·D – длина строки, а S – шаг развертки (диаметр развертывающего луча), то в строке π·D/S элементов. При N оборотах в минуту барабана, имеющего диаметр D, время передачи элемента изображения, измеряемое в секундах:
, 
(2.2.2)
Минимальная частота рисунка (при изменении по строке), Гц, будет при развертке изображения, содержащего по длине строки черную и белую полосы, равные по ширине половине длины строки. При этом:
Для выполнения удовлетворительной по качеству фототелеграфной связи достаточно передавать частоты от Fрис min до Fрис max. Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии рекомендует для факсимильных аппаратов N = 120, 90 и 60 об/мин; S = 0.15 мм; D = 70 мм. Из (2.2.2) и (2.2.3) следует, что при N = 120 Fрис max = 1466 Гц; Fрис min = 2 Гц; при N =60 Fрис max = 733 Гц; Fрис min = 1 Гц; Динамический диапазон факсимильного сигнала составляет 25 дБ [1].
Телеграфные сигналы и сигналы передачи данных. Сообщения и сигналы телеграфии и передачи данных относятся к дискретным.
Устройства преобразования телеграфных сообщений и данных представляют каждый знак сообщения (букву, цифру) в виде определённой комбинации импульсов и пауз одинаковой длительности [3]. Импульс соответствует наличию тока на выходе устройства преобразования, пауза – отсутствию тока.
Для передачи данных используют более сложные коды, которые позволяют обнаруживать и исправлять ошибки в принятой комбинации импульсов, возникающие от действия помех [6].
Устройства преобразования сигналов телеграфии и передачи данных в сообщения по принятым комбинациям импульсов и пауз восстанавливают в соответствии с таблицей кода знаки сообщения и выдают их на печатающее устройство или экран дисплея.
Чем меньше длительность импульсов, отображающих сообщения, тем больше их будет передано в единицу времени. Величина, обратная длительности импульса, называется скоростью телеграфирования: В = 1/τи, где τи – длительность импульса, с. Единицу скорости телеграфирования назвали бодом. При длительности импульса τи = 1 с скорость В = 1 Бод. В телеграфии используются импульсы длительностью 0.02 с, что соответствует стандартной скорости телеграфирования 50 Бод. Скорости передачи данных существенно выше (200, 600, 1200 Бод и более).
Сигналы телеграфии и передачи данных обычно имеют вид последовательностей прямоугольных импульсов (рисунок 2.1.4, а).
При передаче двоичных сигналов достаточно зафиксировать только знак импульса при двуполярном сигнале либо наличие или отсутствие – при однополярном сигнале. Импульсы можно уверенно зафиксировать, если для их передачи используется ширина полосы частот, численно равная скорости передачи в бодах. Для стандартной скорости телеграфирования 50 Бод ширина спектра телеграфного сигнала составит 50 Гц. При скорости 2400 Бод (среднескоростная система передачи данных) ширина спектра сигнала равна примерно 2400 Гц.
Средняя мощность сообщений РСР определяется путем усреднения результатов измерений за большой промежуток времени.
Средняя мощность, которую развивает случайный сигнал s(t) на резисторе сопротивлением 1 Ом:
Мощность, заключённую в конечной полосе частот между ω1 и ω2, определяют интегрированием функции G(ω) в соответствующих пределах:
Функция G(ω) представляет собой спектральную плотность средней мощности процесса, то есть мощность, заключённую в бесконечно малой полосе частот.
Для удобства расчетов мощность обычно дается в относительных единицах, выраженных в логарифмической форме (децибелах, дБ). В этом случае уровень мощности: , (2.2.4)
Если эталонная мощность РЭ=1 мВт, то рх называют абсолютным уровнем и выражают в дБм. С учетом этого абсолютный уровень средней мощности: , (2.2.5)
Пиковая мощность рпик (ε %) – это такое значение мощности сообщения, которое может превышаться в течение ε % времени. , (2.2.6)
Пик-фактор сигнала определяется отношением пиковой мощности к средней мощности сообщения, дБ,
, (2.2.7)
Из последнего выражения, поделив числитель и знаменатель на РЭ, с учетом (2.2.4) и (2.2.6) определим пик-фактор как разность абсолютных уровней пиковой и средней мощностей:
, (2.2.8)
Под динамическим диапазоном D (ε%) понимают отношение пиковой мощности к минимальной мощности сообщения Рmin. Динамический диапазон, как и пик-фактор, принято оценивать в дБ:
, (2.2.9)
Средняя мощность сигнала тональной частоты, измеренная в час наибольшей нагрузки (ЧНН), с учётом сигналов управления – набора номера, вызова и так далее – составляет 32 мкВт, что соответствует уровню (по сравнению с 1 мВт) pср = –15 дБм.Максимальная мощность телефонного сигнала, вероятность превышения которой мала, равна 2220 мкВт (что соответствует уровню +3.5 дБм); минимальная мощность сигнала, который еще слышен на фоне шумов, принята равной 220000 пВт (1 пВт = 10 -12 мВт), что соответствует уровню – 36. 5 дБм.
Средняя мощность РСР сигнала вещания (измеренная в точке с нулевым относительным уровнем) зависит от интервала усреднения и равна 923 мкВт при усреднении за час, 2230 мкВт – за минуту и 4500 мкВт – за секунду. Максимальная мощность сигнала вещания 8000 мкВт.
Динамический диапазон DC сигналов вещания составляет для речи диктора 25…35 дБ, для инструментального ансамбля 40…50 дБ, для симфонического оркестра до 65 дБ.
В соответствии с рекомендацией МККТТ мощность допустимых помех не должна превышать РП = 4000 пВт.
Первичные дискретные сигналы обычно имеют вид прямоугольных импульсов постоянного или переменного тока, как правило, с двумя разрешёнными состояниями (двоичные или двухпозиционные).
Скорость модуляции определяется количеством единичных элементов (элементарных посылок), передаваемых в единицу времени, и измеряется в бодах:
где τи – длительность элементарной посылки.
Скорость передачи информации определяется количеством информации, передаваемой в единицу времени, и измеряется в бит/с:
, (2.2.11)где М – число позиций сигнала.
В двоичных системах (М=2) каждый элемент несет 1 бит информации, поэтому согласно (2.1.10) и (2.2.11) [7]:Сmax =В, бит/с
2. Сигналы электросвязи. Ширина полосы частот сигнала.
Практически все электрические сигналы, отображающие реальные сообщения содержат бесконечный спектр частот. Для неискажённой передачи таких сигналов потребовался бы канал с бесконечной полосой пропускания. С другой стороны, потеря на приёме хотя бы одной составляющей спектра приводит к искажению временной формы сигнала. Поэтому ставится задача передавать сигнал в ограниченной полосе пропускания канала таким образом, чтобы искажения сигнала удовлетворяли требованиям и качеству передачи информации. Таким образом, полоса частот – это ограниченный (исходя из технико-экономический соображений и требований к качеству передачи) спектр сигнала.
Ширина полосы частот ΔF определяется разностью между верхней FВ и нижней FН частотами в спектре сообщения, с учётом его ограничения. Так, для периодической последовательности прямоугольных импульсов полоса сигнала ориентировочно может быть найдена из выражения:
, (2.1)
где tn – длительность импульса.
1.Первичный телефонный сигнал (речевое сообщение), называемый также абонентским, является нестационарным случайным процессом с полосой частот от 80 до 12 000 Гц. Разборчивость речи определяется формантами (усиленные области спектра частот), большинство которых расположено в полосе 300 … 3400 Гц. Поэтому по рекомендации Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии (МККТТ) для телефонной передачи принята эффективно передаваемая полоса частот 300 … 3400 Гц. Такой сигнал называется сигналом тональной частоты (ТЧ). При этом качество передаваемых сигналов получается достаточно высоким – слоговая разборчивость составляет около 90%, а разборчивость фраз – 99% [3].
2.Сигналы звукового вещания. Источниками звука при передаче программ вещания являются музыкальные инструменты или голос человека. Спектр звукового сигнала занимает полосу частот 20…20000 Гц.
Для достаточно высокого качества (каналы вещания первого класса) полоса частот ∆FC должна составлять 50…10000 Гц, для безукоризненного воспроизводства программ вещания (каналы высшего класса) – 30…15000 Гц., второго класса – 100…6800 Гц [2].
3. В вещательном телевидении принят метод поочередного преобразования каждого элемента изображения в электрический сигнал с последующей передачей этого сигнала по одному каналу связи. Для реализации такого принципа на передающей стороне применяются специальные электронно-лучевые трубки, преобразующие оптическое изображение передаваемого объекта в развернутый во времени электрический видеосигнал.
Рисунок 2.1 – Конструкция передающей трубки
В качестве примера на рисунке 2.1 представлен в упрощенном виде один из вариантов передающей трубки. Внутри стеклянной колбы, находящейся под высоким вакуумом, расположены полупрозрачный фотокатод (мишень) и электронный прожектор (ЭП). Снаружи на горловину трубки надета отклоняющая система (ОС). Прожектор формирует тонкий электронный луч, который под воздействием ускоряющего поля направляется к мишени. При помощи отклоняющей системы луч перемещается слева направо (по строкам) и сверху вниз (по кадру), обегая всю поверхность мишени. Совокупность всех (N) строк называется растром. На мишень трубки, покрытую светочувствительным слоем, проецируется изображение. В результате каждый элементарный участок мишени приобретает электрический заряд. Образуется так называемый потенциальный рельеф. Электронный луч, взаимодействуя с каждым участком (точкой) потенциального рельефа, как бы стирает (нейтрализует) ее потенциал. Ток, который течет через сопротивление нагрузки Rн, будет зависеть от освещенности участка мишени, на который попадает электронный луч, и на нагрузке выделится видеосигнал Uс (рисунок 2.2). Напряжение видеосигнала будет изменяться от уровня «черного», соответствующего наиболее темным участкам передаваемого изображения, до уровня «белого», соответствующего наиболее светлым участкам изображения.
Рисунок 2.2 – Форма телевизионного сигнала на временном интервале, где отсутствуют кадровые импульсы.
Если уровню «белого» будет соответствовать минимальное значение сигнала, а уровню «черного» – максимальное, то видеосигнал будет негативным (негативной полярности). Характер видеосигнала зависит от конструкции и принципа действия передающей трубки.
Телевизионный сигнал является импульсным однополярным (так как он является функцией яркости, которая не может быть разнополярной) сигналом. Он имеет сложную форму, и его можно представить в виде суммы постоянной и гармонических составляющих колебаний различных частот. Уровень постоянной составляющей характеризует среднюю яркость передаваемого изображения. При передаче подвижных изображений величина постоянной составляющей будет непрерывно меняться в соответствии с освещенностью. Эти изменения происходят с очень низкими частотами (0-3 Гц). С помощью нижних частот спектра видеосигнала воспроизводятся крупные детали изображения.
Телевидение, равно как и световое кино, стало возможным благодаря инерционности зрения. Нервные окончания сетчатки глаза продолжают ещё какое-то время оставаться возбуждёнными после прекращения действия светового раздражителя. При частоте смены кадров Fк ≥ 50 Гц глаз не замечает прерывистости смены изображения. В телевидении время считывания всех N строк (время кадра – Tк) выбирается равным Tк = 
с. С целью уменьшения мерцания изображения используется чересстрочная развертка. Вначале за время полукадра, равное Тп/к = 
= 
с, считываются поочередно все нечетные строки, затем, за такое же время – все четные строки. Частота спектра видеосигнала получится при передаче изображения, представляющего собой сочетание светлой и темной половины растра (рисунок 2.3). Сигнал представляет собой импульсы близкие по форме к прямоугольной. Минимальная частота этого сигнала при чересстрочной развертке частоте полей, т.е.
(2.2)
Рисунок 2.3 – К определению минимальной частоты спектра частот телевизионного сигнала
С помощью верхних частот передаются наиболее мелкие детали изображения. Такое изображение можно представить в виде чередующихся по яркости мелких черных и белых квадратов со сторонами, равными диаметру луча (рисунок 2.4, а), расположенными вдоль строки. Такое изображение будет содержать максимальное количество элементов изображения.
Рисунок 2.4 – К определению максимальной частоты видеосигнала
Стандарт предусматривает разложение изображения в кадре на N = 625 строк. Время прочерчивания одной строки (рис. 2.4, б) будет равно . Меняющийся по строке сигнал получится, когда чередуются чёрные и белые квадратики. Минимальный период сигнала будет равен времени считывания пары квадратов:
, (2.3)
где nпар – число пар квадратов в строке.
Число квадратов (n) в строке будет равно:
(2.4)
где – формат кадра,
b – ширина, h – высота поля кадра.
Тогда ; (2.5)
Формат кадра принимается равным к=4/3. Тогда верхняя частота сигнала Fв будет равна:
(2.6)
При передаче 25 кадров в секунду с 625 строками в каждом номинальное значение частоты разложения по строкам (частота строк) равно 15.625 кГц. Верхняя частота телевизионного сигнала будет равна 6.5 МГц.
Согласно принятому в нашей стране стандарту напряжение полного видеосигнала UТВ, состоящего из импульсов синхронизации UC, сигнала яркости и гасящих импульсов UP составляет UТВ = UP + UC=1В. При этом UC = 0.3 UТВ, а UP =0.7 UТВ. Как видно из рисунка 2.10 сигнал звукового сопровождения располагается выше по спектру (fнЗВ = 8 МГц) видеосигнала. Обычно сигнал видео передаётся посредством амплитудной модуляции (АМ), а сигнал звука – частотной (ЧМ).
Иногда, в целях экономии полосы канала верхняя частота видеосигнала ограничивается значением Fв = 6.0 МГц, а несущая звука передаётся на частоте fнзв = 6.5 МГц.
Рисунок 2.5 – Размещение спектров сигналов изображения и звука в радиоканале телевизионного вещания.
3. Факсимильные сигналы. Факсимильная (фототелеграфная) связь – это передача неподвижных изображений (рисунков, чертежей, фотографий, текстов, газетных полос и так далее). Устройство преобразования факсимильного сообщения (изображения) преобразовывает световой поток, отражаемый от изображения, в электрический сигнал (Рисунок 2.1)
Рисунок 3.1 — Функциональная схема факсимильной связи
Где 1 – канал факсимильной связи; 2 – привод, синхронизирующие и фазирующие устройства; 3 – передающий барабан, на который помещается оригинал передаваемого изображения на бумажном носителе; ФЭП – фотоэлектронный преобразователь отражённого светового потока в электрический сигнал; ОС – оптическая система для формирования светового луча.
При передаче чередующихся по яркости элементов сигнал приобретает вид импульсной последовательности. Частоту следования импульсов в последовательности называют частотой рисунка. Максимального значения частота рисунка, Гц, достигает при передаче изображения, элементы и разделяющие их промежутки которого равны размерам развертывающего луча:
где τu – длительность импульса, равная длительности передачи элемента изображения, которую можно определить через параметры развертывающего устройства.
Так, если π·D – длина строки, а S – шаг развертки (диаметр развертывающего луча), то в строке π·D/S элементов. При N оборотах в минуту барабана, имеющего диаметр D, время передачи элемента изображения, измеряемое в секундах:
, 
(3.2)
Минимальная частота рисунка (при изменении по строке), Гц, будет при развертке изображения, содержащего по длине строки черную и белую полосы, равные по ширине половине длины строки. При этом
Для выполнения удовлетворительной по качеству фототелеграфной связи достаточно передавать частоты от Fрис min до Fрис max. Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии рекомендует для факсимильных аппаратов N = 120, 90 и 60 об/мин; S = 0.15 мм; D = 70 мм. Из (2.13) и (2.14) следует, что при N = 120 Fрис max = 1466 Гц; Fрис min = 2 Гц; при N =60 Fрис max= 733 Гц; Fрис min = 1 Гц; Динамический диапазон факсимильного сигнала составляет 25 дБ.
Телеграфные сигналы и сигналы передачи данных. Сообщения и сигналы телеграфии и передачи данных относятся к дискретным.
Устройства преобразования телеграфных сообщений и данных представляют каждый знак сообщения (букву, цифру) в виде определённой комбинации импульсов и пауз одинаковой длительности. Импульс соответствует наличию тока на выходе устройства преобразования, пауза – отсутствию тока.
Для передачи данных используют более сложные коды, которые позволяют обнаруживать и исправлять ошибки в принятой комбинации импульсов, возникающие от действия помех.
Устройства преобразования сигналов телеграфии и передачи данных в сообщения по принятым комбинациям импульсов и пауз восстанавливают в соответствии с таблицей кода знаки сообщения и выдают их на печатающее устройство или экран дисплея.
Чем меньше длительность импульсов, отображающих сообщения, тем больше их будет передано в единицу времени. Величина, обратная длительности импульса, называется скоростью телеграфирования: В = 1/τи, где τи – длительность импульса, с. Единицу скорости телеграфирования назвали бодом. При длительности импульса τи = 1 с скорость В = 1 Бод. В телеграфии используются импульсы длительностью 0.02 с, что соответствует стандартной скорости телеграфирования 50 Бод. Скорости передачи данных существенно выше (200, 600, 1200 Бод и более).
Сигналы телеграфии и передачи данных обычно имеют вид последовательностей прямоугольных импульсов (рисунок 1.4).
При передаче двоичных сигналов достаточно зафиксировать только знак импульса при двуполярном сигнале либо наличие или отсутствие – при однополярном сигнале. Импульсы можно уверенно зафиксировать, если для их передачи используется ширина полосы частот, численно равная скорости передачи в бодах. Для стандартной скорости телеграфирования 50 Бод ширина спектра телеграфного сигнала составит 50 Гц. При скорости 2400 Бод (среднескоростная система передачи данных) ширина спектра сигнала равна примерно 2400 Гц.
Средняя мощность сообщений РСР определяется путем усреднения результатов измерений за большой промежуток времени.
Средняя мощность, которую развивает случайный сигнал s(t) на резисторе сопротивлением 1 Ом:
(3.4)
Мощность, заключённую в конечной полосе частот между ω1 и ω2, определяют интегрированием функции G(ω) β соответствующих пределах:
(3.5)
Функция G(ω) οредставляет собой спектральную плотность средней мощности процесса, то есть мощность, заключённую в бесконечно малой полосе частот.
Для удобства расчетов мощность обычно дается в относительных единицах, выраженных в логарифмической форме (децибелах, дБ). В этом случае уровень мощности:
, (3.6)
Если эталонная мощность РЭ=1 мВт, то рх называют абсолютным уровнем и выражают в дБм. С учетом этого абсолютный уровень средней мощности:
, (3.7)
Пиковая мощность рпик (ε %) – ύто такое значение мощности сообщения, которое может превышаться в течение ε % времени.
, (3.8)
Пик-фактор сигнала определяется отношением пиковой мощности к средней мощности сообщения, дБ,
, (3.9)
Из последнего выражения, поделив числитель и знаменатель на РЭ, с учетом (3.7) и (3.9) определим пик-фактор как разность абсолютных уровней пиковой и средней мощностей:
, (3.10)
Под динамическим диапазоном D (ε%) понимают отношение пиковой мощности к минимальной мощности сообщения Рmin. Динамический диапазон, как и пик-фактор, принято оценивать в дБ:
, (3.11)
Средняя мощность сигнала тональной частоты, измеренная в час наибольшей нагрузки (ЧНН), с учётом сигналов управления – набора номера, вызова и так далее – составляет 32 мкВт, что соответствует уровню (по сравнению с 1 мВт) pср = –15 дБм
Максимальная мощность телефонного сигнала, вероятность превышения которой пренебрежимо мала, равна 2220 мкВт (что соответствует уровню +3.5 дБм); минимальная мощность сигнала, который еще слышен на фоне шумов, принята равной 220000 пВт (1 пВт = 10 -12 мВт), что соответствует уровню – 36. 5 дБм.
Средняя мощность РСР сигнала вещания (измеренная в точке с нулевым относительным уровнем) зависит от интервала усреднения и равна 923 мкВт при усреднении за час, 2230 мкВт – за минуту и 4500 мкВт – за секунду. Максимальная мощность сигнала вещания 8000 мкВт.
Динамический диапазон DC сигналов вещания составляет для речи диктора 25…35 дБ, для инструментального ансамбля 40…50 дБ, для симфонического оркестра до 65 дБ.
В соответствии с рекомендацией МККТТ мощность допустимых помех не должна превышать РП = 4000 пВт.
Первичные дискретные сигналы обычно имеют вид прямоугольных импульсов постоянного или переменного тока, как правило, с двумя разрешёнными состояниями (двоичные или двухпозиционные).
Скорость модуляции определяется количеством единичных элементов (элементарных посылок), передаваемых в единицу времени, и измеряется в бодах:
где τи – длительность элементарной посылки.
Скорость передачи информации определяется количеством информации, передаваемой в единицу времени, и измеряется в бит/с:
, (3.13)
где М – число позиций сигнала.
В двоичных системах (М=2) каждый элемент несет 1 бит информации, поэтому согласно (3.12) и (3.13):
От чего зависит ширина полосы пропускания. Телевизионный канал (полоса радиочастот)
Полоса пропускания — это непрерывный диапазон частот, для которого затухание не превышает некоторый заранее заданный предел. То есть полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений.
Рис. 1. Полосы пропускания линий связи и популярные частотные диапазоны
Часто граничными частотами считаются частоты, на которых мощность выходного сигнала уменьшается в два раза по отношению к входному, что соответствует затуханию в — 3 дБ.
Как мы увидим далее, ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи. Полоса пропускания зависит от типа линии и ее протяженности. На рис. 1 показаны полосы пропускания линий связи различных типов, а также наиболее часто используемые в технике связи частотные диапазоны.
Пропускная способность линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных, которая может быть достигнута на этой линии. Особенностью пропускной способности является то, что, с одной стороны, эта характеристика зависит от параметров физической среды, а с другой — определяется способом передачи данных. Следовательно, нельзя говорить о пропускной способности линии связи до того, как для нее определен протокол физического уровня.
Например, поскольку для цифровых линий всегда определен протокол физического уровня, задающий битовую скорость передачи данных, то для них всегда известна и пропускная способность — 64 Кбит/с, 2 Мбит/с и т. п.
В тех же случаях, когда только предстоит выбрать, какой из множества существующих протоколов использовать на данной линии, очень важными являются остальные характеристики линии, такие как полоса пропускания, перекрестные наводки, помехоустойчивость и др.
Пропускная способность, как и скорость передачи данных, измеряется в битах в секунду (бит/с), а также в производных единицах, таких как килобиты в секунду (Кбит/с) и т. д.
Пропускная способность линии связи зависит не только от ее характеристик, таких как затухание и полоса пропускания, но и от спектра передаваемых сигналов. Если значимые гармоники сигнала (то есть те гармоники, амплитуды которых вносят основной вклад в результирующий сигнал) попадают в полосу пропускания линии, то такой сигнал будет хорошо передаваться данной линией связи, и приемник сможет правильно распознать информацию, отправленную по линии передатчиком (рис. 2 а). Если же значимые гармоники выходят,за границы полосы пропускания линии связи, то сигнал начнет значительно искажаться, и приемник будет ошибаться при распознавании информации (рис. 2 б).
Основные параметры полосы пропускания
Основные параметры, которые характеризуют полосу пропускания частот — это ширина полосы пропускания и неравномерность АЧХ в пределах полосы.
Ширина полосы
Ширина полосы обычно определяется как разность верхней и нижней граничных частот участка АЧХ, на котором амплитуда колебаний (или для мощности) от максимальной. Этот уровень приблизительно соответствует -3 дБ .
Ширина полосы пропускания выражается в единицах частоты (например, в Гц).
Расширение полосы пропускания позволяет передать большее количество информации.
Неравномерность АЧХ
Неравномерность АЧХ характеризует степень отклонения от прямой, параллельной оси частот.
Неравномерность АЧХ выражается в децибелах .
Ослабление неравномерности АЧХ в полосе улучшает воспроизведение формы передаваемого сигнала.
Конкретные примеры
В теории антенн полоса пропускания — диапазон частот, при которых антенна работает эффективно, обычно окрестность центральной (резонансной) частоты. Зависит от типа антенны, ее геометрии. На практике полоса пропускания обычно определяется по уровню КСВ (коэффициента стоячей волны). КСВ МЕТР
В оптике полоса пропускания — это величина, обратная к величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км.
Поскольку даже самый лучший монохроматичный лазер всё равно излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространении по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке этого пользуются термином полоса пропускания. Измеряется полоса пропускания (в данном случае) в МГц/км.
Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.
См. также
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое «Полоса частот» в других словарях:
полоса частот — Область частот, ограниченная нижним и верхним пределами [ГОСТ 24375 80] полоса частот Совокупность частот в рассматриваемых пределах [Система неразрушающего контроля. Виды (методы) и технология неразрушающего контроля. Термины и определения… …
полоса частот — 06.01.16 полоса частот [ frequency band]: Непрерывный набор частот, ограниченный верхним и нижним пределами. Примечание 1 Полоса частот характеризуется двумя значениями, которые определяют ее положение на частотной оси, например, ее нижняя и… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Полоса частот — 1. Область частот, ограниченная нижним и верхним пределами Употребляется в документе: ГОСТ 24375 80 2. Непрерывная полоса частот, заключенная между двумя пределами Употребляется в документе: ГОСТ Р 51317.4.3 99 Устойчивость к радиочастотному… … Телекоммуникационный словарь
полоса частот — dažnių juosta statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. frequency band vok. Frequenzband, n rus. полоса частот, f; частотная полоса, f pranc. bande de fréquences, f … Fizikos terminų žodynas
полоса частот — dažnių juosta statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. frequency band vok. Frequenzband, n rus. полоса частот, f pranc. bande de fréquences, f … Automatikos terminų žodynas
полоса частот — dažnių juosta statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Signalų generatoriaus dažnių diapazono dalis, kurioje dažnį galima keisti tolydžiai arba pakopomis. atitikmenys: angl. frequency band vok. Frequenzbereich, n rus. полоса… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
полоса частот — rus полоса (ж) частот, диапазон (м) частот eng frequency band fra bande (f) de fréquence deu Frequenzband (n) spa rango (m) de frecuencias, banda (f) de frecuencias … Безопасность и гигиена труда. Перевод на английский, французский, немецкий, испанский языки
полоса частот (в электросвязи) — полоса частот диапазон частот Область изменения частоты сигнала, ограниченная нижним и верхним пределами. На практике широко применяется определение верхней границы по формуле fниж(n)=3·10n 1 Гц, при этом нижняя граница равна верхней… … Справочник технического переводчика
полоса частот (в вибрации) — полоса частот Совокупность частот в рассматриваемых пределах [ГОСТ 24346 80] Тематики вибрация EN frequency band DE frequenzband FR bande de frequence … Справочник технического переводчика
полоса частот СВЧ диода — Δf/f Δf/f Интервал частот, в котором СВЧ диод, настроенный на заданную частоту, обеспечивает заданные параметры и характеристики в неизменном рабочем режиме. [ГОСТ 25529 82] Тематики полупроводниковые приборы Обобщающие термины… … Справочник технического переводчика
Во время передачи тех или иных сигналов ток высокой частоты в антенне радиопередатчика состоит из нескольких токов различной частоты. Такой же сложный характер имеют электромагнитные волны, распространяющиеся от антенны передатчика, и токи, возникающие под действием радиоволн в приемной антенне.
Для каждого вида передачи (радиотелефония, радиотелеграфия, телевизионная передача и т. д.) частоты этих токов занимают определенную полосу. При радиовещании на средних волнах она составляет примерно 9 кГц, т. е. радиовещательный передатчик создает сложный ток, состоящий из нескольких токов, у которых наиболее высокая частота на 9 кГц больше наиболее низкой частоты. Например, для радиовещательного передатчика, работающего на частоте 173 кГц (? =1734 м), это будут частоты от 168,5 до 177,5 кГц. В случае служебной радиотелефонной связи полоса частот не больше 2 — 2,5 кГц, а для радиотелеграфной передачи она еще меньше. Зато при телевизионной передаче полоса частот расширяется до нескольких мегагерц.
При воздействии на контур электродвижущих сил различной частоты наиболее сильные колебания получаются в случае, когда эдс имеет резонансную частоту или частоту, близкую к ней. А при значительном отклонении частоты внешней эдс от резонансного значения, т. е. когда контур расстроен относительно частоты внешней эдс, амплитуда колебаний получается сравнительно малой.
Можно сказать, что каждый контур хорошо пропускает колебания в пределах некоторой полосы частот, располагающейся по обе стороны от резонансной частоты. Ее называют полосой пропускания контура Ппр и условно определяют по резонансной кривой на уровне 0,7 от максимального значения тока или напряжения, соответствующего резонансной частоте (рис.1).
Рис.1 — Полоса пропускания контура
Иначе говоря, считают, что контур хорошо пропускает колебания тогда, когда их амплитуда уменьшается не более, чем на 30% по сравнению с амплитудой при резонансе. Полосу пропускания контура иногда называют также шириной кривой резонанса. Качество контура влияет на форму резонансной кривой. Из этого рисунка видно, что чем ниже качество контура, тем больше его полоса пропускания. Кроме того, полоса пропускания получается больше при более высокой резонансной частоте контура.
Зависимость полосы пропускания контура от его затухания или добротности Q дается следующей простой формулой
Например, контур, настроенный на частоту fо = 2000 кГц и обладающий затуханием? = 0,01, имеет полосу пропускания Ппр =0,01 * 2000 = 20 кГц.
Как видно, для получения узкой полосы пропускания необходимо применять контур с высокой добротностью, а для широкой полосы добротность, либо работать на весьма высокой резонансной частоте.
Из приведенной формулы следует, что fo = Q * Ппp. Так как у контура среднего качества Q не менее 20, то рабочая частота должна не менее, чем в 20 раз, превышать полосу пропускания. Например, телевизионную передачу, для которой Ппр составляет несколько мегагерц, нужно вести на частотах не ниже нескольких десятков мегагерц, т.е. на ультракоротких волнах.
Желательно, чтобы контур имел полосу пропускания соответствующую полосе частот, которая характерна для данного вида передачи. Если полоса пропускания меньше, то получатся искажения за счет плохого пропускания некоторых колебаний. Более широкая полоса нежелательна, так как могут быть помехи от сигналов радиостанций, работающих на соседних частотах.
Если необходима широкая полоса пропускания, то приходится часто применять контуры с низкой добротностью. Добротность контура снижается, а полоса пропускания увеличивается, если параллельно контуру присоединяют активное сопротивление R, называемое шунтирующим (рис.2). Действительно, переменное напряжение U, имеющееся на контуре, приложено к сопротивлению R и создает в нем ток. Следовательно, в этом сопротивлении будет расходоваться мощность. Чем меньше сопротивление R, тем больше в нем потери мощности и тем больше затухание контура. Если сопротивление R будет очень малым, то оно замкнет накоротко один из элементов контура (конденсатор на (рис.2 а) или весь контур (рис.2 б). Тогда контур вообще не сможет работать как колебательная система и проявлять свои резонансные свойства.
Рис.1 — Шунтирование контура активным сопротивлением
Шунтирование контура активным сопротивлением делают иногда специально с целью расширения полосы пропускания. Кроме того, подобное шунтирование существует вследствие того, что контур соединен с другими деталями и цепями. За счет этого происходит нежелательное ухудшение качества контура.
Внутреннее сопротивление генератора, питающего параллельный контур, также влияет на добротность контура и его полосу пропускания. Это можно легко объяснить следующим образом.
Пусть генератор в какой-то момент прекратил свое действие. Тогда колебания в контуре станут затухать, а внутреннее сопротивление генератора, присоединенного к контуру, будет играть роль шунтирующего сопротивления, увеличивающего затухание.
Чем больше Ri генератора, тем слабее его влияние, а значит, кривая резонанса контура острее и его полоса пропускания меньше, т.е. резонансные свойства контура выражены резче. При малом Ri генератора добротность контура настолько снижается и полоса пропускания становится такой широкой, что резонансные свойства у контура практически отсутствуют.
К подобному выводу о влиянии Ri генератора мы пришли уже ранее при рассмотрении работы параллельного контура.
О полосе пропускания в цифровой технике см. Скорость передачи информации
Полоса пропускания (прозрачности) — диапазон частот , в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) акустического, радиотехнического, оптического или механического устройства достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы. Иногда вместо термина «полоса пропускания» используют термин «эффективно передаваемая полоса частот (ЭППЧ)». В ЭППЧ сосредоточена основная энергия сигнала (не менее 90 %). Этот диапазон частот устанавливается для каждого сигнала экспериментально в соответствии с требованиями качества.
Основные параметры полосы пропускания
Основные параметры, которые характеризуют полосу пропускания частот — это ширина полосы пропускания и неравномерность АЧХ в пределах полосы.
Ширина полосы пропускания
Ширина полосы пропускания — полоса частот, в пределах которой неравномерность частотной характеристики не превышает заданной.
Ширина полосы обычно определяется как разность верхней и нижней граничных частот участка АЧХ texvc не найден; См. math/README — справку по настройке.): f_2 — f_1 , на котором амплитуда колебаний равняется Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README — справку по настройке.): \frac> (или, что эквивалентно Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README — справку по настройке.): \frac для мощности) от максимальной. Этот уровень приблизительно соответствует −3 дБ .
Ширина полосы пропускания выражается в единицах частоты (например, в герцах).
В радиосвязи и устройствах передачи информации расширение полосы пропускания позволяет передать большее количество информации.
Неравномерность АЧХ
Неравномерность АЧХ характеризует степень её отклонения от прямой, параллельной оси частот.
Ослабление неравномерности АЧХ в полосе улучшает воспроизведение формы передаваемого сигнала.
- Абсолютную полосу пропускания: 2Δω = Sa
- Относительную полосу пропускания: 2Δω/ωo = So
Конкретные примеры
См. также
Напишите отзыв о статье «Полоса пропускания»
Примечания
| Наиболее известная формула из ОТО — закон сохранения энергии-массы | Это заготовка статьи по физике . Вы можете помочь проекту, дополнив её. |
Отрывок, характеризующий Полоса пропускания
– Я никогда об этом не думала. – задумчиво произнесла она. – Наверное, потому, что тепла нам хватило на всю нашу оставшуюся жизнь? Нас на Земле сожгли, видишь ли.
– Как – сожгли. – ошарашено уставилась на неё Стелла. – По-настоящему сожгли. – Ну, да. Просто там я была Ведьмой – ведала многое. Как и вся моя семья. Вот дедушка – он Ведун, а мама, она самой сильной Видуньей была в то время. Это значит – видела то, что другие видеть не могли. Она будущее видела так же, как мы видим настоящее. И прошлое тоже. Да и вообще, она многое могла и знала – никто столько не знал. А обычным людям это видимо претило – они не любили слишком много «знающих». Хотя, когда им нужна была помощь, то именно к нам они и обращались. И мы помогали. А потом те же, кому мы помогли, предавали нас.
Девушка-ведьма потемневшими глазами смотрела куда-то вдаль, на мгновение не видя и не слыша ничего вокруг, уйдя в какой-то ей одной известный далёкий мир. Потом, ёжась, передёрнула хрупкими плечами, будто вспомнив что-то очень страшное, и тихо продолжила:
– Столько веков прошло, а я до сих пор всё чувствую, как пламя пожирает меня. Потому наверное и «холодно» здесь, как ты говоришь, милая, – уже обращаясь к Стелле, закончила девушка.
– Но ты никак не можешь быть Ведьмой. – уверенно заявила Стелла. – Ведьмы бывают старые и страшные, и очень плохие. Так у нас в сказках написано, что бабушка мне читала. А ты хорошая! И такая красивая.
– Ну, сказки сказкам рознь. – грустно улыбнулась девушка-ведьма. – Их ведь именно люди и сочиняют. А что нас показывают старыми и страшными – то кому-то так удобнее, наверное. Легче объяснить необъяснимое, и легче вызвать неприязнь. У тебя ведь тоже вызовет большее сочувствие, если будут сжигать молодую и красивую, нежели старую и страшную, правда ведь?
– Ну, старушек мне тоже очень жаль. только не злых, конечно – потупив глаза, произнесла Стелла. – Любого человека жаль, когда такой страшный конец – и, передёрнув плечиками, как бы подражая девушке-ведьме, продолжала: – А тебя правда-правда сожгли. Совсем-совсем живую. Как же наверное тебе больно было. А как тебя зовут?
Слова привычно сыпались из малышки пулемётной очередью и, не успевая её остановить, я боялась, что хозяева под конец обидятся, и из желанных гостей мы превратимся в обузу, от которой они постараются как можно быстрее избавиться.
Но никто почему-то не обижался. Они оба, и старец, и его красавица внучка, дружески улыбаясь, отвечали на любые вопросы, и казалось, что наше присутствие почему-то и вправду доставляло им искреннее удовольствие.
– Меня зовут Анна, милая. И меня «правда-правда» совсем сожгли когда-то. Но это было очень-очень давно. Уже прошло почти пять сотен земных лет.
Я смотрела в совершенном шоке на эту удивительную девушку, не в состоянии отвести от неё глаза, и пыталась представить, какой же кошмар пришлось перенести этой удивительно красивой и нежной душе.
В инерционных И У всегда имеет место разница между графиками идеальной и фактической АЧХ, называемая частотной погрешностью. Для позиционных ИУ она равна
Диапазон частот входного гармонического сигнала, в пределах которой частотная погрешность не превышает допустимого значения, называется полосой пропускания частот И У. У позиционных И У такой диапазон занимает интервал частот 0
Ее значение можно определить графическим способом — как абсциссу точки первого выхода графика относительной АЧХ за границы трубки точности 1 ± 8 , где е — допустимое значение относительной частотной погрешности (см. рис. 5.14), или аналитическим способом — как минимальный вещественный корень уравнений У1 0 (ш 11) = 1±е.
На рис. 5.15 показана схема графического расчета ширины ППЧ.
Видно, что исходными данными для расчета являются передаточная функция ИУ W(p ) и допустимое значение относительной частотной погрешности е. В ходе расчетов последовательно определяются операторная часть передаточной функции W 0 (p) = W(p)/W(0) и относительная АЧХ ИУ Д) (со) = |У 0 (/ш)|. Затем строится график этой характеристики ГА 0 (а))> на который наносится трубка точности 1 ± ?. Абсцисса точки первого выхода этого графика за границы трубки точности (при продвижении по графику слева направо от точки ш = 0) определяет верхнюю границу ППЧ со, (см. рис. 5.14).
В диапазоне частот 0 г. Поэтому в пределах полосы пропускания частот ИУ оказывается «прозрачным» для гармонических сигналов, пропуская их так, что частотные искажения, обусловленные инерционностью элементов прибора, не превышают допустимого уровня.
Считается, что чем шире ППЧ, тем более совершенными являются динамические свойства ИУ. Это справедливо для регистрирующих ИУ, у которых относительная АЧХ в идеале должна совпадать с единичной ступенчатой функцией 1(со). Однако в силу невозможности строгого выполнения этого условия выбор параметров таких ИУ подчиняют условию максимума ширины ППЧ.
Графический способ расчета ППЧ оказывается неудобным в тех случаях, когда необходимо исследовать зависимость этого показателя динамической точности от одного или (тем более) нескольких параметров ИУ. В этих случаях расчет ППЧ, подобный изложенному выше, приходится выполнять многократно для каждого значения варьируемого параметра ИУ или сочетания таких параметров.
Возможен другой способ численного расчета ППЧ в среде Mathcad с/т — относительный коэффициент демпфирования и собственная частота сейсмической системы прибора. В этом случае т = п = 2.
На рис. 5.18, а показано семейство ЛЧХ рассматриваемого прибора для трех значений относительного коэффициента демпфирования? = 0,2, ? = 0,5 и § = 1,5.
а — семейство АЧХ сейсмического И У второго порядка; б — к определению нижней границы ППЧ сейсмического ИУ
По оси абсцисс откладывается безразмерная относительная частота колебаний основания у = со/со 0 . Поэтому при увеличении собственной частоты прибора со 0 графики сжимаются, а при уменьшении — растягиваются вдоль оси абсцисс, сохраняя свою форму. Накладывая на эти графики трубку точности 1 ± е, можно для каждого значения 8 определить соответствующее относительное значение нижней границы полосы пропускания частот у н = со н /со 0 , как это показано на рис. 5.18, б для случая?, = 0,2, — 0,05 = 5%. В этом случае у н = 3,1. Поэтому если со 0 = 10 с -1 , то со н = 31 с -1 , т.е. прибор можно использовать для регистрации колебаний, частота которых превышает 31 с -1 (4,9 Гц).
Из приведенных примеров видно различие в расчете ППЧ для квазиста- тических и дифференцирующих ИУ: в первом случае определяется верхняя граница ППЧ (как абсцисса точки первого выхода графика относительной АЧХ за границы трубки точности 1 ± е), во втором — нижняя граница ППЧ (как абсцисса точки попадания этого графика в трубку точности).
В обоих случаях полоса пропускания частот ИУ должна превышать полосу частот измерительного сигнала?2 ИС. В противном случае динамические искажения этого сигнала, вызванные инерционностью элементов ИУ, превысят допустимую погрешность.