Сигналы и их детерминированные модели. Спектральное представление детерминированных сигналов (1, 2 главы учебника "Радиотехнические цепи и сигналы" под ред. К.Е.Румянцева), страница 5

Как правило, шаг дискретизации Δt = tj + 1 - tj выбирают постоянным (см. рис. 1.2). Преимущество дискретных сигналов перед ана­логовыми заключается в отсутствии необходимости отслеживать форму сигнала во все моменты времени, а необходим лишь факт наличия или отсутствия импульса.

Рис. 1.2. Модель дискретного сигнала

Разновидностью импульсных сигналов являются цифровые сиг­налы, под которыми понимают сигнал, в котором амплитуды от импульса к импульсу остаются постоянными, а момент появления импульса и его длительность являются случайными величинами.

Случайные сигналы представляют собой различные флуктуационные процессы, значения которых в конкретные моменты вре­мени можно предсказать с вероятностью, отличной от единицы. Как правило, эти сигналы проявляют себя как помехи и препятствуют извлечению информации из принятого колебания.

В качестве второго классифи­кационного признака сигналов можно использовать размер­ность пространства, в котором существует сигнал. Например, ток или напряжение в большин­стве радиотехнических устройств можно рассматривать как одномерный сигнал, зависящим от времени. Распределение токов и напряжений в длинной линии представляет собой сигнал, зави­сящий от двух переменных: времени и пространства. Звуковое дав­ление в зависимости от пелен, которые преследуются, можно рас­сматривать как одно-, двух-, трех- и четырехмерный сигнал, зависящий от времени и одной, двух или и трех пространственных координат.

Отмеченные ранее классификационные признаки сигналов, как физических процессов можно изучать с помощью различных при­боров и устройств (осциллограф, вольтметр, приемник), Однако наблюдаемые с помощью приборов явления всегда выступают как частные проявления, что не позволяет говорить об их свойствах, предсказать поведение сигналов в пространстве и времени. Для устранения этого недостатка необходимо описать сигнал, т.е. со­здать его математическую модель. Математическое описание сиг­налов позволяет абстрагироваться от конкретной природы носи­теля сигнала. используя одну и ту же математическую модель сиг­нала для описания различных явлений (тока, напряжения, на­пряженности электромагнитного поля и т.д.).

Существуют различные способы описания сигналов, напри­мер в виде аналитических выражений или таблиц для аналоговых сигналов, в виде вероятностных функций для случайных процес­сов. В соответствии с этим сигналы можно классифицировать от­носительно математической формы их представления. В этом слу­чае сигналы могут быть разделены на детерминированные и сто­хастические.

Детерминированными сигналами называются сигналы, значе­ния которых в любые моменты времени являются известными величинами или могут быть заранее вычислены. Слово «детерми­низм» происходит от латинского determitiarlo, означающего оп­ределение либо учение об объективной закономерной взаимо­связи и причинной обусловленности всех явлений. Анализ детер­минированных сигналов опирается на классическую теорию диф­ференциальных уравнений. Математическая модель детермини­рованных сигналов позволяет предсказывать их мгновенные зна­чения в любые моменты времени с вероятностью равной единице. Детерминированные сигналы могут быть описаны математи­ческими формулами, вычислительными алгоритмами, таблица­ми и т, д.

Случайные (стохастические) сигналы представляют сигналы, мгновенные значения которых являются случайными величинами. Анализ этих сигналов основан на теории вероятностей и теории случайных процессов. Значения случайных сигналов можно пред­сказать только с вероятностью меньше единицы для любой базо­вой переменной.

Строго говоря, в природу детерминированных сигналов не существует. Это объясняется тем, что радиотехнические системы

взаимодействуют с окружающими их физическими объектами, которые оказывают влияние па эти системы, В радиокомпонентах присутствуют хаотические тепловые флуктуации. Как правило, имеет место неполная информация о начальном состоянии систе­мы. Bee это заставляет рассматривать реальные сигналы как слу­чайные функции времени.

При выборе модели сигнала исследователь получает возмож­ность описания тех свойств сигналов, которые наиболее важны для него. Это позволяет не рассматривать большое число второ­степенных признаков. В то же время, опираясь на математичес­кие модели сигналов, можно сравнивать процессы, проводить классификацию, предсказывать их поведение в тех или иных условиях.

1.2. Описание детерминированных сигналов разрывными

функциями

При анализировании прохождения сигналов через радиотех­нические цепи возникает задача представления сигнала в виде математического выражения. Предположим, что аналоговый сигнал s(t) может быть описан с использованием тригонометрических s(t) = Asin(t) или s(t)= Аcos(t), экспоненциальных s(t) = Aexp(t) и логарифмических s(t) = Aln(t) функций, где А — коэффициент пропорциональности, t — аргумент функции.

На рис. 1.3 показаны прямоугольный и трапецеидальный им­пульсы. Импульсные сигналы могут быть описаны с использова­нием разрывных функций. Например, прямоугольный импульс (см. рис.1.3, а) описывается функцией

U(t) = {0 при t < 0 ; Uп при 0 ≤ t ≤ τи ; 0 при t > τи}

где Uп — амплитуда импульса; τи — длительность импульса.

Рис. 1.3. Прямоугольный (а) и трапецеидальный (б) импульсы

Для трапецеидального импульса (см. рис. 1.3, б) справедливо аналитическое определение:

где Uтамплитуда импульса; τφ — длительность переднего фронта импульса; τс — длительность среза (заднего фронта) импульса; τи — длительность импульса.

Таким образом, разбивая сигнал на отдельные части, описы­ваемые простейшими функциями (уравнением прямой, тригоно­метрическими или экспоненциальными функциями и т.д.) в раз­ные моменты времени, можно получить формулу для описания сложного сигнала.