Материал: Физические основы и схемотехника электронных устройств автоматики. Гиоргадзе А.L., Кириллов Ю.В
Спектр синусоидального колебания самый простой и состоит всего из одной спектральной линии на соответствующей частоте f. Спектр, содержащий несколько спектральных линий, называется линейчатым (рис. 2.11а). Линейчатым спектром обладают только периодические процессы, регулярно повторяющиеся во времени. Случайные, вероятностные, непериодические процессы, которые переносят информацию, обладают сплошным спектром (рис. 2.11б),
занимающим полосу частот f 
fmax 
fmin .
Рис. 2.11
Периодическую импульсную последовательность можно рассматривать в качестве периодического несинусоидального колебания.
Известно, что для обработки импульсных сигналов используется математическая операция, называемая интегральным преобразованием Фурье, которая позволяет построить спектральные диаграммы для различных последовательностей видеоимпульсов.
Пользуясь принципом наложения, действие импульса на электрическую цепь заменяется суммарным действием всех его составляющих (гармоник).
На рис. 2.12а приведена временная диаграмма разнополярного импульсного напряжения прямоугольной формы. Спектральная диаграмма, соответствующая данной последовательности импульсов, показана на рис. 2.12б.
118
Рис. 2.12
Гармоники разных частот по-разному влияют на форму импульсов. Низкочастотные составляющие, имея пологие склоны и тупую вершину, в основном участвуют в образовании плоской вершины импульса. Склоны кривых высокочастотных гармоник имеют большую крутизну и преимущественно определяют фронты импульса. Чем короче импульс, тем шире его спектр. Наивысшая частота спектра приблизительно обратно пропорциональна длительности импульса. Например, импульс длительностью 0,01с имеет ширину спектра около 100Гц, а импульс длительностью 1мкс (10-6с)–1МГц.
Если радиотехническое устройство плохо пропускает низкочастотные составляющие, то это выражается в искажении плоской вершины на выходе. Искажение фронтов связано с ограничением прохождения через устройство высокочастотных составляющих. Чтобы избежать больших искажений формы импульсов, устройства для их усиления, передачи или трансформации следует выполнять широкополосными. Несмотря на то, что спектр импульса бесконечен, можно наметить верхнюю границу полосы пропускания устройства, т.е. ограничить спектр импульсов определенной частотой. Для прямоугольных видеоимпульсов 95% всей энергии сигнала сосредотачивается в диапазоне частот до f=2/tи, где tи – длительность импульса. Если верхняя частота полосы пропускания устройства соответствует этому значению, то искажение фронтов передаваемого импульса будет в большинстве случаев допустимым. Такую ширину спектра называют активной.
119
Выясним, от чего зависит плотность спектра. Если длительность импульса tи оставить неизменной, период повторения Т увеличить, то спектр становится плотнее. Если перейти от последовательности к одиночному импульсу (т.е. Т→∞, a f→0), то спектр будет содержать составляющие всех частот и становится сплошным.
Наоборот, при уменьшении периода и переходе к предельному случаю (Т→0, a f→∞), все импульсы на временной диаграмме сольются и изобразятся прямой, параллельной оси абсцисс, т.е. в их спектре останется лишь постоянная составляющая.
Рассмотрим спектр радиоимпульса, представленного в виде высокочастотного колебания, модулированного напряжением низкой частоты. Если колебания высокой частоты f0 модулируются по амплитуде синусоидальным напряжением низкой частоты f1, то спектр модулированного колебания содержит, как известно, гармонику несущей частоты f0 и две боковые гармоники f0+f1 и f0-f1 (рис.
2.13).
Если высокочастотные колебания модулируются видеоимпульсами, то с каждой составляющей их спектра получается пара боковых частот. Поэтому спектр радиоимпульса содержит две боковые полосы частот (рис. 2.14) по обе стороны от f0. Полоса пропускания устройства, по которому проходят радиоимпульсы, должна быть вдвое больше, чем при видеоимпульсах, огибающих эти радиоимпульсы.
По сравнению с видеоимпульсами спектр радиоимпульсов имеет большую ширину и смещен на f0 в область высоких частот.
Благодаря дискретности спектра импульсов и периодичности следования его составляющих, можно один и тот же канал связи использовать для одновременной передачи нескольких сообщений, т.е. уплотнять его.
Рис. 2.13
120
Рис. 2.14
2.1.5. Преобразование электрических сигналов
Цифровая техника широко применяется во всевозможных системах управления. Это объясняется тем, что при цифровой обработке информации можно получить значительно большую точность регулирования. Например, цифровые системы связи оказываются наиболее широкополосными. Расширение полосы частот при переходе к цифровой передаче, намного снижает допустимое отношение сигнал – шум, или сигнал – помеха в канале связи и это при общем существенном улучшении качества.
Для преобразования аналоговых величин в цифровой код служат специальные электронные устройства - аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Формирование цифрового сигнала из непрерывного сводится к тому, что из непрерывного сигнала периодически производятся выборки мгновенных значений. Каждая выборка округляется до ближайшего разрешенного уровня, а код этого уровня (двоичное число) представляется элементами цифрового сигнала. Совокупность таких двоичных чисел, выраженных элементами цифрового сигнала - цифровой сигнал, соответствующий преобразуемому непрерывному сигналу.
На рис. 2.15б изображен цифровой сигнал, соответствующий квантованному дискретному сигналу (рис. 2.15а), эквивалентному непрерывному, из которого он сформирован.
121
Рис. 2.15
Обратное преобразование цифрового сигнала в непрерывный осуществляется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). На входы преобразователя поступают потенциалы, представляющие разряды кода каждой выборки. На выход поступают напряжения, пропорциональные весам единиц разрядов.
На рис. 2.16 изображена зависимость выходного напряжения ЦАП от веса кода каждой выборки на входе.
Рис. 2.16
Напряжение на выходе ЦАП является суммой напряжений, каждое из которых обусловлено единицей в соответствующем разряде входного кода. Величины этих составляющих относятся как веса единиц в разрядах: если от единицы в первом разряде появляется на выходе напряжение ∆U, то от единицы во втором разряде
122