Материал: Радиоприемные устройства учебник.

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

Поскольку ©о > О, то первым членом в (11.28) можно пренебречь:

v (0 = Uо П + т sin ЙЛ cos ©0Л

(11.29)

Используя (11.26) и (11.29), получаем

 

U(t) — Y Но [1 -\-т sin й/]2 (sin2©a * -bcos2©0 t)

==>

= t/0[l 4-msin ЙД

 

что совпадает с (11.27).

Применительно к квазигармоническому процессу u(f) пренебре­ жение малыми членами при определении и' (() приводит к следующей

формуле:

 

и' (/) як ю0Н (/) sin 1ю0/ — ф (/)].

(11.30)

Чтобы более наглядно представить квазигармонические колебания в виде временного процесса, запишем выражение для u(t) иначе. Для этого сначала преобразуем (11.20):

и(t) — U (0 cos [©0/ — ф (/)] =

=U(t)[cos ©0/ cos ф (I) 4- sin ©0/ sin ф (ЛЬ

или

 

 

 

и (t) =

U0 (Л cos © о

t -f Us (t) sin ©0Л

(11.31)

где

 

 

 

Uc (() = U (() cos ф (0;

Us (t) = U (0 sin ф (0-

(11.32)

Используя (11.30), находим производную u'(t):

 

u' (/) =

©0H8 (t) cos ©(/ — w0Hc (0 sin w04

(11.33)

Решая совместно (11.31) и (11.33) относительно Uc(t)

и Ua(t),

получаем

 

•

 

Uc (() = U (t) COS ©o t —(«' (t)/&o\ sin © o t, ]

(11.34)

Us (t) = [« '(t)/©0] cos'©014- и (t) sin ©d t. J

Из (11.34) видно, что мгновенные значения случайных функций Uc(t) и Us(t) имеют нормальное распределение и центрированы около нуля. Действительно это так, поскольку Uc(t) и Us(t) являются резуль­ татом линейных преобразований (11.34), совершенных над центрирован­ ным нормальным процессом «(/). Продолжая исследовать систему (11.34), можно показать также, что случайные функции Uc(t) и Us(t) являются независимыми и имеют одинаковую дисперсию аг — Й„,. Итак, квазигармоническое колебание u(t) в записи (11.31) определяет­ ся как сумма двух случайных и тоже квазигармонических колебаний:

И с ( Л —Uс ( Лcos © ( / , us (() = Ua ( t) sin

400

Примерный вид реализаций функций uc(t) и us(t) показан на рис. 11.7. В отличие от процесса u(t) случайный характер ис{() и ua(t) опреде­ ляется только случайными амплитудами Uc(t) и Us(t), так как фазы колебаний uc(t) и us(t) меняются на противоположные лишь при смене знаков у Uc{t) и Us(t) соответственно. Теперь огибающую U(t)

квазигармонического процесса u{t) можно определить как длину

>

результирующего вектора U(t) двух ортогональных

составляющих

* ^с(0 И Vs(t)-

 

U(f) = YU\ (t) +u\(t).

(11.35)

На рис. 11.8 изображена соответствующая векторная диаграмма

и пунктиром отмечена возможная траектория конца вектора U. Рас­

смотрим поведение вектора U на участке траектории вблизи начала координат. Для этого обратимся к рис. 11.7, из которого видно, что огибающая U(() достигает малых уровней, когда функции Uc(t) и Us(t) одновременно близки к нулю. Это возможно в результате двух событий: касания малых уровней (точки х) и пересечения нулевого уровня (точки у). Для центрированных нормальных процессов такие касания являются менее вероятными событиями, чем пересечения,

поэтому мы будем рассматривать изменение огибающей.U(t) на малых уровнях, вызванное только близостью моментов пересечений нулевого уровня функциями Uc(t) и UJJ).

Очевидно, что при смене знака у Uc(t) и Ua(t) скорость изменения этих величин почти не меняется. Это означает, что вблизиначала ко­

ординат движение концов векторов Uc и Us и, следовательно, конца

вектора U происходит почти равномерно. Рис. 11.9, а иллюстрирует это объяснение. Выделенные точки на траектории соответствуют поло­

жениям конца вектора U через равные интервалы времени. На рис. .11.9, б показана временная зависимость U{t), которая соответст­

вии

Рис. 11.8

f 1.9

вует этому участку траектории. На­ помним, что огибающая £/(^)всегда поло­ жительна и определяется случайно изме-

— ^

няющейся во времени длиной вектора U. Из сказанного видно, что достижение огибающей U(t) малых уровней может сопровождаться сравнительно резким изломом графика U(t). При этом, чем меньше уровень, тем резче этот из­ лом. Кроме того, чем меньше уро­ вень, тем меньше вероятность его достижения, причем вероятность до­ стижения огибающей нулевого уровня равна нулю. Это легко пояснить, обра­ тившись к-графикам на рис. 11.7. Равен­ ство U(t) = 0 выполняется при абсолют­ но точном совпадении во времени точек пересечения у и у' . Очевидно, что ве­ роятность такого события равна нулю. Из рассмотрения рис. 11.9 следует, что излом U(t) на низких уровнях обяза­ тельно сопровождается быстрым изме­ нением фазы колебания u(t) почти на 180°, и это изменение тем быстрее, чем резче излом. На рис. 11.3 заметно, что изломы придают форме огибающей об­ щую характерную особенность, заклю­ чающуюся в том, что на малых уровнях скорость изменения огибающей увеличи­

вается.

Из теории вероятностей известно, что плотность вероятности мгновенных зна­ чений U(t), определяемых соотношением (11.35), где Uc и Ua — независимые нормально распределенные величины с одинаковой дисперсией оц = Ufu и ну­ левым средним значением, подчиняется закону Релея:

И { / ) = = 4 е х р ( - - ^ т У .

(11.36)

Um

\ 2U ш)

 

График ^зависимости

функции

Umm(U)

от нормированного аргумента а = UIUm показан на рис. 11.10. Учитывая стати­

стические характеристики

величин Ue

и Us, можно утверждать,

что ориента­

ция вектора U равновероятна для лю-

402

бого его положения в плоскости векторной диаграммы на рис. 11.8. Следовательно, случайная фаза ф(/) имеет равномерную плотность вероятности в пределах <р = — я т к

w (ф) = 1/2я, —я ^ ф ^ я.

(11.37)

С помощью соотношения (11.36) определим среднее значение U оги­ бающей и ее среднеквадратичное значение (У2:

U = f Uw(U) dU = Um У л /2 ж 1,25НШ.

(11.38)

о

 

Н2- U2w(U) dU = 2Ufu.

(11.39)

Наконец, дисперсия огибающей равна:

 

ob = Н2 - { u f = (2— я/2) Ul « 0,43t/b

(11.40)

Автокорреляционная функция ku(x) флюктуаций огибающей не мо­ жет быть определена так просто, как это было сделано для квазигармонических флюктуаций. Там нам был известен энергетический спектр квазигармонических флюктуаций, и автокорреляционная функция была без затруднений найдена с помощью преобразования Фурье. Поскольку спектр огибающей неизвестен, то автокорреляционная функция ее флюктуаций находится с привлечением двумерной плотности вероят­ ности огибающей w(U, Ux):

оо оо

кц (т) = $ $ UUxw (U, Ux)dUdUx - (U y

о о

Результат вычислений ky(т) обычно приводится в виде быстро схо­ дящегося ряда [3]. Нормированную автокорреляционную функцию флюктуаций огибающей при этом можно записать в следующем виде:

kv (%)

Ри (т)

=0,921ф2 (т) -J-0,058ф4 (т) -f- ...

Сошибкой не более 10% можно воспользоваться приближением

Ру (т) » ф2 (т)»

'

(Н.41)

где ф(т) — огибающая нормированной автокорреляционной функции квазигармонических флюктуаций (11.19).

403

11.3. Прохождение шума и смодулированного сигнала через ВЧ тракт приемника

Рассмотрим случай, когда на входе ВЧ тракта одновременно с бе­ лым шумом действует гармонический сигнал, частота которого сов­ падает с центральной частотой ВЧ тракта. Мы приняли, что этот тракт является линейной системой, следовательно, результирующее коле­ бание up(t) на его выходе можно представить суммой квазигармонического шума u(i) и сигнала ис(():

ир (0 = и (0 + ис (О,

(П.42)

где ис (() = Umcos (о0 /.

Используя выражение (11.20) для квазигармонического шума,

перепишем (11.42)

в виде

 

Up (t) =

U (/) COS [ о ) 0/ — ф (/)] + Um COS tt»o^

(11.43)

Поскольку выражение (11.43) представляет сумму двух колебаний с одинаковой частотой со0, причем одна из составляющих и(() медленно и случайным образом изменяет во времени свою амплитуду U (t) и фазу Ф (/), то результирующий эффект также будет случайным и носить ха­

рактер квазигармонических колебаний со случайной

огибающей У(/)

и фазой Ф (():

 

«р (0 = V (() cos 1©„* — Ф (01-

(11.44)

Определим основные статистические характеристики случайных функ­ ций V(t) и Ф(/). Прежде чем перейти к расчетам, попытаемся качествен­ но оценить характер изменения статистических характеристик шума на выходе ВЧ тракта после того, как к нему добавился сигнал. Пред-

ставим результирующее колебание вектором У, длина которого в соот­ ветствии с (11.35) и (11.43) равна

V = V(,Um+ UcY + Ul . ' (11.45)

На основе векторной диаграммы на рис. 11.11 можно сделать следующие предварительные заключения.

1. Результирующий вектор. V из-за наличия сигнала преимущест­

венно расположен вблизи'вектора Um. Следовательно,

плотность ве­

роятности фазы w(Ф)

уже не может быть равномерной,

как

это было

в отсутствие сигнала,

а должна иметь максимум при Ф =

0. Очевид­

но, что с ростом амплитуды сигнала случайные отклонения фазы долж­ ны в среднем уменьшаться или, другими словами, с увеличением уров­ ня сигнала дисперсия фазы Оф должна падать.

2. При увеличении уровня сигнала закон распределения до(У) огибающей V приближается к нормальному. В этом особенно легко убедиться, если считать, что сигнал существенно превосходит шум,.

404

Источник: https://tut-files.ru/previewfile/155587