الإشارات وأنواعها. أنواع الإشارات: تناظرية، رقمية، منفصلة

مفهوم "المعلومات" (من اللات. معلومات- الشرح والعرض التقديمي) و"الرسالة" مرتبطان حاليًا بشكل لا ينفصم.

معلومة – هذه هي المعلومات التي تكون موضوع النقل أو التوزيع أو التحويل أو التخزين أو الاستخدام المباشر. الرسالة هي شكل من أشكال تقديم المعلومات. ومن المعروف أن الإنسان يتلقى 80...90% من المعلومات عن طريق أجهزة الرؤية و10...20% عن طريق أجهزة السمع. توفر الحواس الأخرى إجمالي 1...2% من المعلومات.

يتم نقل المعلومات في النموذج رسائل. رسالة - شكل من أشكال التعبير (العرض) للمعلومات مناسب للنقل عبر مسافة. ومن أمثلة الرسائل نصوص البرقيات، والكلام، والموسيقى، والصور التلفزيونية، وإخراج البيانات من جهاز كمبيوتر، والأوامر في نظام التحكم التلقائي في الكائنات، وما إلى ذلك. يتم إرسال الرسائل باستخدام الإشارات التي هي حاملة للمعلومات. النوع الرئيسي من الإشارات هي الإشارات الكهربائية. في الآونة الأخيرة، أصبحت الإشارات الضوئية منتشرة بشكل متزايد، وخاصة في خطوط نقل المعلومات بالألياف الضوئية. الإشارة- عملية مادية تعرض الرسالة المرسلة. يتم ضمان عرض الرسالة عن طريق التغيير عدد الماديةالكمية التي تميز العملية. تنقل الإشارة (تكشف) رسالة في الوقت المناسب، أي أنها دائمًا وظيفة للوقت. يتم إنشاء الإشارات عن طريق تغيير معلمات معينة للوسيط المادي وفقًا للرسالة المرسلة.

هذه القيمة معلمة المعلومات للإشارة.معلمة معلومات الرسالة - المعلمة التي يحتوي تغييرها على معلومات. ل صوتالرسائل، معلمة المعلومات هي قيمة ضغط الصوت اللحظي ثابتالصور - الانعكاس، ل متحرك -سطوع مناطق الشاشة.

حيث مهملديك فكرة جودةو سرعةنقل المعلومات.

جودة نقل المعلومات أعلى، وأقل تشويها للمعلومات على الجانب المتلقي. مع زيادة سرعة نقل المعلومات، من الضروري اتخاذ تدابير خاصة لمنع فقدان المعلومات وانخفاض جودة نقل المعلومات.

المراسلةعلى مسافة نفذت مع بمساعدةوسط مادي، مثل الورق أو الشريط المغناطيسي، أو عملية فيزيائية، مثل الصوت أو موجات كهرومغناطيسية، الحالي، الخ.

يتم نقل المعلومات وتخزينها باستخدام علامات (رموز) مختلفة تسمح بتمثيلها بشكل ما.

يمكن أن تكون الرسائل وظائف للوقت، مثل الكلام أثناء الإرسال المحادثات الهاتفيةودرجة الحرارة أو الضغط أثناء نقل بيانات القياس عن بعد، والأداء أثناء البث التلفزيوني، وما إلى ذلك. وفي حالات أخرى، لا تكون الرسالة دالة للوقت (على سبيل المثال، نص برقية، صورة ثابتة، وما إلى ذلك). الإشارةينقل رسالة مع مرور الوقت. لذلك، فهي دائمًا دالة للوقت، حتى لو لم تكن الرسالة (على سبيل المثال، صورة ثابتة). هناك 4 أنواع من الإشارات: إشارة مستمرة للوقت المستمر. (الشكل 2.2، أ)، الوقت المنفصل المستمر. (الشكل 2.2، ب)، الوقت المستمر المنفصل. (الشكل 2.2، ج) والوقت المنفصل (الشكل 2.2، د).

الشكل 2.2 - إشارة زمنية مستمرة مستمرة (أ)، إشارة زمنية منفصلة مستمرة (ب)، إشارة زمنية مستمرة منفصلة (ج)، إشارة زمنية منفصلة منفصلة (د).

إشارات الوقت المستمر المستمر.يتم اختصارها كإشارات مستمرة (متناظرة). يمكن أن تتغير في لحظات اعتباطية، مع أخذ أي قيمة من مجموعة متصلة من القيم الممكنة (الجيبية).

إشارات زمنية منفصلة مستمرة.يمكن أن تأخذ قيمًا عشوائية، ولكنها تتغير فقط في لحظات معينة (منفصلة) محددة مسبقًا ر 1، ر 2، ر 3 … .

إشارات زمنية مستمرة منفصلةتختلف في أنها يمكن أن تتغير في لحظات تعسفية، ولكن قيمها تأخذ فقط القيم المسموح بها (المنفصلة).

إشارات زمنية منفصلة(يُشار إليها اختصارًا بـ "منفصلة") في لحظات منفصلة من الزمن يمكن أن تأخذ قيم الدقة (المنفصلة) فقط.

بناءً على طبيعة التغييرات في معلمات المعلومات، يتم تمييزها مستمرو منفصلةرسائل.

التناظريةالإشارة عبارة عن دالة مستمرة أو مستمرة جزئيًا للوقت X(t). تعد قيم الإشارة اللحظية بمثابة تماثل للكمية المادية للعملية قيد النظر.

منفصلةتمثل الإشارة نبضات منفصلة تتبع بعضها البعض بفاصل زمني Δt، وعرض النبضة هو نفسه، والمستوى (منطقة النبض) هو تناظري للقيمة اللحظية لبعض الكمية الفيزيائية التي تمثلها الإشارة المنفصلة.

رقميالإشارة عبارة عن سلسلة منفصلة من الأرقام التي تتبع بعضها البعض بفاصل زمني Δt، في شكل أرقام ثنائية وتمثل القيمة اللحظية لبعض الكمية الفيزيائية.

مستمر أو الإشارات التناظريةهذه إشارة يمكن أن تأخذ أي مستويات من القيم في نطاق معين من القيم. الإشارة المستمرة للوقت هي إشارة محددة على طول محور الوقت بأكمله.

على سبيل المثال، الكلام عبارة عن رسالة مستمرة سواء في المستوى أو في الزمن، ويعمل مستشعر درجة الحرارة الذي ينتج قيمه كل 5 دقائق كمصدر للرسائل المستمرة في الحجم ولكنها منفصلة في الوقت المناسب.

إن مفهوم كمية المعلومات وإمكانية قياسها هو أساس نظرية المعلومات. ظهرت نظرية المعلومات في القرن العشرين. رواد نظرية المعلومات هم كلود شانون (الولايات المتحدة الأمريكية)، أ.ن. Kolmogorov (اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية) R. Hartley (الولايات المتحدة الأمريكية)، وما إلى ذلك. وفقا لكلود شانون، تتم إزالة المعلومات غير المؤكدة. أولئك. محتوى المعلومات للرسالة x الموجودة فيها معلومات مفيدةأولئك. ذلك الجزء من الرسالة الذي يقلل من عدم اليقين بشأن شيء كان موجودًا قبل استلامه.

الغرض من القصة هو إظهار مفهوم "الإشارة"، وما هي الإشارات المشتركة الموجودة وما هي الخصائص المشتركة بينها.

ما هي الإشارة؟ بالنسبة لهذا السؤال، حتى الطفل الصغير سيقول إن هذا هو "نوع الشيء الذي يمكنك من خلاله توصيل شيء ما". على سبيل المثال، باستخدام المرآة والشمس، يمكنك إرسال الإشارات عبر مسافة خط البصر. على السفن، كانت الإشارات تُرسل ذات مرة باستخدام أعلام الإشارة. وقد شارك في هذا رجال الإشارة المدربون تدريباً خاصاً. وهكذا، تم نقل المعلومات باستخدام هذه الأعلام. وإليك كيفية نقل كلمة "إشارة":

هناك مجموعة كبيرة ومتنوعة من الإشارات في الطبيعة. نعم، في الواقع، أي شيء يمكن أن يكون إشارة: ملاحظة تركت على الطاولة، يمكن أن يكون بعض الصوت بمثابة إشارة لبدء إجراء معين.

حسنًا، كل شيء واضح مع مثل هذه الإشارات، لذا سأنتقل إلى الإشارات الكهربائية، والتي في الطبيعة ليست أقل عددًا من أي إشارات أخرى. ولكن يمكن على الأقل تقسيمها تقريبًا إلى مجموعات: مثلثة، وجيبية، ومستطيلة، ومسننة، ونبضة مفردة، وما إلى ذلك. تتم تسمية كل هذه الإشارات وفقًا لشكلها عند رسمها على الرسم البياني.

يمكن استخدام الإشارات كمسرع لحساب الساعات (كإشارة توقيت)، أو للحفاظ على الوقت، أو كنبضات تحكم، أو للتحكم في المحركات، أو لاختبار المعدات ونقل المعلومات.

الخصائص الكهربائية إشارات

بمعنى ما، الإشارة الكهربائية عبارة عن رسم بياني يوضح التغير في الجهد أو التيار بمرور الوقت. والتي تعني باللغة الروسية: إذا أخذت قلم رصاص ووضعت علامة على الوقت على طول المحور X، والجهد أو التيار على طول المحور Y، وحددت قيم الجهد المقابلة في أوقات محددة بالنقاط، فإن الصورة النهائية ستظهر شكل الموجة:

هناك الكثير من الإشارات الكهربائية، ولكن يمكن تقسيمها إلى مجموعتين كبيرتين:

• أحادي الاتجاه
• ثنائي الاتجاه

أولئك. في الاتجاه أحادي الاتجاه، يتدفق التيار في اتجاه واحد (أو لا يتدفق على الإطلاق)، وفي ثنائي الاتجاه، يتناوب التيار ويتدفق إما "هناك" أو "هنا".

جميع الإشارات، بغض النظر عن نوعها، لها الخصائص التالية:

• فترة - الفترة الزمنية التي تبدأ بعدها الإشارة في تكرار نفسها. في أغلب الأحيان يتم تعيين T
• تكرار - يشير إلى عدد المرات التي ستتكرر فيها الإشارة خلال ثانية واحدة. يتم قياسه بالهرتز. على سبيل المثال، 1 هرتز = تكرار واحد في الثانية. التردد هو مقلوب الدورة ( ƒ = 1/T )
• السعة - تقاس بالفولت أو الأمبير (اعتمادًا على ما إذا كانت الإشارة تيارًا أم جهدًا). تشير السعة إلى "قوة" الإشارة. إلى أي مدى ينحرف الرسم البياني للإشارة عن المحور السيني؟

أنواع الإشارات

موجة جيبية

أعتقد أن تمثيل دالة لا معنى لها في الرسم البياني أعلاه هو أمر معروف لك جيدًا الخطيئة (خ).دورتها هي 360 o أو 2pi راديان (2pi راديان = 360 o).

وإذا قمت بتقسيم ثانية واحدة على الفترة T، فسوف تكتشف عدد الفترات التي تتناسب مع ثانية واحدة، أو بمعنى آخر، عدد مرات تكرار الفترة. أي أنك ستحدد تردد الإشارة! بالمناسبة، يشار إلى ذلك في هيرتز. 1 هرتز = 1 ثانية / 1 تكرار في الثانية

التردد والفترة معكوسان لبعضهما البعض. وكلما طالت الفترة، انخفض التردد والعكس صحيح. يتم التعبير عن العلاقة بين التكرار والفترة بعلاقات بسيطة:

تسمى الإشارات التي تشبه المستطيلات في الشكل "الإشارات المستطيلة". ويمكن تقسيمها إلى إشارات وتعرجات مستطيلة بسيطة. الموجة المربعة هي إشارة مستطيلة تكون فيها فترات النبض والتوقف متساوية. وإذا جمعنا مدة التوقف والنبض، نحصل على فترة التعرج.

تختلف الإشارة المستطيلة العادية عن الإشارة المتعرجة من حيث أن لها فترات نبض وتوقف مختلفة (بدون نبض). انظر الصورة أدناه - تقول ألف كلمة.

بالمناسبة، هناك مصطلحان آخران لإشارات الموجة المربعة التي يجب أن تعرفهما. فهي معكوسة لبعضها البعض (مثل الدورة والتكرار). هذا السردو عامل التعبئة.النسبة (S) تساوي نسبة الدورة إلى مدة النبضة والعكس بالنسبة للمعامل. حشوة.

وبالتالي، فإن الموجة المربعة هي إشارة مستطيلة ذات دورة عمل قدرها 2. حيث أن دورتها تعادل ضعف مدة النبضة.

S - دورة العمل، D - دورة العمل، T - فترة النبض، - مدة النبض.

بالمناسبة، الرسوم البيانية أعلاه تظهر إشارات مستطيلة مثالية. في الحياة تبدو مختلفة قليلاً، لأنه لا يمكن لأي جهاز أن تتغير الإشارة بشكل فوري من 0 إلى قيمة معينة ثم تعود إلى الصفر.

إذا تسلقنا جبلًا ثم نزلنا فورًا وسجلنا التغير في ارتفاع موضعنا على الرسم البياني، فسنحصل على إشارة مثلثة. مقارنة قاسية لكنها حقيقية. في الإشارات المثلثية، يزداد الجهد (التيار) أولاً ثم يبدأ على الفور في الانخفاض. وبالنسبة للإشارة المثلثية الكلاسيكية، فإن الوقت المتزايد يساوي الوقت المتناقص (ويساوي نصف الفترة).

إذا كانت هذه الإشارة لها وقت متزايد أقل أو أكبر من وقت التناقص، فإن هذه الإشارات تسمى بالفعل سن المنشار. وعنهم أدناه.

إشارة المنحدر

كما كتبت أعلاه، تسمى الإشارة الثلاثية غير المتماثلة إشارة مسننة. كل هذه الأسماء مشروطة ومطلوبة فقط للراحة.

الإشارات التناظريةهي وظيفة مستمرة لحجة مستمرة، أي. محددة لأي قيمة للمتغير المستقل. مصادر الإشارات التناظرية، كقاعدة عامة، هي عمليات وظواهر فيزيائية مستمرة في تطورها (ديناميكية التغيرات في قيم خصائص معينة) في الزمان أو المكان أو في أي متغير مستقل آخر، بينما الإشارة المسجلة يشبه (مماثلا) لعملية توليده. مثال على التدوين الرياضي لإشارة تناظرية محددة: ذ(ر) = 4.8exp[-( ر-4)2/2.8]. يظهر في الشكل مثال للعرض الرسومي لهذه الإشارة. 2.2.1، في حين أن القيم العددية للدالة نفسها ووسائطها يمكن أن تأخذ أي قيم خلال فترات زمنية معينة ذ 1 جنيه استرليني ذ £ ذ 2,ر 1 جنيه استرليني ر £ ر 2. إذا كانت فترات قيم الإشارة أو متغيراتها المستقلة غير محدودة، فمن المفترض افتراضيًا أنها تساوي -¥ إلى +¥. تشكل مجموعة قيم الإشارة الممكنة مساحة مستمرة يمكن من خلالها تحديد أي نقطة بدقة لا نهائية.

أرز. 2.2.1. عرض رسومي للإشارة ذ(ر) = 4.8 إكسب[-( ر-4) 2 /2.8].

إشارة منفصلةوهي أيضًا في قيمها دالة مستمرة، ولكنها محددة فقط من خلال قيم منفصلة للوسيطة. وفقًا لمجموعة قيمها، فهي محدودة (قابلة للعد) ويتم وصفها بتسلسل منفصل ذ(ن×د ر)، أين ذ 1 جنيه استرليني ذ £ ذ 2، د ر- الفاصل الزمني بين العينات (فاصل أخذ عينات الإشارة)، ن = 0, 1, 2, ..., ن- ترقيم قيم القراءة المنفصلة. إذا تم الحصول على إشارة منفصلة عن طريق أخذ عينات من إشارة تناظرية، فإنها تمثل سلسلة من العينات، قيمها تساوي تمامًا قيم الإشارة الأصلية في الإحداثيات ند ر.

مثال على أخذ عينات من الإشارة التناظرية الموضحة في الشكل. 2.2.1، هو مبين في الشكل. 2.2.2. عند د ر= const (أخذ عينات بيانات موحدة) يمكن وصف الإشارة المنفصلة بالتدوين المختصر ذ(ن).

عندما يتم أخذ عينات الإشارة بشكل غير متساو، عادة ما يتم وضع تسميات التسلسلات المنفصلة (في أوصاف النص) بين قوسين متعرجين - ( س(ر ط))، وتعطى قيم القراءة على شكل جداول تشير إلى القيم الإحداثية ر ط. بالنسبة للتسلسلات الرقمية القصيرة وغير المنتظمة، يتم أيضًا استخدام الوصف الرقمي التالي: س(ر ط) = {أ 1 , أ 2 , ..., ن}, ر = ر 1 , ر 2 , ..., ر ن.

الإشارات الرقميةكمية في قيمها ومنفصلة في حجتها. يتم وصفه بواسطة وظيفة شعرية كمية ذ ن = س ك[ذ(ند ر)]، أين س ك- دالة التكميم مع عدد مستويات التكميم ك، في حين يمكن أن تكون فترات التكميم موحدة أو غير متساوية، على سبيل المثال، لوغاريتمي. يتم تحديد الإشارة الرقمية، عادةً على شكل مصفوفة رقمية من القيم المتعاقبة للوسيطة عند D ر = const، ولكن، في الحالة العامة، يمكن أيضًا تحديد الإشارة في شكل جدول لقيم الوسيطات العشوائية.

في الأساس، الإشارة الرقمية هي نسخة رسمية من إشارة منفصلة عندما يتم تقريب قيم الأخيرة إلى عدد معين من الأرقام، كما هو مبين في الشكل. 2.2.3. في الأنظمة الرقمية وفي أجهزة الكمبيوتر، يتم تمثيل الإشارة دائمًا بدقة تصل إلى عدد معين من البتات وبالتالي تكون دائمًا رقمية. مع أخذ هذه العوامل في الاعتبار، عند وصف الإشارات الرقمية، عادةً ما يتم حذف وظيفة التكميم (موحدة ضمنيًا بواسطة الافتراضي)، وتستخدم قواعد وصف الإشارات المنفصلة لوصف الإشارات.

أرز. 2.2.2. إشارة منفصلة الشكل. 2.2.3. الإشارات الرقمية

ذ(ند ر) = 4.8 إكسب[-( ند ر-4) 2 /2.8]، د ر= 1. ذ ن = س ك، د ر=1, ك = 5.

من حيث المبدأ، يمكن أيضًا قياس الإشارة التناظرية المسجلة بواسطة المعدات الرقمية المناسبة بقيمها (الشكل 2.2.4). لكن تقسيم هذه الإشارات إلى نوع منفصل ليس له أي معنى - فهي تظل إشارات تناظرية مستمرة متقطعة مع خطوة تكميمية، والتي يتم تحديدها بواسطة خطأ القياس المسموح به.

معظم الإشارات المنفصلة والرقمية التي تتعامل معها هي عبارة عن عينات من الإشارات التناظرية. ولكن هناك إشارات تنتمي في البداية إلى الفئة المنفصلة، ​​على سبيل المثال أشعة جاما.

أرز. 2.2.4. إشارة كمية ذ(ر)= س ك, ك = 5.

التمثيل الطيفي للإشارات.بالإضافة إلى التمثيل الزمني (الإحداثي) المعتاد للإشارات والوظائف، عند تحليل البيانات ومعالجتها، يتم استخدام وصف الإشارات بوظائف التردد على نطاق واسع، أي. بواسطة الحجج العكسية لحجج تمثيل الوقت (الإحداثي). تتحدد إمكانية مثل هذا الوصف من خلال حقيقة أن أي إشارة، مهما كانت معقدة في شكلها، يمكن تمثيلها كمجموع من الإشارات الأبسط، وعلى وجه الخصوص، كمجموع من أبسط الإشارات. الاهتزازات التوافقية، ويسمى مجموعها طيف تردد الإشارة. رياضيا، يتم وصف طيف الإشارة من خلال وظائف قيم السعة والمراحل الأولية للتذبذبات التوافقية باستخدام وسيطة مستمرة أو منفصلة - تكرار. عادة ما يسمى طيف السعة استجابة التردد السعة(استجابة التردد) للإشارة، طيف زوايا الطور – استجابة تردد المرحلة(فتشه). وصف الطيف الترددييعرض الإشارة بشكل لا لبس فيه مثل وصف الإحداثيات.

في التين. يوضح الشكل 2.2.5 جزءًا من دالة الإشارة، والتي يتم الحصول عليها عن طريق جمع المكون الثابت (تردد المكون الثابت هو 0) وثلاثة تذبذبات توافقية. الوصف الرياضييتم تحديد الإشارة بواسطة الصيغة:

أين ن= (5، 3، 6، 8) - السعة؛ fn= (0، 40، 80، 120) - التردد (هرتز)؛ φ ن= (0، -0.4، -0.6، -0.8) - زاوية الطور الأولي (بالراديان) للتذبذبات؛ ن = 0,1,2,3.

أرز. 2.2.5. التمثيل الزمني للإشارة.

يظهر الشكل 1 تمثيل تردد هذه الإشارة (طيف الإشارة في شكل استجابة التردد واستجابة الطور). 2.2.6. يرجى ملاحظة أن تمثيل التردد للإشارة الدورية س(ر) ، محدود في عدد توافقيات الطيف، وهو ثماني عينات فقط وهو مضغوط جدًا مقارنة بالتمثيل الزمني المستمر، المحدد في الفاصل الزمني من -¥ إلى +¥.

أرز. 2.2.6. تمثيل التردد للإشارة.

عرض الرسوم البيانيةالإشارات التناظرية (الشكل 2.2.1) لا تتطلب أي تفسير خاص. عند عرض الإشارات المنفصلة والرقمية بيانياً، يتم استخدام إما طريقة المقاطع المنفصلة المباشرة لطول المقياس المقابل فوق محور الوسيطة (الشكل 2.2.6)، أو طريقة المظروف (السلس أو المكسور) بناءً على قيم العينة ​​(منحنى منقط في الشكل 2.2.2). نظرًا لاستمرارية الحقول، وكقاعدة عامة، الطبيعة الثانوية للبيانات الرقمية التي يتم الحصول عليها عن طريق أخذ عينات من الإشارات التناظرية وكميتها، سنعتبر الطريقة الثانية للعرض الرسومي هي الطريقة الرئيسية.

أنواع الإشارات

الإشارة

الإشارةهي عملية فيزيائية، تحمل بعض خصائصها معنى إعلاميًا.

على سبيل المثال، تتميز الإشارة الضوئية (تدفق الضوء) بالسطوع واللون وخصائص الاستقطاب واتجاه الانتشار وما إلى ذلك.

يمكن حمل المعلومات إما عن طريق إحدى هذه الخصائص أو عن طريق مجموعة متزامنة من عدة خصائص.

تنشأ إشارة في الطبيعة أثناء تفاعل الأشياء المادية وتحمل معلومات حول هذا التفاعل. الإشارة قادرة على التحرك والانتشار في بعض البيئات المادية، وبالتالي توفير النقل المكاني للمعلوماتمن الكائن (مصدر الحدث) إلى الموضوع (المراقب). يسمى الوسط المادي الذي تنتشر فيه الإشارة الناقل الإشارة.

تختلف الإشارات في المقام الأول في الطبيعة الفيزيائية. أمثلة: الإشارة الضوئية، الإشارة الصوتية، الإشارة الكهربائية، إشارة الراديو...

اعتمادا على المصدر الذي يولدها، يمكن أن تكون الإشارات طبيعيأو صناعي.

تنشأ الإشارات الطبيعية بسبب تفاعل الأشياء المادية في مكان ما في الطبيعة الحية أو غير الحية. هذه عملية طبيعية ولا علاقة لها بالنشاط البشري. أمثلة: وهج الشمس، غناء الطيور، انتشار رائحة الزهور...

يتم إطلاق الإشارات الاصطناعية من قبل البشر أو تنشأ في الأنظمة التقنيةخلقها الإنسان. أمثلة: الإشارات الكهربائية لخط الهاتف؛ إشارات الراديو؛ مضيئة أو النار. إشارة ضوئية صفارة سيارات الإطفاء...

شكل الإشارات هو التناظرية, منفصلةو رقمي.

إشارة تناظرية (أو مستمرة).هي عملية فيزيائية تتغير خصائصها المعلوماتية بسلاسة. على سبيل المثال، إشارة كهربائية متغيرة بسلاسة (الشكل 1). أمثلة أخرى: إشارة صوتية، إشارة الضوء الطبيعي. جميع الإشارات الطبيعية تقريبًا تناظرية.

من سمات الإشارة التناظرية عدم وضوح الحدود بين القيمتين المتجاورتين. العدد الإجمالي للقيم التي يمكن أن تميز الإشارة التناظرية كبير بلا حدود.

إشارة منفصلةهي عملية فيزيائية تتغير خصائص المعلومات الخاصة بها بشكل مفاجئ ولا يمكن أن تستغرق سوى فترة معينة مجموعة محدودةالقيم (الشكل 2).

خصوصية الإشارة المنفصلة هي التمييز الواضح بين قيمتين مختلفتين للإشارة. دائمًا ما يكون العدد الإجمالي للقيم المحتملة التي يمكن أن تأخذها الإشارة المنفصلة محدودًا.

على سبيل المثال، مصباح المدرجة في دائرة كهربائية. يمكن أن يكون المصباح قيد التشغيل أو الإيقاف. إذا كان المصباح مضاءً، فهذا بمثابة إشارة إلى وجود تيار في الدائرة. إذا لم يضيء، فلا يوجد تيار. القيم المتوسطة (مدى سطوع إضاءة المصباح) لا تؤخذ في الاعتبار هنا - هناك قيمتان فقط: إما أنه قيد التشغيل أو غير قيد التشغيل.

مثال آخر: يتم إرسال بعض الرسائل عن طريق التلغراف.

يتم إرسال الرسالة باستخدام شفرة مورس، والتي تستخدم ثلاث قيم مختلفة: النقطة والشرطة والمسافة (إيقاف مؤقت). الإشارة التي تحملها هذه الرسالة سيكون لها أيضًا ثلاثة معانٍ مختلفة: إشارة قصيرة، وإشارة طويلة، ولا توجد إشارة. وبما أن عدد قيم الإشارة الممكنة محدود، فهي إشارة منفصلة.

عادة ما تكون الإشارات المنفصلة مصطنعة(تم إنشاؤه بواسطة شخص أو نظام فني).

إشارات تناظرية ومنفصلة ورقمية

أحد اتجاهات التنمية الأنظمة الحديثةالاتصالات هي الاستخدام الواسع النطاق لمعالجة الإشارات التناظرية والرقمية المنفصلة (DAO وDSP).

يمكن تمثيل الإشارة التناظرية Z'(t)، المستخدمة أصلاً في الهندسة الراديوية، كرسم بياني مستمر (الشكل 2.10أ). تشمل الإشارات التناظرية إشارات AM، وFM، وFM، وإشارات مستشعر القياس عن بعد، وما إلى ذلك. وتسمى الأجهزة التي تتم فيها معالجة الإشارات التناظرية بأجهزة المعالجة التناظرية. تشمل هذه الأجهزة محولات التردد ومكبرات الصوت المختلفة ومرشحات LC وما إلى ذلك.

يتضمن الاستقبال الأمثل للإشارات التناظرية، كقاعدة عامة، خوارزمية ترشيح خطية مثالية، وهي ذات أهمية خاصة عند استخدام إشارات معقدة تشبه الضوضاء. ومع ذلك، في هذه الحالة يكون بناء مرشح مطابق أكثر صعوبة. عند استخدام مرشحات متطابقة تعتمد على خطوط تأخير متعددة النقر (تضيق مغناطيسي، كوارتز، وما إلى ذلك)، يتم الحصول على توهين كبير وأبعاد وعدم استقرار تأخير. تعتبر المرشحات المعتمدة على الموجات الصوتية السطحية (SAW) واعدة، ولكن قصر مدة الإشارات المعالجة فيها وتعقيد ضبط معلمات المرشح يحد من نطاق تطبيقها.

في الأربعينيات، تم استبدال RES التناظرية بأجهزة للمعالجة المنفصلة لعمليات الإدخال التناظرية. توفر هذه الأجهزة معالجة تناظرية منفصلة (DAO) للإشارات وتتمتع بقدرات كبيرة. هنا يتم استخدام إشارة منفصلة في الوقت المناسب ومستمرة في الحالة. مثل هذه الإشارة Z’(kT) عبارة عن سلسلة من النبضات بسعات تساوي قيم الإشارة التناظرية Z’(t) في أوقات منفصلة t=kT، حيث k=0,1,2,… هي أعداد صحيحة. ويسمى الانتقال من الإشارة المستمرة Z'(t) إلى سلسلة من النبضات Z'(kT) بأخذ العينات الزمنية.

الشكل 2.10 الإشارات التناظرية والمنفصلة والرقمية

الشكل 2.11 أخذ عينات الإشارة التناظرية

يمكن أخذ عينات من الإشارة التناظرية في الوقت المناسب من خلال سلسلة الصدفة "AND" (الشكل 2.11)، والتي تعمل عند مدخلها الإشارة التناظرية Z'(t). يتم التحكم في سلسلة الصدفة بواسطة جهد الساعة UT(t) - نبضات قصيرة مدتها ti، تتبع على فترات T>>ti.

يتم تحديد الفاصل الزمني لأخذ العينات T وفقًا لنظرية Kotelnikov T=1/2Fmax، حيث Fmax هو الحد الأقصى للتردد في طيف الإشارة التناظرية. ويسمى التردد fd = 1/T تردد أخذ العينات، وتسمى مجموعة قيم الإشارة عند 0، T، 2T،... إشارة مع تعديل سعة النبض (PAM).

حتى نهاية الخمسينيات، تم استخدام إشارات AIM فقط عند تحويل إشارات الكلام. للإرسال عبر قناة اتصال مرحل راديوي، يتم تحويل إشارة AIM إلى إشارة ذات تعديل طور النبض (PPM). في هذه الحالة، يكون اتساع النبضات ثابتًا، ويتم تضمين المعلومات حول رسالة الكلام في انحراف (الطور) Dt ​​للنبض بالنسبة لبعض الموضع المتوسط. باستخدام نبضات قصيرة من إشارة واحدة، ووضع نبضات من الإشارات الأخرى بينهما، يتم الحصول على اتصال متعدد القنوات (ولكن ليس أكثر من 60 قناة).

حاليًا، يتم تطوير DAO بشكل مكثف استنادًا إلى استخدام "سلاسل النار" (FC) والأجهزة المقترنة بالشحن (CCD).

في أوائل السبعينيات، بدأت الأنظمة التي تحتوي على تعديل رمز النبض (PCM)، والتي تستخدم الإشارات في شكل رقمي، في الظهور على شبكات الاتصالات في مختلف البلدان والاتحاد السوفييتي.

عملية PCM عبارة عن تحويل إشارة تناظرية إلى أرقام وتتكون من ثلاث عمليات: أخذ العينات الزمنية على فترات T (الشكل 2.10، ب)، وتكميم المستوى (الشكل 2.10، ج) والتشفير (الشكل 2.10، د). تمت مناقشة عملية أخذ العينات الزمنية أعلاه. تتمثل عملية تكميم المستوى في حقيقة أن سلسلة من النبضات، التي تتوافق سعاتها مع قيم الإشارة التناظرية 3 في لحظات منفصلة من الزمن، يتم استبدالها بسلسلة من النبضات التي يمكن أن تأخذ سعاتها عددًا محدودًا فقط من القيم الثابتة. تؤدي هذه العملية إلى خطأ في القياس الكمي (الشكل 2.10 د).

الإشارة ZКВ'(kT) هي إشارة منفصلة سواء في الوقت أو في الولايات. القيم المحتملة u0، u1،…،uN-1 للإشارة Z'(kT) على الجانب المستقبل معروفة، وبالتالي فهي لا تنقل القيم uk التي استقبلتها الإشارة في الفاصل الزمني T، ولكن فقط مستواه رقم ك. في الجانب المتلقي، بناءً على الرقم المستلم k، تتم استعادة القيمة uk. في هذه الحالة، تسلسل الأرقام في النظام الثنائيالأرقام هي كلمات رمزية.

وتتكون عملية التشفير من تحويل الإشارة الكمية Z’(kT) إلى سلسلة من كلمات التشفير (x(kT)). في التين. ويبين الشكل 2.10 د كلمات الكود في شكل سلسلة من مجموعات الكود الثنائي باستخدام ثلاث بتات.

تُستخدم عمليات PCM المدروسة في وحدات RPU مع DSP، في حين أن PCM ضروري ليس فقط للإشارات التناظرية، ولكن أيضًا للإشارات الرقمية.

دعونا نبين الحاجة إلى PCM عند استقبال الإشارات الرقمية عبر قناة الراديو. وبالتالي، عند إرسال العنصر xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxa في نطاق الديكامتر للإشارة الرقمية xi(kT) (i=0.1)، مما يعكس عنصر الكود n، يمكن للإشارة المتوقعة عند دخل RPU مع الضوضاء المضافة ξ(t) تكون ممثلة في النموذج:

z / i (t)= μx(kT) + ξ(t) , (2.2)

عند (0 ≥ ر ≥ TE)،

حيث μ هو معامل إرسال القناة، وTE هي المدة الزمنية لعنصر الإشارة. من (2.2) يتضح أن الضوضاء عند مدخل RPU تشكل مجموعة من الإشارات تمثل تذبذبًا تناظريًا.

من أمثلة الدوائر الرقمية العناصر المنطقية، والسجلات، والقلابات، والعدادات، وأجهزة التخزين، وما إلى ذلك. واستنادًا إلى عدد العقد الموجودة على الدوائر المتكاملة وLSIs، تنقسم وحدات RPU المزودة بمزودي خدمات الإشارة إلى مجموعتين:

1. وحدات التحكم الراديوي التناظري إلى الرقمي، والتي تحتوي على مكونات فردية يتم تنفيذها على IC: مركب التردد، المرشحات، مزيل التشكيل، AGC، إلخ.

2. أجهزة استقبال الراديو الرقمية (DRD)، حيث تتم معالجة الإشارة بعد محول تناظري إلى رقمي (ADC).

في التين. يوضح الشكل 2.12 عناصر (قناة المعلومات) الرئيسية لوحدة معالجة البيانات الرقمية ذات نطاق الديكامتر: الجزء التناظري من مسار الاستقبال (ADP)، ADC (يتكون من جهاز أخذ العينات، جهاز قياس الكمي والتشفير)، الجزء الرقمي من مسار الاستقبال ( DCPT) والمحول الرقمي إلى التناظري (DAC) وترددات المرشحات المنخفضة (مرشح الترددات المنخفضة). تشير الخطوط المزدوجة إلى إرسال الإشارات الرقمية (الرموز)، وتشير الخطوط المفردة إلى إرسال الإشارات التناظرية وإشارات AIM.

الشكل 2.12 عناصر قناة CRPU الرئيسية (قناة المعلومات) لنطاق الديكامتر

ينتج AFC انتقائية أولية للتردد وتضخيمًا كبيرًا وتحويل تردد للإشارة Z'(T). يقوم ADC بتحويل الإشارة التناظرية Z'(T) إلى إشارة رقمية x(kT) (الشكل 2.10،هـ).

في CCPT، كقاعدة عامة، يتم إجراء تحويل إضافي للتردد، والانتقائية (في مرشح رقمي - الانتقائية الأساسية) وإزالة التشكيل الرقمي للرسائل التناظرية والمنفصلة (التردد، والطور النسبي، وإبراق السعة). عند خرج CCPT نحصل على إشارة رقمية y(kT) (الشكل 2.10، e). هذه الإشارة، التي تتم معالجتها وفقًا لخوارزمية معينة، من مخرج محول التردد المركزي تذهب إلى DAC أو إلى جهاز تخزين الكمبيوتر (عند تلقي البيانات).

في DAC ومرشح الترددات المنخفضة المتصلين على التوالي، يتم تحويل الإشارة الرقمية y(kT) أولاً إلى إشارة y(t)، مستمرة في الوقت ومنفصلة في الحالة، ثم إلى yФ(t)، وهي مستمرة في الوقت والحالة (الشكل 2.10ز، ح).

من بين الطرق العديدة لمعالجة الإشارات الرقمية في نظام التحكم الرقمي المركزي، أهمها التصفية الرقميةوإزالة التشكيل. دعونا نفكر في خوارزميات وبنية المرشح الرقمي (DF) ومزيل التشكيل الرقمي (CD).

المرشح الرقمي هو نظام منفصل (جهاز مادي أو برنامج كمبيوتر). فيه، يتم تحويل تسلسل العينات الرقمية (x(kT)) لإشارة الدخل إلى تسلسل (y(kT)) لإشارة الخرج.

خوارزميات CF الرئيسية هي: معادلة الفرق الخطية، معادلة الالتفاف المنفصلة، ​​المشغل وظيفة الإرسالفي الطائرة z واستجابة التردد.

تسمى المعادلات التي تصف تسلسل الأرقام (النبضات) عند مدخلات ومخرجات المرشح الرقمي (نظام منفصل مع تأخير) معادلات الفرق الخطية.

معادلة الفرق الخطية للدالة الرقمية العودية لها الشكل:

, (2.3)

حيث x[(k-m)T] وy[(k-n)T] هي قيم تسلسل الإدخال والإخراج للعينات الرقمية في الأوقات (k-m)T و(k-n)T، على التوالي؛ m وn - عدد العينات الرقمية للمدخلات والمخرجات السابقة المجمعة، على التوالي؛

a0، a1، …، am وb1، b2، …، bn هي معاملات الترجيح الحقيقية.

في (3)، الحد الأول هو معادلة فرق خطية لدالة رقمية غير متكررة. يتم الحصول على معادلة الالتواء المنفصلة للدالة الرقمية من الدالة الرقمية غير العودية للفرق الخطي عن طريق استبدال al in بها بـ h(lT):

, (2.4)

حيث ح (لتر) - استجابة نبضيه CF، وهو الاستجابة لنبضة واحدة.

وظيفة نقل المشغل هي نسبة وظائف لابلاس المحولة عند إخراج وإدخال المرشح الرقمي:

, (2.5)

يتم الحصول على هذه الدالة مباشرة من معادلات الفرق باستخدام تحويل لابلاس المنفصل ونظرية الإزاحة.

عن طريق تحويل لابلاس المنفصل، على سبيل المثال، تسلسل (x(kT))، نعني الحصول على صورة L للنموذج

, (2.6)

حيث p=s+jw هو عامل لابلاس المعقد.

يمكن صياغة نظرية الإزاحة (التحول) فيما يتعلق بالوظائف المنفصلة: إن إزاحة المتغير المستقل للأصل في الوقت المناسب بمقدار ±mT يتوافق مع ضرب الصورة L بـ . على سبيل المثال،

مع الأخذ في الاعتبار خصائص الخطية تحويل منفصللابلاس ونظرية الإزاحة، سيأخذ تسلسل إخراج أرقام دالة رقمية غير متكررة الشكل

, (2.8)

ثم وظيفة نقل المشغل للمرشح الرقمي غير العودي:

, (2.9)

الشكل 2.13

وبالمثل، مع الأخذ في الاعتبار الصيغة (2.3)، نحصل على وظيفة نقل المشغل للمرشح الرقمي العودي:

, (2.10)

صيغ وظائف نقل المشغل لها شكل معقد. لذلك، تنشأ صعوبات كبيرة عند دراسة المجالات والأعمدة (جذور الشكل 2.13 لبسط متعدد الحدود وجذور مقام متعدد الحدود)، والتي لها في المستوى p بنية دورية في التردد.

يتم تبسيط تحليل وتوليف الوظائف الرقمية من خلال تطبيق تحويل z، عند الانتقال إلى متغير معقد جديد z مرتبط بـ p بواسطة العلاقة z=epT أو z-1=e-РT. هنا يتم تعيين المستوى المركب p=s+jw إلى مستوى معقد آخر z=x+jy. لهذا فمن الضروري أن es+jw=x+jy. في التين. 2.13 مبين طائرات معقدةص و ض.

من خلال استبدال المتغيرات e-pT=z-1 في (2.9) و(2.10)، نحصل على وظائف النقل في المستوى z، على التوالي، للمرشحات الرقمية غير العودية والعودية:

, (2.11)

, (2.12)

تحتوي وظيفة النقل الخاصة بالمرشح الرقمي غير العودي على أصفار فقط، لذا فهي مستقرة تمامًا. سيكون المرشح الرقمي العودي مستقرًا إذا كانت أقطابه موجودة داخل دائرة الوحدة للمستوى z.

وظيفة النقل للمرشح الرقمي في شكل متعدد الحدود القوى السلبيةالمتغير z يجعل من الممكن رسم مخطط كتلة للدالة الرقمية مباشرة من شكل الدالة HC(z). يسمى المتغير z-1 بعامل تأخير الوحدة، وفي المخططات الهيكلية هو عنصر التأخير. ولذلك، فإن أعلى قوى لبسط ومقام دالة النقل HC(z)rec تحدد عدد عناصر التأخير، على التوالي، في الأجزاء غير العودية والأجزاء العودية من المرشح الرقمي.

يتم الحصول على الاستجابة الترددية للمرشح الرقمي مباشرة من وظيفة النقل الخاصة به في المستوى z عن طريق استبدال z بـ ejl (أو z-1 بـ e-jl) وإجراء التحويلات اللازمة. ولذلك يمكن كتابة استجابة التردد على النحو التالي:

, (2.13)

حيث CC(l) هي استجابة تردد الاتساع (AFC)، وφ(l) هي خصائص تردد الطور للمرشح الرقمي؛ ل = 2 و' - التردد الرقمي؛ f ’=f/fД – التردد النسبي؛ و – التردد الدوري.

السمة CF(jl) CF هي دالة دورية للتردد الرقمي l مع الفترة 2 (أو الوحدة في الترددات النسبية). في الواقع، ejl±jn2 = ejl ±jn2 = ejl، لأن وفقًا لصيغة أويلر ejn2 =cosn2 +jsinn2 = 1.

الشكل 2.14 رسم تخطيطي لدائرة تذبذبية

في الهندسة الراديوية، أثناء معالجة الإشارات التناظرية، يكون أبسط مرشح تردد هو الدائرة التذبذبيةإل سي. دعونا نبين أن أبسط مرشح تردد في المعالجة الرقمية هو وصلة متكررة من الدرجة الثانية، وظيفة النقل في المستوى z منها

, (2.14)

أ المخطط الهيكليله النموذج الموضح في الشكل 2.14. هنا يمثل المشغل Z-1 عنصر تأخير منفصل لدورة ساعة واحدة للمرشح الرقمي، وتشير الخطوط ذات الأسهم إلى الضرب بـ a0 وb2 وb1، وتشير "block +" إلى أداة الجمع.

لتبسيط التحليل، في التعبير (2.14) نأخذ a0=1، ونمثله بالقوى الإيجابية لـ z، ونحصل على

, (2.15)

تعتمد وظيفة النقل للمرنان الرقمي، مثل دائرة LC التذبذبية، فقط على معلمات الدائرة. الدور إل، سي، آرحقق المعاملين b1 و b2.

من (2.15) يتضح أن دالة النقل للوصلة العودية من الدرجة الثانية لها صفر من التعددية الثانية في المستوى z (عند النقاط z=0) وقطبين

و

المعادلة استجابة الترددنحصل على الارتباط العودي من الدرجة الثانية من (2.14)، مع استبدال z-1 بـ e-jl (مع a0=1):

, (2.16)

استجابة تردد السعة تساوي المعامل (2.16):

بعد إجراء التحولات الأساسية. ستأخذ استجابة التردد للارتباط العودي من الدرجة الثانية الشكل:

الشكل 2.15 رسم بياني لارتباط عودي من الدرجة الثانية

في التين. 2.15 يوضح الرسوم البيانية وفق (2.18) لـ b1=0. ويتضح من الرسوم البيانية أن الرابط التكراري من الدرجة الثانية هو النظام الانتخابي ضيق النطاق، أي. مرنان رقمي. يظهر هنا فقط قسم العمل من نطاق تردد المرنان f ’<0,5. Далее характери-стики повторяются с интервалом fД

تظهر الأبحاث أن تردد الرنين f0’ سيأخذ القيم التالية:

f0’=fД/4 عند b1=0;

f0' 0;

f0'>fД/4 عند b1<0.

تغير قيم b1 و b2 كلاً من تردد الرنين وعامل جودة الرنان. إذا تم اختيار b1 من الشرط

، حيث أن b1 وb2 سيؤثران فقط على عامل الجودة (f0'=const). يمكن ضبط تردد الرنان عن طريق تغيير fD.

المستخلص الرقمي

يعتبر مزيل التشكيل الرقمي في النظرية العامة للاتصالات بمثابة جهاز حاسوبي يعالج خليطًا من الإشارة والضوضاء.

دعونا نحدد خوارزميات الأقراص المضغوطة لمعالجة إشارات AM وFM التناظرية مع نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية. للقيام بذلك، دعونا نقدم المغلف المعقد Z / (t) لخليط تناظري ضيق النطاق من الإشارة والضوضاء Z'(t) عند إخراج AFC في شكل أسي وجبري:

و

, (2.20)

هو الغلاف والطور الإجمالي للخليط، وZC(t) وZS(t) هما مكونا التربيع.

ومن (2.20) يتضح أن غلاف الإشارة Z(t) يحتوي على معلومات كاملة عن قانون التشكيل. لذلك، فإن الخوارزمية الرقمية لمعالجة إشارة AM التناظرية في قرص مضغوط باستخدام المكونات التربيعية XC(kT) وXS(kT) للإشارة الرقمية x(kT) لها الشكل:

ومن المعروف أن تردد الإشارة هو المشتق الأول لطورها، أي.

, (2.22)

ثم من (2.20) و (2.22) يأتي ما يلي:

, (2.23)

الشكل 2.16 مخطط كتلة CCPT

باستخدام مكونات التربيع XC(kT) b XS(kT) للإشارة الرقمية x(kT) في (2.23) واستبدال المشتقات بالاختلافات الأولى، نحصل على خوارزمية رقمية لمعالجة إشارة FM تمثيلية في قرص رقمي رقمي:

في التين. يوضح الشكل 2.16 متغيرًا للمخطط الهيكلي لـ CCPT عند استقبال إشارات AM وFM التناظرية، والذي يتكون من محول تربيعي (QC) وقرص مضغوط.

في CP، يتم تشكيل المكونات التربيعية للإشارة الرقمية المعقدة عن طريق ضرب الإشارة x(kT) في تسلسلين (cos(2πf 1 kT)) و(sin(2πf 1 kT))، حيث f1 هو التردد المركزي للإشارة عرض أدنى تردد لطيف الإشارة z'(t). عند إخراج المضاعفات، توفر مرشحات الترددات المنخفضة الرقمية (DLPFs) قمع التوافقيات بتردد 2f1 وتسلط الضوء على العينات الرقمية لمكونات التربيع. هنا، يتم استخدام DFLPs كمرشح رقمي انتقائي أساسي. يتوافق الرسم التخطيطي للقرص المضغوط مع الخوارزميات (2.21) و (2.24).

يمكن تنفيذ خوارزميات معالجة الإشارات الرقمية المدروسة في الأجهزة (باستخدام أجهزة كمبيوتر متخصصة على الدوائر المتكاملة الرقمية، أو الأجهزة ذات وصلات الشحن، أو الأجهزة على الموجات الصوتية السطحية) وفي شكل برامج كمبيوتر.

عند تنفيذ خوارزمية معالجة الإشارات في البرنامج، يقوم الكمبيوتر بإجراء عمليات حسابية على المعاملات al وbl والمتغيرات x(kT) وy(kT) المخزنة فيه.

في السابق، كانت عيوب الأساليب الحسابية هي: السرعة المحدودة، ووجود أخطاء محددة، والحاجة إلى إعادة الاختيار، والتعقيد العالي والتكلفة. حاليا، يتم التغلب على هذه القيود بنجاح.

تتمثل مزايا أجهزة معالجة الإشارات الرقمية مقارنة بالأجهزة التناظرية في الخوارزميات المتقدمة المرتبطة بتدريب الإشارات وتكييفها وسهولة التحكم في الخصائص واستقرار المعلمات في الوقت المناسب ودرجة الحرارة والدقة العالية والقدرة على معالجة إشارات متعددة في وقت واحد وبشكل مستقل.

إشارات بسيطة ومعقدة. قاعدة الإشارة

تحسنت خصائص (معلمات) أنظمة الاتصالات مع إتقان أنواع الإشارات وطرق استقبالها ومعالجتها (فصلها). في كل مرة كانت هناك حاجة إلى التوزيع الكفء لموارد التردد المحدودة بين محطات الراديو العاملة. وبالتوازي مع ذلك، تمت معالجة مسألة تقليل عرض نطاق إرسال الإشارات. ومع ذلك، كانت هناك مشاكل عند استقبال الإشارات التي لا يمكن حلها بمجرد توزيع مورد التردد. فقط استخدام الطريقة الإحصائية لمعالجة الإشارات - تحليل الارتباط - جعل من الممكن حل هذه المشكلات.

الإشارات البسيطة لها قاعدة إشارة

بس = TS * ∆FS≈1، (2.25)

حيث TS هي مدة الإشارة؛ ∆FS – عرض الطيف للإشارة البسيطة.

تسمى أنظمة الاتصالات التي تعمل على إشارات بسيطة بالنطاق الضيق. بالنسبة للإشارات المعقدة (المركبة، الشبيهة بالضوضاء)، يحدث تعديل إضافي (تلاعب) في التردد أو الطور أثناء مدة إشارة TS. ولذلك، تنطبق العلاقة التالية هنا على قاعدة الإشارة المعقدة:

BSS=TS*∆FSS>>1، (2.26)

حيث ∆FSS هو عرض الطيف للإشارة المعقدة.

يقال أحيانًا أنه بالنسبة للإشارات البسيطة ∆FS = 1/ TS هو طيف الرسالة. بالنسبة للإشارات المعقدة، يتوسع طيف الإشارة بمقدار ∆FSS / ∆FS مرات. وينتج عن هذا تكرار في طيف الإشارة، وهو ما يحدد الخصائص المفيدة للإشارات المعقدة. إذا تم زيادة معدل نقل المعلومات في نظام اتصالات يحتوي على إشارات معقدة من أجل الحصول على مدة الإشارة المعقدة TS = 1/ ∆FSS، فسيتم تشكيل إشارة بسيطة ونظام اتصالات ضيق النطاق مرة أخرى. تختفي الخصائص المفيدة لنظام الاتصالات.

طرق توسيع طيف الإشارة

الإشارات المنفصلة والرقمية التي تمت مناقشتها أعلاه هي إشارات تقسيم الوقت.

دعونا نتعرف على الإشارات الرقمية ذات النطاق العريض وطرق الوصول المتعدد مع تقسيم الكود (في الشكل) للقنوات.

تم استخدام إشارات النطاق العريض في البداية في الاتصالات العسكرية والفضائية بسبب خصائصها المفيدة. هنا، تم استخدام مناعتهم العالية للتداخل والسرية، ويمكن لنظام الاتصال بإشارات النطاق العريض أن يعمل عندما يكون الاعتراض النشط للإشارة مستحيلاً، والتنصت بدون عينة إشارة وبدون معدات خاصة أمر مستحيل حتى عند استلام الإشارة.

اقترح شانون استخدام شرائح من الضوضاء الحرارية البيضاء كحامل للمعلومات وطريقة نقل النطاق العريض. لقد قدم هذا المفهوم عرض النطاققناة الاتصال. أظهر العلاقة بين إمكانية نقل المعلومات بدون أخطاء بنسبة معينة ونطاق التردد الذي تشغله الإشارة.

تم اقتراح أول نظام اتصال بإشارات معقدة من شرائح من الضوضاء الحرارية البيضاء بواسطة كوستاس. في الاتحاد السوفييتي، تم اقتراح استخدام إشارات النطاق العريض عند تنفيذ طريقة الوصول المتعدد بتقسيم الكود بواسطة L. E. Varakin.

لتمثيل أي متغير للإشارة المعقدة بشكل مؤقت، يمكنك كتابة العلاقة التالية:

حيث UI (t) و (t) هما المظروف والمراحل الأولية، والتي تتغير ببطء

وظائف مقارنة بـ cosω 0 t; - تردد الناقل.

عندما يتم تمثيل الإشارة بالتردد، فإن شكلها الطيفي المعمم يكون له الشكل

, (2.28)

أين هي وظائف الإحداثيات؟ - معاملات التوسع.

يجب أن تستوفي وظائف الإحداثيات شرط التعامد

, (2.29)

ومعاملات التوسع

(2.30)

بالنسبة للإشارات المعقدة المتوازية، تم استخدام الدوال المثلثية ذات الترددات المتعددة لأول مرة كدوال إحداثية

, (2.31)

عند الجميع الخيار الأولإشارة معقدة لها الشكل

ز ط (ر) = ر . (2.32)

ثم بعد أن قبلت

آكي = و = - أركتج (β كي / كي)، (2.33)

Ki , βki – معاملات التمدد في سلسلة فورييه المثلثية للإشارة i؛

أنا = 1,2,3,…,م ; m هو أساس الكود، نحصل عليه

ز ط (ر) = ر . (2.34)

هنا تشغل مكونات الإشارة ترددات من ki1 /2π = ki1 /TS إلى ki2 /2π = ki2 /TS؛ ki1 = دقيقة (ki1) و ki2 = الحد الأقصى (ki2)؛ ki1 و ki2 – أرقام أصغر وأكبر المكونات التوافقية، والتي تؤثر بشكل كبير على تكوين متغير الإشارة i؛ Ni = ki2 - ki1 + 1 - عدد المكونات التوافقية للإشارة i المعقدة.

نطاق التردد الذي تشغله الإشارة

∆FSS = (ki2 - ki1 + 1)ω 0 / 2π = (ki2 - ki1 + 1)/ TS . (2.35)

يتركز فيه الجزء الرئيسي من طيف طاقة الإشارة.

ومن العلاقة (35) يترتب على ذلك قاعدة هذه الإشارة

BSS = TS ∙ ∆FSS = (ki2 - ki1 + 1) = Ni , (2.36)

يساوي عدد المكونات التوافقية للإشارة Ni، والتي يتم تشكيلها بواسطة متغير الإشارة i-th

الشكل 2.17

ب)

الشكل 2.18 مخطط طيف انتشار الإشارة مع مخطط التسلسل الدوري

منذ 1996-1997، ولأغراض تجارية، بدأت كوالكوم في استخدام مجموعة فرعية (φ k (t)) من وظائف والش الكاملة المتعامدة على الفاصل الزمني لتوليد إشارات معقدة متوازية على أساس (28). في هذه الحالة، يتم تنفيذ طريقة الوصول المتعدد بتقسيم الكود - معيار CDMA (الوصول المتعدد بتقسيم الكود)

الشكل 2.19 دائرة استقبال الارتباط

خصائص مفيدة لإشارات النطاق العريض (المركب).

الشكل 2.20

عند الاتصال بمحطات متنقلة (MS)، يحدث انتشار إشارة متعددة المسارات (متعددة المسارات). ولذلك، فإن تداخل الإشارة ممكن، مما يؤدي إلى ظهور الانخفاضات العميقة (تلاشي الإشارة) في التوزيع المكاني للمجال الكهرومغناطيسي. لذلك، في الظروف الحضرية، عند نقطة الاستقبال، لا يمكن أن تنعكس الإشارات إلا من المباني الشاهقة والتلال وما إلى ذلك، إذا لم تكن هناك رؤية مباشرة. لذلك، تتم إضافة إشارتين بتردد 937.5 ميجاهرتز (l = 32 سم)، تصلان مع تحول زمني قدره 0.5 ns مع اختلاف مسار قدره 16 سم، في الطور المضاد.

يتغير أيضًا مستوى الإشارة عند دخل جهاز الاستقبال من المركبات المارة بالمحطة.

لا يمكن لأنظمة الاتصالات ذات النطاق الضيق أن تعمل في ظروف متعددة المسارات. لذلك، إذا كان هناك ثلاثة حزم من إشارة طرد واحد Si(t) - Si1(t)، وSi2(t)، وSi3(t)، عند مدخل مثل هذا النظام، والتي تتداخل في الوقت المناسب بسبب الاختلاف في طول مسار الإرسال، ثم فصلهما عند خرج مرشح تمرير النطاق (Yi1(t)، Yi2(t)، Yi3(t)) غير ممكن.

تتعامل أنظمة الاتصالات ذات الإشارات المعقدة مع طبيعة تعدد المسارات لانتشار الموجات الراديوية. وبالتالي، باختيار نطاق ∆FSS بحيث تكون مدة النبضة المطوية عند خرج كاشف الارتباط أو المرشح المطابق أقل من وقت تأخير الحزم المجاورة، يمكن للمرء استقبال حزمة واحدة أو توفير تأخيرات نبضية مناسبة (Gi( t)))، أضف طاقتهم، مما سيزيد من نسبة السيجال/الضوضاء. يقوم نظام الاتصالات الأمريكي Rake، مثل المشعل، بجمع الأشعة المستقبلة المنعكسة من القمر وتلخيصها.

يمكن لمبدأ تراكم الإشارة أن يحسن بشكل كبير مناعة الضوضاء وخصائص الإشارة الأخرى. يتم تقديم فكرة تراكم الإشارة من خلال تكرار الإشارة البسيطة.

وكان العنصر الأول لهذا الغرض هو نظام انتقائي التردد (المرشح).

يتيح لك تحليل الارتباط تحديد العلاقة الإحصائية (الاعتماد) بين الإشارة المستقبلة والإشارة المرجعية الموجودة على الجانب المستقبل. تم تقديم مفهوم دالة الارتباط بواسطة تايلور في عام 1920. وظيفة الارتباطهو متوسط ​​إحصائي من الدرجة الثانية في الوقت المناسب، أو متوسط ​​طيفي، أو متوسط ​​احتمالي.

إذا كانت وظائف الوقت (تسلسلات مستمرة) x(t) وy(t) لها وسائل حسابية

مع تقسيم الوقت للقنوات.

مع تقسيم كود القنوات.

الدالة الدورية لها الشكل:

و(ر) = و(ر+ك)، (2.40)

حيث T-الفترة، k-أي عدد صحيح (k=، 2، …). الدورية موجودة على طول محور الوقت بأكمله (-< t <+ ). При этом на любом отрезке времени равном T будет полное описа­ние сигнала.

يوضح الشكل 2.10، a، b، c الإشارة التوافقية الدورية u1(t) وطيف اتساعها وأطوارها.

يوضح الشكل 2.11، أ، ب، ج الرسوم البيانية للإشارة الدورية u2(t) - سلسلة من النبضات المستطيلة وطيف السعات والأطوار.

لذلك، يمكن تمثيل أي إشارات في شكل سلسلة فورييه خلال فترة زمنية معينة. ثم سنمثل فصل الإشارة من خلال معلمات الإشارة، أي من خلال السعات والترددات وتحولات الطور:

أ) الإشارات التي تكون سلاسلها ذات اتساع عشوائي وترددات غير متداخلة وأطوار عشوائية مفصولة بالتردد؛

ب) الإشارات التي تتداخل سلاسلها ذات السعات التعسفية في التردد، ولكن الإشارات المنزاحة في الطور بين المكونات المقابلة للسلسلة تكون منفصلة في الطور (يتناسب تحول الطور هنا مع التردد)؛

سيتم توضيح القدرة العالية لأنظمة اتصالات الإشارات المركبة أدناه.

ج) الإشارات التي تكون سلاسلها ذات اتساع عشوائي، مع مكونات متداخلة في التردد (يمكن أن تتزامن الترددات) ومراحل عشوائية مفصولة بالشكل.

فصل الشكل هو فصل الكود عندما يكون لدى جانب الإرسال والاستقبال إشارات (أنماط) معقدة تم إنشاؤها خصيصًا من إشارات بسيطة.

عند تلقي إشارة معقدة، فإنها تخضع أولاً لمعالجة الارتباط، ثم

تتم معالجة إشارة بسيطة.

تقسيم موارد التردد مع الوصول المتعدد

حاليا، يمكن نقل الإشارات في أي بيئة (في البيئة، في سلك، في كابل الألياف الضوئية، وما إلى ذلك). ولزيادة كفاءة الطيف الترددي، وفي نفس الوقت، تشكل خطوط النقل قنوات جماعية لنقل الإشارات عبر خط اتصال واحد. على الجانب المتلقي، تحدث العملية العكسية - فصل القناة. دعونا نلقي نظرة على الطرق المستخدمة لفصل القنوات:

الشكل 2.21 الوصول المتعدد بتقسيم التردد FDMA

الشكل 2.22 الوصول المتعدد بتقسيم الزمن TDMA.

الشكل 2.23 CDMA للوصول المتعدد بتقسيم الكود

التشفير في شبكات الواي فاي

يحظى تشفير البيانات في الشبكات اللاسلكية بالكثير من الاهتمام نظرًا لطبيعة هذه الشبكات. يتم نقل البيانات لاسلكيًا باستخدام موجات الراديو، وبشكل عام باستخدام هوائيات شاملة الاتجاهات. وبالتالي، يسمع الجميع البيانات - ليس فقط الشخص المقصود، ولكن أيضًا الجار الذي يعيش خلف الجدار أو "الشخص المهتم" الذي يقيم مع جهاز كمبيوتر محمول تحت النافذة. وبطبيعة الحال، فإن المسافات التي تعمل عليها الشبكات اللاسلكية (بدون مكبرات صوت أو هوائيات اتجاهية) صغيرة - حوالي 100 متر في الظروف المثالية. تعمل الجدران والأشجار والعوائق الأخرى على إضعاف الإشارة بشكل كبير، لكن هذا لا يحل المشكلة بعد.

في البداية، تم استخدام SSID (اسم الشبكة) فقط للحماية. ولكن، بشكل عام، يمكن تسمية هذه الطريقة بالحماية بامتداد كبير - يتم إرسال SSID بنص واضح ولا أحد يمنع المهاجم من التنصت عليه، ثم استبداله بالمطلوب في إعداداته. ناهيك عن أنه (وهذا ينطبق على نقاط الوصول) يمكن تمكين وضع البث لمعرف SSID، أي. سيتم بثه بالقوة لكل من يستمع.

ولذلك، كانت هناك حاجة لتشفير البيانات. المعيار الأول من نوعه كان WEP – Wired Equivalent Privacy. يتم التشفير باستخدام مفتاح 40 أو 104 بت (تشفير الدفق باستخدام خوارزمية RC4 على مفتاح ثابت). والمفتاح نفسه عبارة عن مجموعة من أحرف ASCII بطول 5 (لمفتاح 40 بت) أو 13 حرفًا (لمفتاح 104 بت). تتم ترجمة مجموعة هذه الأحرف إلى سلسلة من الأرقام السداسية العشرية، والتي هي المفتاح. تسمح لك برامج التشغيل من العديد من الشركات المصنعة بإدخال قيم سداسية عشرية (بنفس الطول) مباشرةً بدلاً من مجموعة أحرف ASCII. يرجى ملاحظة أن خوارزميات التحويل من تسلسل أحرف ASCII إلى قيم المفاتيح السداسية العشرية قد تختلف بين الشركات المصنعة المختلفة. لذلك، إذا كانت شبكتك تستخدم معدات لاسلكية غير متجانسة ولم تتمكن من تكوين تشفير WEP باستخدام عبارة مفتاح ASCII، فحاول إدخال المفتاح بتنسيق سداسي عشري بدلاً من ذلك.

ولكن ماذا عن تصريحات الشركات المصنعة حول دعم تشفير 64 و128 بت؟ هذا صحيح، يلعب التسويق دورًا هنا - 64 أكبر من 40، و128 يساوي 104. في الواقع، يتم تشفير البيانات باستخدام طول مفتاح يبلغ 40 أو 104. ولكن بالإضافة إلى عبارة ASCII (المكون الثابت للمفتاح) ، يوجد أيضًا شيء مثل ناقل التهيئة - IV - ناقل التهيئة. إنه يعمل على عشوائية بقية المفتاح. يتم تحديد المتجه بشكل عشوائي ويتغير ديناميكيًا أثناء التشغيل. من حيث المبدأ، يعد هذا حلا معقولا، لأنه يسمح لك بإدخال مكون عشوائي في المفتاح. يبلغ طول المتجه 24 بت، وبالتالي يصل إجمالي طول المفتاح إلى 64 (40+24) أو 128 (104+24) بت.

سيكون كل شيء على ما يرام، لكن خوارزمية التشفير المستخدمة (RC4) ليست قوية بشكل خاص حاليًا - إذا كنت تريد حقًا، يمكنك العثور على المفتاح بالقوة الغاشمة في وقت قصير نسبيًا. ولكن لا تزال نقطة الضعف الرئيسية في WEP مرتبطة بدقة بمتجه التهيئة. يبلغ طول IV 24 بت فقط. وهذا يعطينا ما يقرب من 16 مليون مجموعة - 16 مليون ناقل مختلف. على الرغم من أن الرقم "16 مليون" يبدو مثيرا للإعجاب، إلا أن كل شيء في العالم نسبي. في العمل الحقيقي، سيتم استخدام جميع الخيارات الرئيسية الممكنة في فترة تتراوح من عشر دقائق إلى عدة ساعات (لمفتاح 40 بت). بعد ذلك، ستبدأ المتجهات في التكرار. يحتاج المهاجم فقط إلى جمع عدد كافٍ من الحزم بمجرد الاستماع إلى حركة مرور الشبكة اللاسلكية والعثور على هذه التكرارات. بعد هذا، اختيار ثابت