Билет № 1 Передача информации. Количественная мера информации (информация, сообщение, сигнал. Скорость передачи и количество информации. Передача информации — физический процесс, посредством которого осуществляется перемещение информации в пространстве. Данный процесс характеризуется наличием следующих компонентов: *Источник информации *Приёмник информации *Носитель информации *Среда передачи Необходимость измерения количества информации остро встала при появлении систем передачи информации Количественная мера информации - группа физических символов – слов, точек, тире и т. п. , имеющих по общему соглашению известный смысл для корреспондирующих сторон Информация — сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые воспринимают информационные системы (живые организмы, управляющие машины и др. ) в процессе жизнедеятельности и работы Сообщение — наименьший элемент языка, имеющий идею или смысл, пригодный для общения. В информатике — форма представления информации, имеющая признаки начала и конца, предназначенная для передачи через среду связи. Также форма предоставления информации, совокупность знаков или первичных сигналов, содержащих информацию. Сигнал — изменение физической величины, передающее информацию, кодированную определённым способом Скорость передачи информации — скорость передачи данных, выраженная в количестве бит, символов или блоков, передаваемых за единицу времени. Теоретическая верхняя граница скорости передачи информации определяется теоремой Шеннона-Хартли. Теорема Шеннона-Хартли C— ёмкость канала в битах в секунду; B — полоса пропускания канала в герцах; S — полная мощность сигнала над полосой пропускания, измеренной в ваттах или вольтах в квадрате; N — полная шумовая мощность над полосой пропускания, измеренной в ваттах или вольтах в квадрате; S/N— отношение сигнала к шуму(SNR) сигнала к Гауссовскому шуму, выраженное как отношение мощностей.
Билет № 2 Структурная схема системы электросвязи. Понятие о ВСС Обобщенная структурная схема систем электросвязи. Система электросвязи - совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающая передачу сообщений Сообщение при помощи преобразователя сообщение-сигнал преобразуется в первичный электрический сигнал. Первичные сигналы не всегда удобно (а иногда невозможно) непосредственно передавать по линии связи. Поэтому первичные сигналы при помощи передатчика ПРД преобразуются в так называемые вторичные сигналы, характеристики которых хорошо согласуются с характеристиками линии связи. Канал связи - совокупность технических устройств (преобразователей) и среды распространения, обеспечивающих передачу сигналов на расстояние. Каналы и системы связи, использующие искусственную среду распространения (металлические провода, оптическое волокно), называются проводными, а каналы и системы связи, в которых сигналы передаются через открытое пространство - радиоканалами и радиосистемами. Взаимоувязанная сеть связи (ВСС) России – общегосударственная сеть связи страны, служащая для обеспечения населения надёжными и экономичными средствами связи. Классификация электросвязи По виду передачи информации все современные системы электросвязи условно классифицируются на предназначенные для передачи звука, видео, текста. В зависимости от среды передачи выделяют электрическую, оптическую и радио- связь. В зависимости от назначения сообщений виды электросвязи могут быть квалифицированы на предназначенные для передачи информации индивидуального и массового характера. Также, по временным параметрам виды электросвязи могут быть предназначены для работы в реальном времени или осуществляющие отложенную доставку сообщений. Основными первичными сигналами электросвязи являются: телефонный, звукового вещания, факсимильный, телевизионный, телеграфный, передачи данных
Билет № 3 Виды модуляции. Многоканальная система передачи (классификация каналов связи. Пропускная способность канала передачи. Понятие о многоканальной системе связи (мкс), способы разделения каналов) Модуляция— процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного модулируемого колебания по закону информационного низкочастотного сообщения (сигнала). В результате спектр управляющего сигнала переносится в область высоких частот, ведь для эффективного вещания в пространство необходимо чтобы все приёмо передающие устройства работали на разных частотах и «не мешали» другу. Это процесс «посадки» информационного колебания на априорно известную несущую. Передаваемая информация заложена в управляющем сигнале. Роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. В качестве несущего могут быть использованы колебания различной формы (прямоугольные, треугольные и т. д. ), однако чаще всего применяются гармонические колебания. В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают вид модуляции (амплитудная, частотная, фазовая и др. ). Модуляция дискретным сигналом называется цифровой модуляцией или манипуляцией. Виды аналоговой модуляции Амплитудная модуляция (АМ) Амплитудная модуляция с одной боковой полосой(SSB — однополосная АМ) Балансная амплитудная модуляция (БАМ) — АМ с подавлением несущей Квадратурная модуляция (ОАМ) Угловая модуляция Частотная модуляция (ЧМ) Линейная частотная модуляция (ЛЧМ) Фазовая модуляция (ФМ) Сигнально кодовая модуляция (СКМ), в англоязычном варианте Signal Code Modulation (SCM) Сигма дельта модуляция (∑Δ)
Классификация каналов связи Каналы связи являются основным звеном любой системы передачи информации. Классификацию каналов связи можно осуществить по различным признакам Признак классификации Характеристики каналов связи Оптические и электрические, которые в свою очередь, могут быть проводными (электрические провода, кабели, световоды) и беспроводными, использующие электромагнитные волны, распространяющиеся в эфире (радиоканалы, инфракрасные каналы и т. д. ). • Форма представления передаваемой информации Аналоговые представляют информацию в непрерывной форме в виде непрерывного сигнала какой либо физической природы. Цифровые представляют информацию в цифровой (прерывной — дискретной, импульсной) форме сигналов какой либо физической природы. • Время существования Коммутируемые — временные, создаются только на время передачи информации. По окончании передачи информации и разъединении уничтожаются. Некоммутируемые — создаются на длительное время с определенными постоянными характеристиками. Их еще называют выделенными. • Скорость передачи информации Среднескоростные (от 2400— 9600 бит/с) используются в телефонных (аналоговых) каналах связи, на новых станциях 14— 56 кбит/с. Среднескоростным каналам используются проводные линии связи(группы параллельных или скрученных проводов витая пара). Высокоскоростные (свыше 56 кбит/с) называют широкополосными. Для передачи информации используются специальные кабели: экранированные и неэкранированные, оптоволоконные, радиоканалы. • Физическая природа передаваемого сигнала Оптические и электрические, которые в свою очередь, могут быть проводными (электрические провода, кабели, световоды) и беспроводными, использующие электромагнитные волны, распространяющиеся в эфире (радиоканалы, инфракрасные каналы и т. д. ). • Форма представления передаваемой информации Аналоговые представляют информацию в непрерывной форме в виде непрерывного сигнала какой либо физической природы. Цифровые пред(прерывной — дискретной, импульсной) форме сигналов какой либо физической природы. ставляют информацию в цифровой
*Время существования Коммутируемые — временные, создаются только на время передачи информации. По окончании передачи информации и разъединении уничтожаются. Некоммутируемые — создаются на длительное время с определенными постоянными характеристиками. Их еще называют выделенными. *Скорость передачи информации Среднескоростные (от 2400— 9600 бит/с) используются в телефонных (аналоговых) каналах связи, на новых станциях 14— 56 кбит/с. Среднескоростным каналам используются проводные линии связи(группы параллельных или скрученных проводов витая пара). Высокоскоростные (свыше 56 кбит/с) называют широкополосными. Для передачи информации используются специальные кабели: экранированные и неэкранированные, оптоволоконные, радиоканалы. *Разделение каналов Используемые методы разделения каналов (РК) можно классифицировать на линейные и нелинейные (комбинационные). В большинстве случаев разделения каналов каждому источнику сообщения выделяется специальный сигнал, называемый канальным. Промодулированные сообщениями канальные сигналы объединяются, в результате чего образуется групповой сигнал. Если операция объединения линейна, то получившийся сигнал называют линейным групповым сигналом. Для унификации многоканальных систем связи за основной или стандартный канал принимают канал тональной частоты (канал ТЧ), обеспечивающий передачу сообщений с эффективно передаваемой полосой частот 300. . . 3400 Гц, соответствующей основному спектру телефонного сигнала. Многоканальные системы образуются путем объединения каналов ТЧ в группы, обычно кратные 12 каналам. В свою очередь, часто используют "вторичное уплотнение" каналов ТЧ телеграфными каналами передачи данных. Разделение каналов • Частотное разделение сигналов • Временное разделение каналов Принцип временного разделения каналов (ВРК) состоит в том, что групповой тракт предоставляется поочередно для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы • Разделение сигналов по форме
Билет № 4 Каналы электросвязи. Эффективность систем связи. Канал Электросвязи (канал передачи) 1) совокупность технических устройств, обеспечивающих передачу сообщений любого вида от отправителя к получателю, осуществляемую с помощью электрических сигналов, распространяющихся по проводам, или радиосигналов. Соответственно назначению систем связи различают каналы электросвязи: телефонные, телеграфные, факсимильные, телевизионные, проводного и радиовещания, телемеханические, передачи данных и т. д. Обычно каналы электросвязи группируют, образуя системы многоканальной связи. 2) Полоса частот, время передачи или иной физический ресурс, выделяемый в данной системе связи для передачи определенного сообщения. Сигналы электросвязи можно классифицировать: I. По форме: *аналоговые: Под аналоговым сигналом понимают сигнал, значение которого в каждый момент времени может быть точно предсказано (измерено). Этот сигнал подобен порождающему его физическому процессу. • импульсные:
Импульсный сигнал представляет собой сигнал, существующий лишь в пределах конечного отрезка времени. • периодические. Периодическим называют сигнал, повторяющийся через определенные промежутки времени. Такой сигнал удовлетворяет условию A(t) = A(t+k. T) на интервале ∞ < t < +∞. Здесь Т – период повторяемости сигнала, k – любое целое число. Простейшим и наиболее распространенным периодическим сигналом является гармоническое колебание, выраженное синусоидальной или косинусоидальной функцией времени. • непериодические. Непериодические сигналы не повторяют свои значения через равные интервалы времени. Форма такого сигнала может быть любой. Непериодический сигнал можно представить периодической функцией времени с бесконечно большим периодом. • гармонические. Гармонические сигналы – это сигналы, выраженные синусоидальной или косинусоидальной функцией времени. • негармонические. Сигналы любой отличной от синусоидальной или косинусоидальной формы являются негармоническими сигналами. II. По информативности: • детерминированные. Детерминированными сигналами называются сигналы, значения которых в любые моменты времени являются известными величинами или могут быть заранее вычислены. 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. Примерами детерминированных сигналов являются гармонический сигнал, последовательность прямоугольных импульсов и др. Детерминированные сигналы в электросвязи используются в качестве носителей информации. • случайные. Случайным сигналом является такой, значения параметров которого случайны и заранее не известны и могут быть определены с некоторой степенью вероятности. Такие сигналы описываются случайными функциями. Аргументом случайной функции может быть величина любой физической природы, но для сигналов такой величиной обычно является время.
Электрический сигнал, получаемый на выходе преобразователя сообщения, называется первичным сигналом электросвязи. Параметр первичного сигнала «x(t)» , изменение величины которого однозначно отображает передаваемое сообщение, называется представляющим или информационным параметром. Такимпараметром, например, может быть амплитуда, частота или фаза гармонического электрического сигнала; амплитуда, длительность или фаза импульсов периодической последовательности; структура и разрядность кодовых комбинаций и др.
Билет№ 5 Характеристики сигналов Сигнал — в теории информации и связи называется материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений по системе связи. Классификация сигналов По физической природе носителя информации: Øэлектрические, Øэлектромагнитные, Øоптические, Øакустические и др. ; По способу задания сигнала: Øрегулярные (детерминированные), заданные аналитической функцией; Øнерегулярные (случайные), принимающие произвольные значения в любой момент времени. Для описания таких сигналов используется аппарат теории вероятностей; В зависимости от функции, описывающей параметры сигнала Øнепрерывные (аналоговые), описываемые непрерывной функцией; Øдискретные, описываемые функцией отсчетов, взятых в определенные моменты времени; ØКвантованные по уровню; ØДискретные сигналы, квантованные по уровню (цифровые). Аналоговый сигнал (АС) Большинство сигналов имеют аналоговую природу, то есть изменяются непрерывно во времени и могут принимать любые значения на некотором интервале. Аналоговые сигналы описываются некоторой математической функцией времени.
Пример АС — гармонический сигнал — s(t) = A·cos(ω·t + φ). Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении. Ввести такой сигнал в компьютер и обработать его невозможно, так как на любом интервале времени он имеет бесконечное множество значений, а для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому необходимо преобразовать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности. Дискретный сигнал Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени. Эти значения называются отсчётами. Δt называется интервалом дискретизации. Квантованный сигнал При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности. Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования Δ. Число этих уровней равно N (от 0 до N– 1). Каждому уровню присваивается некоторое число. Отсчеты сигнала сравниваются с уровнями квантования и в качестве сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования.
Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с n разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов n двоичный чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n ≥ log 2(N). Цифровой сигнал Для того чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию. В результате сигнал будет представлен таким образом, что на каждом заданном промежутке времени известно приближённое (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом. Если записать эти целые числа в двоичной системе, получится последовательность нулей и единиц, которая и будет являться цифровым сигналом.
Билет № 6 Детерминированные сигналы Детерминированными называют радиотехнические сигналы, мгновенные значения которых в любой момент времени достоверно известны, т. е. , предсказуемы с вероятностью, равной единице /1/. Примером детерминированного радиотехнического сигнала может служить гармоническое колебание. Следует отметить, что по сути дела детерминированный сигнал не несет в себе никакой информации и практически все его параметры можно передать по каналу радиосвязи одним или несколькими кодовыми значениями. Другими словами, детерминированные сигналы (сообщения) по существу не содержат в себе информации, и нет смысла их передавать. Математические способы описания детерминированных сигналов. Любимой непростой периодический сигнал способна быть презентован с содействием ряда Фурье точно сумма простых гармонических колебаний: где Qi угловая частота первичной гармоники; 0, 5 ао хроническая комплектующая (среднее смысл); амплитуды косинуса безукоризненных и синусоидальных членов разложения. Совокупность простых гармонических колебаний, на что способна быть разложен непростой периодический сигнал, получить название его спектром
Билет № 7 Случайные сигналы и помехи Случайные сигналы — сигналы, мгновенные значения которых (в отличие от детерминированных сигналов) не известны, а могут быть лишь предсказаны с некоторой вероятностью, меньшей единицы. Характеристики таких сигналов являются статистическими, то есть имеют вероятностный вид. Существует 2 основных класса случайных сигналов. Во первых, это шумы — хаотически изменяющиеся во времени электромагнитные колебания, возникаюшие в разнообразных физических системах из за беспорядочного движения носителей заряда. Во вторых, случайными являются все сигналы, несущие информацию, поэтому для описания закономерностей, присущих осмысленным сообщениям, также прибегают к вероятностным моделям. Электромагнитная помеха — нежелательное физическое явление или воздействие электрических, магнитных или электромагнитных полей, электрических токов или напряжений внешнего или внутреннего источника, которое нарушает нормальную работу технических средств, или вызывает ухудшение технических характеристик и параметров этих средств. Для целей радиоэлектронной борьбы применяют преднамеренное электромагнитное воздействие направленное на объект, которое является для него нежелательным, то есть помехой.
Классификация помех Помехи в каналах связи классифицируются по различным признакам. Атмосферные: разряды молний, космическое излучение, трение наэлектризованных частиц друг о друга. Индустриальные: помехи от коммутационных процессов в различных промышленных установках, разряды на линии электропередачи. Специально организованные. Помехи делятся на импульсные, флуктуационные (шумовые), синусоидальные. Импульсная помеха – случайная последовательность импульсов случайной формы, длительности и амплитуды. импульсы следуют с таким случайным интервалом, при котором переходные процессы в приемном устройстве, вызванные предыдущими импульсами, успевают закончиться до прихода нового импульса. Принято считать, что параметры отдельных импульсов в помехе (амплитуда, длительность и др. ) очень близки к параметрам рабочего сигнала, который переносит информацию. Флуктуационная (шумовая) помеха – непрерывное случайное (хаотическое) колебание достаточно гладкого типа, то есть такое, в котором отсутствуют выбросы, превышающие среднее значение более, чем в три раза. Обычно это результат наложения переходных процессов в приемном устройстве, вызванных воздействием отдельных импульсов помехи. В природе реально существуют только импульсные помехи. Характер восприятия этой помехи зависит от приемника. Если приемник является широкополосным, помеха будет воспринята как импульсная. Если приемник узкополосный, помеха будет воспринята как шумовая. Синусоидальная помеха – совокупность отрезков синусоид случайной длительности, фазы, частоты, амплитуды. То есть неслучайной у синусоидальной помехи является только ее форма. Появляются как гармоники. вызванные воздействием питающей сети.
Билет № 8 Простые и сложные сигналы. Простыми сигналами принято называть сигналы, для которых произведение полосы занимаемых частот F на длительность T близко к единице. К таким сигналам относят, в частности, радиоимпульсы с прямоугольной или гауссовой огибающей. Математической моделью простого сигнала является простая функция времени (простое гармоническое колебание) Сложные сигналы характеризуются соотношением FT>>1 и могут быть получены из простых путем расширения спектра при неизменной длительности сигнала (например, введением внутриимпульсной модуляции по какому либо сложному закону), увеличения длительности сигнала при неизменной ширине его спектра (например, путем повторения простых сигналов как без изменения их формы, так и с введением дополнительной манипуляции), а также различными комбинированными методами.
Билет № 9 Числовые характеристики сигналов Физическая характеристика сигнала – это описание его свойств любым способом. Сигнал может быть охарактеризован различными параметрами. Для систем передачи имеют значение в основном 3 параметра • динамический диапазон • ширина спектра • время передачи Чем меньше длительность сигнала, тем шире его спектр, который стремиться к бесконечности. Для определения f и T пользуются различными способами, выбор которых зависит от назначения сигнала, его формы, формы спектра. Наибольшее применение нашли следующие способы • частотный или временной диапазон выбирают не менее чем 1(/кореньиз 2) от максимального значения • за длительность сигнала (ширину спектра) принемают такой интервал, который попадает заданная часть полной энергии сигнала, например, 0, 95 • замена реального сигнала равновеликим прямоугольным, ширина спектра называется при этом эффективной Три рассмотренных параметра – длительность сигнала, его динамический и частотный диапазона – позволяют представить любой сигнал в 3 х метро пространстве Характеристика V=TFH представляет собой обобщенную характеристику сигнала и может быть идентифицирована как объем сигнала. Объем относится к определенному информационному процессу. Рассмотрим характеристики для всей информационной системы. Пусть: Tc время, предоставляемое системой для данного сигнала; Fc ширина полосы пропускания, возможная для данной системы; Hc возможное (допустимое) превышение сигнала над помехой в данной системе. Тогда обобщенная характеристика объема сигнала для системы, в которую внедряется ИТ (или определенный информационный процесс): Vc = Tc Fc Hc. Для возможности работы ИТ(или процесса) в рамках системы необходимым условием является V ≤ Vc. Достаточные условия: T ≤ Tc; F ≤ Fc; H ≤ Hc. Если соблюдается необходимое условие, то сигнал может быть реализован в системе. А если не выполняется одно из достаточных условий, то это может быть преодолено с помощью некоторых процедур над сигналом (например, за счет операций кодирования или модуляции).
Билет № 10 Классификация двухполюсников Часть электрической цепи, имеющая два вывода, с помощью которых она соединяется с другой частью цепи, называется двухполюсником. Различают пассивные и активные двухполюсники. Пассивные двухполюсники содержат только пассивные элементы, активные – как пассивные, так и активные элементы. Например, справа от точек a и b на рисунке 1 в расположена схема пассивного двухполюсника, соединенного с активным двухполюсником, схема которого дана слева от указанных точек. Справа и слева от точек c и d на рисунке 1 расположены схемы двух активных двухполюсников, а между этими точками – пассивный двухполюсник. Токоведущие части различных элементов электрических цепей изготовляются из проводниковых материалов, которые бывают твердыми, жидкими и газообразными. Основными проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы. Если проводник имеет одну и ту же площадь поперечного сечения по всей длине, то его сопротивление равно: Где 1 – длина проводника, м; S – площадь поперечного сечения проводника, м 2; r – удельное сопротивление материала проводника, Ом/м. Сопротивление металлических проводников при повышении температуры возрастает. Зависимость сопротивления от температуры выражается следующей формулой: r 2 = r 1 [1 + α(t 1 – t 2)], где t 1 и t 2 – начальная и конечная температуры, °С; r 1 и r 2 – сопротивления при температурах t 1 и t 2, Ом; α – температурный коэффициент сопротивления, °С– 1.
а) активный двухполюсник б)пассивный двухполюсник Эквивалентная схема активного двухполюсника Цепь обратной связи представляет обычно пассивный четырехполюсник; поэтому, если его параметры постоянны, то и коэффициент усиления /Со получается постоянным (при заданной частоте). а) пассивный четырехполюсник RC (фильтр); В общем случае цепь обратной связи по переменной составляющей представляет собой пассивный четырехполюсник, который своими выводами l l' и 2— 2' подключается соответственно к выходной и входной цепям усилителя У. Пассивный четырехполюсник полностью характеризуется не более чем тремя независимыми параметрами. Действительно, так Любой симметричный пассивный четырехполюсник полностью описывается двумя независимыми параметрами: А_11=А_22 и любым из параметров Л 12 и А_21 (так как они связаны уравнением
Билет № 11 Двухэлементные двухполюсники образуются из одноэлементных Реактивным называют двухполюсник, включающий только индуктивные и емкостные элементы. Такой двухполюсник называется приведенным, если число индуктивностей отличается от числа емкостей не более чем на единицу. Любой реактивный двухполюсник может быть преобразован к схеме приведенного двухполюсника. Так как реактивный двухполюсник представляет собой цепь без потерь, то его входное сопротивление будет определяться чисто мнимым выражением Z = j. X , где Х имеет вид дробно рациональной функции Схема реактивного двухполюсника: а)исходная схема; б)комплексная схема Электри ческое сопротивле ние — скалярная физическая величина, характеризующая свойства проводника и равная отношению напряжения на концах проводника к силе электрического тока, протекающему по нему. где R — сопротивление; U — разность электрических потенциалов на концах проводника, измеряется в вольтах; I — ток, протекающий между концами проводника под действием разности потенциалов, измеряется в амперах.
Электрическая проводимость (электропроводность, проводимость) — это величина, обратная электрическому сопротивлению. В СИ единицей электрической проводимости является сименс. Резона нс — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы. Увеличение амплитуды это лишь следствие резонанса, а причина совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы. При помощи явления резонанса можно выделить и/или усилить даже весьма слабые периодические колебания. Резонанс — явление, заключающееся в том, что при некоторой частоте вынуждающей силы колебательная система оказывается особенно отзывчивой на действие этой силы
Билет 12 Многоэлементные двухполюсники Сложность двухполюсников определяется числом входящих в него элементов. Число элементов в двухполюснике считают по чис лу реактивных элементов(L и С), остающихся после возможного упрощения схемы. Из трех реактивных элементов можно составить четыре раз личные схемы двухполюсников (табл. 5. 1). Трехэлементные двух полюсники попарно образуют две группы: двухполюсники, входя щие в одну группу, имеют однородные свойства, входящие в раз ные группы, — противоположные. Например, двухполюсники 1 и 3 пропускают постоянный ток, принятый за ток с нулевой час тотой, и оказывают токам с высокими частотами большое сопро тивление. Двухполюсники 2 и 4 постоянный ток не пропускают и имеют малое сопротивление на высоких частотах.
Возможно параллельное соединение последовательных коле бательных контуров Многоэлементные двухполюсники образуются путем последо вательного, а также элементов емкости или индуктивнос ти, или одновременное подключение емкости и индуктивности па раллельно остальным элементам (рис. 5. 10, б). Для таких двухполюсников справедливы следующие правила построения частотной зависимости реактивного сопротивления: • для любой схемы многоэлементного двухполюсника число резонансов на единицу меньше числа реактивных элементов; • если между зажимами схемы двухполюсника имеется путь для прохождения постоянного тока, то первым наступает резонанс токов, в обратном случае первым наступает резонанс напряжений; § резонансы чередуются, т. е. не может наступить два однотип ных резонанса подряд; при увеличении частоты реактивное сопротивление возрастает.
Билет № 13 Двухполюсники RC типа Основной характеристикой двухполюсника является его сопротивление (или импеданс) Однако характеризовать двухполюсник одним только сопротивлением не всегда возможно. Дело в том, что термин сопротивление примени м только для чисто пассивных элементов, то есть не содержащих в себе источников энергии. Если двухполюсник содержит источник энергии, то понятие «сопротивление» к нему просто не применимо, поскольку закон Ома в формулировке U=Ir не выполняется Вну треннее сопротивле ние двухполюсника — импеданс в эквивалентной схеме двухполюсника, состоящей из последовательно включённых генератора напряжения и импеданса (см. рисунок). Понятие применяется в теории цепей при замене реального источника идеальными элементами, то есть при переходе к эквивалентной схеме.
Билет№ 14 Свободные колебания в идеальном контуре Периодические изменения заряда q, силы тока I и напряжения U называют электрическими свободными колебаниями. Он состоит из катушки индуктивностью L и конденсатора емкостью С. Если зарядить конденсатор до напряжения U 0, то в начальный момент времени t 1= 0 на обкладках конденсатора установятся амплитудные значения напряжения U 0 и заряда q 0=CU 0. Свободные электромагнитные колебания можно наблюдать на экране осциллографа. • Колебательный контур – колебательная система. У этой системы есть состояние устойчивого равновесия, характеризуемая минимумом энергии электрического поля (конденсатор не заряжен). Система сама приходит к этому состоянию, будучи выведенная из него (разрядка конденсатора) и проходит через него из за явления самоиндукции. Именно поэтому в контуре могут существовать свободные колебания и имеет смысл говорить о собственной частоте контура. В контуре происходят периодические изменения энергии электрического поля конденсатора и магнитного поля тока катушки
В контуре происходят периодические изменения энергии электрического поля конденсатора и магнитного поля тока катушки. Таким образом, свободные электрические колебания в идеальном колебательном контуре являются гармоническими. Длина волны — расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах, обычно длина волны обозначается греческой буквой λ. По аналогии с возникающими волнами в воде от брошенного в неё камня — расстояние между двумя соседними гребнями волны. Одна из основных характеристик колебаний.
Билет№ 15 Свободные колебания в идеальном контуре Реальным электрическим контуром называется контур с активным сопротивлением отличным от нуля. Активное сопротивление переводит энергию направленного движения зарядов в энергию хаотического движения. Т. к. активное сопротивление отлично от нуля, то в таком контуре будут потери энергии при колебаниях (на выделение тепла при прохождении тока по проводнику согласно закону Джоуля Ленца). Амплитуда таких колебаний будет уменьшаться с течением времени. Объяснение явления: На обкладках конденсатора сосредоточен электрический заряд, после того как колебательному контуру предоставляется самостоятельность, конденсатор разряжается через катушку индуктивнос ти, в которой возникает электрический ток. В конденсаторе сосредоточено электрическое поле с энергией W, которая по мере разрядки конденсатора, а в катушке возрастанию тока способствует магнитной энергии W. Если контур реальный, то потери энергии электромагнитного поля неизбежны, т. к. частично энергия электромагнитного поля переходит во внутреннюю энергию проводников, диэлектрика, а также выделяется в виде джоулевого тепла на активной нагрузке (омическом сопротивлении R). В результате, в реальном контуре возникают свободные электромагнитные колебания, которые являются затухающими.
• Частота свободных незатухающих колебаний в электрическом контуре зависит только от индуктивности и электроемкости контура. • Амплитуда свободных колебаний зависит от начальных условий. • Если в системе отсутствуют активное сопротивление или им можно пренебречь, то колебания будут незатухающими, т. е. будут продолжаться сколь угодно долго. • Если в системе достаточно велико активное сопротивление, то колебания будут затухающими, т. е. не будут продолжаться сколь угодно долго. Их амплитуда будет уменьшаться с течением времени. • Частота свободных затухающих колебаний в электрическом контуре зависит только от индуктивности, электроемкости активного сопротивления контура. • Амплитуда собственных затухающих колебаний будет убывать со временем по экспоненте, т. к. "сила сопротивления" пропорциональна скорости изменения заряда (первой производной заряда по времени силе тока). • Коэффициент затухания зависит от активного сопротивления и индуктивности. • Если восстанавливающая сила не является линейной функцией смещения системы из положения равновесия, то колебания будут негармоническими. Частота и период будут зависеть от амплитуды колебаний.
Билет № 16 Вынужденные колебания в последовательном колебательном контуре В современной радиотехнике используются незатухающие колебания. Для получения таких колебаний необходимо непрерывно пополнять запас энергии контура, чтобы компенсировать потери. Для этого контур подключается к генератору переменного тока. Незатухающие колебания, возникающие в контуре, называются вынужденными, поскольку их частота определяется частотой генератора. Для получения незатухающих колебаний в контуре необходимо компенсиро вать потери энергии на активном сопротивле нии контура. Для восполнения энергии контур подключают к источнику энергии: обычно к ге нератору синусоидальной ЭДСе = Emsm(M. Если генератор и элементы контура образуют после довательную электрическую цепь, контур назы вают последовательным. Если генератор и эле менты контура образуют параллельную элект рическую цепь, контур называютпараллельным. Источником энергии последовательного колебательного контура является идеальный источник синусоидальной ЭДС с частотой, совпадающей с частотой собственных колебаний контура (рис. 6. 3). Рост амплитуды тока в контуре происходит постепенно (рис. 6. 4, а).
Рис. 6. 4. Временные диаграммы колебаний в реальном колебательном контуре: а — переходный процесс; 6 — свободные колебания; в — вынужденные
Билет № 17 Вынужденные колебания в параллельном контуре. Процессы, возникающие в электрических цепях под действием внешнего периодического источника тока, называются вынужденными колебаниями. Вынужденные колебания, в отличие от собственных колебаний в электрических цепях, являются незатухающими. Периодический внешний источник обеспечивает приток энергии к системе и не дает колебаниям затухать, несмотря на наличие неизбежных потерь. Особый интерес представляет случай, когда внешний источник, напряжение которого изменяется по гармоническому закону с частотой ω, включен в электрическую цепь, способную совершать собственные свободные колебания на некоторой частоте ω0. Если частота ω0 свободных колебаний определяется параметрами электрической цепи, то установившиеся вынужденные колебания всегда происходят на частоте ω внешнего источника. Для установления стационарных вынужденных колебаний необходимо некоторое время Δt после включения в цепь внешнего источника. Это время по порядку величины равно времени τ затухания свободных колебаний в цепи. Электрические цепи, в которых происходят установившиеся вынужденные колебания под действием периодического источника тока, называются цепями переменного тока. последовательный колебательный контур, то есть RLC цепь, в которую включен источник тока, напряжение которого изменяется по периодическому закону (рис. 5. 3. 1):
Билет № 18 Связанные колебательные контуры Колебательный контур — осциллятор, представляющий собой электрическую цепь, содержащую соединённые катушку индуктивности и конденсатор. В такой цепи могут возбуждаться колебания тока (и напряжения). Колебательный контур простейшая система, в которой могут происходить свободные электромагнитные колебания Связанные контуры используются в резонансных усилителях приемно передающих устройств. Наибольшее распространение получили двухконтурные системы, показанные на рис. 13. 15 и 13. 16. На них обозначено: Ui, Uo — напряжения на входе и выходе контуров; М — коэффициент взаимной индуктивности; Ro, Co, Lo — элементы связи; LI, Cl, Rl, L 2, С 2, R 2 — элементы первого и второго контуров. Эта связь осуществляется с помощью конденсатора связи Ссв (рис. 1) и, следовательно, энергия переходит из первичного контура во вторичный через электрическое поле. Емкостная связь часто возникает между цепями там, где она не нужна, и нарушает нормальную работу схемы. Такую связь называют паразитной. Нередко приходится принимать меры для устранения или уменьшения подобной нежелательной связи. Схема (рис. 1 а), в которой конденсатор связи Ссв не входит в состав первичного и вторичного контуров, называется внешней емкостной связью. Схема (рис. 1 б) называется внутренней емкостной связью, так конденсатор связи включен и в первичный и во вторичный контуры последовательно с каждым конденсатором этих контуров С 1 и С 2. Для изменения величины связи конденсатор Ссв должен иметь переменную емкость.
Рис. 1 Схемы емкосной связи: а) внешняя емкосная связь, б) внутрення емкосная связь
Билет № 20 Классификация четырехполюсников. Система уравнений четырехполюсника. Четырехполюсником принято называть электрическую схему, имеющую два входных и два выходных зажима. В качестве примера можно назвать трансформатор, усилитель, электрический фильтр и всякое другое устройство с двумя парами зажимов, в том случае, если предметом исследования является токи и напряжения на этих зажимах, а не токи и напряжение внутри самого устройства. По признаку линейности входящих в него элементов четырехполюсники делятся на линейные и нелинейные. В дальнейшем мы будем говорить о линейных четырехполюсниках. Рис. 10. 1. Разновидности четырехполюсников: Г – образный (а); Т – образный (б); П – образный (в); мостовой (г) и Т – образно мостовой (д).
Четырехполюсник называется пассивным, если он не содержит источников электрической энергии, или содержит взаимно компенсирующиеся источники энергии (рис. 10. 2 а, б). Под эквивалентностью двух четырехполюсников понимается возможность их взаимной замены без нарушения токораспределения в остальной части схемы. Четырехполюсник называется симметричным, если после перемены местами его входных и выходных зажимов не изменятся токи в остальной части цепи, к которой он подключен. Четырехполюсник называется обратимым, если отношение напряжения на входе к току на выходе или, что то же самое, передаточное сопротивление входного и выходного контуров, не зависят от того, какая из двух пар является входной, а какая выходной. В противном случае четырехполюсник называется необратимым. Пассивные линейные четырехполюсники являются обратимыми. Симметричные четырехполюсники всегда обратимы. Несимметричные (автономные и неавтономные) активные четырехполюсники необратимы. Основной смысл теории четырехполюсников заключается в том, что, пользуясь некоторыми обобщенными параметрами четырехполюсника, можно находить токи и напряжения на его входе и выходе, не исследуя процессы в самом четырехполюснике. Теория четырехполюсника позволяет также решать задачу синтеза, т. е. по заданным характеристикам находить структуру и элементы четырехполюсника.
Билет № 21 Параметры четырехполюсников. Важные формулы теории четырехполюсников. Способы определения параметров четырехполюсников Определение параметров простейших четырехполюсников. Рассмотрим схемы простейших четырехполюсников, которые изображены на рис. 5. 7, а и б. При анализе сложных четырехполюсников необходимо выделить в их составе простейшие и типовые четырехполюсники и установить способы их соединения. После этого с помощью матричных методов расчета можно определить матрицы сложного четырехполюсника. Экспериментальный способ определения параметров четырехполюсника. Если схема четырехполюсника неизвестна, то его параметры можно определить экспериментальным путем, используя режимы холостого хода и короткого замыкания.
Входные сопротивления четырехполюсника – это отношение нагрузки при заданном сопротивлении легко определяемые экспериментально. В качестве таких параметров применяют: q сопротивление холостого хода разомкнутой выходной цепи. Разделив уравнения для параметров А первое на второе при получим q сопротивление короткого замыкания Тогда при замкнутой выходной цепи, т. е. при Для несимметричного пассивного четырехполюсника необходимы дополнительные измерения, например, отношение напряжений отношение также при разомкнутой выходной цепи либо оба эти измерения, если четырехполюсник активный. Интересным параметром симметричного четырехполюсника является характеристическое сопротивление Z , обладающее свойством повторности, т. е. если его включить на выход в качестве нагрузки, то входное сопротивление также окажется равным характеристическому. Рабочие параметры характеризуют условия передачи сигнала от генератора с внутренним сопротивлением к нагрузке Рабочее ослабление (Ар) – это отношение мощности генератора (Pм), передающейся согласованной нагрузке, к мощности (P 2), выделяющейся на нагрузке, подключенной к генератору через ЧП.
, где: А – характеристическое ослабление, соответствующее согласованному режиму. Аотр1 и Аотр2 – соответственно ослабление отражения на входе и на выходе ЧП. Авз – ослабление взаимодействующего отражения. Вносимое ослабление (Авн) – отношение мощности передаваемой генератором на нагрузку R 2, к мощности, выделяемой на нагрузке R 2, подключенной к генератору через ЧП.
Билет 22 Практическое применение четырехполюсников (Удлинители. Последовательное соединение четырехполюсников. Входное и характеристическое сопротивление цепи четырехполюсников. Затухание цепи четырехполюсников. Четырехполюсники применяют: для согласования выходного сопротивления с нагрузкой; в качестве удлинителей и магазинов затухания. Четырехполюсники, составленные из активных сопротивлений с затуханием приблизительно 04… 0, 8 называют удлинителями. Их применяют для устойчивой работы канала связи, так как затухание и характеристическое сопротивление удлинителя не зависят от частоты. R 1/2 R 1 При измерениях затуханиях и усиления большое употребление находят магазины затухания, состоящие из набора удлинителей с различным затуханием, но с одним и тем же характеристическим сопротивлением. При помощи переключателей можно включать на магазине различные величины затуханий. Магазин затухания обычно состоит из четырехполюсников, каскадное соединенных с соблюдением принципа согласованности характеристических сопротивления. Характеристическое сопротивления первой декады можно изменять от 0 до 0. 1 Нп, а затухание третьей декады изменяют ступенями по 1 Нп. Каждая декада магазина выполняется симметричной уравновешенной схемой.
Билет № 23 Трансформатор как четырехполюсник. Согласование нагрузочного сопротивления. Согласование характеристических сопротивлений. Переходные трансформаторы. Если при перемене местами источника и приемника энергии их токи не меняются, то такой четырехполюсник называется симметричным. Как видно из сравнения А и В форм в табл. 1, это выполняется при. Z = 0 Четырехполюсники, не удовлетворяющие данному условию, называются несимметричными. При практическом использовании уравнений четырехполюсника для анализа цепей необходимо знать значения его коэффициентов. Коэффициенты четырехполюсника могут быть определены экспериментальным или расчетным путями. При этом в соответствии с соотношением (5) определение любых трех коэффициентов дает возможность определить и четвертый. Один из наиболее удобных экспериментальных методов определения коэффициентов четырехполюсника основан на опытах холостого хода и короткого замыкания при питании со стороны вторичных зажимов и опыте холостого хода при питании со стороны первичных заж
Билет № 24 Классификация фильтров. Электрическими фильтрами называются устройства, состоящие из элементов L и С, включенных соответствующим образом между источником и приемником, назначение которых состоит в том, чтобы пропускать или не пропускать сигналы определенной частоты от источника к приемнику.
Классификация фильтров Фильтр ни жних часто т (ФНЧ) — электронный или любой другой фильтр, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала ниже некоторой частоты (частоты среза), и уменьшающий (или подавляющий) частоты сигнала выше этой частоты. Степень подавления каждой частоты зависит от вида фильтра. Низкочастотный электронный фильтр, построенный в виде RC цепочки Идеальный фильтр нижних частот (sinc фильтр) полностью подавляет все частоты входного сигнала выше частоты среза и пропускает без изменений все частоты ниже частоты среза. Переходной зоны между частотами полосы подавления и полосы пропускания не существует. Идеальный фильтр нижних частот может быть реализован лишь теоретически с помощью умножения входного сигнала на прямоугольную функцию в частотной области, или, что даёт тот же эффект, свёртки сигнала во временно й области с sinc функцией
Билет № 25 Фильтры нижних частот типа «k» , их характеристики Электрические фильтры пропускают только определенную полосу частот с малым затуханием, вне этой полосы затухание сигнала велико (полоса задерживания). Совершенствование электрических фильтров связано с развитием высокочастотной техники и электроники. Электрические фильтры классифицируются по: пропускаемым частотам фильтры нижних частот (ФНЧ), верхних частот (ФВЧ), полосовые (ПФ), заграждающие (ЗФ или режекторные РФ) фильтры; схемам звеньев — Г , Т , П образные, мостовые, однозвенные, многозвенные; характеристикам — простейшие типа k, более высокого класса типа m; типам элементов — реактивные (состоящие из элементов L и С), пьезоэлектрические (из кварцевых пластин), безындуктивные (состоящие из элементов R Схема простейшего фильтра нижних частот
Билет № 26 Фильтры верхних частот типа «k» , их характеристики Фильтром верхних частот(ФВЧ) называют четырёхполюсник, у которого затухание в диапазоне от w=0 до граничной частоты wгр велико, а в диапазоне от wгр до w=µ мало. В фильтре верхних частот выходное напряжение имеет максимальное значение, когда входная частота с запасом превышает частоту отсечки. Когда входная частота постепенно уменьшается, выходное напряжение понижается по мере приближения к частоте отсечки. Когда достигается частота отсечки, выходное напряжение понижается до 70, 7% рт его максимально возможного значения. Выходное напряжение продолжает убывать по мере дальнейшего уменьшения входной частоты. Частотные характеристики затухания фильтров
Билет № 27 Полосовые фильтры частот типа «k» , их характеристики Полосно пропускающий фильтр — электронный или любой другой фильтр, который пропускает частоты, находящиеся в нужном диапазоне и вырезает все остальные частоты. Полосовой фильтр в современных супергетеродинах рассчитывается так, чтобы он пропускал только полосу частот в 10 кгц, т. е. его частотами среза являются нижняя частота среза = 460 кгц, и верхняя частота среза А = 470 кгц. Характеристики этих фильтров должны обладать сторонами с большой крутизной, чтобы не пропускать частот вне заданной полосы. Следовательно, элементы этих фильтров должны обладать высокой добротностью, малыми потерями. Это условие сравнительно легко осуществить, поскольку промежуточная частота остается всегда одной и той же приеме любых станций. Отсутствие органов настройки в таком фильтре дает возможность раз навсегда точно настроить фильтр на частоту 465 кгц и придать ему обеспечивающую желаемый вид частотной характеристики форму. Электрическая принципиальная схема полосно пропускающего фильтра Основными характеристиками такого фильтра являются коэффициент передачи КР на резонансной частоте (КР = К 0) и добротность Q.
Билет 28 Производные фильтры типа «m» У них большая емкость, применяются различные способы устранения этих недостатков; одним из способов является усложнение схемы фильтра путем перераспределения реактивных сопротивлений между последовательной и параллельной ветвью каждого звена. Такие фильтры называют фильтрами типа m. Например, если в Т образной схеме ФНЧ (рисунок 1. 6, а) перенести часть индуктивности из последовательной ветви в параллельную, то получится последовательно производная схема фильтра типа m (рисунок 8, а). Если часть емкости перенести из параллельной ветви в последовательную, то получится параллельно производная схема фильтра типа m (рисунок 1. 8, б). Параметр m (рисунок 1. 8, а) показывает, какую часть составляет индуктивность последовательной ветви фильтра типа m от индуктивности фильтра типа k. Для другого случая (рисунок 1. 8, б) этот параметр показывает, какую часть составляет емкость параллельной ветви от общей емкости фильтра типа k. Рисунок 1. 8 Т образные ФНЧ типа m
Для получения характеристик затухания с заданной крутизной в полосе пропускания и с достаточным затуханием в полосе задерживания применяют сложные фильтры, состоящие из нескольких звеньев типа m и k с различными коэффициентами m. В таких фильтрах можно обеспечить большое постоянство характеристического затухания в полосе пропускания и хорошее согласование с нагрузкой. Большое распространение на низких частотах в радиотехнической аппаратуре получили электрические безындуктивные или RC фильтры, которые содержат активные сопротивления и емкости и не содержат индуктивностей Рисунок 1. 9 Схемы пассивных RC фильтров
Билет 29 Фильтры мостовых схем. Фильтры с параллельным включением четырехполюсников называются мостовыми фильтрами. Принципиальной особенностью мостовых фильтров является то, что на некоторой частоте два сигнала, проходящие по разным каналам, могут поступать на выход в противофазе, но с одинаковой амплитудой. При этом происходит взаимная компенсация сигналов, т. е. в мостовом фильтре производится абсолютное подавление колебаний, что невозможно в цепочечных фильтрах при наличии потерь. Бывают Х и Т образные мостовые схемы (рис. 1. 3). Рис. 1. 3. Мостовые фильтры: а) Х образная схема; б) – Т образная схема. Вместо реактивных элементов с сосредоточенными параметрами в фильтрах могут использоваться волновые двухполюсники и четырехполюсники, свойства которых также зависят от частоты. Это фильтры с распределенными параметрами, применяемые на сверхвысоких частотах. Рассмотренные выше типы пассивных фильтров строятся по принципу цепочечного и параллельного соединения четырехполюсников. Другие возможные способы соединения четырехполюсников обычно не используются, так как не привносят ничего существенного в свойства пассивного фильтра.
Однако при использовании в фильтре активных элементов кроме цепочечного соединения (как в резонансных усилителях), могут применяться последовательное, параллельное и другие типы соединений четырехполюсников. В таких фильтрах создаются условия, при которых сигнал может проходить в направлении от выхода к входу схемы по одному (или нескольким) из четырехполюсников полностью или преимущественно. Указанные фильтры называются фильтрами с обратными связями или активными фильтрами. Четырехполюсник, по которому сигнал проходит с входа на выход, является активным четырехполюсником с коэффициентом передачи, не зависящим от частоты, а селективные свойства активных фильтров задаются четырехполюсником обратной связи, в качестве которого выступают пассивные фильтры. В резонансных усилителях отсутствуют обратные связи, поэтому обычно их не относят к разряду активных фильтров, хотя в них и есть активный элемент. Среди активных фильтров наиболее широко используются активные RC фильтры.
БИЛЕТ 31 Магнитострикционные фильтры. Колебательные системы могут быть как электрическими, так и механическими. Например, камертон, натянутая струна и тому подобные устройства являются типично колебательными системами. По принципу использования колебательных свойств подобных деталей разработаны и используются в технике связи электромеханические фильтры, добротности которых весьма высокие порядка единиц тысяч. Принцип действия этих фильтров состоит в следующем. Оказалось, что некоторые материалы, например никель, феррит и другие, обладают свойствами изменять свою длинну при изменении магнитного поля, в котором они находятся. Подобный эффект называют магнитострикционным. Он используется в электромеханических магнитострикционных фильтрах, состоящих из жестко закреплённого никелевого или ферритового стержня длинной в несколько сантиметров. На стержне находится катушка с индуктивностью порядка десятка микрогенри и постоянный магнит. При протекании по катушке переменного тока магнитное поле изменяется, что приводит к изменению длинны стержней и их резонансным частотам. Подобные фильтры называют также магнитострикционными резонаторами. В таких фильтрах W 2/W 3 = 1, 01 1, 10, что соответствует добротностям 2000. . . 4000 и во много раз превышает добротности, которые можно получить в LC филь
Билет № 32 Применение электрических фильтров Электрическим фильтром называется четырехполюсник, устанавливаемый между источником питания и нагрузкой и служащий для беспрепятственного (с малым затуханием) пропускания токов одних частот и задержки (или пропускания с большим затуханием) токов других частот. В качестве пассивных фильтров обычно применяются четырехполюсники на основе катушек индуктивности и конденсаторов. Возможно также применение пассивных RC фильтров, используемых при больших сопротивлениях нагрузки. Фильтры применяются как в радиотехнике и технике связи, где имеют место токи достаточно высоких частот, так и в силовой электронике и электротехнике. Линейный фильтр — динамическая система, применяющая некий линейный оператор ко входному сигналу для выделения или подавления определённых частот сигнала и других функций по обработке входного сигнала. Линейные фильтры широко применяются в электронике, цифровой обработке сигналов и изображений, в оптике, теории управления и других областях.
По расположению полосы пропускания фильтры делятся на следующие типы: фильтры нижних частот (ФНЧ), пропускающие сигналы с частотами от 0 до ƒ с ; фильтры верхних частот (ФВЧ), имеющие полосу пропускания отƒс до бесконечности; полосовые фильтры (ПФ), пропускающие входной сигнал в полосе частот от fc 1 до fc 2; заграждающие фильтры (ЗФ), не пропускающие входной сигнал в полосе частот от fc 1 до fc 2; гребенчатые фильтры (ГФ), или многополосовые, имеющие несколько полос пропускания.
Билет 33 фильтры RC типа Фильтры RС типа могут быть активными и пассивными. Рассмотрим сначала пассивные фильтры. Схема пассивных фильтров состоит из резисторов и конденсаторов. В простейших фильтрах RC с увеличением частоты и уменьшением емкостного сопротивления уменьшается напряжение на сопротивлении нагрузки, а затухание фильтра уве ичивается. Для определения затухания используют л формулу Учитывая уравнение передачи четырехполюсника и подставляя в эту формулу получим Для ФНЧ в табл. 9. 5 приведены различные кривые частотной зависимости затухания в зависимости от величины коэффициента нагрузки. Как видно по характеристике, однозвенный ФНЧ имеет довольно маленькую крутизну затухания, поэтому фильтры чаще составляют из нескольких последовательно соединенных Г образ ных звеньев. Простейший ФНЧ называют интегратором. Форму а для л определения его частоты среза указана в табл. 9. 5. Произве ение R С называют постоянной времени д фильтра. От ее величины зависит форма выходного сигнала. Фильтр верхних частот (см. табл. 9. 5) содержит в последова ельной ветви емкость, из за которой т постоянный ток в нагрузку не проходит, следовательно, при/= 0 затухание фильтра стремит я к с бесконечности. С ростом частоты сопротивление конденсато а уменьшается, а ток в цепи и напряжение р на резисторе увеличи аются. Выходное напряжение снимается с резистора, а затухание фильтра при в увеличении частоты уменьшается. Фильтр ВЧ назы ают дифференциатором. ФВЧ применяются в в качестве корректи ующих устройств с опережением по фазе. р Полосовой фильтр представляет собой последовательное соеди ение звеньев ФВЧ и ФНЧ. Форма н характеристики обусловлена влиянием емкости Cj и С 2, которые ослабляют колебания: Ct на частотах, не превышающих частоту среза, Сл на частотах, боль их частоты среза. ш
Режекторный фильтр (см. табл. 9. 5) состоит из двух параллель о соединенных Т образных звеньев ВЧ и н НЧ. Мостовые RC-цепи нашли широкое применение в разнообраз ых устройствах преобразования сигналов н и, в частности, при по троении активных RС фильтров. Для мостовых схем характерно с
Билет 34 Цифровые фильтры Устройства, осуществляющие линейную фильтрацию сигналов цифровыми методами (т. е. с использованием средств цифровой вычислительной техники), получили название цифровых фильтров. Достигнутый в настоящее время уровень технологии позволяет создавать устройства цифровой обработки сигналов с высокими быстродействием и надежностью, малыми габаритными размера ми и низкой стоимостью. Это способствует расширению областей применения цифровой обработки сигналов, которую используют при автоматическом регулировании процессов в промышленнос ти и на транспорте. Цифровую фильтрацию сигналов осуществляют на основе вы полнения операций только трех типов: задержки, сложения и ум ножения. Поэтому алгоритм цифровой обработки может быть ре ализован двумя способами: 1) программным: универсальная ЭВМ выполняет цифровую об работку сигнала по специальной программе; 2) аппаратурным: специализированное вычислительное устрой ство выполняет только три указанные операции. Программный способ реализации эффективен при моделиро вании различных систем цифровой обработки сигналов, так как позволяет легко изменять алгоритм фильтрации.
Точность цифровых фильтров. В цифровых фильтрах входной и выходной сигналы являются последовательностью чисел, точность представления которых определяется числом разря дов вычислительного устройства, выполняющего обработку входного сигнала. Выходной сигнал отличается от теоретичес ки ожидаемого сигнала вследствие наличия специфических по грешностей, отсутствующих в аналоговых или дискретных ус тройствах. Источниками этих погрешностей являются следую щие факторы: qквантование отсчетов входных сигналов; неточные (округленные) значения параметров (коэффициентов) фильтров; qокругление результатов промежуточных вычислений; qпереполнение, возникающее вследствие конечной длины регистров. Суммарная погрешность обработки сигналов, а следователь но, и точность цифровых фильтров зависят от многих факторов: формы реализации фильтра, способа представления чисел в вычис лительном устройстве, вида фильтра (рекурсивный или нерекур сивный), характера входного сигнала и т. д. Поскольку погрешности цифровых фильтров зависят от спо соба представления чисел в вычислительном устройстве, напом ним, что применяют два способа: с фиксированной запятой и плава ющей запятой. В универсальных ЭВМ и специализированных уст ройствах для представления чисел, как правило, используют дво ичную систему. Поэтому число представляют последовательнос тью двоичных разрядов, в которой запятой отделяют цифры це лой и дробной частей числа.
Билет 35 Общие сведения о направляющих системах Направляющая система — это устройство непрерывной конст рукции, способное передавать электромагнитную энергию в задан ном направлении. Таким свойством обладают проводник, диэлект рик и граница раздела сред с различными электрическими свойства ми (металл— диэлектрик, диэлектрик —воздух). Следовательно, роль направляющей системы могут выполнять металлическая ли ния (кабель, волновод), диэлектрическая линия (волоконный све товод, диэлектрический волновод), металлодиэлектрическая линия (линия поверхностной волны). üСовременные направляющие системы передачи разделяют на воздушные линии (ВЛ), симметричные кабели (СК), коаксиальные кабели (КК), сверхпроводящие кабели (СПК), волноводы (В), све товоды (С), волоконно оптические кабели (ВОК) — разновидность световодов, линии поверхностной волны (ЛПВ), диэлектрические волноводы (ДВ), ленточные кабели (ЛК), фидеры — радиочастот ные кабели (РЧК). РЧК имеют симметричную, коаксиальную или спиральную конструкцию. üОсновными требованиями к направляющим системам являют ся: стабильность механических и электрических параметров, устой чивость и надежность связи, экономичность системы передачи в целом. Чем выше частотный диапазон, тем большее количество ка налов, можно организовать по данной линии связи (табл) Обозначения: радиолинии (РЛ), радиорелейные (РРЛ), спутнико ые (СЛ), лазерная в связь (ЛС).
ØВоздушные линии передачи состоят из металлических проводов, подвешенных на опорах с помощью изоляторов и специальной арма туры. В качестве проводов используется либо стальная проволока ди аметром 5; 4; 2, 5; 2; 1, 5 мм, либо биметаллическая проволока, которая состоит из стальной сердцевины, покрытой медной оболочкой тол щиной 0, 04— 0, 2 мм. ØСимметричные кабельные линии состоят из двух в электричес ком и конструктивном отношении одинаковых изолированных про водников. В качестве проводов используют медные проводники (токопроводящие жилы) различного диаметра. На городских сетях — медные проводники (токопроводящие жилы) различного диаметра. На городских сетях применяют кабели с медными жилами диамет ром 0, 5 мм, для междугородной связи — 1, 2 мм. Диаметр алюмини евых жил в 1, 28 раза превышает диаметр медных жил. ØКоаксиальные кабельные линии (коаксиальная пара) образу ются двумя цилиндрическими токопроводящими жилами, одна из которых представляет собой сплошной цилиндрический про вод, а вторая — полый цилиндр, причем первый провод распо ложен внутри второго. Провода разделяет диэлектрик. Кабель ная изоляция, как правило, является комбинированной и состоит из воздуха и твердого диэлектрика (специальная кабельная бу мага и различные пластмассы). ØФидеры — специальные радиочастотные устройства, использу ющиеся в качестве соединительных линий между приемниками и антенной, а также между передатчиком и антенной. В километро вом и гектометровом диапазонах в качестве фидеров используют многопроводные концентрические линии, в декаметровом — двух или четырехпроводные линии.
Билет 36 Первичный параметр линии Рассмотрим схему замещения проводной линии передачи (рис 10. 2) К началу линии подключен генератор синусоидального напряжения, а к выходу – сопротивление нагрузки. если
Точно такие же рассуждения справедливы для любого элементарного участка реаль ной линии. Поэтому схема заме щения представляет собой последовательное соединение беско нечного числа таких участков. Анализ процессов, протекающих и длинных линиях, значительно упрощается, если d. R и d. G равны нулю. Такая линия называется идеальной. Ее схема замещения состоит из каскадного соединения Г образных четырехполюсников и представляет собой иде альный фильтр нижних частот
БИЛЕТ 37 Телеграфные уравнения линии Волновое сопротивление передающих электрических линий, отношение напряжения к току в любой точке линии, по которой распространяются электромагнитные волны. В. с. представляет собой сопротивление, которое оказывает линия бегущей волне напряжения. В бесконечно длинной линии или линии конечной длины, но нагруженной на сопротивление, равное В. с. , не происходит отражения электромагнитных волн и образования стоячих волн. В этом случае линия передаёт в нагрузку практически всю энергию от генератора (без потерь). В. с. равно: ═ где L и С ≈ индуктивность и ёмкость единицы длины линии. Длинная линия регулярная линия передачи, длина которой существенно привышает длину волны (λ). Характерной особенностью длинных линий является возможность существования в них двух волн, распространяющихся навстречу другу. Одна из этих волн образуется генератором электромагнитных колебаний, подключенным к линии, и называется падающей. Другая волна образуется из за отражения падающей волны от нагрузки, подключенной к противоположному концу линии, и называется отраженной. Отраженная волна распространяется в направлении, обратном падающей волне. Все разнообразие процессов, происходящих в длинной линии, определяется амплитудно фазовыми соотношениями между падающей и отраженной волнами. Телеграфные уравнения Эти соотношения называются телеграфными уравнениями длинной линии. Они определяют связь между током и напряжением в любом сечении линии. Решим телеграфные уравнения относительно напряжения и тока. Для этого продифференцируем их по z:
Билет 38. Параметры волны Основными параметрами волны являются: длина волны , фазовая Скорость распространения волны вдоль линии связана с периичными параметрами следующим соотношением: Скорость распространения также связана с магнитными и диэлектрическими свойствами среды между проводами Длина волны — это расстояние между двумя смежными точка ми, взятыми в направлении распространения волны, фазы напря жения в которых отличаются на угол 2 л. Длина волны, распростра няющаяся вдоль линии, зависит как от свойств среды, так и от частоты Под фазовой скоростью понимают скорость распространения в линии состояния фиксированной фазы, например скорость, с ко торой перемещается некоторый нуль или максимум вдоль линии До сих пор, предполагалось, что вдоль линии распростра няется волна гармонического колебания. Однако на практике вдоль линии всегда распространяются одновременно несколь ко волн различной длины, которые можно рассматривать как гармонические составляющие одного группового сигнала. Оче видно, что форма такого сигнала в конце линии будет совпа дать с формой этого же сигнала в начале, если время распрос транения каждой
Билет 39 Режим бегущей волны в длинной линии Режим бегущей волны образуется в линии при согласованной нагрузке ZH = ZB. Рассмотрим процесс распространения электромагнитной вол ны вдоль однородной линии без потерь(R 0 = 0; G 0 = 0). В этом случае линия будет представлять собой последовательное соедине ние ее элементовd. L и d. C (см. рис. 10. 3, б). Предположим, что к входу линии подключен генератор по стоянного тока. В момент подключения генератора конденса торd. C 1 зарядится. Напряжение на d. C 1 будет служить источни ком зарядаd. C 2 Заряд ДС 2 будет сопровождаться разрядом AC 2. Но напряжение на ДС} при этом восполнится за счет энергии генератора. Таким образом, после подключения генератора энергия станет передаваться от одного элемента линии к друго му. В результате вдоль линии будет происходить передача энер гии, возникнет бегущая от начала линии к ее концу волна тока и напряжения, сопровождающаяся формированием вдоль ли нии бегущей электромагнитной волны. Для простоты можно предположить, что закон изменения тока — гармонический. Фаза тока вдоль линии изменяется в соответствии с коэффици ентом фазы. Таким образом, уравнение бегущей волны напря жения вдоль линии без потерь где х — рас стояние от начала линии до данной точки. Как видно из картины бегущей волны напряжения вдоль ли нии с потерями в различные моменты времени (рис. 10. 6), гармонический характер изменения напряжения имеет место не только во времени, но и вдоль длины линии.
Если линия без потер, то во всех точках её амплитуда волн будет одинакова. Из за потерь амплитуда волн напряжения и тока от начала к концу линии убывает по экспоненциальному закону.
БИЛЕТ 40 Смешанные волны в линии Режим смешанных волн Режимы бегущих и стоячих волн представляют собой два предельных случая, в одном из которых амплитуда отраженной волны во всех сечениях линии равна нулю, а в другом – амплитуды падающей и отраженной волн во всех сечениях линии одинаковы. В остальных случаях в линии имеет место режим смешанных волн, который можно рассматривать как наложение режимов бегущих и стоячих волн. В режиме смешанных волн энергия, передаваемая падающей волной к концу линии, частично поглощается нагрузкой, а частично отражается от нее, поэтому амплитуда отраженной волны больше нуля, но меньше амплитуды падающей волны. Как и в режиме стоячих волн, распределение амплитуд напряжений и тока в режиме смешанных волн (рис. 23) имеет четко выраженные максимумы и минимумы, повторяющиеся через λ/2.
Однако амплитуды тока и напряжения в минимумах не равны нулю. Чем меньшая часть энергии отражается от нагрузки, т. е. чем выше степень согласования линии с нагрузкой, тем в меньшей степени выражены максимумы и минимумы напряжения и тока, поэтому соотношения между минимальными и максимальными значениями амплитуд напряжения и тока можно использовать для оценки степени согласования линии с нагрузкой. Величина, равная отношению минимального и максимального значений амплитуды напряжения или тока, называется коэффициентом бегущей волны (КБВ) Очевидно, что в точках линии, в которых амплитуда напряжения (тока) достигает максимального значения, напряжения (ток) падающей и отраженной волн совпадают по фазе, а там, где амплитуда напряжения (тока) имеет минимальное значение, напряжения (токи) падающей и отраженной волн находятся в противофазе. Следовательно,
Билет 41 Передача сигналов по неоднородным линиям связи. Неоднородность линии связи возникает по следующим при инам. ч § 1. Линия состоит из отдельных отрезков, которые при монта е соединяют между собой, в местах ж соединения возникают неодности. р § 2. Электрические параметры материалов не могут быть одина овыми по всему объему и длине линии. к § 3. Диаметр проводов и расстояние между ними не может быть строго постоянным. § 4. Линии редко бывают двухпроводными, обычно они многопроводные. Поэтому в реальных линиях условия передачи сигнала отли аются от условий передачи в однородных ч линиях. Если разбить неоднородную линию на отдельные участки с постоянным, но раз ичным у разных л участков волновым сопротивлением, то получим каскадное соединение несогласованных четырехполюсников. В каждом соединении возникнет отраженная волна (рис. 10. 13). Из рисунка видно, как образуются обратный и попутный потоки, ко торые приводят к искажению формы сигнала. Рис. 10. 13. Распространение энергии в неоднородной цепи
В многопроводных линиях при передаче энергии происходит взаимное влияние между цепями, которое ослабляет мощность пе редаваемых сигналов. При передаче энергии вокруг цепи возника ет электромагнитное поле, другая цепь находится в этом поле, поэтому в ней индуцируется ток, являющийся помехой. Для организации качественной передачи сигналов необходимо применять меры для снижения взаимного влияния до определенных норм: скрутка, экранирование и симметрирование кабельных линий. Если требуемые нормы не удается обеспечить одной линией связи, пе реходят к другому типу линии, обеспечивающему требуемую норму. Приведем пример норм на канал тональной частоты (0, 3. . . 3, 4 к. Гц). В канале тональной частоты бывают следующие помехи: тепловые шумы приборов, нелинейные шумы, линейные переходы, обуслов ленные электромагнитной связью между цепями и создающие пере ходные разговоры.
Билет 42 Определение и классификация автогенераторов Генератором в радиотехнике и технике электросвязи называ ют устройство, формирующее электрические колебания требуемой формы, частоты, мощности. Генераторы можно классифицировать ряду признаков (рис. 17. 1). В настоящей главе в соответствии с программой курса рассматриваются только электрические и пьезоэлектрические (кварцевые) автогенераторы. Автогенератор как первоисточник электрических сигналов различной формы широко используется в технике электросвязи при формировании и преобразовании сигналов в каналах связи, в из мерительной технике, в промышленной электронике. Требования, предъявляемые к автогенераторам: üстабильность выходной мощности и частоты колебаний; üформа автоколебаний близка к требуемой (искажения минимальны). Работа автогенераторов гармонических колебаний (А Г) рис. 17. 2) основана на принципе автоматического поддержания в колебательной системе (КС) незатухающих колебаний. Колебательная система выполнена в виде узкополосного фильтра с сосредоточенными или распределенными параметрами в зависимости от имения генерируемой частоты. Рис. 17. 2. Структурная схема автогенератора
Билеты 43 Физические процессы при возникновения колебаний Возникновение колебаний. Здесь рассматривается возникновение К. в системе, не получающей К. извне, а являющейся источником К. В случае, когда система приходит в К. под действием К. , подводимых извне, говорят не о возникновении К. , а о воздействии К. на систему и о преобразовании их системой. В пассивных (не содержащих источников энергии) системах такое воздействие вызывает вынужденные колебания. Существует 3 основных типа К. в системах, являющихся источниками К. 1) Свободные (или собственные) К. , происходящие, когда система предоставлена самой себе после нарушения равновесия вмешательством извне Мягкий режим характеризуется безусловным быстрым установлением стационарного режима при включении автогенератора. В АГ с мягким режимом положение рабочей точки не зависит от развивающихся колебаний. Для наилучшего возбуждения желательно, чтобы рабочая точка активного элемента находилась в середине линейного участка ДПХ, то есть в точке максимального усиления
Для анализа качества режима возбуждения используют так называемые колебательные характеристики АГ: зависимость амплитуды выходного напряжения усилителя (или коэффициента усиления) от амплитуды входного напряжения при разомкнутом контуре АГ, причем размыкание можно осуществить в любой удобной точке, например так, как показано на рис
Билет 44 Построение схем и принцип их работы Индуктивная трехточечная схема Элементы R 1, R 2, R 3 C 3, как и в предыдущей схеме, обеспечивают режим работы по постоянному току транзистора VT, в коллекторную цепь которого включен колебательный контур L'L''C 2. Выходной сигнал снимается с коллектора транзистора VT (или с L''), сигнал ПОС с катушки L'. Поскольку напряжения этих сигналов противофазны, то автоматически выполняется условие баланса фаз. Сигнал ПОС подается на базу транзистора через разделительный кондер, сопротивление которого на частоте генерации мало. Этот кондер предотвращает попадание постоянной составляющей в базовую цепь (через катушку). Общая точка L' и L'' подключена к источнику питания, сопротивление которого переменному току незначительно. Условие баланса амплитуд выполняют подбором числа витков L'L''. Частота генерации определяется по формуле: Трехточечные схемы называются трехточечными, поскольку, если внимательно посмотреть на схему, контур подключается к трех выводам транзистора (или другого усилительного прибора). Первая точка это коллектор транзистора нижний (по схеме) вывод контура, вторая база верхний вывод контура через кондер С 1 и третья точка подключена к эмиттеру через источник питания, а точнее средний вывод контура через кондер С 5, общий провод, цепь R 3 C 3 подключен к эмиттеру.
Емкостная трехточечная схема В этой схеме, аналогично предыдущей, режим по постоянному току определяют элементы R 1, R 2, R 3, R 4 C 2. В коллекторную цепь транзистора включен контур L 1 C 3 C 4. Сигнал ПОС снимается с кондера С 4 и через кондер С 1 поступает в базовую цепь. С 1 не пропускает высокое коллекторное напряжение на базу транзистора. Общую точку кондеров С 3, С 4 можно считать подключенной к источнику питания, поскольку его сопротивление переменному току незначительно. Частота генерации определяется по формуле:
Билет 45 Методы стабилизции частоты Требование по стабильности частоты — одно из основных тре бований к автогенераторам. Стабильность частоты определяет ус тойчивость работы многоканальных систем электросвязи, опреде ляет электромагнитную совместимость систем радиосвязи, иска жения сигналов при модуляции и детектировании, обеспечивает более узкую полосу пропускания приемника, что приводит к по вышению качества передачи сигналов. Стабильность частоты — это способность автогенератора сохранять частоту выходного сигнала постоянной при воздействии на него различных дестабилизирующих факторов. Количественно стабильность частоты определяют с помощью нестабильности (изменений) частоты выходного сигнала при воздействии дестабилизирующих факторов в течение определенного времени. Температурный коэффициент частоты (ТКЧ) — относительна нестабильность частоты автогенератора при изменении его температуры на один градус. Если изменение частоты быстрое (продолжительностью менее 1 с), говорят о флуктуации частоты из за тепловых и дробовых шумов, если наблюдается медленное изменение частоты, то говорят; уходе частоты. Методы повышения стабильности частоты автоколебаний: 1. Параметрическая стабилизация подразумевает обеспечение постоянства параметров колебательной системы автогенератора, добротность которой должна быть как можно большей. Для уменьшения влияния внешних воздействий, в частности, температуры, в отдельных случаях применяют термостатирова ние (при 80 °С). Используют детали с малыми температурными зависимостями параметров. Автогенераторы изготавливают, как правило, маломощными с обязательной температурной стабили зацией режима работы, так как чем меньше токи и напряжения в цепях автогенератора, тем меньше нагрев деталей и усилительно го элемента.
2. Кварцевая стабилизация частоты заключается в применении вместо колебательных контуров кварцевых резонаторов, работа И устройство которых подробно рассмотрены в главе 9 раздела 2, Поскольку резонансная частота кварцевой пластины определяется только ее размером, добротность резонатора достигает нескольких сотен тысяч и частота автоколебаний является стабильной, Параметрическая стабилизация частоты автогенератора обеспечивает относительную нестабильность не более 10 4, кварцевая стабилизация позволяет получить нестабильность лучше 10~5. В осцилляторных схемах автогенераторов кварцевый резонатор включается в качестве индуктивности (рис. 17. 11). Чаще применяют схему, где кварц включают между коллектором и ба зой (рис. 17. 12). Рис. 17. 11. Осцилляторные схемы автогенератора с подключением кварца: а — между базой и эмиттером; б — между коллектором и эмиттером; в — между базой и коллектором Рис. 17. 12. Принципиальная схема кварцевого автогенератора на биполярном транзисторе
Билет 46 Автогенераторы RC типа Применение автогенераторов типа LC на частотах от 20 до 30 ООО Гц затруднительно, так как становится невозможной плав ная перестройка частоты, кроме того, для создания контура требо вались бы очень большие значения индуктивности и емкости. Та кая катушка индуктивности имеет большое количество витков (сле довательно, большое активное сопротивление), а значит, низкую добротность. Качественные показатели таких контуров из за низ кой добротности громоздких катушек невелики. В отличие от автогенераторов типа LC, автогенераторы RС типа имеют малые габаритные размеры, вес и стоимость деталей, они способны вырабатывать стабильные гармонические колебания в диапазоне частот от долей герца до сотен килогерц. Наиболее пол но их преимущества проявляются на низких частотах. Автогенератор представляет собой резистивный усилитель с цепями положительной (ПОС) и отрицательной обратной связи (ООС). ПОС обеспечивает амплитудные и фазовые условия самовозбуждения. Для получения гармонических колебаний эти условия должны выполняться только на одной частоте. ООС применяется для обеспечения баланса амплитуд в стационарном режиме. Рис. 17. 13. Фазосдвигающие цепочки: а R параллель; б С параллель Рис. 17. 14. Фазосдвигающая цепочка (а) и ее векторная диаграмма (б)
Билет 47 Свойства линейных и нелинейных электрических цепей. Определение линейных и нелинейных электрических цепей. Электромагнитное устройство с происходящими в нем и в окружающем его пространстве физическими процессами в теории электрических цепей заменяют некоторым расчетным эквивалентом — электрической цепью. Электрической цепью называют совокупность соединенных друг с другом источников электрической энергии и нагрузок, по которым может протекать электрический ток. Электромагнитные процессы в электрической цепи можно описать с помощью понятий «ток» , «напряжение» , «ЭДС» , «сопротивление» ( «проводимость» ), «индуктивность» , «емкость» . Постоянным током называют ток, неизменный во времени. Постоянный ток представляет собой направленное упорядоченное движение частиц, несущих электрические заряды Источники электрической энергии преобразуют химиче¬скую, механическую и другие виды энергии в электрическую. Ис¬очник электрической энергии характеризуется значением и направлением ЭДС, а также значением внутреннего сопротивления. Постоянный ток принято обозначать буквой i, ЭДС источника — Е, сопротивление — R, проводимость — g. В Международной системе единиц (СИ) единица тока — ампер (А), единица ЭДС — вольт (В), единица сопротивления — ом (Ом), единица проводимости — сименс (См).
Изображение электрической цепи с помощью условных знаков называют электрической схемой (рис. 2. 1, а). Зависимость тока, протекающего по сопротивлению, от напряжения на этом сопротивлении называют вольт амперной характеристикой (ВАХ). По оси абсцисс на графике обычно откладывают напряжение, а по оси ординат — ток. Сопротивления, ВАХ которых являются прямыми линиями (рис. 2. 1, б), называют линейными, электрические цепи только с линейными сопротивлениями — линейными электрическими цепями. Сопротивления, ВАХ которых не являются прямыми линиями (рис. 2. 1, в), т. е. они нелинейны, называют нелинейными, а электрические цепи с нелинейными сопротивлениями — нелинейными электрическими цепями. Существенное преимущество параметрических усилителей перед другими типами усилителей низкий уровень шумов. В теме "Параметрическое возбуждение колебаний" основное вывод уравнения Матье и анализ его решения. Необходимо изучить принцип действия параметронов, причины их быстродействия и возможность использования в различных устройствах обработки информации.
Билет 49. Выбор промежуточной частоты. Преобразователь частоты используется в радиоприемниках, выполненных по супергетеродинной схеме. В отличие от приемни ков прямого усиления, в которых сигнал усиливается без измене ния его частоты, в супергетеродинных приемниках основное уси ление происходит на фиксированной, к тому же довольно низкой промежуточной частоте. Это позволяет путем увеличения числа каскадов усилителя получить большое стабильное усиление при нятого сигнала. В супергетеродинном приемнике используют слож ные избирательные системы, настроенные на фиксированную про межуточную частоту, которые и обеспечивают более высокую се лективность. Причем чувствительность приемника сохраняется постоянной на всех диапазонах, в том числе и коротковолновых, для которых приемники прямого усиления практически нереализуемы. Величина промежуточной частоты влияет на параметры всех каскадов радиоприемника. Недостатком супергетеродинного приемника является наличие побочных каналов, снижающих его помехоустойчивость. При од ной и той же частоте гетеродина значение промежуточной час тоты будет постоянным приеме сигналов на частоте (рис. 18. 3), где частота — частота зеркального канала. Она отли чается от частоты основного канала на 2 пч и f расположена сим метрично (зеркально) относительно частоты гетеродинаfr Если имеется радиостанция, работающая на частоте зеркальной поме хи, то сигнал мешающей станции будет усилен вместе с основным сигналом и будет прослушиваться на выходе приемника. Кроме зер кального канала есть и другие побочные каналы.
БИЛЕТ 50 Схемы умножителей и преобразователей частоты. Умножитель частоты — устройство, в котором при подаче на вход колебаний с периодом на выходе формируются колебания с периодом Умножители применяются: ØПеренос кварцованных частот (< 100 МГц) в СВЧ диапазон. ØСинтезирование сетки частот. ØИзмерение стабильности частоты. В радиопередающих устройствах, применяя умножители, удается: ØПонизить частоту задающего генератора, что повышает стабильность. ØРасширить диапазон перестройки радиопередающего устройства при меньшем диапазоне перестройки задающего генератора. ØПовысить устойчивость работы радиопередающего устройства за счет ослабления обратной связи, так как в умножителе частоты входные и выходные цепи настроены на разные частоты. ØУвеличить абсолютную девиацию частоты или фазы при частотной или фазовой модуляции.
Преобразователь частоты — радиоэлектронное устройство для преобразования электрического (электромагнитного) сигнала путём переноса его спектра на некоторый интервал по оси частот Применение Преобразователь частоты применяется, главным образом, в супергетеродинных радиоприёмниках, а также в различных радиоизмерительных приборах — селективных вольтметрах, анализаторах спектра, модулометрах и девиометрах, установках для измерения ослаблений. Его применение в этих случаях позволяет снизить рабочую частоту основного тракта усиления и селекции сигнала (тракта ПЧ), также сделать этот тракт неперестраеваемым, то есть, для настройки радиоприёмника на разные несущие частоты изменяется частота гетеродина преобразователя, несущая частота выходного сигнала, называемая промежуточной частотой (ПЧ), остаётся неизменной. Кроме выработки сигнала ПЧ преобразователь может использоваться и в других случаях, например, ультразвуковых линиях задержки электромагнитного СВЧ сигнала. Устройство и принцип действия
Функционально преобразователь частоты включает в себя три составные части — гетеродин, смеситель и выходной полосовой фильтр. Гетеродин представляет собой генератор сигнала синусоидальной формы, настраеваемый либо с фиксированной частотой. Смеситель — основная часть преобразователя, нелинейное электронное устройство, в котором происходит образование нужного спектра. Принцип действия смесителя состоит в том, в результате нелинейных процессов образуются комбинационные гармоники, частоты которых равны разностям или суммам частот гармоник входных сигналов либо частот кратных частотам исходных гармоник. Амплитуды полученных комбинационных гармоник пропорциональны амплитудам исходных, таким образом, каждый из наборов комбинационных гармоник (разностных, суммарных, разностных и суммарных кратным) эквивалентен спектру входного сигнала, сдвинутому по частоте. Полосовой фильтр предназначен для селекции нужного набора гармоник, обычно выполнен по стандартной схеме полосового фильтра на LC элементах. Конструктивно преобразователь частоты может быть выполнен в виде единого устройства, в том числе на интегральной микросхеме с дополнительными элементами, в виде двух блоков (блок гетеродина и блок смесителя с фильтром) либо, в некоторых случаях, в разнесённом виде, например, в установках для измерения ослаблений смеситель и фильтр представляют собой обособленные устройства, а в качестве гетеродина используется сторонний измерительный генератор, не входящий в комплект установки.
БИЛЕТ 52 Модуляция это процесс объединения информационного, в нашем случае звукового сигнала, с частотой генератора. Модуляция определенным образом изменяет форму ВЧ колебаний и бывает нескольких видов. В радиосвязи чаще всего используют амплитудную (АМ, AM amplitude modulation) Амплитудная модуляция (АМ) – модуляция, при которой незатухающие колебания изменяются по амплитуде в соответствии с модулирующими его колебаниями более низкой частоты. Уровень амплитудно модулированного сигнала вычисляется по формуле:
Демодуляция (Детектирование сигнала) — процесс, обратный модуляции колебаний, преобразование модулированных колебаний высокой (несущей) частоты в колебания с частотой модулирующего сигнала. Для передачи энергии электромагнитной волны используются высокочастотные колебания, а колебания низкой частоты используются для модуляции (слабого изменения амплитуды или фазы) высокочастотных колебаний. На принимающей станции из этих сложных колебаний с помощью специальных методов снова выделяют колебания низкой частоты, которые после усиления подаются на громкоговоритель. Этот процесс выделения информации из принятых модулированных колебаний получил название демодуляции, или детектирования колебаний.
БИЛЕТ 53 Назначение несущей частоты Однополосная модуляция (Амплитудная модуляция с одной боковой полосой) (ОМ, англ. Single sideband modulation, SSB) — разновидность амплитудной модуляции (AM), широко применяемая в аппаратуре каналообразования для эффективного использования спектра канала и мощности передающей радиоаппаратуры. При амплитудной модуляции простым гармоническим колебанием с частотой W в состав получившегося модулированного колебания входят три составляющих несущее колебание с частотой w 0 и два боковых колебания с частотами (w 0+W) и (w 0 W). При коэффициенте модуляции М=1 на долю несущего колебания приходится 2/3 общей мощности, а на долю боковых колебаний только 1/3 мощности. Если М<1, то на долю боковых колебаний приходится еще меньшая часть мощности. Амплитуда несущего колебания в процессе модуляции неизменна, изменяются только боковые колебания, которые переносят сигналы информации.
В случае модуляции сложным сигналом, состоящим из ряда колебаний с разными частотами и амплитудами, по обеим сторонам несущего колебания располагаются 2 симметричные полосы боковых колебаний: w 0+(Wн¸Wв) и w 0 (Wн¸Wв) (рис. 1). Отсутствие информации в несущем колебании позволяет исключить его из спектра излучаемых модулированных колебаний с последующим восстановлением в приемном устройстве при детектировании. Математическая модель любого АМ сигнала имеет вид: В спектре сложномодулированного АМ сигнала, помимо несущего колебания, содержатся группы верхних и нижних боковых колебаний, образующих соответственно верхнюю и нижнюю боковую полосу АМ сигнала. Ширина спектра (полоса занимаемых частот) АМ сигнала равна удвоенному значению наиболее высокой частоты спектра модулирующего низкочастотного сигнала:
БИЛЕТ 54 Однополосная и балансная модуляция Однополосная модуляция управление электрическими колебаниями, при котором сообщение (сигнал) передаётся только на одной (выделенной) боковой полосе частот. Однополосную модуляцию. можно получить: üподавлением несущего колебания балансным модулятором и последующим выделением полосовым электрическим фильтром верхней или нижней боковой полосы частот; üфазокомпенсационным способом — компенсацией соответствующих колебаний модулированного (высокочастотного) спектра при его нелинейном преобразовании; üсочетанием принципов фильтрации и фазовой компенсации Спектральный состав передаваемых электрических колебаний при однополосной модуляции: U — напряжение колебаний; Ωн — нижняя частота модулирующего сигнала; Ωв — верхняя частота модулирующего сигнала; ωн — частота несущего колебания. Пунктиром показаны подавленные колебания.
Балансная амплитудная модуляция или АМ с подавлением несущей частоты (АМ ПН Как следует из вышеприведенных данных, основная доля мощности АМ – сигнала приходится на несущую частоту. При балансной модуляции производится перемножение двух сигналов – модулирующего и несущего, при котором происходит подавление несущего колебания и КПД модуляции становится равным 100%. Так, для однотонального сигнала (без учета начальных фаз колебаний) при U(t) = M cos Физическая сущность подавления несущей частоты заключается в следующем. При переходе огибающей биений U(t) через нуль фаза несущей частоты высокочастотного заполнения скачком изменяется на 1800, поскольку функция косинуса огибающей имеет разные знаки слева и справа от нуля. При этом в достаточно высокодобротной системе (с малыми потерями энергии), настроенной на частоту wo, колебания, возбужденные одним периодом биений, будут гаситься последующим периодом.
Амплитудная манипуляция continuous wave (CW)) — изменение сигнала, при котором скачкообразно меняется амплитуда несущего колебания. АМн можно рассматривать частный случай квадратурной
Билет 55 Формирование сигналов с частотной и фазовой манипуляцией Фазовый манипулятор (на 180°) выполняется на ключевой схе ме (рис. 15. 10) или на перемножителях сигналов. Генератор, выпол ненный на элементах. DDI; DD 2, формирует противофазные коле бания несущей частоты, которые поступают на выводы ключей 2 и 4. Манипулирующий сигнал подается на управляющий вход 13 не посредственно и через инвертор на управляющий вход 5. Если мо дулирующий сигнал равен единице, замыкается контакт 1 2, при этом контакт 3 4 разомкнут. В обратном случае (когда модулиру ющий сигнал равен нулю) замыкается контакт 3 4, а контакт 1 2 разомкнут и на выход ключа поступает колебание несущей часто ты противоположной фазы. Для получения сигнала относительной фазовой манипуляции пригодна любая схема фазового манипулятора , перед которым в цепь модулирующего дискретного сигнала включают относительный кодер (специальное перекодирующее устройство). Кодер обеспечивает изменение фазы несущего колебания при по даче единичных импульсов модулирующего сигнала.
Кодер состоит из двух блоков: сумматора по модулю два (S 2) и линии задержки (ЛЗ) на длительность дискретного элемента сиг налаtu. Работу схемы можно проследить по графикам (рис. 15. 12), где цифрами отмечена форма сигналов в различных точках схемы. На вход 1 поступает модулирующий сигнал, представляющий со бой последовательность однополярных импульсов, которые обо значаются как 0 и 1. На вход 2 сигнал поступает с линии задержки. Сигнал 3 получаем, суммируя дискретные сигналы на входе 1 и выходе линии задержки 2 по модулю два. Правило суммирования «по модулю два» : 0© 0=0, 1© 1=0, 1 Ф 0=1, 0© 1=1.
БИЛЕТ 56 Характеристика ЧМ сигналов. Частотная модуляция (ЧМ) — вид аналоговой модуляции, при котором информационный сигнал управляет частотой несущего колебания. По сравнению с амплитудной модуляцией здесь амплитуда остаётся постоянной. Частотная модуляция применяется для высококачественной передачи звукового (низкочастотного) сигнала в радиовещании (в диапазоне УКВ), для звукового сопровождения телевизионных программ, передачи сигналов цветности в телевизионном стандарте SECAM, видеозаписи на магнитную ленту, музыкальных синтезаторах. Высокое качество кодирования аудиосигнала обусловлено тем, что при ЧМ применяется большая (по сравнению с шириной спектра сигнала АМ) девиация несущего сигнала, а в приёмной аппаратуре используют ограничитель амплитуды радиосигнала для ликвидации импульсных помех.
Основными характеристиками и параметрами ЧМ детекторов являются следующие: q. Семейство детекторных характеристик: q. Крутизна детекторной характеристики: q. Диапазон частот в котором детекторная характеристика достаточно линейна q. Входное сопротивление q. Минимальное и максимальное значения амплитуды входного сигнала, при которых гарантируются основные качественные показатели. q. Выходное сопротивление q. Нелинейные искажения выходного сигнала
Билет 58 Детектирование сигналов с частотной и фазовой манипуляцией Схемы детекторов сигналов узкополосного приема с однократ ной ЧМн различают по мгновенной частоте и огибающей. При низкой стабильности частоты применяют детекторы сигналов ши рокополосного приема с последетекторным интегрированием. Прием по мгновенной частоте осуществляется с помощью узкопо лосного фильтра и частотного детектора. Схема детектора по огибающей (рис. 15. 21) состоит из узкопо лосных фильтров. Oj и Ф 2, амплитудных детекторов АД] и АД 2, вычитающего В и решающего РУ устройств. Фильтры согласова ны с входным сигналом по эффективной полосе пропускания и настроены на частоты элементарных посылок. Выходные напря жения детекторов сравниваются между собой в вычитающем уст ройстве. По полярности выходного напряжения решающее устрой ство определяет вид символа (0 или 1). Когерентный детектор сигналов с однократной ФМн состоит из перемножителя сигналов (ФД) с интегратором на выходе (ФНЧ). В ФД перемножается принятый ФМн сигнал с опорным колебанием, когерентным ФМн сигналу. Опорное колебание фор мируется устройством, называемым выделителем опорного коле бания (ВОК). ВОК может быть активным (замкнутым) или пас сивным (разомкнутым). Активные ВОК реализуются в виде опор ного генератора с системой ФАПЧ. В зависимости от полярности напряжения на выходе ФНЧ, в решающем устройстве формиру ются выходные сигналы.
БИЛЕТ 60 Виды импульсных модуляций Виды импульсной модуляции v. Импульсно кодовая модуляция (ИКМ, англ. Pulse Code Modulation, PCM) используется для оцифровки аналоговых сигналов. Практически все виды аналоговых данных (видео, голос, музыка, данные телеметрии, виртуальные миры) допускают применение PCM. §Модуляция Чтобы получить на входе канала связи (передающий конец) ИКМ сигнал из аналогового, мгновенное значение аналогового сигнала измеряется через равные промежутки времени. Количество оцифрованных значений в секунду (или скорость оцифровки, частота дискретизации) должно быть не ниже 2 кратной максимальной частоты в спектре аналогового сигнала (по теореме Котельникова). Мгновенное измеренное значение аналогового сигнала округляется до ближайшего уровня из нескольких заранее определённых значений. Этот процесс называется квантованием, а количество уровней всегда берётся кратным степени двойки, например, 8, 16, 32 или 64. Номер уровня может быть соответственно представлен 3, 4, 5 или 6 битами. Таким образом, на выходе модулятора получается набор битов (0 и 1). §Демодуляция На приёмном конце канала связи демодулятор преобразует последовательность битов в импульсы собственным генератором с тем же уровнем квантования, который использовал модулятор. Далее эти импульсы используются для восстановления аналогового сигнала в ЦАП.
Виды импульсных модуляций üШиротно импульсная модуляция (ШИМ) Широтно импульсная модуляция (ШИМ, англ. Pulse width modulation (PWM)) — приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) к действительным бинарным сигналам (с двумя уровнями вкл/выкл), так, что, в среднем, за некоторый отрезок времени, их значения равны. Формально, это можно записать так: ШИМ есть импульсный сигнал постоянной частоты и переменной скважности, то есть отношения периода следования импульса к его длительности. С помощью задания скважности (длительности импульсов) можно менять среднее напряжение на выходе ШИМ.
Генерируется аналоговым компаратором, на отрицательный вход которого подаётся опорный сигнал в виде «пилы» или «треугольника» , а на положительный — собственно сам модулируемый непрерывный аналоговый сигнал. Частота импульсов соответствует частоте «зубьев» пилы. Ту часть периода, когда входной сигнал выше опорного, на выходе получается единица, ниже — нуль. üЧастотно импульсная модуляция (ЧИМ) Частотно импульсная модуляция (англ. Pulse Frequency Modulation, PFM) вид импульсной модуляции, при которой необходимое значение выходного параметра добивается путём изменения частоты поступления импульсов (фиксированной амплитуды и длительности) на входе ключевого элемента.
üФазово импульсная модуляция (ФИМ) Фазово импульсная модуляция (англ. Pulse position modulation, PPM) — один из трёх основных способов цифрового модулирования информации в последовательность импульсов. Фазово импульсная модуляция сигнала осуществляется путём задержки (или упреждения) появления импульса на время, соответствующее значению информационных символов. При фазово импульсной модуляции кодирование передаваемой информации заключается в изменении позиции импульсов в группе импульсов, которая называется кадром.
Скачать презентацию Билет 1 Передача информации Количественная мера информации
ответы на билеты.ppt