Введение в теорию сигналов. Тема: 4/1
УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ n n Общие сведения о сигналах. Проблемы помехоустойчивости ТСО и каналов связи.
Учебный вопрос № 1 n Общие сведения о сигналах.
n n n ИНФОРМАЦИЯ - это совокупность необходимых сведений о различных объектах (людях, событиях, процессах, явлениях и т. п. ), рассматриваемая с позиций передачи этих сведений в пространстве и во времени. СИГНАЛАМИ называют изменения значений информативных параметров физического процесса, отображающие передаваемые сведения. ИНФОРМАТИВНЫМ ПАРАМЕТРОМ называется физическая величина, вещественная или энергетическая, со значениями которой однозначно связано содержание информации и которая выбрана для передачи этой информации.
систематизация сигналов: 1) По тому, бесконечное или конечное множество значений, которые может принимать информативный параметр на заданном отрезке времени, сигналы можно разделить на аналоговые и цифровые. n Цепи (элементы, схемы, устройства, системы), предназначенные для формирования и обработки этих сигналов, называются соответственно аналоговыми или цифровыми. n Аналоговыми являются сигналы на выходах приемной и передающей антенн радиолучевых датчиков обнаружения "ПИОН", в приборе "ЛАВАНДА" и др. Примеры аналоговых устройств: генераторы гармонических сигналов, операционные усилители, резонансные цепи. n Примером цифровых сигналов являются сигналы в цифровых вычислительных машинах. Примерами цифровых схем служат логические элементы, регистры, сумматоры, счетчики, запоминающие устройства, триггеры.
Термин АНАЛОГОВЫЙ обычно приписывается сигналам, информативный параметр которых может принимать любые значения в некотором непрерывном диапазоне значений. Такие сигналы в математическом смысле являются непрерывными функциями независимой переменной. Аналоговый сигнал может быть непрерывным или прерывистым. ЦИФРОВОЙ (числовой) электрический сигнал представляет собой образованную по определенному правилу совокупность элементарных прерывистых электрических колебаний (в частности, последовательность импульсов), генерируемую некоторым цифровым устройством или преобразователем аналог-цифра, который квантует непрерывный сигнал. Соответственно цифровая система - это такая система, в которой информация представляется (кодируется) в виде последовательности чисел, принимающих только конечное множество значений. Цифровая обработка сигнала обладает рядом существенных преимуществ перед аналоговой. Цифровые приборы обычно точнее аналоговых, так как цифровые шаги можно выбрать достаточно малыми, предусматривая в приборе соответствующее число разрядов индикации.
2) По соответствию информативного параметра значениям отображаемой величины в любой момент времени различают непрерывные и прерывистые (импульсные) сигналы. n n Под НЕПРЕРЫВНЫМ во времени сигналом понимается сигнал, у которого значение информативного параметра в любой момент времени соответствует значению отображаемой величины в некоторый предшествующий момент времени. ПРЕРЫВИСТЫМИ во времени называют сигналы, у которых информативные параметры (например, амплитуда, частота, фаза) в течение конечных промежутков времени не соответствует каким-либо значениям отображаемой величины. В частности, такие сигналы могут быть результатом дискретизации.
Классификация сигналов. по трем группам признаков: n а) по наличию или отсутствию свойства непрерывности сигнала на заданном интервале времени. Сигналы разделяются на непрерывные и импульсные; n б) по наличию или отсутствию математического описания (формулы). Сигналы разделяются на регулярные и нерегулярные (детерминированные и случайные); n в) по наличию или отсутствию свойства периодичности. Сигналы разделяются на периодические, непериодические и почти периодические. Регулярный сигнал - это такое колебание электрического тока, которое описывается какой-либо математической формулой. Например, i(t) = Imsin (2 ft + ). Нерегулярный сигнал - это такое колебание электрического тока, которое не имеет аналитического описания (математической формулы). Эти сигналы являются случайными функциями времени (случайными сигналами) и подразделяются на два типа. Первый тип i(t)=iслуч. (t), второй тип в своем составе имеет случайный и регулярный сигнал i(t)=iслуч. (t) + i(t)рег. .
Периодический сигнал - это такой сигнал, который повторяется через одинаковые интервалы времени t. u(t +T)=u(t+n. T), где Т=const - период повторения; t- время; n - число периодов. Почти периодическим сигналом называют электрические колебания, которые имеют большое сходство с периодическими сигналами, но с нарушением условия неизменности периода повторения Т в небольших пределах. Величина Т изменяется от периода к периоду на величину отклонения Т, т. е. Тi = T Т. Имеются два типа почти периодических сигналов: в первом типе Т изменяется по неслучайному закону, во втором типе - по случайному закону. Непериодический сигнал - это такое колебание электрического тока, которое лишено свойств периодичности.
Cпектральноe представлениe сигналов электрические сигналы можно представить: 1. Аналитически: u =Umsin t. 0 Umt. Tu 2. С помощью временной (волновой) диаграммы: u Um 0 t =2 f 0 Umп. о. 3. С помощью векторной диаграммы: T =2 f Um 0 п. о. 4. С помощью спектральной диаграммы: 0 Umuf. F u Um f 0 F
Спектральный способ основан на представлении сигнала в виде спектра суммы гармонических составляющих различных частот, разделенных бесконечно малыми или конечными промежутками. а) Последовательность прямоугольных импульсов (периодический сигнал) Временная диаграмма u А t 0 Т , f Т 0 Спектральная диаграмма (амплитудный спектр) A F A A 1 A 2 A 3 A 0 0 5 1/ A 6 A A 1 A 7 9 2/ 0 1 3/ F
б) одиночный импульс (непериодический сигнал) Временная диаграмма U - /2 t Спектральная диаграмма одиночного импульса (спектр непрерывный) S(f) 0 f 1/ 2/ 3/
Учебный вопрос № 2 n Проблемы помехоустойчивости ТСО и каналов связи.
Cредство обнаружения может в процессе своего функционирования выдавать неправильные решения (ошибки) двух родов: - Первая - пропуск нарушения, т. е. устройство не выдает сигнала тревоги в то время, когда нарушитель движется через зону обнаружения, - Вторая - устройство выдает сигнал тревоги в то время, когда нарушитель отсутствует в зоне обнаружения. Первая ошибка называется пропуском сигнала, вторая - ложной тревогой (ложным срабатыванием). - Количественной характеристикой несовершенства средства обнаружения является, совокупность двух характеристик вероятность пропуска сигнала вероятности ложных тревог. Взамен последнего понятия вводится более удобное для практического использования понятие средней частоты ложных тревог или обратная ей величина средней наработки на ложное срабатывание, измеряемая, как правило, в часах.
Решение проблемы помехоустойчивости проводится на n n всех стадиях жизненного цикла сигнализатора - от опытных исследований до эксплуатации и включает в себя следующие этапы: исследование помех и сигналов, выявление основных источников помех, их параметров и характеристик; создание чувствительного элемента, оптимальное построение зоны обнаружения; разработка алгоритма обработки сигнала, минимизирующего паразитное воздействие помех при достижении заданной вероятности обнаружения; создание и натурные испытания макета, реализующего выбранный алгоритм обработки сигнала, доведение его характеристик до требуемых в техническом задании;
n n n конструктивная разработка опытных образцов, изготовление, испытания (заводские и натурные); выпуск серийных средств обнаружения; разработка проекта комплекса охранной сигнализации объекта, выбор номенклатуры и типов ТСО, их взаимная совместимость, определение общих тактико-технических показателей комплекса; монтаж и наладка комплекса со строгим соблюдением всех требований, определяющих достижение требуемой помехоустойчивости; обслуживание ТСО. обеспечивающее выполнение всех требований технической документации, проведение профилактических и регламентных работ, учет ложных срабатываний, выявление их причин и устранение недостатков.
Помехи 1) климатические (метеорологические) помехи, определяемые физическими процессами в окружающем пространстве, изменениями параметров воздуха, поверхности земли, выпадением осадков, грозовыми разрядами к т. п. ; 2) электрические помехи, вызывающие появление посторонних напряжений на входах устройств обнаружения вследствие излучений различных энергетических установок, линий электропередачи. Сюда же относятся излучения радиостанций и электрические воздействия атмосферных разрядов; 3) сейсмоакустические помехи, вызываемые работой промышленных установок вибрационного или ударного действия, сотрясением почва или конструкций, шумовыми воздействиями индустриального происхождения;
4) аппаратурные помехи, определяемые процессами в самой аппаратуре шум резисторов, мерцанием конденсаторов, нестабильность характеристик отдельных узлов аппаратуры; 5) посторонние помехи, вызываемые появлением посторонних объектов, не подлежащих обнаружению, например проезд транспорта в близкой зоне, пробегание мелких животных, пролет птиц и т. п. 6) взаимные помехи, обусловленные паразитным воздействием других средств обнаружения при их совместном использовании. Эти помехи вызываются электромагнитными или акустическим излучениями близко расположенных сигнализаторов.
Классификация помех n n n сосредоточенные помехи, имеющие вид периодических, большей частью синусоидальных колебаний, характерных для электрических помех от ЛЭП, энергооборудования, радиостанции и т. п. Эта группа помех занимает узкую часть спектра и отличается относительной стабильностью; флюктуационные помехи, имеющие вид хаотического случайного изменения какого-либо измеряемого параметра, являющиеся результатом суммарного влияния большого числа элементарных воздействий. Такие помехи характерны при воздействии климатических факторов (дождя, влаги, ветре и т. п. ), а также акустических и сейсмических воздействий; импульсные помехи, представляющие собой последовательность импульсов в общем случав разной формы, следующих друг за другом через случайные промежутки времени. Возникновение их обусловлено как электрическими наводками от индустриальных или атмосферных источников, так и сейсмическими воздействиями. Кроме того, импульсные помехи могут быть обусловлены кратковременным и, как правило, достаточно резким изменением измеряемого параметра под влиянием различных факторов (касание антенн травой, срыв капель, посадка птиц, падение предметов и т. п. ).
Интенсивность воздействия помех оценивается следующими параметрами: n n n для сосредоточенных помех - амплитудой и частотой напряжения, наводимого на чувствительный элемент; для флюктуационных помех - мощностью и спектральной плотностью помех, а также их амплитудным распределением; для импульсных помех - распределением амплитуд, частотой следования и распределением отдельных параметров помех (длительностью импульсов, длительностью фронтов).
Методы повышения помехоустойчивости ТСО 1) методы оптимального построения зоны обнаружении (способы размещения чувствительных элементов, их включения, конфигурации и конструктивных особенностей ); а) методы компенсации б) ограничения размеров зоны обнаружения в) метод охранного электрода. 2) методы оптимизации обработки сигнала в самом тракте средства обнаружения (схемные (радиотехнические) методы борьбы с помехами, связанные со способами оптимальной фильтрации сигнала, селекции его информативных признаков, выделения и обнаружения сигнала ). а) способы увеличения информативности сигнала (увеличение его амплитуды, длительности и придание ему характерных особенностей) б) способы компенсации и подавления помех (балансное включение антенн и чувствительных элементов, ограничение зоны обнаружения, применение "защитных линий" и др. )
Метод компенсации n чувствительный элемент разбивается на несколько частей таким образом, что помехи, возникающие в зоне обнаружения или вне ее, действуют одновременно на различные части чувствительного элемента, которые включаются так, чтобы максимально ослабить результирующий эффект их воздействия.
балансное (фланговое для периметровых средств) включение антенных устройств АУ 2 АУ 1 МТП Мостовой трансформаторный преобразователь (МТП) На схему устройства обработки сигналов "РАДИАН-М"
балансного подключения четного количества однотипных объектов охраны (например, сейфов) при их однорядном размещении 1 3 2 4 АУ 2 АУ 1 МТП На схему обработки сигналов "РОМБ"
1 2 3 4 АУ 1 МТП На схему обработки сигналов "РОМБ" АУ 2 5 6 7 8 Фланговое (балансное) включение емкостных антенных устройств (АУ): металлических сейфов при 2 -х рядном размещении.
1 3 2 4 АУ 2 АУ 1 МТП На схему обработки сигналов "РОМБ" Схема подключения "холостого" объекта охраны при нечетном количестве предметов блокировки.
Метод ограничения зоны обнаружения n n Суть метода заключается в изоляции зоны обнаружения таким образом, чтобы воздействия за ее пределами не вызывали реакции чувствительного элемента, применяют экранирование помещений или отдельных частей с помощью металлизации ограничивающих поверхностей путем прокладки металлической сетки, фольги, проводящей краски и т. д. Способ применяется для устранения "чувствительности" емкостных средств обнаружения к перемещению людей в соседнем, не охраняемом помещении при тонких некапитальных стенах
Металлический экран Коридор 1 3 2 4 АУ 2 АУ 1 МТП На схему обработки сигналов "РОМБ"
Метод "охранного электрода" n n Суть метода заключается в том, что между изолированной от земли частью антенного устройства, которое закрепляется с помощью изоляторов, и самим изолятором устанавливается проводящий экран (охранный электрод), выполненный в виде кольца, обруча, пластины, диаметральные размеры которых превышают размеры изоляторов. Конструктивно охранный электрод (ОЭ) по отношению к изолятору выполняется и закрепляется таким образом, чтобы он был максимально подвержен воздействию осадков, благодаря этому влага будет стекать на землю минуя изолятор. Таким образом, охранный электрод как бы предохраняет основной изолятор антенного полотна от попадания на него осадков – отсюда название "охранный".
а б АУ АУ А 1 L 2 А 2 ● ● ● R 1 R 1 UA RУ ОЭ ● ● ● UГ ~ ОЭ ~ ● R 1 CA 2 ● CA 1 ● UГ R 2 ● UA UГ ● ● R 2 ● ● Схема подключения охранного электрода в антенное устройство «РАДИАН» : а- физическая сущность метода; б- упрощенная схема измерительного моста с охранным электродом.
сопротивление утечки Rу между антенным полотном и землей разделяется на два сопротивления R 1 и R 2 (рис. а). На ОЭ подается напряжение от того же генератора, который питает мостовой трансформаторный преобразователь (измерительный мост). Поэтому антенное полотно и ОЭ оказываются под одним и тем же потенциалом, вследствие чего изменение сопротивления антенного полотна относительно ОЭ (R 1) не вызывает протекания тока по сопротивлению утечки (Ry) и не вызывает разбаланса измерительного моста (рис. а). Шунтирование ОЭ на землю (R 2) также не вызывает разбаланса моста, т. к. он зашунтирован низким выходным сопротивлением генератора (R 2 >> Rг). Из схемы измерительного моста с охранным электродом (рис. б) следует, что влияние сопротивления R 1 на разбаланс моста сведено к минимуму, поскольку из-за малого сопротивления обмотки измерительного трансформатора оно подключено между точками с равным потенциалом. Сопротивление R 2 шунтировано малым сопротивлением генератора и пока сохраняется неравенство R 2 >> Rг его влияние на разбаланс моста исчезающе мало. Таким образом, использование охранного электрода в точках подвеса антенного устройства (АУ) к изоляторам позволяет практически избавиться от влияния изменений сопротивления утечки на баланс моста.
