Теория радиотехнических сигналов

Д. С. КОПТЕВ








ТЕОРИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ



Учебное пособие














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.396.669
ББК 32
    К65



Рецензенты:
доктор технических наук, главный научный сотрудник НИИЦ (г. Курск) «18 ЦНИИ» МО РФ А. С. Сизов;
кандидат технических наук, начальник отдела АО «Авиаавтоматика» им. В. В. Тарасова Ю. А. Векленко








    Коптев, Д. С.
К65 Теория радиотехнических сигналов : учебное пособие / Д. С. Ко-

     птев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 240 с. : ил., табл. ISBN978-5-9729-1570-5


            Рассматриваются основные вопросы теории детерминированных сигналов: спектральный и временной анализ смодулированных и модулированных сигналов, проблемы дискретизации аналоговых сигналов, методы формирования и основных преобразований сигналов, методы расширения спектра сигналов.
            Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 11.03.02 «Инфоком-муникационные технологии и системы связи», 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств» и специальности 10.05.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем». Может быть полезно аспирантам и преподавателям вузов, специализирующимся в области разработки и эксплуатации радиотехнических систем передачи информации.



                                                                    УДК 621.396.669
                                                                    ББК 32










ISBN 978-5-9729-1570-5

     © Коптев Д. С., 2023
     © Юго-Западный государственный университет, 2023
                            © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ............................................5
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ.............................7
ВВЕДЕНИЕ...............................................9
1. ЭЛЕМЕНТЫ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ РАДИОТЕХНИКИ.................12
  1.1. Радиотехнические сигналы и системы.............14
  1.2. Структурная схема системы передачи информации..18
  1.3. Классификация детерминированных сигналов и их основные характеристики........................23
  Контрольные вопросы.................................34
2. СПЕКТРАЛЬНЫЙ И КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ.............................35
  2.1. Обобщенный ряд Фурье и его свойства............35
  2.2. Гармонический спектральный анализ периодических сигналов............................................37
  2.3. Гармонический спектральный анализ непериодических сигналов............................................52
  2.4. Определение спектров некоторых сигналов........65
  2.5. Корреляционный анализ сигналов.................76
  2.6. Дискретизация и восстановление сигналов по теореме отсчетов (теореме Котельникова)..............................90
  Контрольные вопросы................................101
3. РАДИОСИГНАЛЫ......................................102
  3.1. Общие сведения о радиосигналах................102
  3.2. Радиосигналы с амплитудной модуляцией.........104
  3.3. Радиосигналы с угловой модуляцией.............126
  3.4. Импульсная модуляция..........................138
  3.5. Характеристика и особенности технологии сверхширокополосной импульсной модуляции...........144
  Контрольные вопросы................................153
4. СИГНАЛЫ С ЦИФРОВЫМИ ВИДАМИ МОДУЛЯЦИИ..............154
  4.1. Общая характеристика цифровых видов модуляции.154
  4.2. Цифровые сигналы с простыми видами модуляции..157
  4.3. Цифровые сигналы с многопозиционными видами модуляции..........................................177

Оглавление


  4.4. Сигналы с многомерной ортогональной частотной модуляцией........................................183
  4.5. Сравнение сигналов с цифровыми видами модуляции...196
  Контрольные вопросы....................................206
5. КОНЦЕПЦИЯ И МЕТОДЫ РАСШИРЕНИЯ СПЕКТРА СИГНАЛОВ.........................................207
  5.1. Общая характеристика методов расширения спектра...207
  5.2. Сигналы с прямым расширением спектра..............216
  5.3. Метод псевдослучайной перестройки рабочей частоты.220
  Контрольные вопросы....................................226
ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ...................227
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................234
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................236

ПРЕДИСЛОВИЕ


     Целью данного учебного пособия является базовая подготовка будущих специалистов в области радиотехники, необходимая для успешного изучения дисциплин профессионального цикла, а также формирование системы фундаментальных понятий, идей и методов в области радиотехнических сигналов, объединяющих физические представления с математическими моделями основных классов сигналов и устройств для их обработки.
     Содержание учебного пособия в полной мере охватывает следующий перечень вопросов:
     - элементы общей теории радиотехнических сигналов и систем;
     - спектральный и корреляционный анализ радиотехнических сигналов;
     - подробное описание радиосигналов с амплитудной, частотной, фазовой и импульсной модуляцией, а также узкополосных радиосигналов;
     - анализ цифровых видов манипуляции сигналов;
     - методы расширения спектра радиосигналов.
     Содержание учебного пособия соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования направлений подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств» и специальности 10.05.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», рабочим программам соответствующих дисциплин и основным целям и задачам их освоения.
     Данное учебное пособие может быть использовано для изучения теоретических основ следующих дисциплин: «Теория электросвязи», «Физические основы передачи сигналов», «Теоретические основы радиотехники», «Сигнально-кодовые конструкции в системах мобильной связи».
     Дисциплины, связанные с анализом радиотехнических сигналов, являются неотъемлемой частью подготовки будущих специалистов в области радиотехники, радиоэлектроники и систем телекоммуникаций. Основной целью их изучения является овладение методами формирования и обработки радиотехнических сигналов, что необходимо

Предисловие

для решения конкретных практических задач в области радиотехники, в частности, для создания современных радиотехнических систем, состоящих из большого количества различных устройств.
     Пособие является теоретической базой, позволяющей специалисту в области радиотехники и систем связи квалифицированно использовать и модернизировать современные телекоммуникационные системы.
     В данном учебном пособии рассматриваются основные вопросы теории детерминированных и случайных сигналов: спектральный и временной анализ смодулированных и модулированных сигналов, проблемы дискретизации аналоговых сигналов, методы формирования и основных преобразований сигналов, методы расширения спектра сигналов.

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АБГШ аддитивный белый гауссовский шум                   
АИМ  амплитудно-импульсная модуляция                    
АКФ  автокорреляционная функция                         
АМ   амплитудная модуляция                              
АМн  амплитудная манипуляция                            
АФМн амплитудно-фазовая манипуляция                     
ВИМ  временная импульсная модуляция                     
ГКРЧ государственная комиссия по радиочастотам          
ГММС гауссовская модуляция с минимальным сдвигом частоты
ИКМ  импульсно-кодовая модуляция                        
КАМ  квадратурная амплитудная модуляция                 
КПД  коэффициент полезного действия                     
ММС  модуляция с минимальным сдвигом частоты            
ОСШ  отношение сигнал/шум                               
РТС  радиотехническая система                           
СПМ  спектральная плотность мощности                    
СРС  средства радиосвязи                                
СШПС сверхширокополосные сигналы                        
УКВ  ультракороткие волны                               
УПЧ  усилитель промежуточной частоты                    
УВЧ  усилитель высокой частоты                          
УНЧ  усилитель низкой частоты                           
ФАПЧ фазовая автоподстройка частоты                     
ФИМ  фазоимпульсная модуляция                           
ФМ   фазовая модуляция                                  
ФНЧ  фильтр низкой частоты                              
ФМн  фазовая манипуляция                                
ЦЛС  цифровые линии связи                               
ЧИМ  частотно-импульсная модуляция                      
ЧМ   частотная модуляция                                
ЧМн  частотная манипуляция                              
ЧМНФ частотная манипуляция с непрерывной фазой          
ШИМ  широтно-импульсная модуляция                       
ЭИИМ эффективная изотропная излучаемая мощность         
ЭВМ  электронно-вычислительная машина                   

BPSK DBPSK

DSSS

DQPSK

FCC

FHSS


OFDM

OFDMA

OQPSK

QPSK

UWB


Список принятых сокращений

Binary Phase Shift Keying - двоичная фазовая манипуляция Different Binary Phase Shift Keying - дифференциальная двоичная фазовая манипуляция
Direct Sequence Spread Spectrum - широкополосная модуляция с прямым расширением спектра
Different Quadrature Phase Shift Keying - дифференциальная четырехпозионная фазовая манипуляция
Federal Communications Commission - Федеральная комиссия связи
Frequency-Hopping Spread Spectrum - метод передачи информации, основанные на псевдослучайной перестройке рабочей частоты
Orthogonal Frequency Division Multiplex - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access - множественный доступ с ортогональным частотным разделением Offset Quadrature Phase Shift Keying - четырехпозиционная фазовая манипуляция со сдвигом
Quadrature Phase Shift Keying - четырехпозиционная фазовая манипуляция
Ultra-Wide Band - сверхширокополосная беспроводная технология связи

ВВЕДЕНИЕ


     В любой радиотехнической системе приходится иметь дело с сигналами, служащими для переноса информации между отдельными устройствами системы. Такие сигналы можно назвать информационными сигналами. В этих же системах всегда присутствуют сигналы, искажающие передаваемую информацию. Это могут быть сигналы других систем, накладывающиеся на информационные сигналы, либо шумовые сигналы, обусловленные физическими процессами в элементах самой системы. Примером таких шумовых сигналов может быть тепловой шум. В целом, как полезные информационные, так и искажающие сигналы относятся к категории случайных сигналов, значения которых в каждый конкретный момент времени можно определить лишь с некоторой вероятностью.
     При разработке, отладке и тестировании радиотехнических систем необходимо задавать полностью известные сигналы, с тем чтобы по результатам измерения сигналов, прошедших через устройства системы, можно было судить о правильности функционирования того или иного устройства или системы в целом. Это можно сделать, сравнивая измеренные сигналы с ожидаемыми сигналами. Кроме того, разработка любого электронного устройства включает в себя процесс анализа прохождения сигналов через это устройство. Анализ проводится с помощью моделей сигналов и устройств, описываемых некоторыми математическими функциями. Модели можно строить как в аналитическом виде, т. е. в виде формул и соотношений, так и в виде компьютерных моделей.
     Сигналы, используемые при моделировании, отладке и тестировании систем, относятся к классу детерминированных сигналов. Детерминированным называется сигнал, который можно полностью описать аналитической функцией, зависящей от времени или частоты. Детерминированные сигналы используются для описания реальных сигналов, действующих в радиотехнических системах.
     Детерминированные сигналы можно разделить на две группы: импульсные и периодические сигналы. Сигналы, обладающие конечной энергией, называются импульсными сигналами. При этом импульсные сигналы могут описываться как ограниченной на заданном интервале времени функцией, так и бесконечной функцией. Пе

Введение

риодические сигналы могут быть получены путем суммирования бесконечного числа импульсных сигналов, отстоящих друг от друга на одинаковый интервал времени, называемый периодом сигнала. Периодические сигналы обладают бесконечной энергией, поэтому для их характеристики пользуются средней мощностью сигнала за период.
     Детерминированные сигналы могут быть заданы в виде функции непрерывного аргумента времени (аналоговые сигналы). Если же сигнал задан только в дискретные моменты времени своими отсчётами, то такой сигнал называется дискретным сигналом. Сигнал может быть дискретным по своей природе либо быть получен из аналогового сигнала путем его дискретизации во времени.
     Таким образом, детерминированные сигналы в общем случае могут быть отнесены к одному из четырех типов сигналов, каждому из которых свойственно использование специфического математического аппарата для его описания:
     - аналоговые импульсные сигналы, спектр которых определяется с помощью преобразования Фурье, а прохождение сигналов через линейную цепь во временной области описывается операцией свёртки;
     - аналоговые периодические сигналы, спектр которых определяется с помощью ряда Фурье, а прохождение сигналов через линейную цепь во временной области описывается операцией циклической свёртки;
     - дискретные импульсные сигналы, спектр которых определяется с помощью дискретного по времени преобразования Фурье, а прохождение сигналов через систему дискретного времени описывается операцией дискретной свёртки;
     - дискретные периодические сигналы, спектр которых определяется с помощью дискретного преобразования Фурье, а прохождение сигналов через систему дискретного времени описывается операцией дискретной циклической свёртки.
     Анализ сигналов в радиотехнических системах заключается в определении временных и частотных характеристик этих сигналов. К ним относятся: временная функция сигнала, автокорреляционная функция сигнала, спектральная плотность или спектр сигнала, энергетический спектр или спектр мощности сигнала. По этим характеристикам можно определить параметры сигналов, главными из которых

Введение

11

являются длительность, период повторения, интервал корреляции, скорость нарастания и спада вершины импульса (временные параметры); ширина спектра, особые точки (максимумы и минимумы) спектра, уровень боковых лепестков спектра, значения частот гармонических составляющих и другие частотные параметры; энергия сигнала, средняя мощность сигнала (энергетические и мощностные параметры).
     Зная численные значения параметров сигналов, можно проводить их сравнение между собой, а также оценивать их изменение при прохождении через радиотехническую или электронную систему.
     В данном учебном пособии рассматриваются вопросы анализа. В целом, материал, приведённый в данном учебном пособии, предназначен для развития навыков анализа сигналов и определения их параметров во временной и частотной области с применением аналитических методов моделирования и обработки.

1. ЭЛЕМЕНТЫ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ РАДИОТЕХНИКИ

    Для современного общества важнейшей является проблема использования информационных технологий во всех сферах человеческой деятельности. По своей значимости и актуальности она превосходит проблему дальнейшей индустриализации производства. Современное общество проходит постиндустриальный период своего развития, который, по всеобщему мнению, является информационным.
    Согласно определению ЮНЕСКО (UNESCO - United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization), информатизация -это развитие и широкомасштабное применение методов и средств сбора, преобразования, хранения и распространения информации. Термин «информация» имеет множество определений. В широком смысле информация - это результат отражения реального мира. В более узком смысле - это совокупность сведений о процессах и явлениях в некотором объекте (субъекте), которые подлежат хранению, передаче и преобразованию. Оба определения важны для понимания процессов функционирования систем любой сложности и предназначения.
    К числу наиболее важных областей науки и техники, достижения которых играют ключевую роль в создании инфраструктуры информатизации, относится радиотехника. Именно достижения радиотехники явились основой для создания функциональной и структурной организации современных коммуникационных систем и вычислительных сетей, обеспечивающих пользователям широкий выбор информационно-вычислительных услуг с доступом к удаленным машинным ресурсам, технологиям и базам данных.
    Радиотехника - это область науки и техники, связанная с практическим использованием электромагнитных колебаний для передачи, извлечения, хранения и преобразования информации. С этой целью изучаются теоретические и практические основы формирования (генерации), преобразования, передачи и приема электромагнитных колебаний радиочастотного диапазона.
    К радиочастотному диапазону относят все частоты ниже 3 ТГц.
    Радиоволны - это электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве без искусственных направляющих линий.