Теоретические основы информационно-измерительной техники (ТОИИТ)

1. Теоретические основы информационно-измерительной техники (ТОИИТ)

Теоретические основы
информационноизмерительной техники
(ТОИИТ)
Гурский Александр Леонидович

2. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Баскаков, С. И. Радиотехнические цепи и сигналы : учебник / С.
И. Баскаков ; 5-е изд. стереотип. – М. : Высш. шк., 2005. – 462 с.
2. Гоноровский, И. С. Радиотехнические цепи и сигналы : учеб.
пособие / И. С. Гоноровский; 5-е изд. – М. : Дрофа, 2006.
3. Стеценко, О. А. Радиотехнические цепи и сигналы : учебник /
О. А. Стеценко. – М. : Высш. шк., 2007. – 432 с.
4. Опадчий, Ю. Ф., Аналоговая и цифровая электроника (полный
курс) : учебник для вузов / Ю. Ф. Опадчий, О. П. Глудкин, А. И.
Гуров ; под ред. О. П. Глудкина. – М. : Горячая линия-Телеком,
2003.
5. Нефедов, В. И. Основы радиоэлектроники : учебник для вузов. –
М. : Высш. шк., 2000.
7. Басов, В. Г. Измерительные сигналы и функциональные
устройства их обработки : учеб.-метод. пособие. В 3 ч. Ч. 1 :
Измерительные сигналы / В. Г. Басов. – Минск : БГУИР, 2013.
8. Басов, В. Г. Измерительные сигналы и функциональные
устройства их обработки : учеб.-метод. пособие. В 3 ч. Ч. 2 :
Прохождение измерительных сигналов через радиоэлектронные
цепи / В. Г. Басов. – Минск : БГУИР, 2013.
9. ЭРУД:
В.Г.Басов, О.В.Руховец. Теоретические основы
информационно-измерительной техники. Для спец. 1-36 04 02 –
промышленная электроника.

3. Важные понятия и определения

СИГНАЛ (от лат. signum – знак) – процесс изменения во
времени физического состояния какого-либо объекта,
служащий для отображения, регистрации и передачи
сообщений. Изменяемый физический параметр называется
информативным.
СООБЩЕНИЕ содержит в себе некоторое количество
информации.
ИНФОРМАЦИЯ (лат. informatio — разъяснение, изложение,
осведомлённость) — одно из наиболее общих понятий
науки, обозначающее некоторые сведения, совокупность
каких-либо данных, знаний и т.п.
Информация - это сведения о ком-либо или о чем-либо
получаемые из внешнего мира с помощью различных
средств.
Информация не может быть передана, принята или хранима в
чистом виде. Носителем её является сообщение. Таким
образом, информация не существует сама по себе, а
только через использование носителя.
ДАННЫЕ - неточный (более узкий) синоним информации.

4. КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ

ПО ПРИРОДЕ МАТЕРИАЛЬНОГО НОСИТЕЛЯ –
неэлектрические (акустические, оптические и т.
д.) и
электрические.
Могут быть комбинированные сигналы.

5. КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ

ПО ХАРАКТЕРУ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВО ВРЕМЕНИ
сигналы можно разделить на следующие классы:
произвольные по величине и непрерывные по времени (а);
произвольные по величине и дискретные по времени (б);
квантованные по величине и непрерывные по времени (в);
квантованные по величине и дискретные по времени (г).
Сигналы класса (а) называются аналоговыми или
континуальными. Их можно толковать как электрические
модели (аналоги) физических величин. Они задаются по оси
времени на несчетном множестве точек. Такие множества
называются континуальными. При этом по оси ординат
сигналы могут принимать любое значение в определенном
интервале.

6. КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ

Дискретный сигнал (б) - функция дискретной переменной х,
принимающей только фиксированные значения. Сигнал
задан на счетном множестве точек. Его величина в этих
точках может принимать любое значение в определенном
интервале по оси ординат. Таким образом, термин
«дискретный» характеризует не сам сигнал, а способ
задания его на временной оси.
Квантованный (по уровню) сигнал (в) – задан на всей
временной оси, однако его величина может принимать
только определенные значения из некоторого счетного
множества.
Цифровой сигнал (г) – сигнал, квантованный по уровню и
дискретный во времени. Физически такой сигнал является
аналого-импульсным.

7. КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ

• По характеру изменения во времени сигналы
делятся на постоянные, значения которых с
течением времени не изменяются, и переменные,
значения которых меняются во времени.
Постоянные ИС являются наиболее простым
видом.
• Переменные ИС могут быть непрерывными во
времени и импульсными.
• Непрерывным называется сигнал, параметры
которого изменяются непрерывно.
• Импульсный сигнал – это сигнал конечной
энергии, существенно отличный от нуля в течение
ограниченного интервала времени, соизмеримого
с временем завершения переходного процесса в
системе, для воздействия на которую он
предназначен.

8. КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ

• По степени наличия априорной информации переменные
сигналы делятся на детерминированные,
квазидетерминированные и случайные.
• Детерминированный сигнал – сигнал, закон изменения
мгновенных значений которого известен с вероятностью 1 в
любой момент времени. Детерминированными (с известной
степенью точности) являются сигналы на выходе мер.
Например, сигнал на выходе устройств калибровки
осциллографа.
• Квазидетерминированные сигналы – сигналы с частично
известным характером изменения во времени, т. е. с одним
или несколькими неизвестными параметрами. Подавляющее
большинство измерительных сигналов является
квазидетерминированным.
• Случайный сигнал – это изменяющаяся во времени
физическая величина, мгновенное значение которой
является случайной величиной. Он бывает стационарным –
статистические характеристики которого не изменяются во
времени - и нестационарным – когда они зависят от
времени.

9. КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ

• Стационарные ИС бывают эргодическими и
неэргодическими.
• Эргодическими называются сигналы, вероятностные
характеристики которых можно определить по одной из
любых его реализаций Sk(t), производя усреднение по всему
интервалу времени.
• Детерминированные и квазидетерминированные сигналы
делятся на элементарные, описываемые простейшими
математическими формулами, и сложные.
• К элементарным относятся постоянный и гармонический
сигналы, а также сигналы, описываемые дельта-функцией
(единичный импульс) и функцией Хевисайда (импульс
единичного скачка).
• К сложным сигналам относятся импульсные и
модулированные сигналы.

10. КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ

Элементарные и сложные сигналы могут быть периодическими и
непериодическими.
• Периодическим называется сигналы, мгновенные значения
которых повторяются через постоянный наименьший интервал
времени Т – период сигнала. Величина, обратная периоду f = 1 / Т –
циклическая частота сигнала.
• Периодические ИС бывают гармоническими, т. е. содержащими
только одну гармонику, и полигармоническими
(негармоническими), которые состоят из множества гармонических
составляющих. К гармоническим относятся сигналы, описываемые
только функцией синуса или косинуса. Все остальные сигналы
являются полигармоническими.
• Непериодические сигналы делятся на почти периодические
(квазипериодические) и переходные (одиночные).
• Почти периодическим называется сигнал, значения которого
приближенно повторяются при добавлении к временному
аргументу надлежащим образом выбранного числа Т – почти
периода. Периодический сигнал является частным случаем таких
сигналов. Почти периодические функции получаются в результате
сложения периодических функций с некратными периодами.
• Переходные (одиночные) сигналы являются результатом
переходных процессов в физических системах.

11. КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ

ПО СПЕКТРАЛЬНЫМ СВОЙСТВАМ
Видеосигналы и радиосигналы. Часто говорят о видео- и
радиоимпульсах.
Происхождение термина «видеоимпульс» связано с тем, что
такие сигналы впервые начали применяться в
телевизионной технике.
Если uв(t) – видеоимпульс, то uр(t)= uв(t)cos(w0t+j) –
радиоимпульс, имеющий огибающую uв(t) и заполнение
cos(w0t+j).
Для импульсов простой формы задают числовые параметры
амплитуду А, длительности импульса tи, фронта tф и среза
t с.

12. КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ

ПО СПЕКТРАЛЬНЫМ СВОЙСТВАМ
Широкополосные и узкополосные сигналы.
Если спектр сигнала занимает некоторую полосу частот Dw в
окрестности опорной частоты w0≠0, то сигнал считается
узкополосным, если Dw/w0 <<1.
В противном случае сигнал считается широкополосным.
Опорная частота в общем случае может находиться в любом
месте интервала Dw, например, в середине этого интервала
(центральная частота).
МОДУЛЯЦИЯ – перенос спектра сигнала в другую частотную
область (как правило, из низкочастотной в более
высокочастотную).
При этом в соответствии с законом изменения исходного
сигнала модифицируется какой-либо информационный
параметр (или несколько параметров) сигнала-переносчика
(например, гармонического ВЧ-сигнала).

13. КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ

ПО ТИПУ МОДУЛЯЦИИ
Для несущего аналогового гармонического сигнала:
– с амплитудной модуляцией (АМ): в сигнале, описываемом
выражением u(t)=U0cos(wt+j), изменяется амплитуда U0 ;
– с угловой модуляцией (УМ): в сигнале, описываемом
выражением u(t)=U0cos(wt+j), амплитуда U0 не изменяется,
а меняется аргумент функции cos;
При этом возможны два варианта:
– частотная модуляция (ЧМ): изменяется w ;
– фазовая модуляция (ФМ): изменяется j ;

14. КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ

ПО ТИПУ МОДУЛЯЦИИ
Для несущего аналого-импульсного сигнала:
– с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ): изменяется
амплитуда импульсов;
– с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ или ДИМ):
изменяется длительность импульсов (или их «ширина»), при
неизменной частоте следования;
– с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ): изменяется
частота следования импульсов при неизменной их
амплитуде;
– с фазо-импульсной (ФИМ): изменяются моменты начала
(фронт) или окончания (срез) импульсов относительно
некоторых периодически повторяющихся моментов времени.

15. КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ

16. КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ

ПО ТИПУ МОДУЛЯЦИИ
Для несущего цифрового сигнала:
– с время-импульсной модуляцией (ВИМ)
– с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ)
Сущность ИКМ заключается в том, что модулирующий сигнал Uм(t) (а)
дискретизируется во времени и весь диапазон его значений
квантуется по уровню (б), а затем каждому значению уровня
присваивается кодовая комбинация импульсов (в).

17. КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ

СИГНАЛЫ
Аналоговые
Дискретные
Цифровые
Постоянные во времени
Переменные во времени
Непрерывные
Импульсные
Неслучайные: детерминированные и
квазидетерминированные
Случайные
Элементарные
Сложные
Стационарные
Нестационарные
Периодические
Непериодические
Эргодические
Неэргодические
Гармонические
Почти гармонические
Полигармонические
Переходные

18. СИГНАЛЫ-ПОМЕХИ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ
Помехи – любые сторонние воздействия, мешающие приему и
обработке сигналов. К ним относятся, например,
посторонние сигналы, могущие вызвать искажение
передаваемого сигнала..
– по месту возникновения могут быть внутренние (возникают
внутри устройств, выполняющих преобразование сигналов,
например, шумы усилителей) и внешние (возникают в среде
передачи сигналов, например, электромагнитные импульсы
от атмосферных разрядов).
– по воздействию на сигнал различают два вида помех:
– аддитивная помеха: sout(t)=s(t)+n(t). Пример – шумы
усилительных каскадов;
– мультипликативная помеха: sout(t)=K(t)s(t). Часто возникает
в результате нежелательного изменения параметров
системы, передающей (обрабатывающей) сигнал.

19. СИГНАЛЫ-ПОМЕХИ

В зависимости от включения источников помехи, в эквивалентных
схемах СИ различают помехи общего (синфазные) и нормального
вида (последовательные). Источник помехи общего вида включён
между общими точками (корпусами) схем. Источник помехи
нормального вида включён последовательно во входную цепь.
• По основным свойствам помехи можно разделить на три вида:
флуктуационные, сосредоточенные и импульсные.
• Флуктуационные - шумы.
• Сосредоточенные - помехи, основная часть мощности которых
сосредоточена на отдельных участках диапазона частот, меньших
полосы пропускания устройства. Пример - помехи, наводимые в от
промышленной силовой сети на частоте 50 Гц и кратные ей (фон).
• Импульсные - регулярные или хаотические последовательности
импульсных сигналов, однородных с рабочим сигналом.
Источниками таких помех являются цифровые и коммутирующие
элементы аппаратуры или работающего рядом с ними устройства.
Пример - помехи от устройств зажигания двигателей внутреннего
сгорания. Импульсные и сосредоточенные помехи часто называют
наводками.

20. ШУМЫ

Шумы (электрические) – хаотические изменения электрического
тока в электрической цепи.
Источниками шума в электрических цепях могут быть:
- Беспорядочное тепловое движение носителей заряда в
проводнике – тепловой шум (шум Джонсона);
- Флуктуации тока при преодолении носителями заряда
потенциальных барьеров – дробовый шум;
- Появление (генерация) и исчезновение (рекомбинация)
свободных носителей заряда в полупроводниках,
вызывающие флуктуации тока – генерационнорекомбинационный шум;
- Флуктуации разделения тока между несколькими цепями –
шум токораспределения;
- Непостоянство контактного сопротивления (шумы
скольжения переменных резисторов и т.п.)
- И т.д.

21. ШУМЫ

СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Фликкер-эффект – эффект возрастания интенсивности шума с
понижением частоты f. Интенсивность шума при этом ~1/f
Тепловой шум обычно имеет интенсивность, не зависящую от частоты
– БЕЛЫЙ шум (с постоянной спектральной плотностью, спектр
теоретически бесконечен). Аналогия с белым светом. Это
полностью хаотический шум. Для хаотического шума
распределение амплитуд является Гауссовым (Гауссов шум)
Шум, интенсивность которого падает с частотой с наклоном 3
дБ/октаву, называется РОЗОВЫМ. Имеет постоянную спектральную
плотность мощности, приходящуюся на декаду.
Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения двух
одноименных (преимущественно энергетических) величин. 1 Бел=10
дБ
N(дБ)=10 lg(P2/P1)
ОКТАВА – интервал частот, граничные значения которого отличаются в
два раза: f – 2f
ДЕКАДА - интервал частот f – 10f