В электронной аппаратуре различного применения широко используются периодические последовательности прямоугольных импульсов. При этом соотношения длительности импульса τ и периода колебания T могут сильно отличаться. Например, колебания, которые вырабатывают тактовые генераторы , задающие «темп» работы компьютеров, характеризуются соизмеримыми значениями τ и T , а импульсы, применяемые в радиолокации, могут быть в сотни раз короче периода. Отношение T /τ называют скважностью импульса , а обратную величину (τ/T ) - коэффициентом заполнения .

Рис. 6. Последовательность прямоугольных импульсов (а) и коэффициенты ряда Фурье (б)

Рассмотрим последовательность прямоугольных импульсов, имеющих амплитуду А , длительность τ и следующих с периодом T (рис. 6, а ). Выберем начало отсчета времени так, как показано на рисунке, то есть, чтобы импульс был симметричен относительно нулевой отметки, и вычислим коэффициенты ряда Фурье (1). Поскольку функция s (t ) при таком положении осей оказывается четной, все b n равны нулю, а для a n получаем:

Ряд Фурье для последовательности прямоугольных импульсов принимает вид:

(6)

Значения коэффициентов ряда Фурье, вычисленные по формулам (5), изображены на спектральной диаграмме, показанной на рис. 6, б .

Коэффициенты a n можно связать с функцией
. Действительно, они будут пропорциональны (с множителем
) значениям функции
при аргументах, соответствующих частотам гармоник. Это видно, если выражение (5) переписать так:

(7)

Таким образом, функция типа
является огибающей для коэффициентов Фурье-разложения последовательности прямоугольных импульсов (см. рис. 6, б ). Положение нулей огибающей на частотной оси f можно найти из условия
или
, где. Первый раз огибающая обращается в нуль при частотеf = 1/τ (или ω = 2π/τ). Далее нули огибающей повторяются при f = 2/τ, 3/τ, и т. д. Эти частоты могут совпасть (при целочисленных скважностях ) с частотами каких-либо гармоник спектра, и данные частотные составляющие из ряда Фурье исчезнут. Если скважность - целое число, периодT точно кратен длительности импульсов. Тогда между двумя нулями огибающей разместятся гармоники спектра в количестве q - 1.

Каким образом связаны параметры импульсов во временном и частотном представлениях иллюстрирует табл. 2. С увеличением периода T гармоники на спектральной диаграмме сближаются (спектр становится «гуще»). Однако изменение только периода не приводит к изменению формы огибающей амплитудного спектра. Эволюция огибающей (сдвиг ее нулей) зависит от длительности импульсов. Здесь показана эволюция амплитудных спектральных диаграмм для последовательностей прямоугольных импульсов, у которых изменяются длительности импульсов и периоды. По осям ординат спектральных диаграмм отложены относительные значения амплитуд гармоник:
Они рассчитаны по формулам:

(8)

Таблица 2. Осциллограммы и спектрограммы последовательностей прямоугольных импульсов

2.5. Спектры хаотических (шумовых) колебаний

Хаотическое колебание s (t ) - это случайный процесс . Каждая его реализация в неизменных условиях не повторяется, является уникальной. В электронике хаотические колебания связаны с шумами - колебаниями токов и напряжений, изменяющихся случайным образом вследствие беспорядочного движения носителей зарядов. В данном контексте хаотические и шумовые колебания считаются синонимами.

Рис. 7. Структурная схема измерения среднего квадрата шумового напряжения

Шумовое колебание можно описать в частотном представлении: ему сопоставляют некую спектральную характеристику, причем для случайного процесса она непрерывна. Теоретические основы спектрального разложения хаотических колебаний изложены в . Не погружаясь в строгую теорию, объясним методику экспериментального исследования статистических параметров шумового напряжения s (t ) по схеме, показанной на рис. 8.

Р
ис. 8. Схема измерения спектральной плотности интенсивности шумового напряжения

Пропустим шумовое напряжение s (t ) через фильтр, выделяющий энергию колебаний в узкой полосе
вблизи частоты f . При соблюдении условия
<< f колебание на выходе фильтра будет напоминать синусоиду с частотой f . Однако амплитуда и фаза этой синусоиды подвержены хаотическим изменениям. С уменьшением полосы пропускания фильтра
форма выходного колебания все более приближается к синусоиде. Амплитуда ее уменьшается, но отношение среднего квадрата напряжения, прошедшего через фильтр (), к ширине полосы
остается конечным и при последовательном уменьшении полосы стремится к определенному пределу W (f ):

Предельную величину W (f ) называют спектральной плотностью интенсивности процесса s (t ). Она равна средней интенсивности гармонических составляющих, приходящихся на единичный интервал оси частот. При измерении W (f ) используют узкополосный перестраиваемый фильтр, который можно настроить на любую частоту в заданном диапазоне измерений. Шумовое напряжение, прошедшее сквозь фильтр, подвергают квадратичному детектированию и усредняют (интегрируют). В результате получают средний квадрат: . Далее по известной полосе фильтра
вычисляют W (f ). Полную интенсивность процесса - средний квадрат - находят интегрированием спектральных составляющих шума по всем частотам:

(10)

Для подготовки к работе следует изучить в полном объеме данное пособие. Более подробные сведения по теме лабораторной работы можно найти в главе «Частотные спектры электрических колебаний, спектральный анализ» книги .

В предыдущих разделах мы рассмотрели разложение периодических сигналов в ряд Фурье, а также изучили некоторые свойства представления периодических сигналов рядом Фурье. Мы говорили, что периодические сигналы можно представить как ряд комплексных экспонент, отстоящих друг от друга на частоту рад/c, где — период повторения сигнала. В результате мы можем трактовать представление сигнала в виде ряда комплексных гармоник как комплексный спектр сигнала. Комплексный спектр, в свою очередь, может быть разделен на амплитудный и фазовый спектры периодического сигнала.

В данном разделе мы рассмотрим спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов, как одного из важнейших сигналов, используемого в практических приложениях.

Спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов

Пусть входной сигнал представляет собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов амплитуды , длительности секунд следующих с периодом секунд, как это показано на рисунке 1

Рисунок 1. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов

Единица измерения амплитуды сигнала зависит от физического процесса, который описывает сигнал . Это может быть напряжение, или, сила тока, или любая другая физическая величина со своей единицей измерения, которая меняется во времени как . При этом, единицы измерения амплитуд спектра , , будут совпадать с единицами измерения амплитуды исходного сигнала.

Тогда спектр , , данного сигнала может быть представлен как:

Спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов представляет собой множество гармоник с огибающей вида .

Свойства спектра периодической последовательности прямоугольных импульсов

Рассмотрим некоторые свойства огибающей спектра периодической последовательности прямоугольных импульсов.

Постоянная составляющая огибающей может быть получена как предел:

Для раскрытия неопределенности воспользуемся правилом Лопиталя :

Где называется скважностью импульсов и задает отношение периода повторения импульсов к длительности одиночного импульса.

Таким образом, значение огибающей на нулевой частоте равно амплитуде импульса деленной на скважность. При увеличении скважности (т.е. при уменьшении длительности импульса при фиксированном периоде повторения) значение огибающей на нулевой частоте уменьшается.

Используя скважность импульсов выражение (1) можно переписать в виде:

Нули огибающей спектра последовательности прямоугольных импульсов можно получить из уравнения:

Знаменатель обращается в ноль только при , однако, как мы выяснили выше , тогда решением уравнения будет

Тогда огибающая обращается в ноль если

На рисунке 2 показана огибающая спектра периодической последовательности прямоугольных импульсов (пунктирная линия) и частотные соотношения огибающей и дискретного спектра .

Рисунок 2. Cпектр периодической последовательности прямоугольных импульсов

Также показаны амплитудная огибающая , амплитудный спектр , а также фазовая огибающая и фазовый спектр .

Из рисунка 2 можно заметить, что фазовый спектр принимает значения когда огибающая имеет отрицательные значения. Заметим, что и соответствуют одной и той же точке комплексной плоскости равной .

Пример спектра периодической последовательности прямоугольных импульсов

Пусть входной сигнал представляет собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов амплитуды , следующих с периодом секунды и различной скважностью . На рисунке 3а показаны временные осциллограммы указанных сигналов, их амплитудные спектры (рисунок 3б), а также непрерывные огибающие спектров (пунктирная линия).

Рисунок 3. Cпектр периодической последовательности прямоугольных импульсов при различном значении скважности
а — временные осциллограммы; б — амплитудный спектр

Как можно видеть из рисунка 3, при увеличении скважности сигнала, длительность импульсов уменьшается, огибающая спектра расширяется и уменьшается по амплитуде (пунктирная линия). В результате, в пределах главного лепестка увеличивается количество гармоник спектра .

Спектр смещенной во времени периодической последовательности прямоугольных импульсов

Выше мы подробно изучили спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов для случая, когда исходный сигнал являлся симметричным относительно . В результате спектр такого сигнала является вещественным и задается выражением (1). Теперь мы рассмотрим, что произойдет со спектром сигнала если мы сместим сигнал во времени,как это показано на рисунке 4 .

Рисунок 4. Сдвинутая во времени периодическая последовательность прямоугольных импульсов

Смещенный сигнал можно представить как сигнал , задержанный на половину длительности импульса . Спектр смещенного сигнала можно представить согласно свойству циклического временного сдвига как:

Таким образом, спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов, смещенной относительно нуля, не является чисто вещественной функцией, а приобретает дополнительный фазовый множитель . Амплитудный и фазовый спектры показаны на рисунке 5.

Рисунок 5. Амплитудный и фазовый спектры сдвинутой во времени периодической последовательности прямоугольных импульсов

Из рисунка 5 следует, что сдвиг периодического сигнала во времени не изменяет амплитудный спектр сигнала, но добавляет линейную составляющую к фазовому спектру сигнала.

Выводы

В данном разделе мы получили аналитическое выражение для спектра периодической последовательности прямоугольных импульсов.

Мы рассмотрели свойства огибающей спектра периодической последовательности прямоугольных импульсов и привели примеры спектров при различном значении скважности.

Также был рассмотрен спектр при смещении во времени последовательности прямоугольных импульсов и показано, что смещение во времени изменяет фазовый спектр и не влияет на амплитудный спектр сигнала.

Москва, Советское радио, 1977, 608 c.

Дёч, Г. Руководство по практическому применению преобразования Лапласа. Москва, Наука, 1965, 288 c.

Спектральный анализ периодических сигналов

Как известно, любой сигнал S(t), описываемый периодической функцией времени, удовлетворяющей условиям Дирихле (модели реальных сигналов им удовлетворяют), можно представить в виде суммы гармонических колебаний, называемой рядом Фурье:

где - среднее значение сигнала за период или постоянная составляющая сигнала;

Коэффициенты ряда Фурье;

Основная частота (частота первой гармоники); n=1,2,3,…

Совокупность значений An и n (или при разложении по синусоидальным функциям n) называется спектром периодической функции. Амплитуды гармоник An характеризуют амплитудный спектр, а начальные фазы n (или "n) - фазовый спектр.

Таким образом, спектр периодического сигнала представляется в виде постоянной составляющей и бесконечного числа гармонических колебаний (синусоидальных или косинусоидальных) с соответствующими амплитудами и начальными фазами. Частоты всех гармоник кратны основной частоте. Это означает, что если периодический сигнал следует с частотой, например, 1 кГц, то в его спектре могут быть только частоты 0кГц, 1 кГц, 2 кГц и т.д. В спектре такого периодического сигнала не могут присутствовать, например, частоты 1,5 кГц или 1,2 кГц.

На рис. 1. приведены амплитудный и фазовый спектры некоторого периодического сигнала. Каждая гармоническая составляющая изображена вертикальными отрезки, длины которых (в некотором масштабе) равны ее амплитуде и фазе. Как видно, спектр периодического сигнала является дискретным или, как говорят, линейчатым.

С целью упрощения расчетов часто используют вместо тригонометрической формы записи ряда Фурье комплексную форму его записи, коэффициенты которой объединяют коэффициенты An и n:

Совокупность комплексных амплитуд n называют комплексным спектром периодического сигнала.

Расчет спектров сигналов в комплексной области значительно проще, поскольку нет необходимости рассматривать отдельно коэффициенты и тригонометрической формы записи ряд Фурье.

Спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов

Прежде чем рассмотреть спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов, рассмотрим параметры этих импульсов.

Параметрами одиночного импульса являются амплитуда, длительность импульса, длительность фронта, длительность спада, спад (скол) плоской вершины.

Амплитуда импульса Um измеряется в вольтах.

Длительность импульса измеряется по основанию, на уровнях 0,1Um или 0,5Um. В последнем случае длительность импульса называется активной. Измеряется длительность импульса в единицах времени.

Длительность фронта tф и спада tс измеряется либо на уровне 0 - Um, либо на уровне (0,1-0,9)Um. В последнем случае длительность фронта и спада называют активными.

Скол плоской вершины характеризуется коэффициентом скола? = ?u/Um,

где?u - значение скола; Um - амплитуда импульса.

Параметрами серии импульсов являются период повторения T, частота следования f, скважность Q, коэффициент заполнения, средние значения напряжения Uср и среднее значение мощности Pср.

Период повторения T = tи +tп, где T - период, tи - длительность импульса, tп - длительность паузы. Измеряются T, tи, и tп в единицах времени.

Частота следования f = 1/T измеряется в герцах и т.д.

Скважность Q = T/tи - величина безразмерная.

Коэффициент заполнения = tи/T - величина безразмерная.

Среднее значение напряжения

Перейдем к рассмотрению амплитудного и фазового спектров сигнала в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов длительностью и амплитудой Um, следующих с периодом T (рис. 2).

Рассмотрим случай, когда середина импульса является началом отсчета времени. Тогда на периоде сигнал описывается выражением

Комплексные амплитуды гармонических составляющих.

Функция является знакопеременной и меняет свой знак на обратный при изменении аргумента n1 на величину?щ = 2р/ф, что соответствует приращению фазы на.

где k - порядковый номер интервала на шкале частот, отсчитываемый с нулевой частоты.

Таким образом, амплитуды гармоник, включая постоянную составляющую, определяются выражением:

а фазы - выражением =1, 2,3,…

Функция характеризует изменение амплитудного спектра сигнала в зависимости от частоты. Она обращается в нуль, при значениях её аргумента, кратных. Отсюда следует, что гармоники с номером n = , где = 1,2,3,…будут иметь нулевые амплитуды, т.е. отсутствовать в спектре.

Как известно, отношение называется скважностью последовательности импульсов. Таким образом, в спектре рассматриваемой последовательности будут отсутствовать гармоники, номера которой кратны скважности.

Если начало отсчета времени связать с началом импульса, то амплитудный спектр останется без изменений, а фазы гармоник в соответствии со свойством преобразования Фурье получат дополнительный фазовый сдвиг nщ1ф/2. В результате

Выражения для тригонометрической формы записи ряда Фурье при отсчете времени от середины и начала импульса соответственно имеют вид:

На рис. 3. приведены амплитудные и фазовые спектры рассматриваемой последовательности прямоугольных импульсов при скважности, равной двум.

Фазовые спектры показаны соответственно при отсчете времени от середины и начала импульса. Пунктирные линии на амплитудных спектрах характеризуют поведение модуля спектральной плотности одиночного импульса.

Выражение для значений амплитуд и фаз гармоник легко получить в виде, удобном для расчетов. Так при отсчете времени от середины импульса для скважности, равной двум, имеем

Рассмотрим периодическую последовательность импульсов прямоугольной формы с периодом Т, длительностью импульсов t u и максимальным значением . Найдем разложение в ряд такого сигнала, выбрав начало координат, как показано на рис. 15. При этом функция симметрична относительно оси ординат, т.е. все коэффициенты синусоидальных составляющих =0, и нужно рассчитать только коэффициенты .

постоянная составляющая

(2.28)

Постоянная составляющая – это среднее значение за период, т.е. это площадь импульса , деленная на весь период, т.е. , т.е. то же, что получилось и при строгом формальном вычислении (2.28).

Вспомним, что частота первой гармоники ¦ 1 = , где Т – период прямоугольного сигнала. Расстояние между гармониками D¦=¦ 1 . Если номер гармоники n окажется таким, что аргумент синуса , то амплитуда этой гармоники первый раз обращается в нуль. Это условие выполняется при . Номер гармоники, при котором амплитуда ее обращается в ноль первый раз, называют «первым нулем» и обозначают его буквой N, подчеркивая особые свойства этой гармоники:

С другой стороны, скважность S импульсов – это отношение периода Т к длительности импульсов t u , т.е. . Следовательно «первый нуль» численно равен скважности импульса N=S . Поскольку синус обращается в ноль при всех значениях аргумента, кратных p, то и амплитуды всех гармоник с номерами, кратными номеру «первого нуля», тоже обращаются в ноль. То есть при , где k – любое целое число. Так, например, из (2.22) и (2.23) следует, что спектр прямоугольных импульсов со скважностью 2 состоит только из нечетных гармоник. Поскольку S=2 , то и N=2 , т.е. амплитуда второй гармоники первый раз обращается в ноль – это «первый нуль». Но тогда и амплитуды всех остальных гармоник с номерами, кратными 2, т.е. все четные тоже должны обращаться в ноль. При скважности S=3 нулевые амплитуды будут у 3, 6, 9, 12, ….гармоник.

С увеличением скважности «первый нуль» смещается в область гармоник с большими номерами и, следовательно, скорость убывания амплитуд гармоник уменьшается. Простой расчет амплитуды первой гармоники при U m =100В для скважности S =2, U m 1 =63,7B, при S =5, U m 1 =37,4B и при S =10, U m 1 =19,7B, т.е. с ростом скважности амплитуда первой гармоники резко уменьшается. Если же найти отношение амплитуды, например, 5-й гармоники U m 5 к амплитуде первой гармоники U m 1 , то для S =2, U m 5 /U m 1 =0,2, а для S =10, U m 5 /U m 1 = 0,9, т.е. скорость затухания высших гармоник с ростом скважности уменьшается.

Таким образом, с ростом скважности спектр последовательности прямоугольных импульсов становится более равномерным.