по метрологии

Федеральное агентство по образованию

^{________________}

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НЕФТИ И ГАЗА имени И.М. Губкина (НИУ)

Кафедра геофизических информационных систем

Реферат

по метрологии

«Помехи при регистрации сигналов»

Выполнил: студент группы ГИ-10-04

Зорин Валерий _______

Подпись

Проверил: доцент Олег Васильевич Горбатюк _______

Подпись

Сдан на проверку ________

Дата защиты ________ Оценка _________

Москва – 2012

Содержание.

Введение. 3

Понятие сигнала. 4

Классификация помех. 6

Искажения. 9

Заключение. 10

Список использованной литературы. 11

Введение.

При регистрации сигналов, несущих целевую информацию, в сумме с основным сигналом одновременно регистрируются и мешающие сигналы - шумы и помехи самой различной природы (рис. 1.1.1 и рис. 1.1.2). К помехам относят также искажения полезных сигналов при влиянии различных дестабилизирующих факторов на процессы измерений. Выделение полезных составляющих из суммы зарегистрированных сигналов или максимальное подавление шумов и помех в общем информационном сигнале при сохранении его полезных составляющих является одной из основных задач первичной обработки сигналов. Следует заметить, что деление сигналов на полезные и мешающие является достаточно условным. Источниками мешающих сигналов также являются определенные физические процессы, явления или объекты. При выяснении природы мешающих сигналов они могут переводиться в разряд информационных.

Рис. 1.1.1 Сигнал.

Рис. 1.1.2 Сигнал с помехами.

Понятие сигнала.

В технических отраслях знаний термин «сигнал» (от латинского signum – знак) очень часто используется в широком смысловом диапазоне, без соблюдения строгой терминологии. Под ним понимают и техническое средство для передачи, обработки и использования информации, а по существу, материальный носитель определенного информационного сообщения; и физический процесс, представляющий собой материальное воплощение информационного сообщения - изменение какого-либо параметра носителя информации во времени, в пространстве или в зависимости от изменения значений каких-либо других аргументов; и форму представления данных в виде последовательности значений определенной скалярной величины, как правило – амплитуды, измеренной во времени; и смысловое содержание определенного физического состояния или процесса, как, например, сигналы светофора, звуковые предупреждающие сигналы и т.п.

Применительно к процессам регистрации и обработки результатов наблюдений, которые имеют место во всех областях науки и техники, понятие «сигнал» очень часто отождествляют с понятиями «данные» и «информация». Действительно, эти понятия взаимосвязаны и не существуют одно без другого, но относятся к разным категориям.

Что касается данных (от латинского datum – факт), то это совокупность фактов (результатов наблюдений, измерений) о каких-либо объектах, явлениях или процессах материального мира, представленных в определенном (количественном или качественном) и, как правило, формализованном виде. Это не информация, а только атрибут информации - сырье для получения информации путем соответствующей обработки и интерпретации.

Принимая во внимание, изложенное, под термином «сигнал» в строгом смысле этого слова будем понимать определенным образом организованное отображение определенных данных о характере изменения в пространстве, во времени или по любой другой переменной физических величин, физических свойств или физического состояния объекта исследований. А так как данные содержат определенную информацию, как об основных целевых параметрах объекта исследований, так и о различных сопутствующих и мешающих факторах измерений, то в широком смысле этого слова можно считать, что сигнал является отображением общей измерительной информации. При этом материальная форма носителей сигналов, равно как и форма их отображения, значения не имеет.

Сигнал - это информационная функция, несущая сообщение о физических свойствах, состоянии или поведении какой-либо физической системы, объекта или среды, а цель обработки сигналов - извлечение сведений, которые отображены в этих сигналах и преобразование этой информации в форму, удобную для восприятия и использования.

С понятием сигнала неразрывно связан термин регистрации сигналов, использование которого также широко и неоднозначно, как и самого термина сигнал. В наиболее общем смысле под этим термином можно понимать операцию выделения информационного сигнала и его преобразования в форму, удобную для дальнейшего использования, обработки и восприятия. Так, при получении информации о физических свойствах каких-либо объектов под регистрацией сигнала понимают процесс измерения физических свойств объекта и перенос результатов измерения на материальный носитель сигнала или непосредственное энергетическое преобразование каких-либо материальных параметров объекта в информационные параметры материального носителя сигнала (как правило, электрического). Но так же широко термин регистрации сигналов используют и для процессов выделения уже сформированных сигналов, несущих определенную информацию, из других сигналов (радиосвязь, телеметрия и пр.), и для процессов фиксирования сигналов на носителях долговременной памяти, и для многих других процессов, связанных с обработкой сигналов.

При регистрации сигналов возникает ряд как технических, так и иных проблем. Так при регистрации сигналов возникают различные помехи и шумы, о чем более подробно будет изложено ниже.

Классификация помех.

Как правило, измерительные сигналы редко действуют в средствах измерений в чистом виде – на них накладываются помехи. Под помехой понимается электрическое колебание, однородное с измерительным сигналом и действующее одновременно с ним. Ее наличие приводит к появлению погрешности измерения. Помехи классифицируют по ряду признаков.

По месту возникновения в измерительной схеме помехи делятся на внешние и внутренние. Причиной возникновения внешних помех являются природные процессы и работа различных технических систем. Последние создают так называемые индустриальные помехи, возникающие из-за резких изменений тока в электрических цепях различных электротехнических устройств. Сюда относят помехи от электротранспорта, электрических двигателей, медицинских установок, систем зажигания двигателей внутреннего сгорания и т.д. То есть в целом можно выделить:

· атмосферные возникают в атмосфере земли и могут быть вызваны грозовыми разрядами, осадками, пылевыми бурями, северным сиянием;

· космические возникают в космическом пространстве и могут быть вызваны солнечной активностью, космическими телами;

· промышленные могут быть вызваны промышленными установками: высокочастотными генераторами, высоковольтными линиями электропередачи, электрифицированным транспортом;

· от других систем связи обуславливаются воздействием на полезный сигнал одной системы связи сигналов других систем, например, прослушивание радиопередач или другого разговора в телефонной трубке, прием на одной частоте срезу нескольких радиопередач.

Внутренние помехи обусловлены процессами, происходящими при работе самого средства измерений, ним относятся собственные шумы, которые, в свою очередь, подразделяются на:

· тепловые - обусловлены хаотическим движением электрических зарядов в проводниках;

· дробовые - обусловлены неоднородной плотностью носителей заряда в проводниках.

Собственные шумы не могут быть устранены, т. к. они вызваны физикой процесса передачи электрической энергии.

Возможны два сочетания измерительного сигнала и шума. Если измерительный сигнал складывается с шумом, то помеха – аддитивная (от англ. addition - сложение). При перемножении измерительного сигнала и шума возникает мультипликативная (от англ. mltiplication - умножение) помеха.

По основным свойствам аддитивные помехи можно разделить на три класса: сосредоточенные по спектру (узкополосные помехи), импульсные помехи (сосредоточенные по времени) и флуктуационные помехи, не ограниченные ни по времени, ни по спектру.

Сосредоточенными по спектру называют помехи, основная часть мощности которых находится на отдельных участках диапазона частот, меньших полосы пропускания радиотехнической системы.

Импульсными помехами называется регулярная или хаотическая последовательность импульсных сигналов, однородных с полезным сигналом. Источниками таких помех являются цифровые и коммутирующие элементы радиотехнических цепей или работающего рядом с ними устройства. Импульсные и сосредоточенные помехи часто в радиотехнике называют наводками.

Флуктуационная помеха (шум) представляет собой случайный процесс с нормальным распределением. Этот вид помех имеет место практически во всех реальных измерительных каналах и их часто называют шумами.

Рис.2 Виды помех по форме: а) импульсные б) флуктуационные в) сосредоточенные по спектру

В каналах радиосвязи имеют место как аддитивные, так и муль­типликативные помехи. Поэтому сигнал в канале связи может быть представлен в виде:

где

- коэффициент передачи канала радиосвязи;

- передаваемый сигнал;

- время запаздывания сигнала - го луча;

- аддитивная помеха;

к - число лучей.

По виду частотного спектра помехи делятся также на белый и нестационарный шумы. Спектральные составляющие белого шума равномерно распределены по всему частотному диапазону. Нестационарный шум имеет неравномерный спектр.

Вышеизложенный материал можно изобразить в виде данной схемы:

Схема 1. Классификация помех.

Большую часть электрических помех можно устранить путем экранирования, заземления приборов, применения специальных методов фильтрации.

Искажения.

При прохождении сигнала через систему связи и при воздействии на него помехи его форма изменяется. Изменение формы сигнала называется и скажением.

Различают нелинейные и линейные искажения.

Нелинейными являются искажения, при которых в спектре сигнала появляются новые составляющие. Такие искажения вызваны нелинейностью характеристик элементов и блоков, входящих в аппаратуру системы связи.

Линейными являются искажения, при которых в спектре сигнала не появляются новые составляющие. Такие искажения возникают из – за изменения соотношения между составляющими спектра сигнала. Линейные искажения бывают амплитудно-частотными (АЧИ), при которых изменяются амплитуды составляющих спектра сигнала и фазо-частотные (ФЧИ), при которых изменяются фазы составляющих спектра. На рисунке 3а приведен сигнал являющийся результатом сложения двух гармонических сигналов с одинаковыми амплитудами и фазами и отличающимися друг от друга частотами (обозначен толстой линией). Соответственно в спектре данного сигнала присутствует две гармонических составляющих на частотах w_с и 2w_с. На рисунке 3б уменьшилась амплитуда второй гармоники, в результате чего изменилась форма сигнала, т. е. произошли амплитудно-частотные искажения. На рисунке 3в изменилась фаза второй гармоники на 90°, в результате чего, опять произошло изменение формы сигнала, т. е. произошли фазо - частотные искажения. Как видно из диаграмм в спектре сигнала и в первом и во втором случае новые составляющие не появились, хотя форма сигнала изменилась.

Рис. 3 Линейные искажения: а) сигнал; б) амплитудно-частотные искажения; в) фазо-частотные искажения

Заключение.

Классификация помех достаточно обширна. Почти в любой области измерений значение предельно различимого слабого сигнала определяется помехой и шумом - мешающим сигналом, который забивает полезный сигнал. Даже если измеряемая величина и не мала, шум снижает точность измерения. Некоторые виды шума неустранимы принципиально (например, флуктуации измеряемой величины). Другие виды шума (например, помехи на радиочастоте и “петли заземления”) можно уменьшить или исключить с помощью разных приемов, включая фильтрацию, а также тщательное продумывание расположения проводов и элементов схем. И, наконец, существует шум, возникающий в процессе усиления, и его можно уменьшить применением малошумящих усилителей. Поэтому очень важно знать происхождение и сущность помех и шумов, для того чтобы принять достоверное решение об устранении проблем, связанных при регистрации сигналов.

Список использованной литературы.

1) «Метрология и радиоизмерения: Учебник для вузов»/В.И.Нефедов, В.И.Хахин, В.К. Битюков и др./ Под редакцией профессора В.И.Нефедова. – М.: Высш. Шк., 2003. – 526 с.: ил.

2) «Системы передачи информации»/Рудой В.М.,2004.

3) «Теория передачи сигналов: Учебник для вузов»/А.Г.Зюко, Д.Д.Кловский, М.В.Назаров, Л.М. Финк. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1986. – 304 с.: ил.

4) Материалы сайта Интернет https://conture.by