Что такое полоса пропускания. Полоса пропускания частот Полоса пропускания сигнала

Основные параметры полосы пропускания

Основные параметры, которые характеризуют полосу пропускания частот - это ширина полосы пропускания и неравномерность АЧХ в пределах полосы.

Ширина полосы

Ширина полосы обычно определяется как разность верхней и нижней граничных частот участка АЧХ, на котором амплитуда колебаний (или для мощности) от максимальной. Этот уровень приблизительно соответствует -3 дБ .

Ширина полосы пропускания выражается в единицах частоты (например, в Гц).

Расширение полосы пропускания позволяет передать большее количество информации.

Неравномерность АЧХ

Неравномерность АЧХ характеризует степень отклонения от прямой, параллельной оси частот.

Неравномерность АЧХ выражается в децибелах .

Ослабление неравномерности АЧХ в полосе улучшает воспроизведение формы передаваемого сигнала.

Конкретные примеры

В теории антенн полоса пропускания - диапазон частот, при которых антенна работает эффективно, обычно окрестность центральной (резонансной) частоты. Зависит от типа антенны, ее геометрии. На практике полоса пропускания обычно определяется по уровню КСВ (коэффициента стоячей волны). КСВ МЕТР

В оптике полоса пропускания - это величина, обратная к величине уширения импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния в 1 км.

Поскольку даже самый лучший монохроматичный лазер всё равно излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространении по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке этого пользуются термином полоса пропускания. Измеряется полоса пропускания (в данном случае) в МГц/км.

Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Полоса частот" в других словарях:

полоса частот - Область частот, ограниченная нижним и верхним пределами [ГОСТ 24375 80] полоса частот Совокупность частот в рассматриваемых пределах [Система неразрушающего контроля. Виды (методы) и технология неразрушающего контроля. Термины и определения… …

полоса частот - 06.01.16 полоса частот [ frequency band]: Непрерывный набор частот, ограниченный верхним и нижним пределами. Примечание 1 Полоса частот характеризуется двумя значениями, которые определяют ее положение на частотной оси, например, ее нижняя и… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Полоса частот - 1. Область частот, ограниченная нижним и верхним пределами Употребляется в документе: ГОСТ 24375 80 2. Непрерывная полоса частот, заключенная между двумя пределами Употребляется в документе: ГОСТ Р 51317.4.3 99 Устойчивость к радиочастотному… … Телекоммуникационный словарь

полоса частот - dažnių juosta statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. frequency band vok. Frequenzband, n rus. полоса частот, f; частотная полоса, f pranc. bande de fréquences, f … Fizikos terminų žodynas

полоса частот - dažnių juosta statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. frequency band vok. Frequenzband, n rus. полоса частот, f pranc. bande de fréquences, f … Automatikos terminų žodynas

полоса частот - dažnių juosta statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Signalų generatoriaus dažnių diapazono dalis, kurioje dažnį galima keisti tolydžiai arba pakopomis. atitikmenys: angl. frequency band vok. Frequenzbereich, n rus. полоса… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

полоса частот - rus полоса (ж) частот, диапазон (м) частот eng frequency band fra bande (f) de fréquence deu Frequenzband (n) spa rango (m) de frecuencias, banda (f) de frecuencias … Безопасность и гигиена труда. Перевод на английский, французский, немецкий, испанский языки

полоса частот (в электросвязи) - полоса частот диапазон частот Область изменения частоты сигнала, ограниченная нижним и верхним пределами. На практике широко применяется определение верхней границы по формуле fниж(n)=3·10n 1 Гц, при этом нижняя граница равна верхней… … Справочник технического переводчика

полоса частот (в вибрации) - полоса частот Совокупность частот в рассматриваемых пределах [ГОСТ 24346 80] Тематики вибрация EN frequency band DE frequenzband FR bande de frequence … Справочник технического переводчика

полоса частот СВЧ диода - Δf/f Δf/f Интервал частот, в котором СВЧ диод, настроенный на заданную частоту, обеспечивает заданные параметры и характеристики в неизменном рабочем режиме. [ГОСТ 25529 82] Тематики полупроводниковые приборы Обобщающие термины… … Справочник технического переводчика

» (вверху):
1 - кнопки переключателя программ. Каждая кнопка могла быть настроена на любой метровый или дециметровый канал.
Советский чёрно-белый лампово-полупроводниковый телевизор 1980-х годов (внизу):
2 - рукоятка селектора метровых каналов.
3 - переключатель между «метровым» и «дециметровым» селекторами каналов.
4 - рукоятка плавной настройки дециметровых каналов.
Не каждый советский телевизор комплектовался на заводе селектором дециметровых каналов, хотя возможность самостоятельной установки была. Дело в том, что в СССР телепередачи в дециметровом диапазоне велись только в нескольких крупных городах.

Телевизио́нный кана́л - полоса радиочастот в диапазоне метровых и дециметровых волн (МВ и ДМВ), предназначенная для передачи в сетях эфирного , кабельного или мобильного телевидения :

• радиосигналов изображения и звукового сопровождения одного аналогового телеканала ;
• цифровых сервисов в составе одного мультиплекса , как правило - нескольких телеканалов и (или) радиоканалов.

Последнее можно отнести и к спутниковому телевидению. Однако традиционно для него в данном случае используется термин «транспондер », что не совсем точно, так как транспондер - это физическое устройство, а не полоса радиочастот. С другой стороны, диапазоны спутникового телевидения расположены на сверхвысоких частотах , а ширина полосы исчезающе мала по сравнению с абсолютными частотами мультиплексов (транспондеров), которые могут и не иметь стандартных значений границ радиочастот.

Не следует путать радиотехнические средства, обеспечивающие передачу аудиовизуальной информации, с самой этой информацией, которую пользователь может увидеть на экране своего телевизора (новости , концерт , фильм или настроечную таблицу). Собственно полоса радиочастот не является строго телеканалом, наоборот - как аналоговые, так и цифровые стандарты определяют необходимую им ширину радиочастот для одного канала (или мультиплекса), а их границы регламентируются стандартами отдельных стран. Термин телевизионный канал (телеканал , ТВК ) продолжает использоваться и в контексте цифрового вещания, так как для границ мультиплексов в большинстве случаев сохранены и полосы и номера ТВК, соответствующие аналоговому телевещанию.

Использование

Исторически сложилось, что в разных странах используются разные телевизионные стандарты , отличающиеся принципом кодирования сигнала - аналоговое телевидение и цифровое телевидение . Аналоговые стандарты (см. таблицу) в свою очередь отличаются друг от друга значениями:

• несущих частот изображения и звука,
• ширины полосы радиочастот целого канала и её составляющих - полос яркости, цветности и звука,
• частотных границ каналов и их нумерацией,
• числом строк и полярностью видеосигнала,
• частот кадровой и строчной развёртки,
• а также применяемыми стандартами кодирования цвета (NTSC , PAL , SECAM) и другими техническими особенностями.

Цифровые стандарты наследуют из этого списка ширину полосы радиочастот канала (первоначально аналогового) и вместе с ней границы большей части каналов (зависит от страны), несущей частотой можно условно считать середину данной полосы, что строго говоря не верно, ибо спектр цифрового сигнала сложен из множества отдельных элементов и лишь на графическом изображении выглядит как например аналоговый спектр яркости с центром в середине полосы. Цифровые стандарты разработаны европейской группой DVB , есть и стандарты, созданные силами отдельных стран (США , Япония , Китай и Корея). Остальные страны принимают либо наиболее распространённые DVB-стандарты, либо американские ATSC , либо японские ISDB , китайский стандарт принят только Кубой . Во многих странах уже прекращено аналоговое вещание.

Типичная ширина полосы может составлять 1,7; 5; 6; 7; 8 и 10 МГц , чаще используется ширина в 8 МГц. Значение ширины полосы прямо пропорционально количеству передаваемой в спектре информации, а также влияет на помехоустойчивость.

Абонент принимает аналоговые телевизионные сигналы и (или) цифровые мультиплексы либо через эфир (с помощью индивидуальной или коллективной антенны), либо при посредстве кабельных операторов. Эти операторы могут ретранслировать частотные каналы по своим кабельным сетям, изменив при этом номера , занимаемые ими в эфире. Такая же ситуация возможна в системах коллективного телеприёма отдельного жилого дома или гостиниц, санаториев и т. д. В разных населённых пунктах один и тот же аналоговый телеканал может передаваться в эфир на разных частотных каналах, например во Владивостоке российский «Первый канал » передаётся на первом метровом канале, в Хабаровске - на третьем, а в посёлке Хор - на девятом, равно как и общероссийские цифровые мультиплексы «РТРС-1 » и «РТРС-2 » имеют индивидуальную частотную сеть вещания в зависимости от региона страны. В ряде случаев (ввод в строй новых мощностей на телецентре , ремонт телепередающей аппаратуры, изменение контракта между собственником средства массовой информации и передающим телерадиоцентром) вещание может быть продолжено на другом частотном канале.

Некоторые бытовые электронные устройства (например, советские игровые приставки «Видеоспорт-3 », «Электроника Экси Видео 01 » и др), приставки «Dendy », бытовые видеомагнитофоны , домашние компьютеры 1980-х - начала 1990-х годов («БК », «Микро-80 » и др.) могут подключаться к телевизору с помощью антенного коаксиального высокочастотного кабеля . В этих устройствах имеется модулятор высокой частоты одного ТВК, тюнер телевизора может настраивается на его приём ровно также как и на обычный эфирный или кабельный аналоговый частотный канал. Частота канала (номер ТВК), на котором передаётся телевизионный сигнал от устройства к телевизору может быть изменён в настройках этого устройства, чтобы избежать помех, если в населённом пункте уже идут передачи на этой частоте.

Параметры полос телеканалов наиболее распространённых аналоговых систем

Стандарт разложения	Ширины полос радиочастот, МГц				Примечания
	Канал целиком	Только видео	Разнос несущих видео и звука	Остаточная боковая
B	7	5	5,5	0,75	вещание сворачивается, только МВ
D	8	6	6,5	0,75	см. таблицу ниже, только МВ
G	8	5	5,5	0,75
H	8	5	5,5	1,25	вещание сворачивается, только ДМВ
I	8	5,5	5,9996	1,25	вещание свёрнуто
K	8	6	6,5	0,75	см. таблицу ниже, только ДМВ
K" (K1)	8	6	6,5	1,25	вещание свёрнуто
L	8	6	6,5	1,25	вещание свёрнуто
M	6	4,2	4,5	0,75	вещание практически свёрнуто, только Куба и Бразилия
N	6	4,2	4,5	0,75	Аргентина , Парагвай , Уругвай

Стандарты полос телевизионных каналов

В таблице представлены частотные диапазоны и частотные телевизионные каналы, используемые в России и на постсоветском пространстве , а также в бывших социалистических странах. Этот телевизионный стандарт в целом соответствует стандарту OIRT . Стандарты разложения, применявшиеся в большинстве стран-участниц организации «OIRT» - «D» для МВ и «K» для ДМВ , а стандарт кодирования цвета - SECAM , поэтому в качестве наименования данного стандарта чаще встречается обозначение «SECAM-D/K». Впрочем, после распада СССР некоторые телецентры и особенно кабельные операторы передают цвет и в стандарте PAL или даже в PAL+ . После интеграции «OIRT» в организацию «EBU » и с распадом организации «СЭВ » стандарт SECAM постепенно заменялся на PAL и в Восточной Европе . Номера и частоты каналов при этом сохранялись, но в ряде стран произведено перераспределение частотных ресурсов в пользу иных видов связи, отличных от аналогового эфирного телевидения, как в диапазоне ДМВ, так и в МВ.

Необходимо отметить, что кроме собственно стандартов разложения аналогового телевидения (см. таблицу выше), под обозначениями «D» и «K» (и другими) понимают и стандарты границ частотных каналов в соответствующих диапазонах частот, особенно за пределами постсоветского пространства. Тем не менее, система «K» для ДМВ в этом отношении практически идентична системам « », « », « » и «L» с последовательностью каналов начиная с 21-го. А система «D» для МВ более оригинальна, в современном виде (с 1965 года) она представляет собой 12 каналов, последовательность которых соблюдается лишь внутри трёх поддиапазонов (I, II и III). От прежней системы OIR (наименование организации «OIRT» до 1960 года) из 13 каналов в МВ (выпускавшиеся в 1950-е годы советские телевизоры могли принимать от трёх до пяти частотных телевизионных каналов ) сохранились лишь три - современные 1-й, 2-й и 3-й. Таким образом, 1-й и 2-й каналы представляют собой один из старейших в мире ТВ-диапазон I (48,5-66 МГц), 3-й канал дал начало оригинальному ТВ-диапазону II (76-100 МГц), но ТВ-диапазон III имеет близкие аналоги в других системах.

Кроме России, стандарт OIRT (или «SECAM-D/K») используется (или использовался) в следующих странах:

Частоты и номера каналов эфирного и кабельного телевидения. Стандарт OIRT и стандарты России

Номер ТВ канала (ТВК)	Частотные границы канала (полосы), МГц		Аналоговое телевидение		Частота для настройки цифрового телевидения (середина полосы), МГц
	нижняя	верхняя	Несущая частота изображения, МГц	Несущая частота звука, МГц
Метровые волны (МВ)
ТВ-диапазон I (МВ, каналы 1-2)
1	48,5	56,5	49,75	56,25	-
2	58	66	59,25	65,75
Полоса, выделенная для стереофонического радиовещания (диапазон УКВ OIRT)
-	65,9	74	На радиоприёмниках диапазона УКВ OIRT возможно прослушивание звукового сопровождения 2-го канала. А на некоторых телеприёмниках - радиопрограмм.		-
ТВ-диапазон II (МВ, каналы 3-5)
3	76	84	77,25	83,75	-
4	84	92	85,25	91,75
5	92	100	93,25	99,75
Полоса, выделенная для стереофонического радиовещания (часть диапазона УКВ CCIR)
-	100	108	На радиоприёмниках диапазона УКВ CCIR (FM-диапазон, 87,5-108 МГц) возможно прослушивание звукового сопровождения 4-го и 5-го каналов, с японским FM-диапазоном (76-89,9 МГц) - 3-го канала. А на некоторых телеприёмниках - FM-радиопрограмм. Допускается распределение сигналов радиовещания в полосе частот 87,5-100 МГц в кабельных распределительных сетях, не использующих полосы частот 4-го и 5-го каналов .		-
1-я кабельная полоса (МВ, каналы СК 1-8)
СК 1	110	118	111,25	117,75	114
СК 2	118	126	119,25	125,75	122
СК 3	126	134	127,25	133,75	130
СК 4	134	142	135,25	141,75	138
СК 5	142	150	143,25	149,75	146
СК 6	150	158	151,25	157,75	154
СК 7	158	166	159,25	165,75	162
СК 8	166	174	167,25	173,75	170
ТВ-диапазон III (МВ, каналы 6-12)
6	174	182	175,25	181,75	178
7	182	190	183,25	189,75	186
8	190	198	191,25	197,75	194
9	198	206	199,25	205,75	202
10	206	214	207,25	213,75	210
11	214	222	215,25	221,75	218
12	222	230	223,25	229,75	226
2-я кабельная полоса (МВ, каналы СК 11-19)
СК 11	230	238	231,25	237,75	234
СК 12	238	246	239,25	245,75	242
СК 13	246	254	247,25	253,75	250
СК 14	254	262	255,25	261,75	258
СК 15	262	270	263,25	269,75	266
СК 16	270	278	271,25	277,75	274
СК 17	278	286	279,25	285,75	282
СК 18	286	294	287,25	293,75	290
СК 19	294	302	295,25	301,75	298
Дециметровые волны (ДМВ)
3-я кабельная полоса (диапазон Hyperband , ДМВ, каналы СК 20-40)
СК 20	302	310	303,25	309,75	306
СК 21	310	318	311,25	317,75	314
СК 22	318	326	319,25	325,75	322
СК 23	326	334	327,25	333,75	330
СК 24	334	342	335,25	341,75	338
СК 25	342	350	343,25	349,75	346
СК 26	350	358	351,25	357,75	354
СК 27	358	366	359,25	365,75	362
СК 28	366	374	367,25	373,75	370
СК 29	374	382	375,25	381,75	378
СК 30	382	390	383,25	389,75	386
СК 31	390	398	391,25	397,75	394
СК 32	398	406	399,25	405,75	402
СК 33	406	414	407,25	413,75	410
СК 34	414	422	415,25	421,75	418
СК 35	422	430	423,25	429,75	426
СК 36	430	438	431,25	437,75	434
СК 37	438	446	439,25	445,75	442
СК 38	446	454	447,25	453,75	450
СК 39	454	462	455,25	461,75	458
СК 40	462	470	463,25	469,75	466
ТВ-диапазон IV

Когда появляется новый проект, черты которого еще неясно вырисовываются в ближайшем будущем, не исключена возможность, что в конечном итоге может оказаться необходимым изъять из обращения старый привычный осциллограф и заменить его новым с более широкой полосой пропускания. На обращение к руководству компании разработчики проекта получают ответ: «Хорошо, только скажите, что вам нужно, но не тратьте больше, чем нужно». Основным фактором, определяющим стоимость осциллографов, является их полоса пропускания; поэтому очень важно знать, какая же полоса пропускания требуется на самом деле.
Те, кто определенное время работал в этой области, знают старую установку, что необходимая полоса пропускания осциллографа должна быть по крайней мере в три раза шире полосы частот сигнала, подлежащего измерению. Или, поскольку полоса пропускания и время нарастания переходной характеристики связаны обратно пропорциональной зависимостью, время нарастания переходной характеристики осциллографа должно быть меньше 1/3 времени нарастания измеряемого сигнала. В заметках по применению, написанных автором этой статьи в 70-80-х годах, рекомендовалось именно такое соотношение. Это было на самом деле справедливо в те добрые старые времена, когда большинство осциллографов имело гауссову частотную характеристику. А также гауссову форму переходной характеристики, обеспечивающую высокую скорость перепадов сигнала во временной области.
Хорошей новостью на сегодняшний день является то, что большинство современных широкополосных осциллографов, работающих в реальном времени, имеют очень крутой срез амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), более близкий к характеристикам идеально прямоугольного фильтра, чем к гауссовой. Как будет показано далее, это означает, что необходимый запас по полосе пропускания осциллографа относительно максимальной частоты в спектре измеряемого сигнала составляет только 40% (соотношение полосы пропускания осциллографа и полосы частот сигнала лежит в пределах 1,4:1).
Прежде всего необходимо обсудить вопрос о характеристиках сигнала, которые предстоит измерять, и результаты, которые надеются при этом получить. В качестве примера можно привести самый высокоскоростной сигнал во вновь разрабатываемой линии последовательной передачи данных со скоростью передачи 1,5 Гбит/с. Если передаваемый сигнал представляет чередование единиц и нулей, он будет иметь идеально прямоугольную форму с основной частотой 750 МГц.
Но не только основная частота сигнала определяет необходимую полосу пропускания осциллографа. Время перехода сигнала из одного состояния в другое (длительность фронта и среза) - вот что имеет значение. Если имеется чисто синусоидальный сигнал с частотой 750 МГц, то эта частота и будет максимальной (и единственной) в его спектральном составе. Но типичные сигналы передачи цифровых данных содержат более высокие частоты. Стоит закрыть глаза и мысленно перенестись назад в то время, когда в классической аудитории профессор монотонно читал лекции о преобразовании Фурье. Но раз уж это сделано, не следует засыпать и не следует дать себя отпугнуть от прочтения остальной части этой статьи. Автор не собирается углубляться в теорию линейных систем. Нужно только вспомнить, что все сложные сигналы (в том числе прямоугольные, случайные и буквально любые) могут быть представлены суммой ряда гармонических составляющих с частотами, кратными основной частоте.
Для сигнала прямоугольной формы доминирующими в его составе являются нечетные гармоники с частотами в три, пять и т. д. раз выше основной частоты. Ключом к пониманию соотношения между шириной полосы частот сигнала и временем нарастания может служить следующее утверждение: чем больше гармоник, тем меньше время нарастания (длительность фронта) и спада (длительность среза). Если осциллограф имеет недостаточно широкую полосу пропускания, он будет подавлять более высокие гармоники, в результате чего измеренное осциллографом время нарастания сигнала окажется больше, чем на самом деле имеет измеряемый сигнал.

Могут возразить, что если точность измерения длительности фронта и среза удовлетворяет пользователя, то нет смысла заботиться о расширении полосы пропускания. Однако это не так, поскольку ширина полосы пропускания влияет не только на точность измерения длительностей фронта и среза, но и на множество других параметров, которые могут представлять интерес. Так, замедление скорости нарастания сигнала ведет к закрытию глазка глазковой диаграммы (см. рисунок 2). Если исследуемый сигнал имеет значительный выброс или затухание, недостаточно широкая полоса пропускания осциллографа может подавить эти артефакты, и они не будут замечены. Для реальных сигналов передачи данных, представляющих смесь единиц и нулей, недостаточно широкая полоса пропускания осциллографа приведет к появлению помех, вызванных эффектом межсимвольной интерференции (МСИ). Рисунок 1 дает простое объяснение механизма возникновения этих помех вследствие ограничения полосы пропускания. Однополюсная (первого порядка) RC-цепь с постоянной времени t=RC имеет переходную характеристику во временной области, показанную на рис. 1А. Если отдельно взятый импульс, представляющий «единицу» в потоке последовательных данных, проходит через фильтр с такой характеристикой, то он приобретает форму, показанную на рисунке 1В. При этом некоторая часть энергии сигнала отдельно взятого импульса, представляющего «единицу», распространяется на временной интервал, отведенный для следующего импульса (заштрихованная область), почему этот эффект и называется межсимвольной интерференцией. Рисунок 1С иллюстрирует эффект межсимвольной интерференции при случайном сочетании единиц и нулей в потоке последовательных данных.

Рисунок 1 - Межсимвольная интерференция (МСИ)
Рисунок 2 иллюстрирует отчетливо выраженный эффект, который имеет место в осциллографе с ограниченной полосой пропускания и проявляется при исследовании реального высокоскоростного потока данных. На рисунках 2А и 2В показаны сигнал реального потока данных и соответствующая ему глазковая диаграмма так, как они отображаются осциллографом с достаточно широкой полосой пропускания. На рисунках 2С и 2D показаны те же осциллограммы, полученные при простом ограничении полосы частот осциллографа. МСИ вызывает сдвиг момента пересечения порогового уровня для любого перепада сигнала данных; величина этого сдвига зависит от состава предшествующих данных. Это создает джиттер, который проявляется в горизонтальном рассеянии точек пересечения глазка.

Рисунок 2 - влияние полосы пропускания осциллографа на измерение параметров сигнала передачи данных.
Теперь следует сместить акценты и обсудить разницу между гауссовой и максимально плоской амплитудно-частотными характеристиками (АЧХ) осциллографа. В качестве отступления полезно напомнить немного истории, чтобы пояснить как в осциллографах появилась гауссова АЧХ. В золотые времена аналоговых осциллографов для возбуждения отклоняющих пластин электронно-лучевой трубки и перемещения луча от крайнего верхнего до крайнего нижнего положения были нужны очень большие сигналы. Это требовало нескольких каскадов усиления вертикального канала. При соединении большого числа усилительных каскадов с любой формой их индивидуальных АЧХ результирующая АЧХ стремилась к гауссовой.

Инженерам гауссова характеристика понравилась тем, что она обеспечивала самое короткое из возможных время установления и отсутствие выброса за фронтом (как все хорошие рыночники, производители осциллографов умели правильно использовать положительное свойство, чтобы обратить его в определенное достоинство). В те дни, когда разработчики занимались проектированием широкополосных (по определениям того времени) аналоговых осциллографов, они были вынуждены тратить много времени, стараясь выжать из усилителей самую широкую полосу пропускания и самое короткое время нарастания без ущерба для истинно гауссовой характеристики, которая рассматривалась как одно из важных достоинств осциллографа.
Гауссова характеристика имеет два существенных недостатка, которые можно увидеть, если обратиться к рисунку 3. Видно, что выше частоты среза (точка на уровне минус 3 дБ) крутизна спадания характеристики мала. Это нежелательно для систем с дискретизацией, каковыми являются современные цифровые осциллографы (а каких только осциллографов сегодня нет). Любые составляющие сигнала с частотой выше частоты Найквиста (1/2 частоты дискретизации) создают эффект наложения (aliasing). Во избежание этого приходится понижать частоту среза АЧХ, чтобы увеличить подавление высокочастотных составляющих сигнала.

Рисунок 3 - Частотные характеристики гауссова фильтра
С другой стороны, спад гауссовой характеристики начинается много ниже частоты среза (точка на уровне минус 3 дБ). Это вызывает ненужное ослабление важных частотных составляющих сигнала.
Другой крайностью является фильтр с прямоугольной характеристикой, как показано на рисунке 4. Идеальная прямоугольная характеристика не создает затухания на частотах ниже частоты среза и имеет бесконечное затухание выше частоты среза. Импульсная характеристика фильтра с идеально прямоугольной частотной характеристикой осциллирует на бесконечном интервале времени (см. рисунок 4); поскольку импульсная характеристика такого фильтра имеет бесконечную протяженность, его невозможно реализовать ни в аналоговом, ни в цифровом виде. Цифровой фильтр с идеально прямоугольной характеристикой потребовал бы бесконечного числа отводов и имел бы бесконечное время установления.

Рисунок 4 - Характеристики идеально прямоугольного фильтра
Большинство современных широкополосных цифровых осциллографов имеют АЧХ, которая представляет компромисс между гауссовой и идеально прямоугольной характеристикой, обычно ближе к прямоугольной чем к гауссовой, по указанным причинам. Такая характеристика называется максимально плоской.

Теперь можно вернуться к начатой теме о том, как вся эта теория позволяет решить вопрос, насколько широкая полоса пропускания требуется от осциллографа. Здесь имеются хорошие новости. Было показано, как максимально плоская, близкая к прямоугольной, частотная характеристика современных осциллографов позволяет сохранить большую часть высокочастотных составляющих сигнала, приближающихся к частоте среза. Практический выигрыш от этого заключается в том, что достигается большой запас по точности измерения на каждый вложенный доллар, чем это было возможно ранее. В качестве примера можно рассмотреть сигнал со временем нарастания 100 пс, которое нужно измерить с погрешностью не более 5%. Для этого при гауссовой частотной характеристике осциллограф должен иметь собственную переходную характеристику с временем нарастания 33 пс и полосу пропускания 10,6 ГГц. Осциллограф с максимально плоской частотной характеристикой может обеспечить достаточную для этого точность измерения при полосе пропускания 6 ГГц и времени нарастания переходной характеристики 70 пс.

При максимально плоской частотной характеристике в значительной степени снижаются требования к частоте дискретизации. Чтобы убедиться в этом следует снова вернуться к рисунку 3. Для расширения полосы пропускания цифрового осциллографа, работающего в реальном времени, частота дискретизации должна быть значительно выше частоты среза, определяемой по уровню минус 3 дБ. Это необходимо для того, чтобы частота Найквиста (равная 1/2 частоты дискретизации) переместилась в точку, где эффект наложения сигналов подавляется в достаточной степени. В 8-разрядном осциллографе необходимо подавление сигналов наложения для частоты перегиба и выше по меньшей мере на 55 дБ. При гауссовой характеристике частота среза на уровне минус 3 дБ составляет около 22% от частоты, где достигается подавление на 55 дБ. Поэтому для получения полосы пропускания 6 ГГц частота дискретизации должна быть по крайней мере 55 ГГц. При максимально плоской частотной характеристике отношение частоты дискретизации к полосе обзора не так велико. Например, осциллограф Agilent 54855A имеет полосу пропускания 6 ГГц (расширяемую с помощью цифровой обработки сигналов до 7 ГГц) при частоте дискретизации 20 ГГц. Следовательно, частота Найквиста здесь составляет 10 ГГц. Частотная характеристика фильтра осциллографа 54855А обеспечивает подавление на частоте 10 ГГц более 55 дБ.
В заключение приводятся формулы и методика расчета, которые можно использовать для быстрого определения необходимой полосы пропускания.
Прежде всего следует определить максимальную частоту в спектре сигнала Fmax. Для большинства реальных цифровых сигналов эту частоту можно найти по формуле:
Fmax ~ 0.5/(время нарастания по уровням 10% -90%)
или
Fmax ~ 0.4/(время нарастания по уровням 20% - 80%)

Затем в приведенной ниже таблице нужно найти полосу пропускания, необходимую для обеспечения заданной допустимой погрешности времени нарастания.

Если принять во внимание быстрые темпы внедрения новых и гораздо более высокоскоростных технологий передачи данных, то вложение средств в осциллографы с достаточно широкой полосой пропускания позволит закрыть потребности, связанные с разработкой ряда ближайших проектов. Сегодняшние инвестиции с учетом создания некоторого дополнительного запаса по параметрам помогут впоследствии реально сохранить вложенные деньги.

Майк МакТиг (Mike McTigue),
Agilent Technologies
[email protected]

Термин полоса частот в отношении сигнала связан с понятиями об эффективной ширине спектра сигнала , в которой сосредоточено 90% энергии сигнала (по соглашению), а также о нижней и верхней границах полосы частот сигнала. Эти важнейшие характеристики источника сигнала непосредственно связаны с физикой данного источника сигнала. Например, для индукционного вибродатчика полоса частот выходного сигнала реально ограничена сверху единицами килогерц из-за инерционности массы металлического намагниченного сердечника внутри катушки индуктивности датчика, а снизу – величиной, связанной с индуктивностью катушки. Верхняя граница полосы частот сигнала, как правило, связана с физическими ограничениями скорости нарастания сигнала, а нижняя граница полосы частот связана с наличием низкочастотной составляющей сигнала, включая постоянную составляющую .

Термин полоса частот пропускания употребляется в отношении преобразователей и трактов (интерфейсов) передачи сигналов. Речь идёт об амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) этих устройств и о характеристиках полосы пропускания этой АЧХ, которые традиционно измеряются по уровню -3 дБ , как это показано она рисунке выше. За нуль децибел принимается максимальное (или среднее, по соглашению) значение амплитуды сигнала в полосе пропускания. На рисунке частоты F 1 и F 2 – это нижняя и верхняя частота полосы пропускания соответственно. Нижняя граница F 1 = 0, если данный преобразователь или тракт пропускает постоянную составляющую сигнала. Чем больше ширина полосы частот пропускания ∆F= F 2 - F 1 преобразователя или тракта передачи данных, тем выше разрешение (детализация) сигнала по времени , тем выше скорость передачи информации в соответствующем интерфейсе , но в то же время тем больше помех и шумов попадает в полосу пропускания.

Если полоса частот сигнала частично или полностью не попадает в полосу частот пропускания преобразователя или тракта, то это приводит к искажению или полному подавлению сигнала в тракте.

С другой стороны, если эффективная полоса частот сигнала многократно у́же полосы частот пропускания преобразователя или тракта, то такой случай нельзя считать оптимальным, поскольку в этой физически реализованной системе всегда присутствуют шум и помехи различной природы, которые в общем случае рассредоточены по всей ширине полосы частот пропускания. Области частот пропускания, в которых нет полезных составляющих сигнала, будут добавлять шум, ухудшая соотношение сигнал/шум в данном канале преобразования или передачи сигнала. Исходя из этих посылок, мы вплотную подошли к термину: оптимальная полоса частот пропускания сигнала – это полоса частот пропускания, границы которой согласованы с эффективной полосой частот сигнала .

В случае АЦП верхняя граница полосы частот пропускания может быть обеспечена антиалайзинговым фильтром , а нижняя граница может быть обеспечена фильтром высокой частоты .

Как видите, общий термин полоса частот , употреблённый в любом контексте, сильно связан с вопросом выбора оборудования по его частотным характеристикам, а также связан с вопросом оптимального согласования преобразователей и трактов передачи с источниками сигналов.

О полосе пропускания в цифровой технике см. Скорость передачи информации

Полоса пропускания (прозрачности) - диапазон частот , в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) акустического, радиотехнического, оптического или механического устройства достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы. Иногда вместо термина «полоса пропускания» используют термин «эффективно передаваемая полоса частот (ЭППЧ)». В ЭППЧ сосредоточена основная энергия сигнала (не менее 90 %). Этот диапазон частот устанавливается для каждого сигнала экспериментально в соответствии с требованиями качества.

Основные параметры полосы пропускания

Основные параметры, которые характеризуют полосу пропускания частот - это ширина полосы пропускания и неравномерность АЧХ в пределах полосы.

Ширина полосы пропускания

Ширина полосы пропускания - полоса частот, в пределах которой неравномерность частотной характеристики не превышает заданной.

Ширина полосы обычно определяется как разность верхней и нижней граничных частот участка АЧХ texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): f_2 - f_1 , на котором амплитуда колебаний равняется Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \frac{1}{\sqrt{2}} (или, что эквивалентно Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \frac{1}{2} для мощности) от максимальной. Этот уровень приблизительно соответствует −3 дБ .

Ширина полосы пропускания выражается в единицах частоты (например, в герцах).

В радиосвязи и устройствах передачи информации расширение полосы пропускания позволяет передать большее количество информации.

Неравномерность АЧХ

Неравномерность АЧХ характеризует степень её отклонения от прямой, параллельной оси частот.

Ослабление неравномерности АЧХ в полосе улучшает воспроизведение формы передаваемого сигнала.

Различают:

• Абсолютную полосу пропускания: 2Δω = Sa
• Относительную полосу пропускания: 2Δω/ωo = So

Конкретные примеры

См. также

Напишите отзыв о статье "Полоса пропускания"

Примечания

Наиболее известная формула из ОТО - закон сохранения энергии-массы

Это заготовка статьи по физике . Вы можете помочь проекту, дополнив её.

Отрывок, характеризующий Полоса пропускания

– Я никогда об этом не думала... – задумчиво произнесла она. – Наверное, потому, что тепла нам хватило на всю нашу оставшуюся жизнь? Нас на Земле сожгли, видишь ли...
– Как – сожгли?!. – ошарашено уставилась на неё Стелла. – По-настоящему сожгли?.. – Ну, да. Просто там я была Ведьмой – ведала многое... Как и вся моя семья. Вот дедушка – он Ведун, а мама, она самой сильной Видуньей была в то время. Это значит – видела то, что другие видеть не могли. Она будущее видела так же, как мы видим настоящее. И прошлое тоже... Да и вообще, она многое могла и знала – никто столько не знал. А обычным людям это видимо претило – они не любили слишком много «знающих»... Хотя, когда им нужна была помощь, то именно к нам они и обращались. И мы помогали... А потом те же, кому мы помогли, предавали нас...
Девушка-ведьма потемневшими глазами смотрела куда-то вдаль, на мгновение не видя и не слыша ничего вокруг, уйдя в какой-то ей одной известный далёкий мир. Потом, ёжась, передёрнула хрупкими плечами, будто вспомнив что-то очень страшное, и тихо продолжила:
– Столько веков прошло, а я до сих пор всё чувствую, как пламя пожирает меня... Потому наверное и «холодно» здесь, как ты говоришь, милая, – уже обращаясь к Стелле, закончила девушка.
– Но ты никак не можешь быть Ведьмой!.. – уверенно заявила Стелла. – Ведьмы бывают старые и страшные, и очень плохие. Так у нас в сказках написано, что бабушка мне читала. А ты хорошая! И такая красивая!..
– Ну, сказки сказкам рознь... – грустно улыбнулась девушка-ведьма. – Их ведь именно люди и сочиняют... А что нас показывают старыми и страшными – то кому-то так удобнее, наверное... Легче объяснить необъяснимое, и легче вызвать неприязнь... У тебя ведь тоже вызовет большее сочувствие, если будут сжигать молодую и красивую, нежели старую и страшную, правда ведь?
– Ну, старушек мне тоже очень жаль... только не злых, конечно – потупив глаза, произнесла Стелла. – Любого человека жаль, когда такой страшный конец – и, передёрнув плечиками, как бы подражая девушке-ведьме, продолжала: – А тебя правда-правда сожгли?!. Совсем-совсем живую?.. Как же наверное тебе больно было?!. А как тебя зовут?
Слова привычно сыпались из малышки пулемётной очередью и, не успевая её остановить, я боялась, что хозяева под конец обидятся, и из желанных гостей мы превратимся в обузу, от которой они постараются как можно быстрее избавиться.
Но никто почему-то не обижался. Они оба, и старец, и его красавица внучка, дружески улыбаясь, отвечали на любые вопросы, и казалось, что наше присутствие почему-то и вправду доставляло им искреннее удовольствие...
– Меня зовут Анна, милая. И меня «правда-правда» совсем сожгли когда-то... Но это было очень-очень давно. Уже прошло почти пять сотен земных лет...
Я смотрела в совершенном шоке на эту удивительную девушку, не в состоянии отвести от неё глаза, и пыталась представить, какой же кошмар пришлось перенести этой удивительно красивой и нежной душе!..