Полоса пропускания (обработка сигнала) - Bandwidth (signal processing)

Эта статья посвящена концепции теории сигналов и обработки сигналов, измеряемых в герцах. Для использования в вычислениях и сетях, выраженных в битах в секунду, см. Пропускная способность (вычисления). Для использования в других целях см. Пропускная способность (значения).

Полоса пропускания основной полосы частот. Здесь ширина полосы равна верхней частоте.

Пропускная способность разница между верхним и нижним частоты в непрерывном полоса частот. Обычно измеряется в герц, и в зависимости от контекста может конкретно относиться к полоса пропускания пропускная способность или же основная полоса пропускная способность. Полоса пропускания - это разница между верхним и нижним частоты среза из, например, полосовой фильтр, а канал связи, или спектр сигнала. Полоса пропускания основной полосы частот применяется к фильтр нижних частот или сигнал основной полосы частот; ширина полосы равна его верхней граничной частоте.

Полоса пропускания в герцах - это центральное понятие во многих областях, в том числе электроника, теория информации, цифровые коммуникации, радиосвязь, обработка сигналов, и спектроскопия и является одним из факторов, определяющих емкость данного канал связи.

Ключевой характеристикой полосы пропускания является то, что любая полоса данной ширины может нести одинаковое количество Информация, независимо от того, где эта полоса расположена в частотный спектр.^{[примечание 1]} Например, диапазон 3 кГц может нести телефонный разговор независимо от того, находится ли этот диапазон в основной полосе (как в Горшки телефонная линия) или модулированный на более высокую частоту.

Обзор

Пропускная способность - ключевое понятие во многих телекоммуникации Приложения. В радио коммуникации, например, полоса пропускания - это частотный диапазон, занимаемый модулированным несущий сигнал. An FM радио приемник тюнер охватывает ограниченный диапазон частот. Государственное агентство (например, Федеральная комиссия связи в США) может распределять доступную в регионе пропускную способность для лицензия на вещание держатели, чтобы их сигналы не мешают друг другу. В этом контексте пропускная способность также известна как расстояние между каналами.

Для других приложений есть другие определения. Одним из определений полосы пропускания для системы может быть диапазон частот, в котором система обеспечивает определенный уровень производительности. Менее строгое и более практичное определение будет относиться к частотам, выше которых ухудшаются характеристики. В случае частотный отклик, деградация может, например, означать более 3дБ ниже максимального значения или может означать ниже определенного абсолютного значения. Как и любое определение ширина функции, многие определения подходят для разных целей.

В контексте, например, теорема выборки и Частота дискретизации Найквиста, пропускная способность обычно относится к основная полоса пропускная способность. В контексте Символьная скорость Найквиста или же Шеннон-Хартли пропускная способность канала для систем связи это относится к полоса пропускания пропускная способность.

В Полоса пропускания Рэлея импульса простого радара определяется как величина, обратная его длительности. Например, импульс длительностью в одну микросекунду имеет рэлеевскую полосу пропускания в один мегагерц.^[1]

В существенная пропускная способность определяется как часть спектр сигнала в частотной области, которая содержит большую часть энергии сигнала.^[2]

Икс ширина полосы дБ

Величина отклика полосовой фильтр иллюстрирующий концепцию ширины полосы по уровню –3 дБ при коэффициенте усиления приблизительно 0,707.

В некоторых контекстах ширина полосы сигнала в герц относится к частотному диапазону, в котором сигнал спектральная плотность (в Вт / Гц или В²/ Гц) не равно нулю или превышает небольшое пороговое значение. Пороговое значение часто определяется относительно максимального значения и чаще всего является Точка 3 дБ, то есть точка, в которой спектральная плотность составляет половину своего максимального значения (или спектральной амплитуды в ${displaystyle V}$ или же ${displaystyle V/{sqrt { extit {Hz}}}}$, составляет 70,7% от максимального значения).^[3] Эта цифра с более низким пороговым значением может использоваться в расчетах самой низкой частоты дискретизации, которая удовлетворяет требованиям теорема выборки.

Пропускная способность также используется для обозначения пропускная способность системы, например в фильтр или же канал связи системы. Сказать, что система имеет определенную полосу пропускания, означает, что система может обрабатывать сигналы с этим диапазоном частот или что система уменьшает полосу пропускания входного белого шума до этой полосы.

Полоса пропускания 3 дБ электронный фильтр или канал связи - это часть частотной характеристики системы, которая находится в пределах 3 дБ от характеристики на пике, который, в случае полосового фильтра, обычно находится на его пике или около него. центральная частота, а в фильтре нижних частот находится на своем частота среза. Если максимальное усиление равно 0 дБ, ширина полосы 3 дБ - это частотный диапазон, в котором затухание составляет менее 3 дБ. Затухание на 3 дБ также происходит там, где мощность составляет половину максимальной. Это то же самое прирост половинной мощности соглашение также используется в спектральная ширина, и в более общем смысле для объема функций как полная ширина на половине максимальной (FWHM).

В электронный фильтр дизайн, спецификация фильтра может потребовать, чтобы внутри фильтра полоса пропускания, усиление номинально составляет 0 дБ с небольшим изменением, например, в пределах интервала ± 1 дБ. в полоса задерживания (s), требуемое затухание в децибелах превышает определенный уровень, например> 100 дБ. В переходная полоса коэффициент усиления не указан. В этом случае ширина полосы пропускания фильтра соответствует ширине полосы пропускания, которая в этом примере равна полосе пропускания 1 дБ. Если фильтр показывает колебания амплитуды в полосе пропускания, Икс Точка дБ относится к точке, где усиление Икс дБ ниже номинального усиления полосы пропускания, а не Икс дБ ниже максимального усиления.

В обработке сигналов и теория управления полоса пропускания - это частота, на которой коэффициент усиления замкнутой системы падает на 3 дБ ниже пика.

В системах связи при расчетах Шеннон – Хартли пропускная способность канала, ширина полосы относится к полосе пропускания 3 дБ. В расчетах максимальной символьная скорость, то Частота дискретизации Найквиста, и максимальная скорость передачи в соответствии с Закон Хартли, полоса пропускания относится к частотному диапазону, в котором коэффициент усиления не равен нулю.

Тот факт, что в эквиваленте основная полоса В моделях систем связи спектр сигнала состоит как из отрицательных, так и из положительных частот, что может привести к путанице в отношении ширины полосы частот, поскольку они иногда упоминаются только положительной половиной, и иногда можно встретить такие выражения, как ${displaystyle B=2W}$, куда ${displaystyle B}$ - общая полоса пропускания (т.е. максимальная ширина полосы пропускания модулированного несущей RF-сигнала и минимальная ширина полосы пропускания физического канала полосы пропускания), и ${displaystyle W}$ положительная полоса пропускания (полоса пропускания основной полосы частот эквивалентной модели канала). Например, для модели сигнала основной полосы частот потребуется фильтр нижних частот с частотой среза не менее ${displaystyle W}$ чтобы не повредиться, а для физического канала полосы пропускания потребуется фильтр полосы пропускания не менее ${displaystyle B}$ чтобы остаться нетронутым.

Относительная пропускная способность

Смотрите также: Антенна (радио) § Полоса пропускания, и Измерение антенны § Ширина полосы пропускания

Абсолютная пропускная способность не всегда является наиболее подходящим или полезным показателем пропускной способности. Например, в области антенны Сложность построения антенны, отвечающей указанной абсолютной ширине полосы пропускания, легче на более высокой частоте, чем на более низкой частоте. По этой причине ширина полосы частот часто указывается относительно рабочей частоты, что дает лучшее представление о структуре и сложности, необходимых для рассматриваемой схемы или устройства.

Обычно используются два разных показателя относительной пропускной способности; относительная пропускная способность (${displaystyle B_{mathrm {F} }}$) и соотношение пропускной способности (${displaystyle B_{mathrm {R} }}$).^[4] Далее абсолютная полоса пропускания определяется следующим образом:

${displaystyle B=Delta f=f_{mathrm {H} }-f_{mathrm {L} }}$

куда ${displaystyle f_{mathrm {H} }}$ и ${displaystyle f_{mathrm {L} }}$ - это соответственно верхний и нижний пределы частот рассматриваемого диапазона.

Дробная пропускная способность

Дробная полоса пропускания определяется как абсолютная полоса пропускания, деленная на центральную частоту (${displaystyle f_{mathrm {C} }}$),

${displaystyle B_{mathrm {F} }={frac {Delta f}{f_{mathrm {C} }}} .}$

Центральная частота обычно определяется как среднее арифметическое верхней и нижней частот, так что,

${displaystyle f_{mathrm {C} }={frac {f_{mathrm {H} }+f_{mathrm {L} }}{2}} }$ и

${displaystyle B_{mathrm {F} }={frac {2(f_{mathrm {H} }-f_{mathrm {L} })}{f_{mathrm {H} }+f_{mathrm {L} }}} .}$

Однако центральная частота иногда определяется как среднее геометрическое верхней и нижней частот,

${displaystyle f_{mathrm {C} }={sqrt {f_{mathrm {H} }f_{mathrm {L} }}}}$ и

${displaystyle B_{mathrm {F} }={frac {f_{mathrm {H} }-f_{mathrm {L} }}{sqrt {f_{mathrm {H} }f_{mathrm {L} }}}} .}$

В то время как среднее геометрическое используется реже, чем среднее арифметическое (и последнее можно предположить, если не указано явно), первое считается математически более строгим. Он более точно отражает логарифмическую зависимость дробной полосы пропускания от увеличения частоты.^[5] За узкополосный приложения, разница между этими двумя определениями незначительна. Версия со средним геометрическим размером несущественно немного больше. За широкополосный В приложениях они существенно расходятся: версия со средним арифметическим приближается к 2 в пределе, а версия со средним геометрическим приближается к бесконечности.

Дробная ширина полосы иногда выражается в процентах от центральной частоты (процент пропускной способности, ${displaystyle \%B}$),

${displaystyle \%B_{mathrm {F} }=100{frac {Delta f}{f_{mathrm {C} }}} .}$

В качестве ${displaystyle f_{mathrm {L} }}$ стремится к нулю,% B приближается к 200% (вариант среднего арифметического) или бесконечности (вариант среднего геометрического). Таким образом, процентная полоса пропускания (и дробная полоса пропускания в целом) не так важна для широкополосных приложений, которые чаще используют коэффициент пропускной способности.

Коэффициент пропускной способности

Коэффициент ширины полосы определяется как отношение верхнего и нижнего пределов полосы,

${displaystyle B_{mathrm {R} }={frac {f_{mathrm {H} }}{f_{mathrm {L} }}} .}$

Соотношение пропускной способности можно обозначить как ${displaystyle B_{mathrm {R} }:1}$. Отношение между шириной полосы пропускания и дробной полосой пропускания определяется выражением

${displaystyle B_{mathrm {F} }=2{frac {B_{mathrm {R} }-1}{B_{mathrm {R} }+1}} }$ и

${displaystyle B_{mathrm {R} }={frac {2+B_{mathrm {F} }}{2-B_{mathrm {F} }}} .}$

Процент полосы пропускания - менее значимая мера в широкополосных приложениях. 100% пропускная способность соответствует соотношению пропускной способности 3: 1. Все более высокие отношения вплоть до бесконечности сжимаются в диапазоне 100–200%.

Коэффициент пропускной способности часто выражается в октавы для широкополосных приложений. Октава - это соотношение частот 2: 1, приводящее к этому выражению для числа октав,

${displaystyle log _{2}(B_{mathrm {R} }) .}$

Фотоника

В фотоника, период, термин пропускная способность встречается в разных значениях:

• полоса пропускания выхода некоторого источника света, например источника ASE или лазера; ширина полосы ультракоротких оптических импульсов может быть особенно большой
• ширина частотного диапазона, который может передаваться некоторым элементом, например оптическое волокно
• полоса усиления оптического усилителя
• ширина диапазона некоторых других явлений (например, отражения, фазового синхронизма нелинейного процесса или некоторого резонанса)
• максимальная частота модуляции (или диапазон частот модуляции) оптического модулятора
• диапазон частот, в котором может работать какое-либо измерительное оборудование (например, измеритель мощности)
• то скорость передачи данных (например, в Гбит / с) в оптической системе связи; видеть пропускная способность (вычисления).

Связанная концепция - это спектральная ширина линии излучения возбужденных атомов.

Смотрите также

• Время нарастания
• Пропускная способность (Викисловарь)
• Эффективность полосы пропускания
• Расширение полосы пропускания
• Широкополосный
• Необходимая пропускная способность

Примечания

1. Предполагая эквивалент шум уровень.

Рекомендации

1. Джеффри А. Нанзер, Дистанционное зондирование в микроволновом и миллиметровом диапазонах для систем безопасности, стр. 268-269, Artech House, 2012 г. ISBN  1608071723.
2. Сундарараджан, Д. (4 марта 2009 г.). Практический подход к сигналам и системам. Джон Вили и сыновья. п. 109. ISBN  978-0-470-82354-5.
3. Ван Валкенбург, М.Э. Сетевой анализ (3-е изд.). стр.383–384. ISBN  0-13-611095-9. Получено 2008-06-22.
4. Stutzman, Warren L .; Тейеле, Гэри А. (1998). Теория и конструкция антенны (2-е изд.). Нью-Йорк. ISBN  0-471-02590-9.
5. Ханс Г. Шанц, Искусство и наука сверхширокополосных антенн, п. 75, Artech House, 2015 г. ISBN  1608079562