¿Jaká je šířka pásma?

Tento článek zkoumá překvapivě složité podrobnosti spojené se slovem, které často používáme, ale nemusí plně rozumět.

Termín „šířka pásma“ má původ v široké škále technických diskuzí. Koncept analogových obvodů, testování a měření, vysokofrekvenční systémy, digitální komunikace, výpočetní technika – šířka pásma je nedílnou součástí moderní elektronické technologie.

Co to znamená?

Abych byl upřímný, zajímalo by mě, jestli většina z nás dokáže okamžitě vygenerovat konzistentní definici nebo vysvětlení slova „šířka pásma“. Většina obtíží pochází ze slova, které má více významů. Další zdroj záměny, nebo přinejmenším nejistoty, je mezi jemnějšími detaily, které někdy můžeme ignorovat.

Definice šířky pásma: šířka pásma

Kdykoli je to možné, rád začnu definicí založenou na ustavujících slovech pojmu nebo etymologii, kde ustavující slova nejsou snadno rozpoznatelná. Dotyčný výraz jasně sestává z „pásma“ a „šířky“. Toto „pásmo“ označuje pásmo nebo rozsah frekvencí a „šířka“ označuje vzhled daného pásma při pohledu ve frekvenční doméně.

Reprezentace signálu tvořeného dvěma sinusovými vlnami jedné frekvence ve frekvenční doméně.

Úzkopásmové a širokopásmové připojení

Tato krátká recenze již objevila problém. Řekněme, že jdeme na procházku do lesa a já ukazuji potok. „Je to široký tok?“ Ptám se. Na tuto otázku samozřejmě neexistuje žádná odpověď. Jistě, je široký pro pulec, který se přes něj snaží plavat, ale ne široký pro slona.

Podobně, pokud definujeme šířku pásma jako širokou nebo úzkou, ve skutečnosti porovnáváme šířku pásma s něčím jiným. Pokud každý rozumí bodu srovnání, nemělo by docházet k nejasnostem, ale je třeba mít na paměti, že „širokopásmové připojení“ a „úzkopásmové připojení“ mohou znamenat velmi odlišné věci například pro výzkumného pracovníka a výzkumného pracovníka pracujícího s ultraširokopásmovými systémy. analogický. Návrhář se používá v obvodech operačních zesilovačů s nízkým šumem, které nepotřebují zvládnout frekvence nad několik desítek kilohertzů.

Ve většině případů má větší smysl skutečně určit šířku pásma. Tím se rozhodně odstraní nejednoznačnost definování šířky pásma jako „široká“ nebo „úzká“, ale rozhodně to není dokonalé řešení.

Jak vybrat skupinu

Pokud vám někdo dá modul zesilovače a řekne, že má šířku pásma 200 kHz, co to znamená? Pravděpodobně některé důležité aspekty frekvenční odezvy zesilovače zahrnují frekvence, které pokrývají rozsah 200 kHz. Taková nejednoznačná informace však nepatří k žádnému inženýrskému projektu, pojďme se tedy na to podívat blíže.

Šířka pásma zesilovače nebo filtru neurčuje frekvenční rozsah, ve kterém je obvod funkční, pokud „funkční“ znamená „schopný produkovat nějaký druh výstupního signálu“. Spíše určuje frekvenční rozsah, ve kterém je obvod umístěn, v některých výkonnostních kritériích. Nejběžnější kritérium je založeno na frekvenci –3 dB. Snížení amplitudy o 3 dB odpovídá 50% snížení výkonu, což bylo zvoleno jako vhodný způsob určení šířky pásma.

Šířka pásma filtru pásma?

U dolnoprůchodového filtru šířka pásma 200 kHz znamená, že frekvence, při které obvod potlačuje polovinu výkonu signálu, je 200 kHz a potlačení výkonu všech frekvencí pod 200 kHz méně než 50%.

Je důležité si uvědomit, že šířka pásma může v této souvislosti znamenat něco jiného. Zařízení pravděpodobně poskytne odpovídající výkon, i když má vstupní signál o 80% nižší výkon. V tomto případě by bylo vhodné definovat, že šířka pásma sahá od 0 Hz do frekvence, při které filtr potlačuje 80% výkonu.

Jaká je tedy šířka pásma hornoprůchodového filtru?

Pokud vám někdo řekne, že horní propust má šířku pásma 200 kHz, neváhejte odpovědět prázdným pohledem. Pokud použijeme logiku nízkoprůchodového filtru na odezvu vysokého průchodu, pásmo sahá od –3 dB frekvence do nekonečna. Myslím, že šířka pásma horního filtru může být šířka frekvenčních pásem, která zažíváte. více 50% potlačení energie, ale nemyslím si, že lidé tento výraz používají tímto způsobem.

Závěrem je, že šířka pásma je poměrně vágní pojem i v kontextu omezených zesilovačů a filtrů. V případě pochybností požádejte o vysvětlení.

Šířka pásma v radiofrekvenčních aplikacích

Návrh vysokofrekvenčních systémů zahrnuje rozsáhlou analýzu toho, jak se frekvence a interakce frekvencí signálu mění, a odkazy na šířku pásma nejsou v žádném případě neobvyklé. „Šířka pásma“ bohužel ve světě RF není nijak zvlášť jednoduchý pojem.

-3dB šířka pásma

Nejprve máme –3 dB verzi šířky pásma. Pokud popisujete signál v základním pásmu, předpokládám, že šířka pásma představuje frekvenční rozsah od 0 Hz do frekvence, při které má reprezentace signálu ve frekvenční doméně velikost o 3 dB menší. maximální velikost.

Modulované signály a rozteč kanálů

Pak máme šířku pásma, pokud jde o modulované signály a rozestupy kanálů. Problémem je zde frekvenční oddělení požadované pro modulované signály, které mohou vzájemně interagovat.

Pokud konkrétní bezdrátový standard používá kanály se šířkou pásma 1 MHz, znamená to, že celé spektrum modulovaného signálu je v pásmu 1 MHz? Ne, protože malé množství energie nevyhnutelně přesahuje středovou frekvenci spektra.

Jedna z mých učebnic říká, že inženýři RF obvykle používají „99% šířku pásma“, což znamená frekvenční rozsah, který obsahuje 99% výkonu spektra. Jde o to, že pokud jsou kanály odděleny tak, že pouze 1% síly signálu ruší sousední kanály, výkon se významně nesníží. Toto schéma vyjadřuje obecnou myšlenku:

Negativní frekvence

Nakonec je tu problém negativních frekvencí. Někdy šířka pásma obsahuje záporné frekvence; jindy ne.

Například když mluvíme o signálu v základním pásmu, může šířka pásma odkazovat na frekvenční rozsah, který sahá od 0 Hz do některých (kladných) frekvencí souvisejících se spektrem základního pásma. Pokud je však tento signál v základním pásmu posunut na vyšší frekvenci prostřednictvím amplitudové modulace (například), jsou také posunuty záporné frekvence a nyní šířka pásma modulovaného signálu je šířka pásma popsaná v předchozí větě.

Šířka pásma v jiných kontextech

Pokud vás tento článek více informoval o komplikacích spojených s konceptem šířky pásma, doufám, že vám také pomohl pochopit tyto komplikace a jak s nimi zacházet. V příštím článku budeme v této diskusi pokračovat zkoumáním šířky pásma v kontextu digitálních signálů, komunikačních systémů a procesorů.