Сигналами называют информационные коды, которые применяются людьми для того, чтобы передавать сообщения в информационной системе. Сигнал может подаваться, но его получение не обязательно. Тогда как сообщением можно считать только такой сигнал (или совокупность сигналов), который был принят и декодирован получателем (аналоговый и цифровой сигнал).

Одними из первых методов передачи информации без участия людей или других живых существ были сигнальные костры. При возникновении опасности последовательно разводились костры от одного поста к другому. Далее мы будем рассматривать способ передачи информации при помощи электромагнитных сигналов и подробно остановимся на рассмотрении темы аналоговый и цифровой сигнал .

Любой сигнал может быть представлен в виде функции, которая описывает изменения его характеристик. Такое представление удобно для изучения устройств и систем радиотехники. Помимо сигнала в радиотехнике есть еще шум, который является его альтернативой. Шум не несет полезной информации и искажает сигнал, взаимодействуя с ним.

Само понятие дает возможность отвлечься от конкретных физических величин при рассмотрении явлений, связанных с кодированием и декодированием информации. Математическая модель сигнала в исследованиях позволяет опираться на параметры функции времени.

Типы сигналов

Сигналы по физической среде носителя информации делятся на электрические, оптические, акустические и электромагнитные.

По методу задания сигнал может быть регулярным и нерегулярным. Регулярный сигнал представляется детерминированной функцией времени. Нерегулярный сигнал в радиотехнике представлен хаотической функцией времени и анализируется вероятностным подходом.

Сигналы в зависимости от функции, которая описывает их параметры могут быть аналоговыми и дискретными. Дискретный сигнал, который был подвергнут квантованию называется цифровым сигналом.

Обработка сигнала

Аналоговый и цифровой сигнал обрабатывается и направлен на то, чтобы передать и получить информацию, закодированную в сигнале. После извлечения информации ее можно применять в разных целях. В частных случаях информация подвергается форматированию.

Аналоговые сигналы подвергаются усилению, фильтрации, модуляции и демодуляции. Цифровые же помимо этого еще могут подвергаться сжатию, обнаружению и др.

Аналоговый сигнал

Наши органы чувств воспринимают всю поступающую в них информацию в аналоговом виде. К примеру, если мы видим проезжающий мимо автомобиль, мы видим его движение непрерывно. Если бы наш мозг мог получать информацию о его положении раз в 10 секунд, люди бы постоянно попадали под колеса. Но мы можем оценивать расстояние куда быстрее и это расстояние в каждый момент времени четко определено.

Абсолютно то же самое происходит и с другой информацией, мы можем оценивать громкость в любой момент, чувствовать какое давление наши пальцы оказывают на предметы и т.п. Иными словами, практически вся информация, которая может возникать в природе имеет аналоговый вид. Передавать подобную информацию проще всего аналоговыми сигналами, которые являются непрерывными и определены в любой момент времени.

Чтобы понять, как выглядит аналоговый электрический сигнал, можно представить себе график, на котором будет отображена амплитуда по вертикальной оси и время по горизонтальной оси. Если мы, к примеру, замеряем изменение температуры, то на графике появится непрерывная линия, отображающая ее значение в каждый момент времени. Чтобы передать такой сигнал с помощью электрического тока, нам надо сопоставить значение температуры со значением напряжения. Так, например, 35.342 градуса по Цельсию могут быть закодированы как напряжение 3.5342 В.

Аналоговые сигналы раньше использовались во всех видах связи. Чтобы избежать помех такой сигнал нужно усиливать. Чем выше уровень шума, то есть помех, тем сильнее надо усиливать сигнал, чтобы его можно было принять без искажения. Такой метод обработки сигнала затрачивает много энергии на выделение тепла. При этом усиленный сигнал может сам стать причиной помех для других каналов связи.

Сейчас аналоговые сигналы еще применяются в телевидении и радио, для преобразования входного сигнала в микрофонах. Но, в целом, этот тип сигнала повсеместно вытеснен или вытесняется цифровыми сигналами.

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал представлен последовательностью цифровых значений. Чаще всего сейчас применяются двоичные цифровые сигналы, так как они используются в двоичной электронике и легче кодируются.

В отличие от предыдущего типа сигнала цифровой сигнал имеет два значения «1» и «0». Если мы вспомним наш пример с измерением температуры, то тут сигнал будет сформирован иначе. Если напряжение, которое подается аналоговым сигналом соответствует значению измеряемой температуры, то в цифровом сигнале для каждого значения температуры будет подаваться определенное количество импульсов напряжения. Сам импульс напряжения тут будет равен «1», а отсутствие напряжения – «0». Приемная аппаратура будет декодировать импульсы и восстановит исходные данные.

Представив, как будет выглядеть цифровой сигнал на графике, мы увидим, что переход от нулевого значения к максимальному производится резко. Именно эта особенность позволяет принимающей аппаратуре более четко «видеть» сигнал. Если возникают какие-либо помехи, приемнику проще декодировать сигнал, нежели чем при аналоговой передаче.

Однако цифровой сигнал с очень большим уровнем шума восстановить невозможно, тогда как из аналогового типа при большом искажении еще есть возможность «выудить» информацию. Это связано с эффектом обрыва. Суть эффекта в том, что цифровые сигналы могут передаваться на определенные расстояния, а затем просто обрываются. Этот эффект возникает повсеместно и решается простой регенерацией сигнала. Там, где сигнал обрывается, нужно вставить повторитель или уменьшить длину линии связи. Повторитель не усиливает сигнал, а распознает его изначальный вид и выдает его точную копию и может использоваться сколь угодно в цепи. Такие способы повторения сигнала активно применяются в сетевых технологиях.

Помимо всего прочего цифровые системы от аналоговых отличает и возможность кодирования и шифрования информации. Это является одной из причин перехода мобильной связи на «цифру».

Аналоговый и цифровой сигнал и цифро-аналоговое преобразования

Следует еще немного рассказать о том, как аналоговая информация передается по цифровым каналам связи. Вновь прибегнем к примерам. Как уже говорилось звук – это аналоговый сигнал.

Что происходит в мобильных телефонах, которые передают информацию по цифровым каналам?

Звук, попадая в микрофон подвергается аналого-цифровому преобразованию (АЦП). Этот процесс состоит из 3 ступеней. Берутся отдельные значения сигнала через одинаковые отрезки времени, этот процесс называется дискретизация. По теореме Котельникова о пропускной способности каналов, частота взятия этих значений должна быть вдвое выше, чем самая высокая частота сигнала. То есть, если в нашем канале стоит ограничение на частоту в 4 кГц, то частота дискретизации будет составлять 8 кГц. Далее все выбранные значения сигнала округляются или, иначе говоря, квантуются. Чем больше уровней при этом будет создано, тем выше будет точность восстановленного сигнала на приемнике. Затем все значения преобразуются в двоичный код, который передается на базовую станцию и затем доходит до другого абонента, являющегося приемником. В телефоне приемника происходит процедура цифро-аналогового преобразования (ЦАП). Это обратная процедура, цель которой на выходе получить сигнал как можно более идентичный исходному. Далее уже аналоговый сигнал выходит в виде звука из динамика телефона.

3. Сигналы. Виды сигналов и их параметры

Характеристики различных сигналов

Все сигналы могут быть подразделены на периодические и непериодические .

Периодическим называется сигнал, значения которого повторяются через определенные равные промежутки времени, называемые периодом повторения сигнала, или просто периодом . Для непериодического сигнала это условие не выполняется.

Простейшим периодическим сигналом является гармоническое колебание.

где S , w – амплитуда и угловая частота колебания.

Другим примером периодического сигнала является последовательность прямоугольных импульсов (рис. 3.2, а ). Как вы думаете, из чего состоит эта последовательность импульсов? Оказывается, из синусоид. Взгляните на рис. 3.2. В качестве исходной синусоиды выберем такую, у которой период колебаний совпадает с периодом T прямоугольных импульсов (рис. 3.2, б )

, (3.1)

где – амплитуда синусоиды, а .

Колебание (3.2.) заданной частоты и амплитуды можно представить в виде графика: на оси частот отметить значение и изобразить вертикальную линию высотой, равной амплитуде сигнала (см. рис. 3.2, б ).

Следующая синусоида имеет частоту колебаний в 3 раза большую, а амплитуду – в 3 раза меньшую.

Сумма этих двух синусоид пока еще мало похожа на прямоугольные импульсы (рис. 3.2, в ). Но если мы добавим к ним синусоиды с частотами колебаний в 5, 7, 9, 11, и т.д. раз большими, а с амплитудами в 5, 7, 9, 11, и т.д. раз меньшими, то сумма всех этих колебаний:

Рис. 3.2. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов (а) и формирование ее сигнала (б–д)

где , будет не так уже сильно отличатся от прямоугольных импульсов (рис. 3.2, г и д ). Таким образом, степень “прямоугольности” импульсов определяется тем, сколько синусоид со все более высокими частотами колебаний мы будем суммировать.

Может показаться, что представление прямоугольных импульсов в виде совокупности синусоид есть не более чем математический прием и не имеет никакого отношения к реальности. Однако это не так. Радиоинженерам хорошо знакомы приборы (они называются анализаторами спектров), которые позволяют выделить каждую входящую в сложный сигнал синусоиду.

Постоянный ток, является постоянно действующим электрическим сигналом.

Постоянный ток (напряжение), или постоянный сигнал – не изменяющийся по амплитуде и по знаку в течение продолжительного времени электрический сигнал. Источниками постоянного тока служат обычные гальванические элементы - батарейки, аккумуляторы, вторичные источники питания – адаптеры различных бытовых приборов, блоки питания, вмонтированные в различную аппаратуру. Привожу простейшую схему питания постоянным током и его временной (ударение ставить на "о") график (рис.1):

Рисунок 1

На схеме изображены: Gb – гальваническая батарея и R – сопротивление нагрузки (сигнальная лампа).

Понятие постоянный сигнал используется, как правило, в элементах автоматики и цифровой логики и обозначает наличие, или отсутствие напряжения на входе, или выходе какого либо устройства. Состоянию "высокий уровень", или "логическая единица" (участок 3-4) соответствует наличие сигнала. Состоянию "низкий уровень", или "логический ноль" (участки 1-2 и 5-6) соответствует отсутствие сигнала.

К кратковременным сигналам относят: импульсы различной формы и пачки импульсов.

Импульс – это кратковременный сигнал. Импульс может иметь различную амплитуду I(U) , длительность (τ) и форму, вплоть до хаотичной. Все эти параметры определяются источником этого импульса и элементами (электрической цепью) через которую он проходит, изменяясь при этом. На рисунке 2 изображена простейшая схема получения прямоугольного импульса и временной график одиночного прямоугольного импульса.

Рисунок 2

На схеме изображены: Gb – гальваническая батарея, S – выключатель, R – сопротивление нагрузки (сигнальная лампа). На временном графике показан действующий ток (напряжение) в различные временные отрезки:

Участок 1-2 когда S выключен – тока нет;

Участок 2-3 – в момент включения S – ток резко нарастает;

Участок 3-4 когда S включен – ток имеет постоянную величину, этот участок графика имеет свойство постоянного тока;

Участок 4-5 – в момент выключения S – ток резко уменьшается;

Участок 5-6 когда S выключен - тока нет.

Импульс, у которого длительность стремится к нулю, называется гамма-импульс . Объясню проще, гамма-импульс – это участок 2-3 – в момент включения выключателя S на рисунке 2. Выглядит гамма-импульс следующим образом:

Рисунок 3: Гамма-импульс

Источником гамма-импульса может быть любое замыкание электрической цепи, в результате которого происходит искровой разряд. Это может быть: природная молния, искра, возникающая при включении и выключении электроприборов, искра от коллектора работающего щёточного двигателя, или замыкающихся (размыкающихся) контактов реле.

Из всех видов электрических сигналов, гамма-импульс единственный, который присутствует во всех существующих в природе частотах.

В световом спектре: - в инфракрасном, в видимом, в ультрафиолетовом;

В радио спектре: - во всех диапазонах радиоволн;

В звуковом диапазоне: - на высоких и средних частотах, а с уменьшением частоты (где этим можно пренебречь), амплитуда гамма-импульса уменьшается до нуля.

Такое свойство гамма-импульса, назвали "белый шум" . Другими словами говорят: Гамма-импульс имеет спектр частот "белого шума". Возьмите в руки радиоприёмник и встаньте недалеко от работающего сварщика. В моменты образования искры между электродом и свариваемым материалом, Вы увидите искру, кроме того, Вы услышите в приёмнике гул, забивающий сигнал от радиостанции, не зависимо от того, на какую частоту приёмник настроен, но ещё Вы едва услышите слабый звук шипения. Сварщик пользуется маской для того, чтобы не сжечь сетчатку глаз мощным ультрафиолетовым светом, исходящим от сварочной дуги.

Гамма-импульс так же является источником радиации. В зависимости от источника гамма-импульса, амплитуда его спектра в различных диапазонах частот так же различна, в том числе различно и воздействие на человека. Ведь человек не "облучается" радиацией от выключателя в комнате, или сварщик от своего сварочного аппарата.

Гамма-импульс тем больше выражен, чем больше его амплитуда и меньше сопротивление нагрузки. При этом его длительность максимально стремится к нулю, а частотный диапазон расширяется.

Рисунок 4: Спектр Гамма-импульса – "Белый шум"

Известный всем Трансформатор Тесла работает благодаря гамма-импульсу. Если бы не было гамма-импульса в природе, то не было и самого Трансформатора Тесла. Моё личное мнение о возможности существования основывается так же на эффекте гамма-импульса, но это, я излагаю в другом разделе и статье.

Пачка импульсов – это серия импульсов, следующих друг за другом с установленными промежутками времени. В пачке, могут различаться как сами импульсы (по форме, амплитуде, длительности), так и промежутки времени их следования. Дистанционное управление различными радиоустройствами, как правило, производится сигналами, представляющими из себя пачки импульсов. Это пульты дистанционного управления телевизорами, другими бытовыми приборами, автомобильной сигнализацией, а так же более сложными устройствами.

Виды простых периодических сигналов

1. Переменный ток (напряжение) – изменяющийся по амплитуде и по знаку с определённым периодом T (частотой - ƒ ). Обычно переменным током называют - синусоидальный ток. Все другие виды, которые мы рассмотрим ниже, это тоже переменный ток, но они имеют другие специфические названия. Источниками переменного синусоидального тока являются силовые генераторы различных типов и мощности на электростанциях, источники бесперебойного питания компьютеров, которые преобразуют постоянный ток аккумуляторных батарей в переменный ток. Переменный ток, а правильнее – переменное напряжение 220 вольт частотой ƒ = 50 Гц имеется в электрической розетке в каждом доме, если конечно дом не в пещере или глухом лесу. Привожу простейшую схему питания переменным током и его временной график:

Рисунок 5

На схеме: Е – генератор переменного тока. Как видно на графике, переменный ток можно охарактеризовать следующими параметрами: Амплитуда тока I – определяемого нагрузкой, амплитуда напряжения U и частота ƒ . Для всех видов переменного (периодически изменяющегося) тока имеется величина обратная частоте, её называют период T . Период связан с частотой простым выражением:

T = 1 / ƒ

К периодическим сигналам относят все ниже следующие виды сигналов и их разновидности. Источниками этих видов сигналов могут быть специальные генераторы или преобразователи.

2. Периодический прямоугольный сигнал – это сигнал, имеющий прямоугольную форму составляющих его импульсов, амплитуда которых постоянна (одинакова). Частота повторения импульсов ƒ периодического прямоугольного сигнала так же постоянна. Привожу временной график периодического прямоугольного сигнала:

Рисунок 6: Прямоугольный периодический сигнал

Кроме параметров характеризующих синусоидальный сигнал, прямоугольный сигнал характеризуется показателем – скважность импульсов (S ) – это показатель, характеризующий отношение длительности импульсов к длительности их отсутствия.

3. Меандр – периодический сигнал прямоугольной формы, длительность импульса и длительность паузы которого в периоде равны. Другими словами, меандр - периодический прямоугольный сигнал со скважностью, равной 2. Все показатели, характеризующие прямоугольный сигнал, подходят и к Меандру. Привожу временной график меандра:

Рисунок 7: Меандр

4. Пилообразный сигнал – это сигнал, имеющий пилообразную форму составляющих его импульсов, амплитуда и частота следования импульсов, которого постоянна. Привожу временной график пилообразного сигнала:

Рисунок 8: Пилообразный сигнал

Как и прямоугольный сигнал, пилообразный характеризуется показателями – амплитуда импульсов и частота следования (период следования) импульсов. Самое известное распространение пилообразного сигнала это – генераторы развёрток телевизоров и осциллографов с применением кинескопа (электровакуумной трубки).

5. Трапециевидный сигнал – это сигнал, импульсы которого имеют форму трапеции, амплитуда и частота следования импульсов, которого постоянна. Привожу временной график трапециевидного сигнала:

Рисунок 8: Трапециевидный сигнал

Трапециевидный сигнал характеризуется показателями – амплитуда импульсов, частота следования (период следования) импульсов. Это самый редкий из периодических сигналов.

Были перечислены самые важные виды электрических сигналов, все остальные виды – это их модификации (комбинированные сигналы). Кроме того, все электрические сигналы, могут быть смещены, как в область более положительного напряжения, так и в область отрицательного напряжения, их название от этого не меняется. Со всеми вышеперечисленными сигналами Вы будете периодически сталкиваться в радиолюбительской практике.

Бывают более сложные виды сигналов, например модулированные сигналы:

Амплитудно-модулированный сигнал;

Частотно-модулированный сигнал;

Фазо-модулированный сигнал;

Фазо-частотно-модулированный сигнал;

Фазо-кодо-манипулированный сигнал.

Материальными носителями информации являются сигналы различной физической природы. В узком смысле сигналами называют колебания электрического тока, напряжения, электромагнитные волны, механические колебания некоторой упругой среды. Информационные сигналы формируются путем изменения тех или иных параметров носителя по определенному закону. Таким образом, информационным сигналом может быть любой физический процесс, параметры которого способны изменяться в зависимости от передаваемой информации. Этот процесс изменения параметров носителя принято называть модуляцией , а сами параметры информационными . В отличие от сообщения, прием сигнала после его генерации не является обязательным.

При прохождении сигнала по физической среде на него воздействуют различные дестабилизирующие факторы, в результате чего возникают шумы и помехи самой различной природы ( рис. 12.4). При регистрации сигнала основной задачей является выделение из общего сигнала полезной составляющей и максимальное подавление шумов и помех.

Рис. 12.3.

Рис. 12.4.

Чтобы анализировать, исследовать и обрабатывать сигналы необходимо использовать математическую модель сигнала, которая представляет собой математическое описание сигнала. Слово "модель" произошло от латинского modelium, что означает: мера, способ, образ. Назначение модели состоит в том, что она отображает лишь наиболее важные черты сигнала и позволяет абстрагироваться от его физической природы и материальной формы носителя. Как правило, описание сигнала задается функциональной зависимостью его значений от независимой переменной, например, s(t).

Простейшими сигналами являются одномерные сигналы, то есть значение сигнала зависит от одного параметра (например, звуковые сигналы). Пример одномерного сигнала на рисунках 12.3 ,12.4.

Рис. 12.5.

В общем случае сигналы являются многомерными функциями пространственных, временных и прочих координат. Пример – интенсивность компьютерного изображения р(x,y) ( рис. 12.5).

По форме представления сигналы бывают двух типов – аналоговые и цифровые (дискретные) ( рис. 12.6). Аналоговый сигнал определен для любого значения независимого параметра, то есть является непрерывной функцией непрерывного аргумента. Источниками аналоговых сигналов, как правило, являются физические процессы и явления, непрерывные в своем развитии (динамике изменения значений определенных свойств) во времени, в пространстве или по любой другой независимой переменной, при этом регистрируемый сигнал подобен (аналогичен) порождающему его процессу.

Рис. 12.6.

Фундаментальным аналоговым сигналом является синусоида ( рис. 12.7). В общем случае синусоидальный сигнал можно представить так:

Синусоидальный сигнал можно определить тремя параметрами: максимальной амплитудой , частотой и фазой . Максимальной амплитудой называется максимальное значение или интенсивность сигнала во времени; измеряется максимальная амплитуда, как правило, в вольтах. Частотой называется темп повторения сигналов (в периодах за секунду, или герцах). Эквивалентным параметром является период сигнала Т, представляющий собой время, за которое происходит повторение сигнала; следовательно, . Фаза является мерой относительного сдвига по времени в пределах отдельного периода сигнала.

Рис. 12.7.

Большинство аналоговых сигналов в природе имеют более сложную форму. Периодические, то есть повторяющиеся через определенный интервал времени, сигналы произвольной формы, могут быть представлены в виде суммы гармонических колебаний с помощью преобразования Фурье. Применив преобразование Фурье, т.е. сложив вместе достаточное количество синусоидальных сигналов с соответствующими амплитудами, частотами и фазами, можно получить электромагнитный сигнал любой формы. Аналогично, любой сигнал рассматривается как совокупность периодических аналоговых (синусоидальных) сигналов с разными амплитудами, частотами и фазами.

Цифровой сигнал можно выразить следующим образом:

Совокупность спектральных составляющих сигнала образует его спектр . Амплитуда каждой спектральной составляющей характеризует энергию соответствующей гармоники основной частоты сигнала. Чем выше скорость изменения сигнала, тем больше в его спектре высокочастотных гармоник. Разность между максимальной и минимальной частотой в спектре сигнала называется шириной спектра сигнала .

В соответствии с изменением амплитуды аналогового сигнала меняется его мощность или энергия, пропорциональная квадрату амплитуды. В зависимости от времени измерения сигнала различают среднюю и мгновенную мощность . Десятичный логарифм отношения максимальной мгновенной мощности сигнала к минимальной называется динамическим диапазоном сигнала.

Признак защищаемого сигнала, позволяющий обнаруживать и распознавать его среди других сигналов, называется демаскирующим . Признаки сигналов описывают параметры полей и электрических сигналов, генерируемых объектом защиты: мощность, частота, вид сигнала, ширина спектра и т.п.

Аналоговый сигнал описывается набором параметров, являющихся его признаками. К ним относятся параметры, рассмотренные нами ранее:

частота и диапазон частот;
амплитуда (и мощность) сигнала;
фаза сигнала;
длительность сигнала;
вид модуляции ;
ширина спектра сигнала;
динамический диапазон сигнала.

К демаскирующим признакам сигналов можно отнести и время их проявления, в зависимости от которого сигналы делятся на регулярные (получателю известно время появления) и случайные (время появления не известно).

Вид информации, содержащийся в сигнале, изменяет его демаскирующие признаки. Например, сигнал стандартной речи, передаваемой по телефонной линии, имеет ширину спектра 300-3400 Гц, звуковой – 16-20000 Гц, телевизионный – 6-8 МГц и т.д.

У дискретных сигналов амплитуда имеет конечный, заранее определенный набор значений. Наиболее распространенным сигналом, применяемым, в частности, в ЭВМ, является бинарный сигнал. Бинарный сигнал имеет два уровня амплитуды: низкий и высокий.

Дискретный сигнал в общем случае характеризуется следующими параметрами: амплитудой, мощностью, длительностью импульса, периодом, шириной спектра сигнала, скважностью импульсов (отношение периода к длительности одного импульса).

Бинарный периодический сигнал характеризуется следующими параметрами:

При прохождении дискретных сигналов по проводам их спектр изменяется ввиду различных воздействующих факторов извне и свойств среды передачи. В результате искажается их форма и уменьшается крутизна импульсов, что уменьшает дальность их передачи.

Цель рассказа показать в чем суть понятия "сигнал", какие распространённые сигналы существуют и какие у них общие характеристики.

Что такое сигнал? На этот вопрос даже маленький ребёнок скажет, что это "такая штука, с помощью которой можно что-нибудь сообщить". Например, с помощью зеркала и солнца можно передавать сигналы на расстояние прямой видимости. На кораблях, сигналы когда-то передавали с помощью флажков-семафоров. Занимались этим специально обученые сигнальщики. Таким образом с помощью таких флажков передавалась информация. Вот как можно передать слово "сигнал":

В природе существует огромное множество сигналов. Да по сути что угодно может быть сигналом: оставленная на столе записка, какой-нибудь звук -- могут служить сигналом к началу определённого действия.

Ладно, с такими сигналами всё понятно поэтому перейду к электрическим сигналам, которых в природе не меньше чем любых других. Но их хотя бы можно как-то условно разбить на группы: треугольный, синусоидальный, прямоугольный, пилообразный, одиночный импульс и т.д. Все эти сигналы названы так за то, как они выглядят, если их изобразить их на графике.

Сигналы могут быть использованы как метроном для отсчета тактов (в качестве тактирующего сигнала), для отсчета времени, в качестве управляющих импульсов, для управления двигателями или для тестирования оборудования и передачи информации.

Характеристики эл. сигналов

В некотором смысле электрический сигнал -- это график, отражающий изменение напряжения или тока с течением времени. Что по-русски означает: если взять карандаш и по оси Х отметить время, а по Y напряжение или ток, и отметить точками соответствующие значения напряжения в конкретные моменты времени, то итоговое изображение будет показывать форму сигнала:

Электрических сигналов очень много, но их можно разбить на две большие группы:

Однонаправленные
Двунаправленные

Т.е. в однонаправленных ток течет в одну сторону (либо не течет вообще), а в двунаправленных ток является переменным и протекает то "туда", то "сюда".

Все сигналы, независимо от типа, обладают следующими характеристиками:

Период -- промежуток времени, через который сигнал начинает повторять себя. Обозначается чаще всего T
Частота -- обозначает сколько раз сигнал повториться за 1 секунду. Измеряется в герцах. К примеру 1Гц = 1 повторение в секунду. Частота является обратным значением периода ( ƒ = 1/T )
Амплитуда -- измеряется в вольтах или амперах (в зависимости от того какой сигнал: ток или напряжение). Амплитуда обозначает "силу" сигнала. Как сильно отклоняется график сигнала от оси Х.

Виды сигналов

Синусоида

Думаю, что представлять функцию, чей график на картинке выше нет смысла - это хорошо тебе известная sin(x). Её период равен 360 o или 2pi радиан (2pi радиан =360 o).

А если разделить поделить 1 сек на период T, то ты узнаешь сколько периодов укалдывается в 1 сек или, другими словами, как часто период повторяется. То есть ты определишь частоту сигнала! Кстати, она указывается в герцах. 1 Гц = 1 сек / 1 повтор в сек

Частота и период обратны друг другу. Чем длинней период, тем меньше частота и наоборот. Связь между частотой и периодом выражается простыми соотношениями:

Сигналы, которые по форме напоминают прямоугольники, так и называют "прямоугольные сигналы". Их условно можно разделить на просто прямоугольне сигналы и меандры. Меандр - это прямоугольный сигнал, у которого длительность импульса и паузы равны. А если сложить длительность паузы и импульса, то получим период меандра.

Обычный прямоугольный сигнал отличается от меандра тем, что имеет разную длительность импульса и паузы (отсутствие импульса). Смотри картинку ниже -- она скажет лучше тысячи слов.

Кстати, для прямоугольных сигналов существует еще два термина, которые следует знать. Они обратны друг другу (как период и частота). Это скажность и коээффициент заполнения. Скажность (S)равняется отношению периода к длительности импульса и наоборот для коэфф. заполнения.

Таким образом меандр - это прямоугольный сигнал со скважностью равной 2. Так как у него период в два раза больше длительности импульса.

S — скважность, D — коэффициент заполнения, T — период импульсов, — длительность импульса.

Кстати, на графиках выше показаны идеальные прямоугольные сигналы. В жизни они выглядят слегка иначе, так как ни в одном устройстве сигнал не может измениться абсолютно мгновенно от 0 до какого-то значения и обратно спуститься до нуля.

Если подняться на гору, а затем сразу спуститься и записать изменение высоты нашего положения на графике, то получим треугольный сигнал. Груое сравнение, но правдивое. В треугольный сигналах напряжение (ток) сначала возрастает, а затем тут же начинает уменьшаться. И для классического треугольного сигнала время возрастания равно времени убывания (и равно половине периода).

Если же у такого сигнала время возрастания меньше или больше времени убывания, то такие сигналы уже называют пилообразными. И о них ниже.