3. Сигналы. Виды сигналов и их параметры. Введение в специальность

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.

Тот факт, что сигнал произвольной формы (а не только прямоугольные импульсы) можно “разложить” на сумму обыкновенных синусоид, впервые доказал в 20-х годах прошлого века французский математик Ж. Фурье. Такой набор синусоид получил название спектра сигнала. Каждый сигнал (отличающийся от других по форме) имеет свой сугубо индивидуальный спектр, т.е. может быть получен только из синусоид со строго определенными частотами и амплитудами.

Непериодический сигнал легко получить из периодического, увеличивая период вплоть до (рис. 3.3, а–г). Спектр амплитуд для сигналов с разными периодами показаны на рис. 3.4, а–в.

Рис. 3.3. Увеличение периода последовательности прямоугольных импульсов

При увеличении периода сигнала частота первой гармоники

понижается. Спектральные линии становятся гуще. Амплитуды гармоник уменьшаются. Последнее становится понятным, если учесть, что энергия сигнала, оставаясь неизменной, перераспределяется теперь между возросшим числом гармоник. Естественно, доля каждой гармоники в общем сигнале падает.

Следовательно, при переходе к непериодическому сигналу (например, к одиночному импульсу) мы получаем в спектре такого сигнала вместо отдельных гармоник бесконечно большое число синусоидальных колебаний с бесконечно близкими частотами, заполняющими всю шкалу частот. Причем амплитуда каждого такого колебания становится исчезающе малой, потому что на его долю приходится бесконечно малая часть энергии сигнала. Другими словами, в любой бесконечно узкой полосе частот мы всегда обнаружим синусоидальное колебание, правда, бесконечно малой амплитуды.

Рис. 3.4. Спектры амплитуд периодических последовательностей импульсов с разными периодами а–в см. в тексте

Поскольку сравнивать между собой бесконечно малые величины неудобно, то вместо амплитуд

по оси ординат откладывают произведение , которое с увеличением периода Т остается постоянным. В новых координатах спектры, показанные на рис. 3.4, а–в, будут выглядеть так, как показано на рис. 3.5, а–г. Понятие спектра амплитуд здесь лишено смысла и заменяется понятием спектральной плотности амплитуд , которая указывает, по сути, на удельный вес бесконечно малой амплитуды синусоидального колебания в любой бесконечно узкой полосе частот. Понятие спектра фаз заменяется понятием спектральной плотности фаз. Таким образом, спектр непериодического сигнала является в общем случае не дискретным, а непрерывным.

Рис. 3.5. Переход к спектральной плотности (г) одиночного прямоугольного импульса а–в см. в тексте

Уровни сигналов

Для сравнения мощностей сигналов, передаваемых по системе электросвязи, часто пользуются логарифмическими единицами – децибелами. Децибел (русское обознач. ДБ, международное – dB), как показывает приставка “деци”, составляет десятую часть другой, более крупной единицы, названной белом в честь А.Г. Белла – изобретателя телефона. Бел – это десятичный логарифм отношения двух мощностей. Если известны две мощности: Р₁ и Р₂, то их отношение, выраженное в белах, определяется формулой p=lg(P₂/P₁).

Для практики бел – слишком крупная величина. Обычно отношение мощностей выражают в децибелах, для чего при расчетах пользуются формулой p=10lg(p₂/p₁).

Динамический диапазон и пик-фактор сигналов. Мгновенная мощность сигналов связи может принимать различные значения в самых широких пределах. Чтобы охарактеризовать эти пределы, вводят понятия динамического диапазона и пик-фактора сигналов.

Динамический диапазон сигнала, дБ, определяется выражением:

D_c=10lg(P_max/P_min),

где P_max, P_min – максимальное и минимальное значения мгновенной мощности.

Пик-фактором сигнала называют отношение его максимальной мощности к средней, выраженное в логарифмических единицах:

Q=10lg(P_max/P_ср).

Пример. Пусть имеется периодический прямоугольный сигнал

Он может быть разложен на составляющие с частотами f₁=1/T, f₃=3/T, f₅=5/T и т.д. Число составляющих бесконечно, но чем выше частота, тем меньше амплитуда. Следовательно, теоретически полоса частот, которую занимает данный сигнал, стремится к Ґ .

Для передачи такого сигнала требуется канал, имеющий бесконечную полосу пропускания. Во-первых, таких каналов нет, во-вторых, чем шире полоса пропускания канала, тем он дороже. Но т.к. чем выше частота составляющей, тем ниже амплитуда, то составляющими с частотой і f

n можно пренебречь.

Возьмём только составляющие f₁, f₃, f₅. Полоса частот, которую занимают эти составляющие, f₅ – f₁=D f_c.

Пусть f₁=1000 Гц, f₃=3000 Гц, f₅=5000 Гц.

Занимаемая этими составляющими, полоса частот:

5000-1000 = 4000 Гц.

Уменьшим длительность единичного элемента в 3 раза, тогда f₁=3000 Гц, f₃=9000 Гц, f₅=15000 Гц и занимаемая полоса 12000 Гц.

Вывод. Чем меньше длительность единичного элемента (t ₀), тем шире полоса частот, занимаемая сигналом!

Отсюда следствие: чем больше скорость телеграфирования В, тем шире полоса частот, занимаемая сигналом, и тем шире требуется канал и, следовательно, тем дороже доставка информации.

Сигналы электросвязи и их спектры. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся сигналы электросвязи и обсудим их спектры.

Телефонные (речевые) сигналы. Человек набрал в легкие воздух и издал звук. Что же произошло? Воздух, выходя из легких, заставляет вибрировать голосовые связки. От них колебания воздуха передаются через гортань голосовому аппарату, заканчивающемуся ротовой и носовой полостями (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Кривая звукового давления при произнесении звука «а» мужским голосом

Последние выполняют роль резонаторов – они усиливают колебания воздуха, подобно тому, как полый корпус гитары или скрипки, также являясь резонатором, усиливает звуки струн. Колебания воздуха из голосового аппарата человека передаются окружающему воздуху. Возникает звуковая волна. Характер издаваемого звука определяется натяжением голосовых связок, формой ротовой полости, положением языка, губ и т.д.Из описания голосового аппарата человека нетрудно понять, что голосовые связки играют роль своеобразных струн, они создают основной тон и обильное количество обертонов. Частота основного тона речи лежит в пределах от 50…80 Гц (очень низкий голос – бас) до 200…250 Гц (женский и детский голоса). При разговоре частота основного тона меняется в значительных пределах, особенно при переходе от гласных звуков к согласным и наоборот.

В совместном звучании основной тон и обертоны создают соответствующую окраску звука или тембр. Один тембр отличается от другого числом и силой обертонов. При преобладании в человеческом голосе высоких обертонов над низкими мы слышим в нем “звучание металла”. Люди, у которых в голосе преобладают низкие обертоны, говорят мягким, бархатным голосом.

Для получения формы кривой звукового давления, создаваемого речью человека, нужно сложить синусоидальные кривые основного тона и обертонов. Из-за наличия большого числа обертонов форма результирующей кривой будет сложной. На рис. 3.6 показано, какое давление создает звук “а”, произнесенный мужским голосом с частотой основного тона 200 Гц (период основного тона 5 мс). Для передачи звука на расстояние он в телефонном аппарате превращается в сигнал. Для этой цели служит микрофон.

Рис. 3.7. Превращение звука в электрический сигнал с помощью микрофона

Телефон был изобретен А.Г. Беллом, учителем в школе глухонемых в американском городе Бостоне в 1876 г. С тех пор в его конструкцию было внесено много усовершенствований. В частности, в современном телефоне используется чувствительный угольный микрофон (рис. 3.7). В нем мембрана соприкасается с угольным порошком. Пока в микрофон не говорят, сопротивление порошка остается неизменным и через него от батареи в линию (провода) протекает постоянный ток. Стоит произнести в микрофон какое-нибудь слово, порошок под действием колеблющейся мембраны будет то спрессовываться, то разрыхляться. Изменение плотности порошка приводит к изменению его электрического сопротивления, а значит, и к изменению тока, текущего через порошок. В проводах, идущих от микрофона, рождается электрический ток, повторяющий форму звукового давления.

Изучение речи показывает, что речь – это процесс, частотный спектр которого находится в пределах от 50…100 до 8000…10000 Гц. Установлено однако, что качество речи остается вполне удовлетворительным, если ограничить спектр снизу и сверху частотами 300 и 3400 Гц. Эти частоты приняты Международным союзом электросвязи (МСЭ) в качестве границ эффективного спектра речи. При указанной полосе частот сохраняется хорошая разборчивость речи и удовлетворительная натуральность ее звучания.

Рис. 3.8. Спектр человеческой речи

На рис. 3.8 показан спектр речи. Как видно из рисунка, некоторые частотные составляющие речи усилены, а другие ослаблены. Усиленные области спектра частот называются формантами. Звуки речи различных людей отличаются числом формант и их расположением в частотном спектре. Отдельные звуки могут иметь до шести формант, из которых только одна или две являются определяющими. Они обязательно находятся в диапазоне частот 300…3400 Гц. Между формантами лежат менее мощные составляющие звуковых частот. Однако именно они придают голосу каждого человека индивидуальность, позволяющую узнавать говорящего.

Сигналы звукового вещания. Источниками звука при передаче программ вещания обычно являются музыкальные инструменты или голос человека. Формирование сигналов звукового вещания и их прием осуществляется так же, как и телефонных сигналов. Используются лишь другие типы микрофонов.

Спектр звукового сигнала занимает полосу частот 20…20000 Гц. Однако в зависимости от требований к качеству воспроизведения ширина спектра сигнала вещания может быть ограничена. Для достаточно высокого качества (каналы вещания первого класса) полоса частот должна составлять 50…10000 Гц, для безукоризненного воспроизведения программ вещания (каналы высшего класса) – 30…15000 Гц.

Факсимильные сигналы. Обратите внимание на то, как вы читаете книгу. Ваши глаза скользят по строке слева направо, затем вы переходите к началу другой строки и т.д. до конца страницы. Словом вы “просматриваете” все элементы строки последовательно. Можно сказать, что при чтении книги происходит построчная развертка текстового изображения.

Именно по такому принципу “просматривается” изображение в современных факсимильных аппаратах, предназначенных для передачи на расстоянии различного рода неподвижных изображений (документов, чертежей, рисунков, фотографий). Для этого с помощью источника света и системы оптических линз формируют световое пятно так, чтобы освещать на передаваемом изображении площадку размером, скажем, 0,2ґ 0,2 мм. Это световое пятно перемещается сначала вдоль одной строки, затем переходит на другую и движется по ней – и так до конца последней строки. Свет, отражаясь от каждой элементарной площадки, попадает на фотоэлемент и вызывает в его цепи ток (рис. 3.9). Значение этого тока зависит от яркости отраженного света, а последняя – от яркости освещенной площадки. Таким образом, при переходе светового пятна на изображении от одной элементарной площадки к другой ток в цепи фотоэлемента меняется пропорционально яркости площадок: мы получаем точную электрическую копию изображения.

Рис. 3.9. Преобразование изображения в электрический сигнал в факсимильном аппарате

Рассмотрим изображение, состоящее только из двух цветов: черного и белого, например, страницу книги, какой-либо чертеж и т.п. Очевидно, каждый элемент изображения (напомним, что размером он всего 0,2ґ 0,2 мм) будет представлять собой либо черную, либо белую площадку, напоминая чередованием шахматную доску. Черные площадки практически полностью поглощают падающий на них свет. Яркость отраженного ими света при этом настолько ничтожна, что при просмотре черных площадок ток в цепи фотоэлемента не возникает. Наоборот, площадки белого цвета почти полностью отражают падающий на них свет, и при попадании на них светового луча ток в цепи фотоэлемента скачком принимает максимальное значение. Таким образом, перемещая световое пятно, а вслед за ним и фотоэлемент вдоль каждой строки изображения, получаем на выходе фотоэлемента последовательность импульсов (рис. 3.9).

При таком “шахматном” чередовании элементов изображения спектр факсимильного сигнала будет шире, чем для любого другого изображения, поскольку круче фронтов импульсов, чем у прямоугольных, не бывает.

Ширина спектра факсимильного сигнала зависит от скорости развертки изображения и размеров светового пятна.

На стандартном листе бумаги формата А4 в строке помещается примерно 1000 черно-белых элементов изображения при ширине пятна 0,2 мм. Если в факсимильном аппарате скорость развертки составляет 60 строк/мин, т.е. каждая строка считывается за 1 с, то за эту секунду 500 раз будет осуществлен переход с черного на белое, или наоборот. Это означает, что максимальная частота чередования импульсов равна 500 Гц. При ширине светового пятна 0,1 мм в строке будет в 2 раза больше элементов изображения, и максимальная частота чередования импульсов повысится до 1000 Гц. Так как для сохранения хорошей степени “прямоугольности” импульсов нужно передавать кроме основной гармоники еще и несколько высших, то ширина спектра факсимильного сигнала может простираться до 1,5…3,0 кГц.

При увеличении скорости развертки изображения черные и белые площадки будут считываться чаще и, следовательно, спектр факсимильного сигнала будет шире. При передаче изображений с полутонами получается сигнал сложной формы, спектр которого является непрерывным и соединяет все частоты от нуля до максимальной.

Факсимильная связь широко используется для передачи газетных полос (т.е. их изображений) в пункты централизованного печатания. Для передачи газет используют специальные высокоскоростные факсимильные аппараты с шириной светового пятна 0,05 мм. Повышенная скорость развертки позволяет передавать одну газетную полосу за 2–3 минуты. Это приводит к расширению спектра факсимильного сигнала до 180 кГц.

Телевизионные сигналы. Любое подвижное изображение – это, как правило, смена через каждые 40 мс одного неподвижного изображения другим (25 кадров в 1 с). За время между сменой кадров нужно успеть просмотреть все неподвижное изображение, которое содержит полмиллиона элементарных площадок или элементов изображения (625 строк по 833 элемента в строке). Значит, каждый элемент изображения придется рассматривать в течение одной полумиллионной доли от отведенных на весь кадр 40 мс. Это непостижимо короткий отрезок времени – всего две десятимиллиардных доли секунды! Ясно, что ни одно механическое устройство не способно перемещать световое пятно и фотоэлемент по строкам изображения с такой скоростью.

Вы никогда не задумывались над тем, что вы видите на экране телевизора, когда усаживаетесь перед ним в свободный вечер? Изображение? Нет, в действительности на экране никакого изображения нет, абсолютно никакого! Если бы мы сумели открыть глаза на какую-то ничтожную долю секунды (а речь идет о миллионных и даже миллиардных долях), то увидели бы на экране всего одну светящуюся точку. Это она бежит с невероятной скоростью по экрану, оставляя в нашем глазу след (мы видим то, чего уже нет, еще в течение 0,1 с), изменяющийся по яркости.

Что же заставляет светящуюся точку перемещаться с такой головокружительной быстротой? Электронный луч. Это он способен почти мгновенно отклоняться под действием изменяющегося магнитного поля и развертывать “картинки”. Это его можно очень точно сфокусировать с помощью специальных электрических “линз”. Первые опыты с электронным лучом начались в самом начале XX в. Еще в 1907 г. профессор Петербургского технологического института Б.Л. Розинг сконструировал первую электронно-лучевую трубку и получил на ней изображение, правда, невысокого качества. Изобретение в начале 30-х годов этого столетия первых качественных передающих трубок связано с именами советских ученых, пионеров отечественного телевидения С.И. Катаева и П.И. Шмакова.

Как бы не отличались конструкции передающих телевизионных трубок разных лет, все они в чем-то имитируют глаз. Роль хрусталика выполняет объектив, роль зрачка – диафрагма. Имеется в трубке и своя “сетчатка” – пластинка, напоминающая пчелиные соты, в ячейках которых располагаются микроскопические фотоэлементы. Конечно, их намного меньше, чем фоторецепторов в глазу: всего около 0,5 млн. Изображение, которое нужно превратить в серию электрических импульсов, проектируется с помощью объектива на эту искусственную “сетчатку”. Каждый микроскопический фотоэлемент (представляющий собой капельку светочувствительного серебряно-цезиевого сплава) получает свою порцию света и, если его подключить к внешней цепи, создаст ток, пропорциональный освещенности. Что касается электронного луча, то он как раз и подключает поочередно каждый из 500000 фотоэлементов к внешней цепи трубки, причем отводится ему на это всего 40 мс, пока не сменится кадр. Таким образом, на одном элементе изображения луч “задерживается” не более 80 миллиардных долей секунды (т.е. 80 нс). Величина тока во внешней цепи трубки отражает в каждый момент времени яркость соответствующего элемента изображения, спроектированного объективом на “сетчатку” передающей трубки, и является точной электронной копией передаваемого изображения.

Подсчитаем ширину спектра телевизионного сигнала. Пусть и на этот раз чередуются черные и белые площадки (элементы). Всего таких элементов будет 625 строк ґ 833 элемента = 520 625. В секунду меняется 25 кадров, т.е. 25 ґ 520 625 = 133 015 625 элементов. Значит переход с черного на белое, или наоборот, происходит примерно 6500000 раз в 1 с. Максимальная частота повторения импульсов равна 6,5 мГц, что и принято за верхнюю границу ширины спектра телевизионного сигнала. Нижней границей считают 50 Гц (нижняя граница сигнала звукового сопровождения).

Во время смены строк и кадров развертывающий луч приемной трубки должен быть погашен. Кроме того, необходимо синхронизировать лучи приемной и передающей трубок. Таким образом, кроме сигнала изображения необходимо передавать вспомогательные управляющие импульсы (гасящие и синхронизирующие). Электрический сигнал, включающий в себя сигнал изображения и управляющие импульсы, называется полным телевизионным сигналом.

В системах цветного телевидения передаваемое изображение расчленяется с помощью светофильтров на три одноцветных изображения – красное, зеленое и синее. Красные, зеленые и синие лучи попадают каждый на свою телевизионную трубку. В приемном устройстве путем сложения трех одноцветных изображений воспроизводится передаваемое цветное изображение.

Таким образом, спектр телевизионного сигнала простирается от 50 Гц до 6,5 мГц.

Телеграфные сигналы и сигналы передачи данных. Все рассматриваемые до сих пор сообщения и сигналы являются непрерывными. Сообщения и сигналы телеграфии и передачи данных относятся к дискретным.

Устройства преобразования телеграфных сообщений и данных в электрический сигнал представляют каждый знак сообщения (букву, цифру) в виде определенной комбинации импульсов и пауз одинаковой длительности. Импульс соответствует наличию тока на выходе устройства преобразования (например, телеграфного аппарата), пауза – отсутствию тока.

В телеграфии таблица, которая ставит в соответствие буквам, цифрам и другим знакам комбинации импульсов и пауз, называется телеграфным кодом. Если обозначить импульс через 1, а паузу через 0 и воспользоваться международным телеграфным кодом МТК-2, то можно, например, знак А записать в виде 11000, знак В – в виде 10011 и т.д.

Для передачи данных используют более сложные коды, которые позволяют обнаруживать и исправлять ошибки в принятой комбинации импульсов, возникающие от действия помех.

Устройства преобразования сигналов телеграфии и передачи данных в сообщения по принятым комбинациям импульсов и пауз восстанавливают в соответствии с таблицей кода знаки сообщения (буквы, цифры и др.) и выдают их на печатающее устройство либо на экран дисплея.

Рис. 3.10. Представление потока импульсов (а) в виде регулярной (б) и случайной (в) составляющих

Заметим, что чем меньше длительность импульсов, отображающих сообщения, тем больше их будет передано в единицу времени. Величина, обратная длительности импульса, называется скоростью телеграфирования: , где – длительность импульса, с.

В честь французского инженера Ж. Бодо единицу скорости телеграфирования назвали бодом. При длительности импульса = 1 с скорость В = 1 Бод. В телеграфии используются импульсы длительностью 0,02 с, что соответствует стандартной скорости телеграфирования 50 Бод. Применяются и другие скорости телеграфирования (например, 75 Бод). Скорости передачи данных существенно выше. Существует аппаратура передачи данных со скоростями 200, 600, 1200 Бод и более.

Сигналы телеграфии и передачи данных обычно имеют вид последовательностей прямоугольных импульсов.

Посмотрите внимательно на рис. 3.10. Можно представить (разумеется, чисто условно) поток импульсов в виде суммы двух последовательностей: регулярной и случайной. Спектр регулярной последовательности дискретный и создает нечетные гармоники тактовой частоты (т.е. частоты следования), а случайная последовательность имеет непрерывный заштрихованный спектр. Эти спектры показаны на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Спектры случайной (а) и регулярной (б) составляющей потока импульсов

При передаче двоичных сигналов (т.е. 0 и 1) нет необходимости восстанавливать в приемнике импульсы без искажений, т.е. сохранять их форму; для восстановления информации достаточно зафиксировать только знак импульса при двуполярном сигнале либо наличие или отсутствие при однополярном сигнале. Расчеты показывают, что импульсы можно уверенно зафиксировать, если для их передачи используется ширина полосы частот, численно равная скорости передачи в бодах. Так, для стандартной скорости телеграфирования 50 Бод ширина спектра телеграфного сигнала составит 50 Гц. При скорости 2400 Бод (среднескоростная система передачи данных) ширина спектра сигнала равна примерно 2400 Гц.

Для удобства спектры основных сигналов электросвязи сведены в табл. 3.1. Даже беглый взгляд на табл. 3.1 позволяет понять, что для передачи разных видов сигналов требуется различная ширина полосы пропускания системы электросвязи.

Таблица 3.1. Ширина спектров сигналов электросвязи

Вид сигнала	Ширина спектра, Гц
Телеграфный	0…100
Передачи данных со скоростью 2 400 Бод	0…2 400
Телефонный	300…3 400
Звукового вещания	50…10 000
Факсимильный – при скорости 120 мин-1 – при передаче газет	0…1 465 0…180 000
Телевизионный	50…6 000 000

Контрольные вопросы

1. На какие простейшие составляющие “раскладывается” периодически повторяющийся прямоугольный импульс?
2. Чем отличается спектр периодического сигнала от спектра непериодического сигнала?
3. У какого импульса амплитуда спектральных составляющих убывает быстрее: а) более короткого или более длинного? б) с более крутым фронтом или с более пологим? в) повторяющегося чаще или реже?
4. Какие частотные диапазоны занимают спектры основных сигналов электросвязи

Список литературы

1. Бакалов В.П., Дмитриков В.Ф., Крук Б.И. Основы теории цепей: Учебник для вузов; Под ред. В.П.Бакалова. – М.: Радио и связь, 2000. – 592 с.
2. Бакалов В.П., Воробиенко П.П., Крук Б.И. Теория электрических цепей. Учебник для вузов: под ред. В.П. Бакалова – М.: Радио и связь. 1998. – 444 с.
3. Бакалов В.П., Журавлева О.Б., Крук Б.И. Анализ линейных электрических цепей: Учебное пособие для дистанционного обучения. – Новосибирск: СибГУТИ. 2001г.

Что такое сигнал. Виды сигналов

Практически с самого момента зарождения человеческие племена столкнулось с необходимостью не только накапливать информацию, но и обмениваться ею друг с другом. Однако если с ближними сделать это было не так уже и сложно (язык и письменность), то с теми, кто находился на дальних расстояниях, данный процесс вызывал некоторые проблемы.

Со временем они были решены с помощью изобретения сигнала. Виды сигналов поначалу были довольно примитивными (дымовые, звуковые и т. п.), но постепенно человечество открывало новые законы природы, что способствовало изобретению новых способов для передачи информации. Давайте узнаем, какие виды сигналов бывают, а также рассмотрим, какими из них чаще всего пользуются в современном обществе.

Что называется сигналом

Под этим словом подразумевается закодированная одной системой информация, которая передается по специальному каналу и может быть декодирована другой системой.

Многие ученые полагают, что способность биологических организмов или даже отдельных клеток взаимодействовать между собою (сигнализируя о наличии питательных веществ или опасности) стала основной движущей силой эволюции.

В качестве сигнала может выступать каждый физический процесс, параметры которого адаптируются под тип передаваемых данных. К примеру, в системе телефонной связи передатчик преобразует слова говорящего абонента в электрический сигнал напряжения, который по проводам передается к принимающему аппарату, возле коего находится слушающий человек.

Сигнал и сообщение

Эти два понятия весьма близки по значению – они содержат в себе определенные данные, передающиеся от отправителя к получателю. Однако между ними есть ощутимое отличие.

Для реализации поставленной цели сообщение обязательно должно быть принято адресатом. То есть его жизненный цикл состоит из трех этапов: кодирование информации – передача — декодирование сообщения.

В случае с сигналом его принятие не является обязательным условием его существования. То есть зашифрованную в нем информацию возможно декодировать, но будет ли это сделано кем-то – неизвестно.

Классификация по разным критериям сигналов: основные виды

В природе существует немало разновидностей сигналов, обладающих разными особенностями. В связи с этим для их классификации используют различные критерии этих явлений. Таким образом, выделяют три категории:

• По способу подачи (регулярный/нерегулярный).
• По типу физической природы.
• По типу функции, описывающей параметры.

Сигналы по типу физической природы

В зависимости от способа образования, виды сигналов бывают следующими.

• Электрические (носитель информации — изменяющиеся во времени ток или напряжение в электрической цепи).
• Магнитные.
• Электромагнитные.
• Тепловые.
• Сигналы ионизирующих излучений.
• Оптические/световые.
• Акустические (звуковые).

Виды сигналов последние два также являются простейшими примерами коммуникационных технических операций, цель которых — оповещение об особенностях сложившейся ситуации.

Чаще всего их используют для предупреждения об опасности или неисправностях системы.

Нередко звуковые и оптические разновидности используются в качестве координирующих для налаженной работы автоматизированного оборудования. Так некоторые виды сигналов управления (команды) являются стимулирующими для системы, чтобы начать действовать.

К примеру, в противопожарных сигнализациях при обнаружении следов дыма датчиками они издают пронзительный звук. Тот, в свою очередь, воспринимается системой как управляющий сигнал для тушения очага возгорания.

Еще одним примером того, как сигнал (виды сигналов по типу физической природы перечислены выше) активизирует работу системы в случае опасности, является терморегуляция человеческого организма. Так, если вследствие различных факторов температура тела повышается, клетки «информируют» мозг об этом, и он включает «систему охлаждения организма», более известную всем как потоотделение.

По типу функции

По данному параметру выделяется разные категории.

• Аналоговые (непрерывные).
• Квантовые.
• Дискретные (импульсные).
• Цифровой сигнал.

Все эти виды сигналов – электрические. Обусловлено это тем, что их не только легче обрабатывать, но и они без труда передаются на длинные дистанции.

Что такое аналоговый сигнал и его виды

Такое название носят сигналы естественного происхождения, изменяющиеся непрерывно во времени (континуальные) и способные принимать разные значения на некотором интервале.

Благодаря своим свойствам, они прекрасно подходят для передачи данных в телефонной связи, радиовещании, а также телевидении.

Фактически, все остальные виды сигналов (цифровые, квантовые и дискретные) по своей природе – это преобразованные аналоговые.

В зависимости от непрерывных пространств и соответствующих физических величин, выделяются разные виды аналоговых сигналов.

• Прямая.
• Отрезок.
• Окружность.
• Пространства, характеризующиеся многомерностью.

Квантованный сигнал

Как уже было сказано в прошлом пункте, это все тот же аналоговый вид, однако его отличие состоит в том, что он подвергся квантованию. При этом вся область значений его поддалась разбивке на уровни. Их количество представляется в числах заданной разрядности.

Обычно данный процесс на практике используется при сжатии звуковых или оптических сигналов. Чем больше уровней квантования, тем более точной становится трансформация аналогового вида в квантовый.

Рассматриваемая разновидность также относится к тем, которые возникли искусственным путем.

Во многих классификациях видов сигналов сигнал этот не выделяется. Однако он существует.

Дискретный вид

Этот сигнал также относится к искусственным и имеет конечное число уровней (значений). Как правило, их два или три.

На практике различие дискретного и аналогового способов передачи сигналов можно проиллюстрировать, сравнив запись звука на виниловой пластинке и компакт-диске. На первой информация подана в виде непрерывной звуковой дорожки. А вот на втором – в виде выжженных лазером точек с разной отражающей способностью.

Этот вид передачи данных возникает путем преобразования непрерывного аналогового сигнала в набор дискретных значений в форме двоичных кодов.

Упомянутый процесс именуется дискретизацией. В зависимости от количества символов в кодовых комбинациях (равномерное/неравномерное) его делят на два вида.

Цифровые сигналы

Сегодня этот способ передачи информации настойчиво вытесняет аналоговый. Как и два предыдущих, он также является искусственным. На практике он представлен в виде последовательности цифровых значений.

В отличие от аналогового, рассматриваемый намного быстрее и качественнее передает данные, параллельно очищая их от шумовых помех. Одновременно в этом заключается и слабость цифрового сигнала (виды сигналов остальные — в предыдущих трех пунктах). Дело в том, что фильтрованная таким способом информация теряет «зашумленные» частицы с данными.

На практике это означает, что из передаваемого изображения исчезают целые куски. А если речь идет о звуке – слова или даже целые предложения.

Фактически, любой аналоговый сигнал может быть модулирован в цифровой. Для этого он подвергается одновременно двум процессам: дискретизации и квантованию. Являясь отдельным способом передачи информации, цифровой сигнал не делится на виды.

Его популярность способствует тому, что в последние годы телевизоры нового поколения создаются специально для цифрового, а не аналогового способа передачи изображения и звука. Однако их можно подключать к обычным телевизионным кабелям с помощью адаптеров.

Модуляция сигналов

Все вышеперечисленные способы передачи данных связаны с таким явлением, как модуляция (для цифровых сигналов — манипуляция). Зачем она нужна?

Как известно, электромагнитные волны (с помощью которых переносятся разные виды сигналов) склонны к затуханию, а это существенно уменьшает дальность их передачи. Чтобы этого не произошло, низкочастотные колебания переносятся в область длинных высокочастотных волн. Это явление и называется модуляцией (манипуляцией).

Помимо увеличения расстояния передачи данных, благодаря ей повышается помехоустойчивость сигналов. А также появляется возможность одновременно организовывать сразу несколько независимых каналов передачи информации.

Сам процесс выглядит следующим образом. В прибор, именуемый модулятором, поступают одновременно два сигнала: низкочастотный (несет определенную информацию) и высокочастотный (безинформационный, зато способен передаваться на длинные дистанции). В этом устройстве они преобразуются в один, который одновременно совмещает в себе достоинства их обоих.

Виды выходных сигналов зависят от измененного параметра входного несущего высокочастотного колебания.

Если оно гармоническое – такой процесс модуляции именуется аналоговым.

Если периодическое – импульсным.

Если несущим сигналом является просто постоянный ток – такая разновидность называется шумоподобной.

Первых два вида модуляции сигналов, в свою очередь, делятся на подвиды.

Аналоговая модуляция бывает такой.

• Амплитудная (АМ) – изменение амплитуды несущего сигнала.
• Фазовая (ФМ) – меняется фаза.
• Частотная – влиянию подвергается только частота.

Виды модуляции сигналов импульсных (дискретных).

• Амплитудно-импульсная (АИМ).
• Частотно-импульсная (ЧИМ).
• Широтно-испульсная (ШИМ).
• Фазо-импульсная (ФИМ).

Рассмотрев, какие существуют способы передачи данных, можно сделать вывод, что, независимо от их вида, все они играют важную роль в жизни человека, помогая ему всесторонне развиваться и защищая от возможных опасностей.

Что касается аналогового и цифрового сигналов (с помощью которых передается информация в современном мире) то, вероятнее всего, в ближайшие двадцать лет в развитых странах первый будет практически полностью вытеснен вторым.

виды сигналов, особенности, сферы применения и отзывы. Виды модуляции сигналов :: SYL.ru

Рассматривая сигналы и виды сигналов, необходимо сказать, что существуют различное количество данных связей. Каждый день любой человек сталкивается с использованием электронного прибора. Без них современная жизнь уже никому не представляется. Речь идет о работе телевизора, радио, компьютере и так далее. Раньше никто не задумывался о том, какой сигнал используется во многих работоспособных приборах. Сейчас же уже давно на слуху слова аналоговый, цифровой и дискретный.

Не все, однако некоторые из вышеперечисленных сигналов считаются довольно качественными и надежными. Цифровая передача используется не так давно, как аналоговая. Это связано с тем, что техника стала поддерживать данный вид только недавно, открыт был этот вид сигнала также сравнительно не так давно. С дискретностью любой человек сталкивается постоянно. Говоря о видах обработки сигнала, необходимо напомнить, что этот немного прерывистый.

Если углубляться в науку, то следует сказать, что дискретной является передача информации, которая позволяет переносить данные и изменять время среды. Благодаря последнему свойству дискретный сигнал может принимать любое значение. На данный момент этот показатель уходит на второй план, после того как большинство техники начали производить на чипах.

Цифровой и другие сигналы целостные, компоненты взаимодействуют друг с другом на все 100 %. В дискретности же все наоборот. Дело в том, что здесь каждая деталь работает самостоятельно и отвечает за свои функции отдельно.

Сигнал

Рассмотрим виды сигналов связи чуть позже, сейчас же следует познакомиться с том, что же собой представляет в принципе сам сигнал. Это обычный код, который передается по воздуху системами. Это формулировка общего типа.

В сфере информации и некоторых других технологий имеется специальный носитель, который позволяет передавать сообщения. Его можно создать, но принять невозможно. В принципе в некоторых системах его могут принять, но это не обязательно. Если сигнал будет считаться сообщением, то «поймать» его нужно обязательно.

Подобный код передачи данных можно назвать обычной математической функцией. Он описывает любое изменение доступных параметров. Если рассматривать радиотехническую теорию, то следует сказать, что такие опции считаются базовыми. Следует заметить, что понятие «шум» является аналогичным сигналу.

Он искажает его, может накладываться на уже переданный код, а также сам собой представляет функцию времени. В статье будут ниже охарактеризованы сигналы и виды сигналов, речь идет о дискретном, аналоговом и цифровом. Коротко рассмотрим всю теорию по теме.

Виды сигналов

Имеется несколько видов, а также классификации уже имеющихся сигналов. Рассмотрим их.

Первый тип – это электрический сигнал, есть также оптический, электромагнитный и акустический. Имеется еще несколько подобных типов, однако они не являются популярными. Такая классификация происходит по физической среде.

По способу задания сигнала они разделяются на регулярные и нерегулярные. Первый вид имеет аналитическую функцию, а также детерминированный вид передачи данных. Случайные сигналы могут формироваться при помощи некоторых теорий из высшей математики, более того, они способны принимать многие значения в совершенно разные промежутки времени.

Виды передачи сигналов довольно разные, следует отметить, что сигналы по данной классификации разделяются на аналоговые, дискретные и цифровые. Нередко для обеспечения работы электрических приборов используются именно такие сигналы. Для того чтобы разобраться с каждым из вариантов, необходимо вспомнить школьный курс физики и немного почитать теории.

Для чего обрабатывается сигнал?

Сигнал следует обрабатывать для того, чтобы получить информацию, которая в нем зашифрована. Если рассматривать виды модуляции сигнала, то следует отметить, что по амплитудной и частотной манипуляции это довольно сложный процесс, который необходимо полностью понимать. Как только информация будет получена, ее можно использовать совершенно различными способами. В некоторых ситуациях ее форматируют и отправляют далее.

Также нужно отметить другие причины, по которым происходит обработка сигналов. Она заключается в том, чтобы сжать частоты, которые передаются, однако не повредив всю информацию. Далее ее форматируют еще раз и передают. При этом делается это на медленных скоростях. Если говорить о сигналах аналогового и цифрового вида, то здесь используются особенные способы. Имеется фильтрация, свертка и некоторые другие функции. Они нужны для того, чтобы восстановить информацию, если сигнал был поврежден.

Создание и форматирование

Многие виды информационных сигналов, о которых мы поговорим в статье, необходимо создать и после форматировать. Для этого следует иметь цифро-аналоговый преобразователь, а также аналого-цифровой. Как правило, используются они оба в одной ситуации: только в случае использования такой техники как DSP.

В остальных случаях подойдет лишь первый прибор. Для того чтобы создать физические аналоговые коды и потом их переформатировать в цифровые методы, необходимо использовать специальные приборы. Это позволит максимально предотвратить повреждение информации.

Динамический диапазон

Диапазон любого вида аналогового сигнала вычислить несложно. Необходимо использовать разницу большего и меньшего уровня громкости, который показывается в децибелах.

Следует заметить, что информация зависит полностью от особенностей ее исполнения. Причем речь идет как о музыке, так и о разговорах простого человека. Если брать диктора, который будет читать новости, то его динамический диапазон будет составлять не больше 30 децибел. А если читать какое-либо произведение в красках, то этот показатель вырастет до 50.

Аналоговый сигнал

Виды представления сигнала довольный разные. При этом нужно заметить, что аналоговый сигнал является непрерывным. Если говорить о недостатках, то многие отмечают наличие шума, который может, к сожалению, приводить к потери информации.

Довольно часто возникает такая ситуация, что непонятно, где в коде есть действительно важная информация, а где просто искажения. Именно из-за этого аналоговый сигнал стал менее популярен, и на данный момент его вытесняет цифровая технология.

Цифровой сигнал

Нужно заметить, что такой сигнал, как и виды сигналов другие, является потоком данных, который описывается за счет дискретных характеристик.

Нужно заметить, что его амплитуда может повторяться. Если вышеописанный аналоговый вариант способен поступать в конечную точку с огромным количеством шумов, то цифровой подобного не допускает. Он способен самостоятельно ликвидировать большую часть помех, для того чтобы избежать повреждения информации. Также нужно заметить, что данный вид переносит информацию без каких-либо смысловых нагрузок.

Таким образом, через один физический канал пользователь может без труда отправить несколько сообщений. Нужно заметить, что, в отличие от видов звукового сигнала, которые являются максимально распространенными на данный момент, а также аналогового, цифровой не делится на несколько типов. Он является единственным и самостоятельным. Представляет собой двоичный поток. Сейчас является довольно популярным, его просто использовать, о чем свидетельствуют отзывы.

Применение цифрового сигнала

Рассматривая виды передачи сигналов, необходимо сказать о том, где применяется цифровой вариант. Чем же отличается он от многих других при передаче и при использовании? Дело в том, что, поступая в ретранслятор, он полностью регенерируется.

Когда в оборудование поступает сигнал, который в процессе передачи получил шумы и помехи, он сразу же форматируется. Благодаря этому телевышки могут сформировать сигнал заново, избегая использования шумового эффекта.

Аналоговая связь в этом случае будет намного лучше, так как при получении информации с большим количеством искажений, ее можно извлечь хотя бы частично. Если говорить о цифровом варианте, то это невозможно. Если более 50 % сигнала будет иметь шум, то можно считать, что информация полностью утрачена.

Многие люди, обсуждая сотовую связь, причем совершенно разных форматов и способов передачи, говорили, что иногда практически невозможно разговаривать. Люди могут не слышать слова или же фразы. Такое может происходить только на цифровой линии, если имеется шум.

Если говорить об аналоговой связи, то в этом случае разговор будет можно продолжать далее. Из-за таких неполадок ретрансляторы формируют сигнал всегда по новой, для того чтобы сократить разрывы.

Дискретный сигнал

В данный момент человек пользуется различными звонилками или же другими электронными приборами, которые принимают сигналы. Виды сигналы довольно разнообразны, и одним из них является дискретный. Нужно заметить, что, для того чтобы такие приспособления работали, необходимо передавать звуковой сигнал. Именно поэтому необходим канал, который имеет пропускную способность намного большего уровня, чем было описано ранее.

С чем это связано? Дело в том, что, для того чтобы качественно передать звук, необходимо использовать дискретный сигнал. Он создает не волну звука, а его цифровую копию. Соответственно, передача идет от самой техники. Плюсы такого переноса в том, что пакетная отправка будет осуществляться пакетами, а количество передаваемых данных уменьшится.

Тонкости

В работе вычислительной техники уже давно имеется такое понятие, как дискретизация. За счет такого сигнала можно использовать информацию, которая полностью закодирована. Она не является непрерывной, а данные все собранные в блоки. При этом последние являются отдельными частицами, которые полностью завершены и не зависят друг от друга.

Виды модуляции

Описывая виды сигналов и сигналы в целом, необходимо также поговорить и о модуляции. Что это такое? Это процесс изменения сразу нескольких параметров колебаний, которые осуществляются по определенному закону. Нужно заметить, что делится модуляция на цифровую и импульсную, а также на некоторые другие.

В свою очередь, многие из них делятся отдельно на несколько видов, причем их довольно много. Следует сказать об основных характеристиках такого понятия. Например, за счет видов модуляции сигнала можно добиться устойчивой передачи, минимальной потери, однако следует заметить, что для каждого из них требуется особенный усилитель линейности.

1.2. Типы сигналов [1,10,15]

Выделяют следующие типы сигналов, которым соответствуют определенные формы их математического описания.

Рис. 1.2.1. Аналоговый сигнал.

Аналоговый сигнал (analog signal) является непрерывной функцией непрерывного аргумента, т.е. определен для любого значения аргументов. Источниками аналоговых сигналов, как правило, являются физические процессы и явления, непрерывные в динамике своего развития во времени, в пространстве или по любой другой независимой переменной, при этом регистрируемый сигнал подобен (“аналогичен”) порождающему его процессу. Пример математической записи сигнала: y(t)= 4.8 exp[-(t-4)²/2.8]. Пример графического отображения данного сигнала приведен на рис. 1.2.1, при этом как сама функция, так и ее аргументы, могут принимать любые значения в пределах некоторых интервалов y₁ y  y₂, t₁ t  t₂. Если интервалы значений сигнала или его независимых переменных не ограничиваются, то по умолчанию они принимаются равными от - до +. Множество возможных значений сигнала образует континуум — непрерывное пространство, в котором любая сигнальная точка может быть определена с точностью до бесконечности. Примеры сигналов, аналоговых по своей природе — изменение напряженности электрического, магнитного, электромагнитного поля во времени и в пространстве.

Рис. 1.2.2. Дискретный сигнал

Дискретный сигнал (discrete signal) по своим значениям также является непрерывной функцией, но определенной только по дискретным значениям аргумента. По множеству своих значений он является конечным (счетным) и описывается дискретной последовательностью отсчетов (samples) y(nt), где y₁ y  y₂, t — интервал между отсчетами (интервал или шаг дискретизации, sample time), n = 0,1,2,…,N. Величина, обратная шагу дискретизации: f = 1/t, называется частотой дискретизации (sampling frequency). Если дискретный сигнал получен дискретизацией (sampling) аналогового сигнала, то он представляет собой последовательность отсчетов, значения которых в точности равны значениям исходного сигнала по координатам nt.

Пример дискретизации аналогового сигнала, приведенного на рис. 1.2.1, представлен на рис. 1.2.2. При t = const (равномерная дискретизация данных) дискретный сигнал можно описывать сокращенным обозначением y(n). В технической литературе в обозначениях дискретизированных функций иногда оставляют прежние индексы аргументов аналоговых функций, заключая последние в квадратные скобки — y[t]. При неравномерной дискретизации сигнала обозначения дискретных последовательностей (в текстовых описаниях) обычно заключаются в фигурные скобки — {s(t_i)}, а значения отсчетов приводятся в виде таблиц с указанием значений координат t_i. Для числовых последовательностей (равномерных и неравномерных) применяется и следующее числовое описание: s(t_i) = {a₁,a₂, …, a_N}, t = t₁,t₂, …,t_N. Примеры дискретных геофизических сигналов — результаты вертикального электрического зондирования, профили геохимического опробования и т.п.

Рис. 1.2.3. Цифровой сигнал

Цифровой сигнал (digital signal) квантован по своим значениям и дискретен по аргументу. Он описывается квантованной решетчатой функцией y_n = Q_k[y(nt)], где Q_k — функция квантования с числом уровней квантования k, при этом интервалы квантования могут быть как с равномерным распределением, так и с неравномерным, например — логарифмическим. Задается цифровой сигнал, как правило, в виде дискретного ряда (discrete series) числовых данных — числового массива по последовательным значениям аргумента при t = const, но в общем случае сигнал может задаваться и в виде таблицы для произвольных значений аргумента.

По существу, цифровой сигнал по своим значениям (отсчетам) является формализованной разновидностью дискретного сигнала при округлении отсчетов последнего до определенного количества цифр, как это показано на рис 1.2.3. Цифровой сигнал конечен по множеству своих значений. Процесс преобразования бесконечных по значениям аналоговых отсчетов в конечное число цифровых значений называется квантованием по уровню, а возникающие при квантовании ошибки округления отсчетов (отбрасываемые значения) – шумами (noise) или ошибками (error) квантования (quantization).

В дискретных системах и в ЭВМ сигнал всегда представлен с точностью до определенного количества разрядов, а, следовательно, всегда является цифровым. С учетом этих факторов при описании цифровых сигналов функция квантования обычно опускается (подразумевается равномерной по умолчанию), а для описания сигналов используются правила описания дискретных сигналов. Что касается формы обращения цифровых сигналов в системах хранения, передачи и обработки, то, как правило, они представляет собой комбинации коротких одно- или двуполярных импульсов одинаковой амплитуды, которыми в двоичном коде с определенным количеством числовых разрядов кодируются числовые последовательности сигналов (массивов данных).

Рис. 1.2.4. Дискретно-аналоговый сигнал

В принципе, квантованными по своим значениям могут быть и аналоговые сигналы, зарегистрированные соответствующей аппаратурой (рис. 1.2.4), которые принято называть дискретно-аналоговыми. Но выделять эти сигналы в отдельный тип не имеет смысла — они остаются аналоговыми кусочно-непрерывными сигналами с шагом квантования, который определяется допустимой погрешностью измерений.

Большинство дискретных и цифровых сигналов, с которыми приходится иметь дело при обработке геофизических данных, являются аналоговыми по своей природе, дискретизированными в силу методических особенностей измерений или технических особенностей регистрации. Но существуют и сигналы, которые изначально относятся к классу цифровых, как, например отсчеты количества гамма-квантов, зарегистрированных по последовательным интервалам времени.

Преобразования типа сигналов.Формы математического отображения сигналов, особенно на этапах их первичной регистрации (детектирования) и в прямых задачах описания геофизических полей и физических процессов, как правило, отражают их физическую природу. Однако последнее не является обязательным и зависит от методики измерений и технических средств детектирования, преобразования, передачи, хранения и обработки сигналов. На разных этапах процессов получения и обработки информации как материальное представление сигналов в устройствах регистрации и обработки, так и формы их математического описания при анализе данных, могут изменяться путем соответствующих операций преобразования типа сигналов.

Операция дискретизации (discretization) осуществляет преобразование аналоговых сигналов (функций), непрерывных по аргументу, в функции мгновенных значений сигналов по дискретному аргументу, как, например s(t) s(nt), где значения s(nt) представляют собой отсчеты функции s(t) в моменты времени t = nt, n = 0,1,2,…N.

Операция восстановления аналогового сигнала из его дискретного представления обратна операции дискретизации и представляет, по существу, интерполяцию данных.

В общем случае, дискретизация сигналов может приводить к определенной потере информации о поведении сигналов в промежутках между отсчетами. Однако существуют условия, определенные теоремой Котельникова-Шеннона, согласно которым аналоговый сигнал с ограниченным частотным спектром может быть без потерь информации преобразован в дискретный сигнал, и затем абсолютно точно восстановлен по значениям своих дискретных отсчетов.

Операция квантования или аналого-цифрового преобразования (АЦП; английский термин Analog-to-Digital Converter, ADC) заключается в преобразовании дискретного сигнала s(nt) в цифровой сигнал s(n) = s_n  s(nt), n = 0,1,2,..,N, как правило, кодированный в двоичной системе счисления. Процесс преобразования отсчетов сигнала в числа называется квантованием по уровню (quantization), а возникающие при этом потери информации за счет округления – ошибками или шумами квантования (quantization error, quantization noise).

При преобразовании аналогового сигнала непосредственно в цифровой сигнал операции дискретизации и квантования совмещаются.

Операция цифро-аналогового преобразования (ЦАП; Digital-to-Analog Converter, DAC) обратна операции квантования, при этом на выходе регистрируется либо дискретно-аналоговый сигнал s(nt), который имеет ступенчатую форму (рис. 1.2.4), либо непосредственно аналоговый сигнал s(t), который восстанавливается из s(nt), например, путем сглаживания.

Так как квантование сигналов всегда выполняется с определенной и неустранимой погрешностью (максимум — до половины интервала квантования), то операции АЦП и ЦАП не являются взаимно обратными с абсолютной точностью.

Спектральное представление сигналов. Кроме привычного динамического представления сигналов и функций в виде зависимости их значений от определенных аргументов (времени, линейной или пространственной координаты и т.п.) при анализе и обработке данных широко используется математическое описание сигналов по аргументам, обратным аргументам динамического представления. Так, например, для времени обратным аргументом является частота. Возможность такого описания определяется тем, что любой сколь угодно сложный по своей форме сигнал, не имеющий разрывов первого рода (бесконечных значений на интервале своего задания), можно представить в виде суммы более простых сигналов, и, в частности, в виде суммы простейших гармонических колебаний, что выполняется при помощи преобразования Фурье. Соответственно, математически разложение сигнала на гармонические составляющие описывается функциями значений амплитуд и начальных фаз колебаний по непрерывному или дискретному аргументу – частоте изменения функций на определенных интервалах аргументов их динамического представления. Совокупность амплитуд гармонических колебаний разложения называют амплитудным спектром сигнала, а совокупность начальных фаз – фазовым спектром. Оба спектра вместе образуют полный частотный спектр сигнала, который по точности математического представления тождественен динамической форме описания сигнала.

Линейные системы преобразования сигналов описываются дифференциальными уравнениями, причем для них верен принцип суперпозиции, согласно которому реакция систем на сложный сигнал, состоящий из суммы простых сигналов, равна сумме реакций от каждого составляющего сигнала в отдельности. Это позволяет при известной реакции системы на гармоническое колебание с определенной частотой определить реакцию системы на любой сложный сигнал, разложив его в ряд гармоник по частотному спектру сигнала.

Широкое использование гармонических функций при анализе сигналов объясняется тем, что они являются достаточно простыми ортогональными функциями и определены при всех значениях t. Кроме того, они являются собственными функциями времени, сохраняющими свою форму при прохождении колебаний через любые линейные системы и системы обработки данных с постоянными параметрами (изменяются только амплитуда и фаза колебаний). Немаловажное значение имеет и то обстоятельство, что для гармонических функций и их комплексного анализа разработан мощный математический аппарат.

Примеры частотного представления сигналов уже приводились выше в разделе классификации сигналов (рис. 1.1.5 – 1.1.12)

Кроме гармонического ряда Фурье применяются и другие типы разложения: по функциям Уолша, Бесселя, Хаара, полиномам Чебышева, Лаггера, Лежандра и др.

Графическое отображение сигналов общеизвестно и особых пояснений не требует. Для одномерных сигналов график – это совокупность пар значений {t, s(t)} в прямоугольной системе координат (рис. 1.2.1 – 1.2.4). При графическом отображении дискретных и цифровых сигналов используется либо способ непосредственных дискретных отрезков соответствующей масштабной длины над осью аргумента, либо способ огибающей (плавной или ломанной) по значениям отсчетов. В силу непрерывности геофизических полей и, как правило, вторичности цифровых данных, получаемых дискретизацией и квантованием аналоговых сигналов, второй способ графического отображения будем считать основным.

Тестовые сигналы (test signal). В качестве тестовых сигналов, которые применяются при моделировании и исследовании систем обработки данных, обычно используются сигналы простейшего типа: гармонические синус-косинусные функции, дельта-функция и функция единичного скачка.

Дельта-функция или функция Дирака. По определению, дельта-функция описывается следующими математическими выражениями (в совокупности):

(t-) = 0 при t  ,

(t-) dt = 1.

Функция (t-) не является дифференцируемой, и имеет размерность, обратную размерности ее аргумента, что непосредственно следует из безразмерности результата интегрирования. Значение дельта-функции равно нулю везде за исключением точки , где она представляет собой бесконечно узкий импульс с бесконечно большой амплитудой, при этом площадь импульса равна 1.

Дельта-функция является полезной математической абстракцией. На практике такие функции не могут быть реализованы с абсолютной точностью, так как невозможно реализовать значение, равное бесконечности, в точке t =  на аналоговой временной шкале, т.е. определенной по времени также с бесконечной точностью. Но во всех случаях, когда площадь импульса равна 1, длительность импульса достаточно мала, а за время его действия на входе какой-либо системы сигнал на ее выходе практически не изменяется (реакция системы на импульс во много раз больше длительности самого импульса), входной сигнал можно считать единичной импульсной функцией со свойствами дельта — функции.

При всей своей абстрактности дельта — функция имеет вполне определенный физический смысл. Представим себе импульсный сигнал прямоугольной формы П(t-) длительностью , амплитуда которого равна 1/, а площадь соответственно равна 1. При уменьшении значения длительности  импульс, сокращаясь по длительности, сохраняет свою площадь, равную 1, и возрастает по амплитуде. Предел такой операции при   0 и носит название дельта — импульса. Этот сигнал (t-) сосредоточен в одной координатной точке t = , конкретное амплитудное значение сигнала не определено, но площадь (интеграл) остается равной 1. Это не мгновенное значение функции в точке t = , а именно импульс (импульс силы в механике, импульс тока в электротехнике и т.п.) – математическая модель короткого действия, значение которого равно 1.

Дельта-функция обладает фильтрующим свойством. Суть его заключается в том, что если дельта-функция (t-) входит под интеграл какой-либо функции в качестве множителя, то результат интегрирования равен значению подынтегральной функции в точке  расположения дельта-импульса, т.е.:

f(t) (t-) dt = f().

Интегрирование в этом выражении может ограничиваться ближайшими окрестностями точки .

Функция единичного скачка или функция Хевисайда иногда называется также функцией включения. Полное математическое выражение функции:

При моделировании сигналов и систем значение функции скачка в точке t=0 очень часто принимают равным 1, если это не имеет принципиального значения.

Функция единичного скачка используется также при создании математических моделей сигналов конечной длительности. При умножении любой произвольной функции, в том числе периодической, на прямоугольный импульс, сформированный из двух последовательных функций единичного скачка

s(t) = (t) — (t-T),

из нее вырезается участок на интервале 0-Т, и обнуляются значения функции за пределами этого интервала.

Функция Кронекера. Для дискретных и цифровых систем разрешающая способность по аргументу сигнала определяется интервалом его дискретизации t. Это позволяет в качестве единичного импульса использовать дискретный интегральный аналог дельта-функции — функцию единичного отсчета (kt-nt), которая равна 1 в координатной точке k = n, и нулю во всех остальных точках. Функция (kt-nt) может быть определена для любых значений t = const, но только для целых значений координат k и n, поскольку других номеров отсчетов в дискретных функциях не существует.

Математические выражения (t-) и (kt-nt) называют также импульсами Дирака и Кронекера. Однако, применяя такую терминологию, не будем забывать, что это не просто единичные импульсы в координатных точках  и nt, а импульсные функции, определяющие как значения импульсов в определенных координатных точках, так и нулевые значения по всем остальным координатам, в пределе от - до .

Виды электрических сигналов

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

что это такое, отличие, разница, примеры

Цифровое телевидение охватило уже практически территорию всей страны. Качественный цифровой сигнал новые телевизоры принимают самостоятельно, старые – с помощью специальной приставки. В чем разница между старым аналоговым и новым цифровым сигналом? Многим это непонятно и требует разъяснения.

Виды сигналов

Сигнал это изменение физической величины во времени и пространстве. По сути это коды для обмена данными в информационной и управленческой средах. Графически любой сигнал можно представить в виде функции. По линии на графике можно определить тип и характеристики сигнала. Аналоговый будет выглядеть как непрерывная кривая, цифровой как ломаная прямоугольная линия, скачущая от ноля до единицы. Все, что мы видим глазами и слышим ушами поступает в виде аналогового сигнала.

Аналоговый сигнал

Зрение, слух, вкус, запах и тактильные ощущения поступают нам в виде аналогового сигнала. Мозг командует органами и получает от них информацию в аналоговом виде. В природе вся информация передаётся только так.

В электронике аналоговый сигнал основан на передаче электричества. Определённым величинам напряжения соответствуют частота и амплитуда звука, цвет и яркость света изображения и так далее. То есть цвет, звук или информация являются аналогом электрического напряжения.

Например: Зададим передачу цветов определённым напряжением синий 2 В, красный 3 В, зелёный 4 В. Изменяя напряжение получим на экране картинку соответствующего цвета.

При этом неважно идёт сигнал по проводам или радио. Передатчик непрерывно отправляет, а приёмник обрабатывает аналоговый вид информации. Принимая непрерывный электрический сигнал по проводам или радиосигнал через эфир приёмник преобразует напряжение в соответствующий звук или цвет. Изображение появляется на экране или звук транслируется через динамик.

Дискретный сигнал

Вся суть кроется в названии. Дискретный от латинского discretus, что означает прерывистый (разделённый). Можно сказать, что дискретный повторяет амплитуду аналогового, но плавная кривая превращается в ступенчатую. Изменяясь либо во времени, оставаясь непрерывной по величине, или по уровню, не прерываясь по времени.

Так, в определенный период времени (например миллисекунду или секунду) дискретный сигнал будет какой-то установленной величины. По окончании этого времени он резко изменится в большую или меньшую сторону и останется таким ещё миллисекунду или секунду. И так беспрерывно. Поэтому дискретный это преобразованный аналоговый. То есть полпути до цифрового.

Цифровой сигнал

После дискретного следующим шагом преобразования аналогового стал цифровой сигнал. Главная особенность – либо он есть, или его нет. Вся информация преобразуется в сигналы ограниченные по времени и по величине. Сигналы цифровой технологии передачи данных кодируются нолем и единицей в разных вариантах. А основой является бит, принимающий одно из этих значений. Бит от английского binarydigit или двоичный разряд.

Но один бит имеет ограниченную возможность для передачи информации, поэтому их объединили в блоки. Чем больше битов в одном блоке, тем больше информации он несёт. В цифровых технологиях используют биты объединенные в блоки кратные 8. Восьмибитовый блок назвали байтом. Один байт небольшая величина, но уже может хранить зашифрованную информацию о всех буквах алфавита. Однако при добавлении всего одного бита число комбинаций ноля и единицы удваивается. И если 8 битов делает возможным 256 вариантов кодировки, то 16 уже 65536. А килобайт или 1024 байт и вовсе немаленькая величина.

ВНИМАНИЕ! Ошибки в том, что 1 КБ равен 1024 байт нет. Так принято в двоичной компьютерной среде. Но в мире широко используется десятичная система исчисления, где кило это 1000. Поэтому существуют еще и десятичный кБ равный 1000 байт.

В большом количестве объединённых байтов хранится много информации, чем больше комбинаций 1 и 0 тем больше закодировано. Поэтому в 5 – 10 МБ (5000 – 10000 кБ) имеем данные музыкального трека хорошего качества. Идём дальше, и в 1000 МБ закодирован уже фильм.

Но так как вся окружающая людей информация аналоговая, то для её приведения в цифровой вид нужны усилия и какое-либо устройство. Для этих целей был создан DSP (digital signal processor) или ЦПОС (цифровой процессор обработки сигналов). Такой процессор есть в каждом цифровом устройстве. Первые появились еще в 70-е годы прошлого века. Методы и алгоритмы меняются и совершенствуются, но принцип остаётся постоянным – преобразование аналоговых данных в цифровые.

Обработка и передача цифрового сигнала зависит от характеристик процессора – разрядности и скорости. Чем они выше, тем качественней получится сигнал. Скорость указывается в миллионах инструкций в секунду (MIPS), и у хороших процессоров достигает нескольких десятков MIPS. Скорость определяет сколько единиц и нолей сможет устройство «запихнуть» в одну секунду и качественно передать непрерывную кривую аналогового сигнала. От этого зависит реалистичность картинки в телевизоре и звука из динамиков.

Отличие дискретного сигнала от цифрового

Про Азбуку Морзе наверное слышали все. Придумал художник Самуэль Морзе, другие новаторы усовершенствовали, а использовали все. Это способ передачи текста, где точками и тире закодированы буквы. Упрощенно, кодировка называется морзянкой. Её долго использовали на телеграфе и для передачи информации по радио. Кроме того, сигналить можно с помощью прожектора или фонарика.

Код морзянки зависит только от самого знака. А не от его продолжительности или громкости (силы). Как ни ударь ключом (моргни фонариком), воспринимаются только два варианта– точка и тире. Можно только увеличить скорость передачи. Ни громкость, ни продолжительность в расчёт ни принимаются. Главное, что бы сигнал дошёл.

Так же и цифровой сигнал. Важно закодировать данные с помощью 0 и 1. Получатель должен только разобрать, комбинацию нолей и единиц. Неважно с какой громкостью и какой продолжительностью будет каждый сигнал. Важно получить нолики и единички. Это суть цифровой технологии.

Дискретный сигнал получится если закодировать ещё громкость (яркость) и продолжительность каждой точки и тире, или 0 и 1. В этом случае вариантов кодировки больше, но и путаницы тоже. Громкость и продолжительность можно не разобрать. В этом и разница между цифровым и дискретным сигналами. Цифровой генерируется и воспринимается однозначно, дискретный с вариациями.

Сравнение цифрового и аналогового сигналов

Сигнал радиостанции телецентра или мобильной связи может передаваться в цифровой и аналоговой форме. Например звук и изображение, это аналоговые сигналы. Микрофон и камера воспринимают окружающую действительность и преобразуют в электромагнитные колебания. Частота колебаний на выходе зависит от частоты звука и света, а амплитуда передачи от громкости и яркости.

Изображение и звук, преобразованные в электромагнитные колебания распространяются в пространство передаточной антенной. В приемнике идёт обратный процесс – электромагнитных колебаний в звук и видео.

Распространению электромагнитных колебаний в эфире препятствуют облака, грозы, рельеф местности, промышленные электронаводки, солнечный ветер и прочие помехи. Частота и амплитуда нередко искажаются и сигнал от передатчика к приемнику приходит с изменениями.

Голос и изображение аналогового сигнала воспроизводятся с искажениями, вызванными помехами, а фоном воспроизводится шипение, хрипы и цветовое искажение. Чем хуже прием, тем отчетливее эти посторонние эффекты. Но если сигнал дошёл, его хоть как то видно и слышно.

При цифровой передаче изображение и звук перед трансляцией в эфир оцифровываются и до приёмника доходят без искажений. Влияние посторонних факторов минимально. Звук и цвет хорошего качества либо их нет вовсе. Сигнал гарантированно поступает на определенное расстояние. Но для дальней передачи необходим ряд ретрансляторов. Поэтому для передачи сотового сигнала антенны ставят как можно ближе друг к другу.

Наглядным примером отличия двух типов сигналов может служить сравнение старой проводной телефонной и современной сотовой связи.

Проводная телефония не всегда хорошо работает даже в пределах одного населённого пункта. Звонок на другой конец страны это испытание голосовых связок и слуха. Нужно докричаться и прислушаться к ответу. Шумы и помехи отфильтровываем ушами, недостающие и искаженные слова додумываем сами. Хоть и плохой звук, но есть.

Звук в сотовой связи отлично слышно даже с другого полушария. Оцифрованный сигнал передаётся и принимается без искажений. Но и он не без изъянов. Если случаются сбои, то звук не слышен вовсе. Выпадают буквы, слова и целые фразы. Хорошо, что это бывает редко.

Примерно то же самое с аналоговым и цифровым телевидением. Аналоговое использует сигнал подверженный помехам, ограниченного качества и уже исчерпало возможности развития. Цифровое не искажается, обеспечивает звук и видео отличного качества, постоянно совершенствуется.

Преимущества и недостатки сигналов разных видов

Со времени изобретения аналоговая передача сигнала была значительно усовершенствована. И прослужила долгое время передавая информацию, звук и изображение. Несмотря на множество улучшений сохранила все свои недостатки – шумы при воспроизведении и искажения при передаче информации. Но главным аргументом для перехода на другую систему обмена данными стал потолок качества передаваемого сигнала. Аналоговый не может вместить объём современных данных.

Совершенствование методов записи и хранения, прежде всего видео контента, оставили аналоговый сигнал в прошлом. Единственным преимуществом аналоговой обработки данных пока ещё является широкое распространение и дешевизна устройств. Во всём остальном аналоговый уступает цифровому сигналу.

Примеры передачи цифрового и аналогового сигналов

Цифровые технологии постепенно теснят аналоговые и уже широко используются во всех сферах жизни. Зачастую мы просто не замечаем этого, а цифра окружает повсюду.

Вычислительная техника

Первые аналоговые вычислительные машины созданы ещё в 30-е годы ХХ века. Это были достаточно примитивные устройства, для выполнения узкоспециализированных задач. Аналоговые компьютеры появились в 1940-е, а широкое применение получили в 1960-е годы.

Постоянно совершенствовались, но с ростом объёма обрабатываемой информации постепенно уступили место цифровым устройствам. Аналоговые компьютеры хорошо приспособлены для автоматического контроля производственных процессов, из-за моментального реагирования на изменения входящих данных. Но скорость работы невысока и объём данных ограничен. Поэтому аналоговые сигналы применяются только в некоторых локальных сетях. В основном это контроль и управление производственными процессами. Где исходной информацией служат температура, влажность, давление, скорость ветра и подобные данные.

В некоторых случаях к помощи аналоговых компьютеров прибегают при решении задач, где точность обмена данными вычислений, не важна как для цифровых электронно-вычислительных машин.

В начале 21 века аналоговый сигнал уступил цифровым технологиям. В вычислительной технике смешанные цифровые и аналоговые сигналы применяют только для обработки данных на основе некоторых микросхем.

Звукозапись и телефония

Виниловая пластинка и магнитная лента два ярких представителя аналогового сигнала для воспроизведения звука. Оба по-прежнему выпускаются и пользуются спросом некоторых ценителей. Многие музыканты считают, что только записав альбом на плёнку можно добиться сочного настоящего звучания. Меломаны любят послушать диски с характерными шумами и потрескиваниями. С 1972 года выпускались магнитофоны осуществляющие цифровую запись на магнитную ленту, но распространения не получили из-за дороговизны и больших габаритов. Применяются только в профессиональной звукозаписи.

Ещё один пример аналогового и цифрового сигналов в звукозаписи – микшеры и синтезаторы звука. В основном используются цифровые устройства, а применение аналоговых вызвано привычками и предрассудками. Считается, что цифровая запись до сих пор не добилась того эффекта всеохватывающей передачи музыки. И он присущ только аналоговому сигналу.

Тогда как молодёжь, не представляет музыку без MP3 файлов, хранящихся в памяти телефонов, флешек и компьютеров. А онлайн – сервисы обеспечивают доступ к своим хранилищам с миллионами цифровых записей.

Телефония ушла еще дальше. Цифровая сотовая связь практически вытеснила проводную. Последняя осталась в государственных органах, учреждения здравоохранения и подобных организациях. Большинство уже не представляет жизнь без соты и как быть привязанным к проводу. Сотовая связь, основа передачи данных в которой цифровой сигнал надёжно связывает абонентов всего мира.

Электрические измерения

Цифровая обработка и передача данных прочно обосновалась в электрических измерениях. Электронные осциллографы, вольт и амперметры, мультиизмерительные приборы. Все приборы, где информация выводится на электронный дисплей, используют цифровой сигнал для передачи измерения. В быту чаще всего можно столкнуться с этим при виде стабилизаторов и реле напряжений. Оба устройства измеряют напряжение в сети, обрабатывают и передают цифровой сигнал на дисплей.

Всё чаще цифровая технология используется и для передачи данных электрических измерений на дальние расстояния. Для контроля показателей электрических сетей на подстанциях и диспетчерских пультах управления устанавливают цифровое оборудование. Аналоговые приборы популярны только в щитах, непосредственно у точек измерения.

Ещё одно широкое применение цифрового сигнала – учёт электроэнергии. Жильцы часто забывают посмотреть показания прибора и занести их в личный кабинет или передать энергоснабжающей организации. От забот избавляют цифровые системы учёта электроэнергии. Показания сразу попадают в систему учета. Поэтому отсутствует необходимость постоянного общения абонента с поставщиком, можно иногда зайти в личный кабинет и сверить данные.

Аналоговое и цифровое телевидение

С аналоговым телевидением человечество прожило долгие годы. Все привыкли к простым и понятным вещам. Вначале эфирное, потом кабельное чуть лучшего качества. Простая антенна, телевизор и изображение посредственного качества. Но технологии записи и хранения видео ушли далеко вперёд аналогового сигнала. И он уже не может в полной степени передать современный фильм или телепередачу. Качество, стабильность и хороший уровень сигнала может обеспечить только цифровое телевидение.

У цифрового телевидения очень много преимуществ. Первое и очень большое – компрессия сигнала. Благодаря этому, увеличилось количество просматриваемых каналов. Так же улучшилось качество передачи видео и звука, без этого просто невозможна трансляция для современных телевизоров с большими экранами. Вместе с этим появилась возможность показать информацию о транслируемой передаче, следующих телепрограммах и тому подобную.

Вместе с плюсами появилась и небольшая проблема. Для приёма цифрового сигнала нужен специальный тюнер.

Особенности эфирного телевидения

Для приёма эфирного цифрового сигнала необходим тюнер Т2, другие названия – ресивер, декодер или теле приставка DVB-T2. Большинство современных светодиодных LED телевизоров изначально оснащены такими устройствами. Поэтому их владельцам не о чем беспокоится. При отключении аналогового телевидения нужно только перенастроить каналы.

Нет проблем и для владельцев старых телевизоров без встроенного тюнера Т2. Здесь все просто. Нужно купить отдельную приставку DVB-T2, которая примет сигнал T2, обработает его и передаст готовую картинку на экран. Приставку можно легко подключить к любому телевизору.

Цифровой сигнал применяется во все больших сферах жизни. Телевидение не исключение. Не стоит бояться нового. Большинство телевизоров уже оснащены необходимым, а для старых нужно приобрести недорогую приставку. Тем более, что настроить устройство легко. А качество изображения и звука лучше.

2.2. Электрические сигналы и их классификация

В соответствии с принятой традицией сигналом называют процесс изменения во времени физического состояния какого-либо объекта, служащий для отображения, регистрации и передачи сообщений. На практике сообщения неразрывно связаны с заключенной в них информацией. Круг вопросов, базирующихся на понятиях «сообщение» и «информация», является объектом изучения в дисциплине «Теория информации» и выходит за рамки дисциплины «Электротехника и электроника». Поэтому далее не будет излагаться связь, которая существует меду физическим обликом сигнала и смыслом заключенного в нем сообщения.

Для того, чтобы сделать сигналы объектами теоретического изучения и расчетов, следует указать способ их математического описания или, другими словами, создать математическую модель сигнала. Математической моделью сигнала может быть, например, функциональная зависимость, аргументом которой является время. Математические модели электрических сигналов, рассматриваемых в электротехнике и электронике, обычно обозначаются символами латинского алфавита ,и т.д. Зная математические модели сигналов, можно сравнивать эти сигналы между собой, устанавливать их тождество и различие, проводить классификацию.

Классифицируя сигналы по виду моделирующей их функции времени, можно выделить аналоговые и дискретные сигналы (табл.2.1).

Если сигнал имеет математическую модель вида непрерывной или кусочно-непрерывной функции, то он называется аналоговым.

Если значения сигнала определены не во все моменты времени, а лишь в счетном множестве точек, то такой сигнал называется дискретным.

Дискретные сигналы в свою очередь подразделяются на импульсные и цифровые. Если сигнал в виде изменения тока или напряжения существует лишь в пределах конечного интервала времени, то такой сигнал называется импульсным. Особой разновидностью дискретных сигналов являются цифровые сигналы. Для них характерно то, что отсчетные значения сопоставлены числам. По соображениям удобств технической реализации и обработки обычно используется двоичная система счисления.

Таблица 2.1. Типы сигналов
Аналоговые
непрерывные		кусочно-непрерывные
Дискретные
импульсные		цифровые
		положительная логика	отрицательная логика

Аналоговые сигналы обрабатываются аналоговыми устройствами, которые работают в линейном режиме, то есть не меняют свою функцию во всем рабочем диапазоне входного сигнала. С дискретными сигналами работают элементы и устройства, в которых используются как линейный, так и нелинейный режим работы активных элементов.

Для математического описания аналоговых устройств и сигналов, а также устройств импульсной техники и импульсных сигналов используются классические и операторные методы математики и электротехники. Устройства и элементы цифровой техники описываются с помощью алгебры логики.

Аналоговые и импульсные сигналы могут быть модулированными и немодулированными.

При модуляции используется определенный физический процесс, называемый переносчиком или несущей. Математической моделью переносчика может служить функция времени Z(t,A,B,…), зависящая также от параметров А, В,….

Некоторые параметры функции фиксированы, и тогда они могут играть роль идентифицирующих параметров, т.е. по ним можно определять принадлежность данного сигнала к определенному классу сигналов.

Другие параметры подвергаются воздействию, называемому модуляцией, а эти параметры играют роль информативных параметров.

В общем случае модуляция есть отображение множества возможных значений входного сигнала на множество значений информативного параметра переносчика. Устройство, осуществляющее модуляцию, называется модулятором. Устройство, осуществляющее обратное преобразование, называется демодулятором.

На один вход модулятора (рис. 2.3) действует реализация входного сигнала X(t), на другой – сигнал-переносчик Z(t,A).
	Рис. 2.3

Модулятор формирует выходной сигнал Y(t,A[X(t)]), информативный параметр которого изменяется во времени в соответствии с передаваемым сигналом.

Основное назначение модуляции состоит в перенесении спектра сигнала в заданную частотную область.

В зависимости от вида используемого при модуляции переносчика различают непрерывные (аналоговые) и импульсные виды модуляции.

При непрерывной модуляции в качестве несущего используется гармоническое колебание.

Пусть, например, Z(t)= U_msin(t+ ). В качестве информативных параметров могут быть использованы амплитуда U_m, частота , фаза . Название модуляции определяется по тому, какой параметр колебания используется в качестве информативного (табл. 2.2).

Таблица 2.2. Виды непрерывной модуляции
Несущая	Z(t)= Usin(t+ )
Информативный параметр	Um
Вид модулированного сигнала
Название вида модуляции	амплитудная	частотная	фазовая

При импульсных видах модуляции в качестве несущей используется периодическая последовательность прямоугольных импульсов. Если при импульсной модуляции изменяется амплитуда импульсов, то это амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), длительность импульса – широтно-импульсная модуляция (ШИМ), период следования импульсов – время-импульсная модуляция (ВИМ).

Применяются также комбинированные виды модуляции, когда используются несколько информативных параметров несущей. Существуют комбинированные методы модуляции как для непрерывной, так и для импульсной модуляции. Примеры: АЧМ – амплитудно-частотная модуляция, АШИМ – амплитудно-широтно-импульсная модуляция.

Модуляция – это процесс нелинейный, ее результат также является нелинейным. Например, если , а, тогда при амплитудной модуляции

,

где — коэффициент амплитудной модуляции, определяющий глубину модуляции. Таким образом, для получениявыполняется операция перемножения, являющаяся нелинейной, поэтому и схема, ее реализующая (модулятор), является нелинейным устройством.

Следовательно, схемы модулятора и демодулятора – нелинейные устройства. В схемах модулятора и демодулятора применяются нелинейные активные и пассивные элементы (диоды, транзисторы), которые работают как в линейном, так и в нелинейном (ключевом) режиме.

Выбор той или иной формы представления информации называется кодированием в широком смысле. Обратный процесс выявления информации, представленной в сигнале, называется декодированием в широком смысле. Под кодированием в узком смысле понимаются преобразования дискретных форм представления информации. Таким образом, кодирование в широком смысле включает в себя и модуляцию, и кодирование в узком смысле.