Виды сигналов — типы и параметры

Сигнал

Сигнал представляет собой специальный код, который передается в пространство одной или несколькими системами. Эта формулировка является общей.

В сфере информации и связи сигналом назван специальный носитель каких-либо данных, который используется для передачи сообщений. Он может быть создан, но не принят, последнее условие не обязательно. Если же сигнал является сообщением, то его «ловля» считается необходимой.

Описываемый код передачи данных задается математической функцией. Она характеризует все возможные изменения параметров. В радиотехнической теории эта модель считается базовой. В ней же аналогом сигнала был назван шум. Он представляет собой функцию времени, которая свободно взаимодействует с переданным кодом и искажает его.

В статье охарактеризованы виды сигналов: дискретный, аналоговый и цифровой. Также коротко дана основная теория по описываемой теме.

Типы сигналов

• Детерминированный, или регулярный – это сигнал, закон изменения которого известен и известны все его параметры.

Такой сигнал передает информацию? Информация уменьшает неопределенность. В детерминированном сигнале мы знаем все, мы знаем какой он будет через минуту, через год. Детерминированный сигнал информацию в себе никакую не несет. Например, сигнал с гетеродина, мы сами его сформировали, задали частоту, амплитуду, фазу.

• Квазидетерминированный — это сигнал, закон изменения которого известен, но один или несколько параметров является случайной величиной.

Пример: x(t)=Asin(wt+j), где амплитуда А и j — случайная величина.

Например, мы знаем его частоту, но не знаем амплитуду и фазу — это квазидетерминированный сигнал, “квази”-почти, почти определенный сигнал. Информация вносит некоторую случайность. Если мы знаем амплитуду, частоту и фазу, значит информации там нет. Квазидетерминированный сигнал передает информацию, передача информации идет в тех параметрах, которые случайны, в нашем примере амплитуда и фаза случайные величины. Именно в этих величинах передается информация. Информация всегда несет в себе хаос, случайность. Все модулированные сигналы, ЧМ, ФМ это квазидетерминированные сигналы.

• Случайным называют сигнал, мгновенные значения которого не известны, а могут быть лишь предсказаны с некоторой вероятностью.

Кроме этого все сигналы могут быть непрерывными (аналоговыми) и дискретными (цифровыми или импульсными).

О случайном сигнале мы можем судить о его вероятностных характеристиках. Мы можем знать его плотность вероятности, но какое значение примет сигнал через секунду, минуту мы не знаем. Когда мы работаем со случайным сигналом, мы всегда работаем с вероятностью.

Параметры сигналов

Какие параметры мы будем использовать? Это энергия за некоторый интервал времени T. X(t) это сам сигнал, чтобы определить энергию мы должны взять по модулю, возвести в квадрат, проинтегрировать на некотором промежутке времени и получим энергию.

Средняя мощность за некоторое время t. Это энергия деленная на время.

Мгновенная мощность, если средняя мощность измеряется на некотором участке времени, то мгновенная измеряется в один, конкретный момент времени.

Средняя мощность измеряется на промежутке времени, а мгновенная в точке.

Спектральная плотность энергии и мощности

Спектральная плотность сигнала характеризует распределение энергии или мощности сигнала по диапазону частот. Спектральная плотность энергии, это как у нас энергия распределяется по частотному диапазону. Вычисляется через преобразование Фурье.

И соответственно, СПМ это, как у нас распределяется мощность по частотному диапазону.

В формуле, модуль в квадрате это спектральная плотность энергии, поделили ее на время T и по определению, время T должно стремиться к бесконечности. Но на практике, никто не ждет бесконечности, все оценивают СПМ на некотором интервале времени.

СПМ это некоторая функция зависящая от частоты. По шкале СПМ возьмем 10 Вт/Гц, и окрестности в 1 Гц по частоте. То в полосе 1 Гц будет заключено 10 Вт мощности.

Есть два сигнал и представлены их спектральные плотности мощности. ВОПРОС. Мощность какого сигнала больше?

Мы должны определить площадь под кривой, проинтегрировать. S1=2*10=20 Вт, S2=1*30=30 Вт. В первом случае S1 имеет мощность 20 Вт, а во втором 30 Вт.

СПМ реального сигнала, отображаемая на спектральном анализаторе.

Современные анализаторы спектра могут считать автоматически площадь, вы включаете определение мощности, задаете частотный интервал в котором он должен измерить эту мощность и он сам вычисляет канальную мощность сигнала.

Время и электрический сигнал

Как я уже сказал, сигнал передается во времени и в пространстве. То есть время — важный параметр для электрического сигнала. Сейчас нам придется немного попотеть и вспомнить курс математики и физики за среднюю школу. Вспоминаем декартову систему координат. Как вы помните, по вертикали мы откладывали ось Y, по горизонтали Х:

В электронике и электротехнике по Х мы откладываем время, назовем его буквой t, а по вертикали мы отложим напряжение, обозначим его буквой U. В  результате наша система координат будет выглядеть вот таким образом:

Прибор, который показывает нам изменение напряжения во времени называется осциллографом , а график этого напряжения называется осциллограммой. Осциллограф может быть цифровым

или аналоговым

Виды сигналов

Существует несколько типов классификации имеющихся сигналов. Рассмотрим, какие бывают виды.

1. По физической среде носителя данных разделяют электрический сигнал, оптический, акустический и электромагнитный. Имеется еще несколько видов, однако они малоизвестны.
2. По способу задания сигналы делятся на регулярные и нерегулярные. Первые представляют собой детерминированные методы передачи данных, которые задаются аналитической функцией. Случайные же формулируются за счет теории вероятности, а также они принимают любые значения в различные промежутки времени.
3. В зависимости от функций, которые описывают все параметры сигнала, методы передачи данных могут быть аналоговыми, дискретными, цифровыми (способ, который является квантованным по уровню). Они используются для обеспечения работы многих электрических приборов.

Теперь читателю известны все виды передачи сигналов. Разобраться в них не составит труда любому человеку, главное – немного подумать и вспомнить школьный курс физики.

Для чего обрабатывается сигнал?

Сигнал обрабатывается с целью передачи и получения информации, которая в нем зашифрована. Как только она будет извлечена, ее можно использовать различными способами. В отдельных ситуациях ее переформатируют.

Существует и другая причина обработки всех сигналов. Она заключается в небольшом сжатии частот (чтобы не повредить информацию). После этого ее форматируют и передают на медленных скоростях.

В аналоговом и цифровом сигналах используются особенные методы. В частности, фильтрация, свертка, корреляция. Они необходимы для восстановления сигнала, если он поврежден или имеет шум.

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.

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.

Читайте также:  Что такое индуктивность, в чём измеряется, основные формулы

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.

Какие системы связи используют цифровой сигнал а какие аналоговый

Несмотря на архаичность аналоговая технология ещё используется для телефонной и радио связи. Многие проводные сети до сих пор остаются аналоговыми. В основном это традиционные телефонные линии местных операторов. Но, для магистральной передачи данных связи уже повсеместно используют цифровые каналы. Так же аналоговая технология применяется в простых и дешёвых переносных радиостанциях.

Во всех вновь создаваемых системах используют цифровую технологию обработки сигнала. Это оптоволоконные и проводные линии, сигнализация и телеметрия, военная и гражданская промышленная связь. И конечно же на цифровое вещание переходит телевидение. Аналоговый способ передачи данных исчерпал себя. На смену пришла новая высококачественная и защищенная связь.

Что такое усилитель?

В электрических схемах очень часто встречаются сигналы малой мощности. Например, это может быть звуковой сигнал с динамического микрофона
слабый радиосигнал, который ловит из эфира ваш китайский радиоприемник

Либо отраженный сигнал от ракеты противника, который уже потом ловит, усиливает и отслеживает радиолокационная установка.

Как вы видите, в электронике абсолютно везде требуется усиление слабых сигналов. Для того, чтобы их усиливать, как раз нужны усилители сигналов. Усилители широко применяются в радиолокации, телевидении, радиовещании, телеметрии, в вычислительной технике, авторегулировании, в системах автоматики и тд.

Что такое черный ящик в электронике

В общем виде усилитель можно рассматривать как черный ящик.
Что представляет из себя этот черный ящик? Это ящик. Он черный). А так как он черный, то абсолютно никто не знает, что находится в нем. Остается только предполагать. Но возможен и такой вариант, что мы можем предпринять какие-либо действия и ждать ответной реакции. После ответной реакции этого черного бокса,  можно предположить, что находится у него внутри.

То есть по сути черный ящик должен иметь какие-либо «сенсоры» для восприятия информации извне, некий «вход», а также некий «выход» для ответной реакции. То есть подавая на вход какое-либо воздействие, мы ждем ответной реакции черного ящика на выходе.

Пусть в черном ящике будет кот или кошка, но пока никто не знает, что он(а) там есть. Что мы сделаем в первую очередь? Потрясем ящик или пнем по нему, так ведь? Если там кто-то мяукнет, значит однозначно или кошка, или кот). То есть последовала ответная реакция. Как определить дальше кошка или кот? Открываем ящик, и из него вылазит лохматое чудо. Если побежала — значит кошка. Если побежал — значит кот).

Но также в черном ящике может быть абсолютно любое тело или вещество. Для таких ситуаций мы должны провести как можно больше опытов, то есть произвести как можно больше входных воздействий для более точного определения содержимого черного ящика.

Обобщенная схема усилителя

Она  выглядит примерно вот так:

Как мы можем видеть на схеме, ко входу усилительного каскада  через клеммы 1 и 2 подсоединяется какой-либо источник слабого сигнала  с ЭДС  EИ   и внутренним сопротивлением RИ . Именно этот слабый сигнал с этого источника мы будем усиливать. Далее, как и полагается, каждый усилитель обладает своим каким-либо входным сопротивлением Rвх . Сила тока Iвх в цепи  EИ —>RИ—>Rвх , как ни трудно догадаться, будет зависеть от  входного сопротивления усилительного каскада Rвх .

Как вы уже знаете, источник питания играет главную роль в усилительном каскаде. Маломощный слабый сигнал управляет расходом энергии источника питания. В результате на выходе мы получаем умощненную копию входного слабого сигнала. Усиление произошло благодаря тому, что источник питания давал свою мощность для усиления входного сигнала. Ну как-то вот так).

В выходной цепи усилителя мы получаем усиленный сигнал с ЭДС (Что такое ЭДС) Eвых и выходным сопротивлением Rвых . Через клеммники 3 и 4 мы цепляем нагрузку Rн , которая уже будет потреблять энергию усиленного сигнала. Сила тока в цепи Eвых —> Rвых —> Rн  будет зависеть от сопротивления нагрузки Rн .

Типы усилителей

Усилители можно разделить на три группы:

Усилитель напряжения

Усилитель напряжения (УН) усиливает входное напряжение в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по напряжению и вычисляется по формуле:

где

KU — это коэффициент усиления по напряжению

Uвых — напряжение на выходе усилителя, В

Uвх — напряжение на входе усилителя, В

Выходное усиленное напряжение не должно меняться от тока нагрузки, а следовательно, и от сопротивления нагрузки. В идеале, выходное сопротивление Rвых должно быть равно нулю, что недостижимо на практике. Поэтому, УН стараются проектировать так, чтобы минимизировать выходное сопротивление Rвых .

В таком режиме усилитель работает, если выполняются условия, что Rвх намного больше, чем Rвых т. е.  Rвх >>Rи  и Rн намного больше, чем Rвых    (Rн >>Rвых ). Чем больше номинал Rн , тем лучше для усилителя напряжения, так как нагрузка не будет просаживать выходное напряжение Uвых.  Здесь все просто: чем меньше сопротивление нагрузки, тем бОльшая сила тока будет течь по цепи Eвых —> Rвых —> Rн , тем больше будет падение напряжения на выходном сопротивлении Rвых , исходя из формулы ЭДС: Eвых =IвыхRвых +IвыхRн . Об этом можно более подробно прочитать в статье Закон Ома для полной цепи.

Усилитель тока

Усилитель тока (УТ) усиливает входной ток в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по току и вычисляется по формуле:

где KI   — коэффициент усиления по току

Iвых  — сила тока в цепи нагрузки, А

Iвх  — сила тока во входной цепи Eи —>Rи —>Rвх , А

Смысл работы усилителя тока такой:  при определенной силе тока во входной цепи, на выходе в цепи нагрузки мы получаем силу тока, бОльшую в KI раз, независимо от того, какое значение принимает номинал нагрузки. Здесь уже работает простой закон Ома I=U/R.

Если сила тока должна быть постоянной, а  значение сопротивления у нас может быть плавающим, то для поддержания постоянной силы тока в цепи нагрузки у нас усилитель автоматически изменяет напряжение Uвых на нагрузке. В результате, ток как был постоянной величиной, так и остался. Или буквами: Rн =var, Iвых= const.

Объяснение выше вы будете рассказывать своему преподу по электронике, а теперь объяснение для полных чайников. Итак, во входной цепи Eи —>Rи —>Rвх  пусть у нас течет сила тока в 10 мА. Коэффициент KI =100, следовательно, на выходе в цепи нагрузки Eвых —>Rвых —> Rн будет течь ток с силой в 1 А (10мА х 100). Но сам по себе такой ток не будет ведь гулять по этой цепи. Ему надо создать условия для протекания. Допустим,  у нас нагрузка 10 Ом. Какое тогда напряжение должно быть в этой цепи для получения силы тока в этой цепи в 1 А? Вспоминаем дядюшку Ома: I=U/R. 1=Uвых /10, получаем U=10 В. Вот такое напряжение нам будет выдавать усилитель тока на выходе.

Но что, если нагрузка поменяет свое значение? Ток должен остаться таким же, не забывайте, то есть 1 А, так как это у нас усилитель тока. В этом случае, чтобы сила тока в цепи оставалась 1 А  усилитель автоматически поменяет свое значение напряжения на выходе Uвых на 1=Uвых /5. Uвых =5/1=5 В. То есть на выходе у нас уже будет 5 Вольт.

Но также не забываем еще об одном параметре, который у нас находится в выходной цепи усилителя тока. Это выходное сопротивление Rвых . Поэтому, нам необходимо, чтобы выполнялось условие: Rвх << Rи и Rн << Rвых  при которых обеспечивается заданный ток в нагрузке при малом значении напряжения.

Усилитель мощности

Раньше было очень круто и модно собирать усилители мощности (УН) своими руками, включить Ласковый Май и вывернуть громкость на всю катушку. Сейчас же УМ может собрать или купить каждый, благо интернет и Алиэкпресс всегда под рукой.

Чем же УМ отличается от УН и УТ?

Если в УТ  мы увеличивали только силу тока, в УН — напряжение, то в УМ мы увеличиваем в кратное число раз ток и напряжение.

Формула мощности для постоянного и переменного тока при активной нагрузке выглядит вот так:

где

P — мощность, Вт

I — сила тока, А

U — напряжение, В

Следовательно, коэффициент усиления по мощности запишется как:

где

KP — коэффициент усиления по мощности

Pвых  — мощность на выходе усилителя, Вт

Pвх  — мощность на входе усилителя, Вт

Для усилителя мощности условия согласования входной цепи с источником входного сигнала и выходной цепи с нагрузкой для передачи максимальной мощности имеют вид: Rвх ≈ Rи и Rн ≈ Rвых .

Также не забывайте, что нагрузки могут быть как чисто активными (типа лампочки накаливания, резистора, различных нагревашек), так и иметь реактивную составляющую (катушки индуктивности, конденсаторы, двигатели и тд).

Классификация усилителей

Все усилители можно классифицировать по следующим признакам:

По частоте усиливаемого сигнала:

• усилители низкой частоты (УНЧ) для усиления сигналов от десятков герц до десятков или сотен килогерц;
• широкополосные усилители, усиливающие сигналы в единицы и десятки мегагерц;
• избирательные усилители, усиливающие сигналы узкой полосы частот;

По роду усиливаемого сигнала

• усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с частотой от нуля герц и выше;
• усилители переменного тока, усиливающие электрические сигналы с частотой, отличной от нуля;

По функциональному назначению

• усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности в зависимости от того, какой из параметров усилитель усиливает. Основным количественным параметром усилителя является коэффициент усиления.

В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению КU, току Кi или мощности КР:

КU = Uвх / Uвых

КI= Iвх/ Iвых

КP= Pвх / Pвых

где Uвх, Iвх — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на входе;

Uвых , Iвых — амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на выходе;

Рвх, Рвых— мощности сигналов соответственно на входе и выходе. Коэффициенты усиления часто выражают в логарифмических единицах — децибелах:

КU (дБ) = 20LgKu

КI(дБ) = 20LgKi

КР (дБ) = 10LgKp

Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных его каскадов: К = К1 · К2 · … · Кn

Если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов:

К (дБ) = К1 (дБ) + К2 (дБ) +… + Кn(дБ).

Обычно в усилителе содержатся реактивные элементы, в том числе и «паразитные», а используемые усилительные элементы обладают инерционностью. В силу этого коэффициент усиления является комплексной величиной:

ЌU = КU · ejφ

КU = Uвых / Uвх

где КU— модуль коэффициента усиления; φ — сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями с амплитудами Uвх и Uвых.

Помимо коэффициента усиления важным количественным показателем является коэффициент полезного действия:

η = Pвых / Pист

где Рист — мощность, потребляемая усилителем от источника питания.

Роль этого показателя особенно возрастает для мощных, как правило, выходных каскадов усилителя.

К количественным показателям усилителя относятся также входное Rвх и выходное Rвых сопротивления усилителя:

Rвх = Uвх / Iвх

Rвых = |∆ Uвых | / |∆ Iвых |

где Uвх и Iвх — амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя;

∆Uвых и ∆Iвых — приращения аплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки. Рассмотрим теперь основные характеристики усилителей.

Интересное видео о параметрах усилителя смотрите ниже: