Как найти аналоговый сигнал

Сигналы

Аналоговое и цифровое представление сигнала

2. Сигналы

Аналоговые сигналы

В отличие от дискретного, аналоговый сигнал может иметь любой уровень
напряжения в зависимости от времени. Поскольку аналоговый сигнал может быть в
любом состоянии в любой момент времени, физические свойства, которые вы будете
измерять, отличаются от тех, которые измеряют в цифровом сигнале.

Информация в аналоговом сигнале

Вы можете измерять уровень, форму и частоту аналогового сигнала, как это
показано на следующей иллюстрации.

• Уровень — Измерение уровня напряжения аналогового сигнала похоже на измерение
состояния цифрового сигнала. Отличие в том, что аналоговый сигнал может иметь
любой уровень напряжения, в то время как цифровой может принимать два
фиксированных уровня: 0 либо 5 вольт.

• Форма — Измерение формы сигнала часто является очень важным, поскольку
аналоговые сигналы могут иметь любое значение в каждый момент времени.
Например, синусоидальная волна отличается от пилообразной. Измерение формы
сигнала предоставляет информацию для анализа других параметров сигнала, таких как
пиковые (амплитудные) значения, параметры фронта или среднее значение.

• Частота — Измерение частоты аналогового сигнала похоже на измерение частоты
цифрового сигнала. Однако непосредственно померить частоту аналогового сигнала
вы не сможете. Вам понадобится программный анализ — обычно это преобразование
Фурье — чтобы выделить частотную информацию.

Уровень большинства сигналов не сильно изменяется с течением времени. При этом
сигнал обычно нужно измерять с высокой точностью. Вам для этого понадобится
устройство сбора данных с большим разрешением, но небольшой частотой выборки.
Используя различные преобразователи (датчики), вы можете измерять напряжения
источников питания, температуру в смесительном баке, давление внутри шланга или
нагрузку на часть механизма, как показано на следующей иллюстрации.

Измеряя форму сигнала, вы получаете зависимость уровня сигнала от времени.
Некоторые сигналы очень быстро меняются со временем, а вам опять нужно с высокой
точностью измерять их уровень. Для таких сигналов необходимо использовать устройство
сбора данных с большим разрешением и высокой скоростью выборки.

Большое количество примеров измерения формы сигналов можно найти в
медицинской, электронной и автомобильной промышленности — от измерения параметров
сердцебиения и измерения видеосигналов до измерения вибрации пружины. После ввода
сигнала в компьютер вы сможете проанализировать его форму для выделения
необходимой информации.

Например, при измерении кровяного давления наиболее информативны пиковые
значения. Однако из-за наличия постоянной времени цепи сопротивление-конденсатор
(RC — цепочка) вам скорее придется работать с зависимостью амплитуды от времени, как
это показано на рисунке ниже.

При измерении частоты сигнала опять необходима зависимость сигнала от времени.
Многие сигналы очень быстро меняются во времени, и при этом вам нужно с высокой
точностью измерять частоту сигнала. Поэтому необходимо использовать устройство сбора
данных с большим разрешением и высокой скоростью дискретизации. Получив сигнал в
зависимости от времени (представление сигнала во временной области), вы можете
получить и его зависимость от частоты (в частотной области) при помощи программного
обеспечения.

Дискретные сигналы

Дискретные (цифровые) сигналы имеют два возможных состояния — «включено»
(высокий уровень напряжения, состояние «истина») и «выключено» (низкий уровень
напряжения, состояние «ложь»), В современной технике дискретные сигналы часто
представлены сигналами транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ-сигналы).
Технические условия ТТЛ сигналов определяют уровень напряжения от 0 до 0.8 вольт как
«низкий», а уровень напряжения от 2 до 5 вольт как «высокий». Большинство цифровых
устройств принимают любой ТТЛ-совместимый сигнал.

Информация в дискретном сигнале

В дискретном сигнале можно измерить только два параметра: состояние (уровень) и
скорость изменения.

• Состояние — Цифровой сигнал имеет два возможных состояния (уровня):
«включено» и «выключено». Поэтому один из возможных для измерения параметров —
это проверка состояния: «включено» или «выключено».

• Частота (скорость изменения) — Состояние цифрового сигнала также может
изменяться со временем. Поэтому другой измеримый параметр — это скорость
изменения состояний сигнала с течением времени.

Рассмотрим следующий пример измерения состояния дискретного сигнала.
Предположим, у вас имеется переключатель, который вы хотите контролировать. Этот
переключатель управляет включением и выключением света. Когда переключатель разомкнут,
вы измерите 0 вольт («выключено»). Когда
переключатель замкнут, вы измерите 5 вольт («включено»). Измеряя состояние
дискретного сигнала, можно определить, зажегся свет или нет.

Теперь рассмотрим следующий пример измерения частоты дискретного сигнала.
Предположим, что у вас есть мотор, и вы хотите определить, насколько быстро вращается
вал мотора.

Устройство кодирования (энкодер) по углу поворота — это датчик, преобразующий
информацию о вращательном движении вала мотора в дискретный сигнал. Когда вал
вращается, энкодер генерирует два цифровых сигнала. Каждый сигнал представляет собой
серию чередующихся высоких и низких состояний, которую называют
последовательностью импульсов (pulse train). При определенном повороте вала
генерируется импульс. Величина угла поворота вал, приходящаяся на один импульс,
зависит от устройства энкодера. Измеряя частоту импульсов в одной из последовательностей,
вы можете определить насколько быстро вращается вал. Измеряя обе последовательности
импульсов, можно определить не только скорость вращения вала, но также и направление
вращения.

Привет, Вы узнаете про сигнал, Разберем основные ее виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое
сигнал, аналоговый сигнал, цифровой сигнал, характеристики сигнала , настоятельно рекомендую прочитать все из категории МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ.

сигнал — материальное воплощение сообщения для использования при передаче, переработке и хранении информации.

Сигнал — код (символ, знак), созданный и переданный в пространство (по каналу связи) одной системой, либо возникший в процессе взаимодействия нескольких систем. Смысл и значение сигнала проявляются после регистрации и интерпретации в принимающей системе.

Сигнал (в теории информации и связи) — носитель информации, используемый для передачи сообщений в системе связи.

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

Существует немалое количество попыток сформулировать достаточно удобное определение этого термина и в специальной литературе , и в формальных нормативных актах.

Рис идеальный и искаженный (реальный) цифровой и
аналоговый сигнал

Определения

Помимо приведенного выше энциклопедического определения существует в классической литературе и множество иных вариантов определения термина «сигнал».

«Обычно под сигналом понимают величину, отражающую каким-либо образом состояние физической системы. В этом смысле естественно рассматривать сигнал как результат некоторых измерений, проводимых над физической системой в процессе ее наблюдения».

«Сигнал может быть определен как функция, переносящая информацию о состоянии или поведении физической системы. (…) Математически сигналы представляются в виде функций одной или нескольких независимых переменных».

«Сигнал — это изменяющаяся во времени физическая величина, описываемая функцией времени. Один из параметров этой функции содержит информацию о другой физической величине. Такой параметр сигнала (функции) называют информативным, а физическую величину, которой представлен сигнал, — носителем сигнала (несущей сигнала); сигнал имеет размерность этой величины».

«Сигналом обычно называют то, что несет в себе какие-то данные».

Общие сведения

Сигнал может генерироваться, но его прием не обязателен, в отличие от сообщения, которое рассчитано на принятие принимающей стороной, иначе оно не является сообщением. Сигналом может быть любой физический процесс, параметры которого изменяются (или находятся) в соответствии с передаваемым сообщением.

Сигнал, детерминированный или случайный, описывают математической моделью, функцией, характеризующей изменение параметров сигнала. Математическая модель представления сигнала, как функции времени, является основополагающей концепцией теоретической радиотехники, оказавшейся плодотворной как для анализа, так и для синтеза радиотехнических устройств и систем. В радиотехнике альтернативой сигналу, который несет полезную информацию, является шум — обычно случайная функция времени, взаимодействующая (например, путем сложения) с сигналом и искажающая его. Основной задачей теоретической радиотехники является извлечение полезной информации из сигнала с обязательным учетом шума.

Понятие сигнал позволяет абстрагироваться от конкретной физической величины, например тока, напряжения, акустической волны и рассматривать вне физического контекста явления связанные кодированием информации и извлечением ее из сигналов, которые обычно искажены шумами. В исследованиях сигнал часто представляется функцией времени, параметры которой могут нести нужную информацию. Способ записи этой функции, а также способ записи мешающих шумов называют математической моделью сигнала.

В связи с понятием сигнала формулируются такие базовые принципы кибернетики, как понятие о пропускной способности канала связи, разработанное Клодом Шенноном и об оптимальном приеме, разработанная В. А. Котельниковым.

Классификация сигналов

По физической природе носителя информации:

• электрические;
• электромагнитные;
• оптические;
• акустические

и другие;

По способу задания сигнала:

• регулярные (детерминированные), заданные аналитической функцией;
• нерегулярные (случайные), принимающие произвольные значения в любой момент времени. Для описания таких сигналов используется аппарат теории вероятностей.

В зависимости от функции, описывающей параметры сигнала, выделяют :

• непрерывные (аналоговые),
• непрерывно-квантованные,
• дискретно-непрерывные и
• дискретно-квантованные сигналы.

Непрерывный (аналоговый) сигнал

Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал — сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений.

Большинство сигналов имеют непрерывную зависимость от независимой переменной (например, изменяются непрерывно во времени) и могут принимать любые значения на некотором интервале. «Сигналы в непрерывном времени и с непрерывным диапазоном амплитуд также называются аналоговыми сигналами». Аналоговые сигналы (АС) оказывается возможным описать некоторой непрерывной математической функцией времени.

Пример АС — гармонический сигнал: s(t) = A·cos(ω·t + φ).

Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении. Ввести такой сигнал в цифровую систему для обработки невозможно, так как на любом интервале времени он может иметь бесконечное множество значений, и для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому очень часто необходимо преобразовывать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности.

Среди экспертов существует мнение, что термин «аналоговый сигнал» следует считать неудачным и устаревшим, а вместо него следует использовать термин «непрерывный сигнал».

Дискретно-непрерывный (дискретный) сигнал

Пространства аналоговых сигналов

Различают два пространства сигналов — пространство L (непрерывные сигналы), и пространство l (L малое) — пространство последовательностей.

Пространство l (L малое) есть пространство коэффициентов Фурье (счетного набора чисел, определяющих непрерывную функцию на конечном интервале области определения), пространство L — есть пространство непрерывных по области определения (аналоговых) сигналов.

При некоторых условиях, пространство L однозначно отображается в пространство l (например, первые две теоремы дискретизации Котельникова).

Аналоговые сигналы описываются непрерывными функциями времени, поэтому аналоговый сигнал иногда называют континуальным сигналом. Аналоговым сигналам противопоставляются дискретные (квантованные, цифровые). Примеры непрерывных пространств и соответствующих физических величин:

• прямая: электрическое напряжение
• окружность: положение ротора, колеса, шестерни, стрелки аналоговых часов, или фаза несущего сигнала
• отрезок: положение поршня, рычага управления, жидкостного термометра или электрический сигнал, ограниченный по амплитуде
• различные многомерные пространства: цвет, квадратурно-модулированный сигнал.

Свойства аналоговых сигналов

Свойства аналоговых сигналов в значительной мере являются противоположностью свойств квантованных или цифровых сигналов.

• Отсутствие четко отличимых друг от друга дискретных уровней сигнала приводит к невозможности применить для его описания понятие информации в том виде, как она понимается в цифровых технологиях. Содержащееся в одном отсчете «количество информации» будет ограничено лишь динамическим диапазоном средства измерения.

• Отсутствие избыточности. Из непрерывности пространства значений следует, что любая помеха, внесенная в сигнал, неотличима от самого сигнала и, следовательно, исходная амплитуда не может быть восстановлена. В действительности фильтрация возможна, например, частотными методами, если известна какая-либо дополнительная информация о свойствах этого сигнала (в частности, полоса частот).

Применение аналоговых сигналов

Аналоговые сигналы часто используют для представления непрерывно изменяющихся физических величин. Например, аналоговый электрический сигнал, снимаемый с термопары, несет информацию об изменении температуры, сигнал с микрофона — о быстрых изменениях давления в звуковой волне, и т. п.

Аналоговое телевидение — один из видов телевещания. В некоторых странах, например, в России ^{[комм 1]}, эфирное аналоговое телевидение заменяется цифровым.

Дискретный сигнал

«Дискретные сигналы (сигналы в дискретном времени) определяются в дискретные моменты времени и представляются последовательностью чисел».

Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени ti (где i — индекс) . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Обычно промежутки времени между последовательными отсчетами (Δti = ti − ti−1) постоянны; в таком случае, Δt называется интервалом дискретизации. Сами же значения сигнала x(t) в моменты измерения, то есть xi = x(ti), называются отсчетами.

Непрерывно-квантованный сигнал

Квантованный сигнал

При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности. Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования Δ. Число этих уровней равно N (от 0 до N−1). Каждому уровню присваивается некоторое число. Отсчеты сигнала сравниваются с уровнями квантования и в качестве сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования. Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с n разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов n двоичных чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n ≥ log2(N).

В соответствии с ГОСТ 26.013-81 , такие сигналы обозначены термином «многоуровневый сигнал».

Дискретно-квантованный (цифровой) сигнал

цифровой сигнал

К цифровым сигналам относят те, у которых дискретны как независимая переменная (например, время), так и уровень. Цифровой сигнал — сигнал, который можно представить в виде последовательности дискретных (цифровых) значений. В наше время наиболее распространены двоичные цифровые сигналы (битовый поток) в связи с простотой кодирования и используемостью в двоичной электронике. Для передачи цифрового сигнала по аналоговым каналам (например, электрическим или радиоканалам) используются различные виды манипуляции (модуляции).

Для того, чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию. Квантование является частным случаем дискретизации, когда дискретизация происходит по одинаковой величине, называемой квантом. В результате сигнал будет представлен таким образом, что на каждом заданном промежутке времени известно приближенное (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом. Последовательность таких чисел и будет являться цифровым сигналом.

Важным свойством цифрового сигнала, определившего его доминирование в современных системах связи, является его способность к полной регенерации в ретрансляторе (до некоторого порогового отношения сигнал/шум). Когда в ретранслятор приходит сигнал с небольшими помехами, он преобразуется в цифровую форму, и ретранслятор заново формирует сигнал, полностью убирая искажения. Аналоговый же сигнал удается усилить лишь вместе с наложившимися на него шумами.

С другой стороны, если цифровой сигнал приходит с большими помехами, восстановить его невозможно (эффект крутой скалы (англ.)), в то время как из искаженного аналогового сигнала можно извлечь часть информации, хотя и с трудом. Если сравнивать сотовую связь аналогового формата (AMPS, NMT) с цифровой связью (GSM, CDMA), то при помехах на цифровой линии из разговора выпадают порой целые слова, а на аналоговой можно вести разговор, хотя и с помехами.

Выход из данной ситуации — чаще регенерировать цифровой сигнал, вставляя регенераторы в разрыв линии связи, или уменьшать длину линии связи (например, уменьшать расстояние от сотового телефона до базовой станции, что достигается более частым расположением базовых станций на местности).

Использование в цифровых системах алгоритмов проверки и восстановления цифровой информации позволяет существенно увеличить надежность передачи информации.

Параметры сигналов

Параметры периодического импульсного сигнала:

• амплитуда Uт – наибольшее из мгновенных значений (за период повторения Т);

• период повторения Т – временной интервал от любого мгновенного значения сигнала до следующего мгновенного значения сигнала того же уровня (при одном значении производной);

• частота повторения f – количество периодов колебаний за 1с;

• длительность импульса и – временной интервал на уровне 0.5Um;

• передний фронт – временной интервал, в течение которого сигнал увеличивается от уровня 0,1Um до уровня 0,9 Um;

• задний фронт (срез) – временной интервал, в течение которого сигнал уменьшается от уровня 0,9Um до уровня 0,1 Um;

Иногда длительность импульса указывают на некотором заданном уровне, например, на уровне 0,1Um – .

Импульсный сигнал считают прямоугольным, если длительность плоской части на уровне Um составляет более трех длительностей .

На рис. 1.14 изображен периодически повторяющийся импульсный сигнал положительной полярности.

Рисунок 1.14 – Параметры периодического импульсного сигнала

Измерение периода и частоты сигнала

По определению (см. рис.1) период T – это наименьший временной интервал, через который периодический сигнал повторяет свои значения. Частота f равна количеству периодов в единицу времени. Частота связана с периодов простым обратным соотношением f = 1/Т, поэтому измерив период, легко рассчитать и обратную величину – частоту, и наоборот.

Рисунок 1 – Метод стробирования для измерения периода сигнала

Характеристики сигналов

Формально прописанными в ГОСТ характеристиками сигналов являются ниже следующие.

Характеристики импульсов

• Спектральная функция импульса — комплексная функция, представляющая собой преобразование Фурье от импульса.
• Модуль спектральной функции импульса
• Аргумент спектральной функции импульса

Характеристики периодических сигналов

• Период периодического сигнала — параметр, равный наименьшему интервалу времени, через который повторяются мгновенные значения периодического сигнала.
• Частота периодического сигнала — параметр, представляющий собой величину, обратную периоду периодического сигнала.
• Комплексный спектр периодического сигнала — Комплексная функция дискретного аргумента, равного целому числу значений частоты периодического сигнала, представляющая собой значения коэффициентов комплексного ряда Фурье для периодического сигнала.
• Амплитудный спектр периодического сигнала — Функция дискретного аргумента, представляющая собой модуль комплексного спектра периодического сигнала.
• Фазовый спектр периодического сигнала — функция дискретного аргумента, представляющая собой аргумент комплексного спектра периодического сигнала.
• Гармоника — гармонический сигнал с амплитудой и начальной фазой, равными соответственно значениям амплитудного и фазового спектра периодического сигнала при некотором значении аргумента.

Характеристики случайных сигналов

• Одномерная плотность вероятности — функция, равная пределу отношения вероятности пребывания случайного сигнала в некотором интервале значений к ширине этого интервала при стремлении его к нулю, причем ее аргументом является значение, к которому стягивается интервал
• Корреляционная функция — функция, равная среднему значению произведения переменной составляющей случайного сигнала и такой же переменной составляющей, но запаздывающей на заданное время.
• Нормированная корреляционная функция — функция, равная отношению корреляционной функции случайного сигнала к его дисперсии
• Энергетический спектр — функция, представляющая собой преобразование Фурье от корреляционной функции, аргументом которой является частота

Характеристики взаимодействия сигналов

• Отношение сигнал — помеха — отношение величин, характеризующих интенсивности сигнала и помехи.
• Коэффициент модуляции «вверх» — коэффициент, равный отношению пикового отклонения «вверх» закона модуляции к его постоянной составляющей при амплитудной модуляции.
• Коэффициент модуляции «вниз» — коэффициент, равный отношению пикового отклонения «вниз» закона модуляции к его постоянной составляющей при амплитудной модуляции.
• Девиация частоты «вверх» — пиковое отклонение «вверх» закона модуляции при частотной модуляции.
• Девиация частоты «вниз» — пиковое отклонение «вниз» закона модуляции при частотной модуляции.
• Индекс угловой модуляции — пиковое отклонение закона модуляции фазомодулированного сигнала при гармоническом законе модуляции

Характеристики взаимосвязи сигналов

• Взаимокорреляционная функция — функция, равная среднему значению произведения переменной составляющей одного случайного сигнала и запаздывающей на заданное время переменной составляющей другого случайного сигнала.
• Взаимный энергетический спектр — Функция, представляющая собой преобразование Фурье от взаимнокорреляционной функции, аргументом которой является частота
• Время запаздывания — параметр, равный значению временного сдвига одного из сигналов, при котором достигается тождественное равенство его другому сигналу с точностью до постоянного множителя и постоянного слагаемого.
• Фазовый сдвиг — модуль разности начальных фаз двух гармонических сигналов одинаковой частоты.

Характеристики искажений сигналов

• Коэффициент гармоник — коэффициент, характеризующий отличие формы данного периодического сигнала от гармонической, равный отношению среднеквадратического напряжения суммы всех гармоник сигнала, кроме первой, к среднеквадратическому напряжению первой гармоники.
• Относительное отклонение сигнала от линейного закона — коэффициент, равный отношению абсолютного отклонения (40) данного сигнала от прямой линии, соединяющей мгновенные значения сигнала, соответствующие началу и концу заданного интервала времени к максимальному значению сигнала на этом же интервале
• Коэффициент нелинейности сигнала — коэффициент, равный отношению размаха производной сигнала на заданном интервале времени к максимальному значению производной на этом же интервале.
• Абсолютное отклонение сигналов — максимальное значение разности мгновенных значений сигналов, взятых в один и тот же момент времени на протяжении заданного интервала времени.

Энергия и сила

По силе сигналов практические сигналы можно разделить на две категории: энергетические сигналы и мощные сигналы. [14]

Сигналы энергии: эти сигналы энергия равна конечное положительное значение, но их средние мощности равны 0;

Сигналы мощности: средняя мощность этих сигналов равна конечному положительному значению, но их энергия бесконечна .

t}

Детерминированный и случайный

Детерминированные сигналы — это те, значения которых в любой момент предсказуемы и могут быть вычислены с помощью математического уравнения.

Случайные сигналы — это сигналы, которые принимают случайные значения в любой данный момент времени и должны моделироваться стохастически . [15

Частные сведения

Сигнал и событие

Событие (получение записки, наблюдение сигнальной ракеты, прием символа по телеграфу) является сигналом только в той системе отношений, в которой сообщение опознается значимым (например, в условиях боевых действий сигнальная ракета — событие, значимое только для того наблюдателя, которому оно адресовано). Очевидно, что сигнал, заданный аналитически, событием не является и не несет информацию, если функция сигнала и ее параметры известны наблюдателю.

В технике сигнал всегда является событием Другими словами, событие — изменение состояния любого компонента технической системы, опознаваемое логикой системы как значимое, является сигналом. Событие, неопознаваемое данной системой логических или технических отношений как значимое, сигналом не является.

Представление сигнала и спектр

Есть два способа представления сигнала в зависимости от области определения: временной и частотный. В первом случае сигнал представляется функцией времени {displaystyle s(t)} характеризующей изменение его параметра.

Кроме привычного временного представления сигналов и функций при анализе и обработке данных широко используется описание сигналов функциями частоты. Действительно, любой сколь угодно сложный по своей форме сигнал можно представить в виде суммы более простых сигналов, и, в частности, в виде суммы простейших гармонических колебаний, совокупность которых называется частотным спектром сигнала.

Для перехода к частотному способу представления используется преобразование Фурье:

.

Функция называется спектральной функцией или спектральной плотностью. Поскольку спектральная функция является комплексной, то можно говорить о спектре амплитуд и спектре фаз .

Физический смысл спектральной функции: сигнал представляется в виде суммы бесконечного ряда гармонических составляющих (синусоид) с амплитудами , непрерывно заполняющими интервал частот от до , и начальными фазами .

Размерность спектральной функции есть размерность сигнала, умноженная на время.

В радиотехнике

В радиотехнике основным элементом кодирования является модуляция сигнала. При этом обычно рассматривается близкий к гармоническому сигнал вида s(t) = A sin(2πf·t + φ), где амплитуда A, частота f или фаза φ медленно (относительно скорости изменения синуса) изменяются в зависимости от передаваемой информации (амплитудная, частотная или фазовая модуляция, соответственно).

Стохастические модели сигнала, предполагают случайным или сам сигнал, или переносимую им информацию. Стохастическая модель сигнала часто формулируется как уравнение, связывающее сигнал с шумом, который в данном случае имитирует множество возможных информационных сообщений и называется формирующим шумом, в отличие от мешающего шума наблюдения.

Обобщением скалярной модели сигнала являются, например, векторные модели сигналов, представляющие собой упорядоченные наборы отдельных скалярных функций, с определенной взаимосвязью компонентов вектора друг с другом. На практике векторная модель соответствует, в частности, одновременному приему сигнала несколькими приемниками с последующей совместной обработкой. Еще одним расширением понятия сигнала является его обобщение на случай полей.

Примеры сигналов

Сигналы в природе могут быть преобразованы в электронные сигналы с помощью различных датчиков . Примеры включают:

• Движение . Движение объекта можно рассматривать как сигнал, и его можно контролировать с помощью различных датчиков для получения электрических сигналов. [16] Например, радар может подавать электромагнитный сигнал для отслеживания движения самолета. Сигнал движения является одномерным (время), а диапазон, как правило, трехмерным. Таким образом, позиция является 3-векторным сигналом; Положение и ориентация твердого тела — это 6-векторный сигнал. Сигналы ориентации можно генерировать с помощью гироскопа . [17]
• Звук . Поскольку звук — это вибрация среды (например, воздуха), звуковой сигнал связываетзначение давления с каждым значением времени и, возможно, с тремя пространственными координатами, указывающими направление движения. Звуковой сигнал преобразуется микрофоном в электрический сигнал, генерируясигнал напряжения как аналог звукового сигнала. Звуковые сигналы могут быть записаны в дискретный набор моментов времени; например, компакт-диски (CD) содержат дискретные сигналы, представляющие звук, записанные со скоростью 44 100 выборок в секунду ; поскольку компакт-диски записаны в стерео, каждая выборка содержит данные для левого и правого каналов, которые можно рассматривать как двухвекторный сигнал. Кодирование компакт-диска преобразуется в электрический сигнал путем считывания информации с помощью лазера , преобразовывая звуковой сигнал в оптический сигнал. [18]
• Изображения . Картинка или изображение состоит из яркости или цветового сигнала в зависимости от двухмерного местоположения. Внешний вид объекта представлен как излучаемая или отраженная электромагнитная волна, одна из форм электронного сигнала. Его можно преобразовать в сигналы напряжения или тока с помощью таких устройств, как устройство с зарядовой связью . 2D-изображение может иметь непрерывную пространственную область, как в традиционной фотографии или живописи; или изображение может быть дискретизировано в пространстве, как в цифровом изображении с растровой разверткой . Цветные изображения обычно представлены как комбинация изображений в трех основных цветах , так что сигнал имеет векторную оценку с размерностью три.
• Видео . Видеосигнал — это последовательность изображений. Точка в видео идентифицируется по ее двумерному положению и времени, в которое она возникает, поэтому видеосигнал имеет трехмерную область. Аналоговое видео имеет одно непрерывное измерение области (поперек линии развертки ) и два дискретных измерения (кадр и линию).
• Биологические мембранные потенциалы . Значение сигнала — это электрический потенциал («напряжение»). Домен установить сложнее. Некоторые клетки или органеллы имеют одинаковый мембранный потенциал; нейроны обычно имеют разные потенциалы в разных точках. Эти сигналы имеют очень низкую энергию, но их достаточно для работы нервной системы; их можно измерить в совокупности методами электрофизиологии .

Другими примерами сигналов являются выход термопары , которая передает информацию о температуре, и выход pH-метра, который передает информацию о кислотности.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• Связь
• Код
• Модуляция
• Аналого-цифровой преобразователь
• Отношение сигнал/шум
• Знак
• Информация
• Сообщение

В общем, мой друг ты одолел чтение этой статьи об сигнал. Работы в переди у тебя будет много. Смело пишикоментарии, развивайся и счастье окажется в ваших руках.
Надеюсь, что теперь ты понял что такое сигнал, аналоговый сигнал, цифровой сигнал, характеристики сигнала
и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания,
то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории
МЕТРОЛОГИЯ И ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ

Аналоговый сигнал

Любые
способы технической регистрации и
передачи информации (граммофон,
магнитофон, кинокамера, видеокамера,
фотоаппарат и т. д.), которые существовали
в докомпьютерную эру и продолжают
успешно функционировать, основаны на
аналоговых технологиях.

Эти
устройства называются аналоговыми,
потому что уровни оригинального сигнала,
например звука, похожи на уровни
электрического тока, с помощью которого
сигнал передается (один сигнал «аналогичен»
по форме другому) (рис. 3.1). Если выразиться
максимально обобщенно, то непрерывные
значения одного сигнала задаются
непрерывно изменяющейся физической
величиной другого сигнала.

Рис.
3.1.
Характер исходного и передаваемого
сигналов

Определение

Аналоговый
способ передачи информации –
это способ, у которого каждому мгновенному
значению входной величины (например,
звука) соответствует мгновенное значение
другой величины, отличающейся по
физической природе (например, электрического
тока), но изменяющейся по тому же закону,
что и входная величина.

Поэтому
аналоговую технологию отличает, прежде
всего, непрерывный континуум информации
(в процессе записи или передачи нет
дискретных элементов, нет разрывов,
даже в моменты «тишины»). Примерно
также непрерывно мы воспринимаем
информацию с помощью органов зрения
или слуха.

Пример

Передача
звука состоит в том, что в микрофоне под
влиянием колебаний воздуха мембрана
колеблется и «трясет» пьезоэлемент,
в котором механическое воздействие
создает электрический потенциал. В цепи
появляется ток, уровень которого
соответствует уровню звука в данный
момент. Таким образом, с помощью микрофона
звуковые волны преобразовываются в
электрические сигналы.

Последующая
запись такого сигнала, скажем, на
грампластинку также производится
непрерывно: резец устройства не отрывается
от пластинки до конца записи. И при
воспроизведении граммофонной пластинки
игла адаптера также непрерывно «дергается»
в нарезанных бороздках и, в зависимости
от силы колебания, продуцирует ток
различных уровней, соответствующих
ранее записанному сигналу.

Когда
сигнал через систему усилителей попадает
на воспроизводящее устройство (динамик),
он вызывает колебание другой мембраны:
она притягивается или отталкивается
электромагнитами, тем самым создавая
колебания воздуха, а следовательно,
обеспечивая условия восприятия звука
человеком. Характерно, что ухо человека
воспринимает такой сигнал практически
неотличимо от ситуации, если бы источник
звука располагался в непосредственной
близости.

Данный
пример (пока не касающийся графической
информации) приведен только для того,
чтобы подчеркнуть, что характер процедуры
записи и воспроизведения идентичен для
всех аналоговых систем. Процедура
включает преобразование естественного
сигнала в электрический, а затем
электрического снова в такой же
естественный, при этом электрический
сигнал по форме аналогичен исходному,
а конечный результат, в свою очередь,
аналогичен электрическому, а следовательно,
и исходному (естественному).

Важная мысль

В
процессе преобразования естественного
сигнала в электрический, а затем
электрического снова в естественный,
форма сигнала сохраняется аналогичной
исходному.

Достоинством
аналогового способа передачи информации
является ее естественность и непрерывность,
т. е. способность в данный момент
максимально полно представлять
непрерывный поток поступающей информации.

Вместе
с тем, у аналогового принципа передачи
информации есть существенные недостатки,
из которых следует упомянуть два наиболее
важных: способность к затуханию и
чувствительность к помехам.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Цифровая схемотехника – важнейшая дисциплина, которую изучают во всех высших и средних учебных заведениях, готовящих специалистов в электронике. Настоящий радиолюбитель тоже должен хорошо разбираться в этом вопросе. Но большинство книг и учебных пособий написаны очень сложным для понимания языком, и начинающему электронщику (возможно, школьнику) будет тяжело освоить новую информацию. Цикл новых обучающих материалов от Мастер Кит призван восполнить этот пробел: в наших статьях о сложных понятиях рассказывается самыми простыми словами.

8.1. Аналоговые и цифровые сигналы

Сначала надо разобраться, чем вообще аналоговая схемотехника отличается от цифровой. И главное отличие – в сигналах, с которыми работают эти схемы.
Все сигналы можно разделить на два основных вида: аналоговые и цифровые.

Аналоговые сигналы

Аналоговые сигналы наиболее привычны для нас. Можно сказать, что весь окружающий природный мир вокруг нас – аналоговый. Наши зрение и слух, а также все остальные органы чувств воспринимают поступающую информацию в аналоговой форме, то есть непрерывно во времени. Передача звуковой информации – речь человека, звуки музыкальных инструментов, рёв животных, звуки природы и т.п. – также осуществляется в аналоговом виде.
Чтобы ещё лучше понять этот вопрос, нарисуем аналоговый сигнал (рис.1.):

 

Рис.1. Аналоговый сигнал

Мы видим, что аналоговый сигнал непрерывен во времени и по амплитуде. Для любого момента времени можно определить точное значение амплитуды аналогового сигнала.

Для наглядности нарисуем графики аналогового (вверху) и цифрового (внизу) сигналов (рис.2.):

Рис.2. Аналоговый сигнал (вверху) и его цифровая копия (внизу)

Мы видим, что в каждый мгновенный промежуток времени можно узнать мгновенное цифровое значение амплитуды сигнала. Что происходит с сигналом (по какому закону он меняется, какова его амплитуда) между интервалами «проверки», мы не знаем, эта информация потеряна для нас. Чем реже мы проверяем уровень сигнала (чем ниже частота дискретизации), тем меньше имеем информации о сигнале. Разумеется, справедливо и обратное: чем выше частота дискретизации, тем лучше качество представления сигнала. В пределе, увеличивая частоту дискретизации до бесконечности, мы получаем практически тот же аналоговый сигнал.
Значит ли это, что аналоговый сигнал в любом случае качественнее цифрового? В теории, пожалуй, да. Но на практике современные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) работают с такой высокой частотой дискретизации (до нескольких миллионов выборок в секунду), так качественно описывают аналоговый сигнал в цифровой форме, что органы чувств человека (глаза, уши) уже не могут почувствовать разницу между оригинальным сигналом и его цифровой моделью. Цифровой сигнал обладает очень существенным достоинством: его легче передавать по проводам или радиоволне, помехи не оказывают на такой сигнал существенного влияния. Поэтому вся современная мобильная связь, теле- и радиовещание — цифровая.

Нижний график на рис. 2 легко представить и в другом виде – как длинную последовательность пары цифр: время/амплитуда. А цифры – это как раз то, что нужно цифровым схемам. Правда, цифровые схемы предпочитают работать с цифрами в особом представлении, но об этом мы поговорим в следующем уроке.

Сейчас мы можем сделать важные выводы:

— цифровой сигнал дискретен, его можно определить только для отдельных моментов времени;
— чем выше частота дискретизации – тем лучше точность представления цифрового сигнала.

Все современные средства связи работают принципу передачи электрического тока от одного устройства к другому. По каналам связи могут передаваться различные типы сигналов. Аналоговый – один из них. В чем же его особенность?

Главное отличие заключается в структуре потока. Аналоговый сигнал представляет собой непрерывный поток, с изменяемыми по времени в пределах максимальных значений частотой и амплитудой. Графически это похоже на синусоиду.

Для описания аналогового сигнала используются три основные характеристики:

• амплитуда;
• длина волны;
• частота.

Отличие цифрового и аналогового сигнала

Свойства аналоговых сигналов

В отличие от других видов у аналоговых сигналов отсутствует чёткая дифференциация дискретных уровней. Поэтому для их описания невозможно применить понятие информации так, как оно трактуется в цифровых технологиях. «Количество информации», которое содержится в одном отсчёте, ограничивается исключительно динамическим диапазоном средств измерения.

На практике, аналоговые сигналы абсолютно беспомощны перед помехами. Т.е. любая помеха, накладываемая на канал передачи информации, будет без изменений получена и воспроизведена приемником. У цифровых технологий в этом отношении ситуация получше. Цифровое оборудование способно отфильтровывать «непрошенных гостей» и восстанавливать исходные данные.

Ещё одно свойство аналоговых сигналов – избыточность. Они несут в себе много лишней информации. Ну и наконец, с безопасностью у аналогового сигнала тоже не все в порядке: он полностью беззащитен перед несанкционированным вторжением извне.

Недостатки аналогового сигнала

Итак, аналоговый сигнал:

• непрерывен;
• избыточен;
• подвержен помехам;
• не защищен от вторжения извне.

Подводя итог, можно считать аналоговый сигнал полностью себя изжившим. Мы живем в эру цифровых технологий и именно «цифра» сегодня волнует большинство потребителей.

Смотрите также