Что такое сигнал электрический сигнал
Электрический сигнал
Сигналом называют величину, отражающую состояние какой-либо физической системы. Электрический сигнал – это изменяющаяся во времени физическая величина (ток, напряжение, напряженность электрического или магнитного полей и т.д.), в которой содержится сообщение или информация.
Рис. 1.1.Примеры сигналов.
В процессе преобразования сообщения в электрический сигнал может иметь место модуляция, т.е. управление параметрами некоторой электрической величины. В результате модуляции соответствующий параметр становится функцией времени, а несущая функция превращается в сигнал (см. рис.1.2).
Рис. 1.2. V(t) – несущий процесс, U(t) – модулирующая функция, u(t) – сигнал.
Для выявления общих свойств сигналов их классифицируют по ряду признаков (рис. 1.3). По возможности предсказания мгновенных значений сигналов в любые моменты времени различают сигналы детерминированные и случайные.
По величине интервала времени, в котором существуют отличные от нуля значения сигнала, различают непрерывные и импульсные сигналы.
По повторяемости мгновенных значений сигнала различают периодические и непериодические сигналы.
В зависимости от выбора несущего процесса различают радиосигналы и видеосигналы. Видеосигналы – это такие сигналы, у которых несущими процессами являются постоянные токи и напряжения. Радиосигналы – это такие сигналы, у которых несущими процессами являются гармонические колебания и электромагнитные волны.
Кроме постоянных или синусоидальных токов и напряжений в качестве несущих процессов могут использоваться последовательности видеоимпульсов и радиоимпульсов. Сигналы с такими несущими процессами являются импульсно-модулированными сигналами. В зависимости от того, какой параметр несущего электромагнитного процесса подвергается модуляции, различают:
· амплитудно-модулированные сигналы (АМ);
· частотно- модулированные сигналы (ЧМ);
· фазомодулированные сигналы (ФМ);
· сигналы с широтно-импульсной модуляцией;
· сигналы с частотной модуляцией.
Информативным параметром сигнала может быть частота сигнала, центральная частота и ширина полосы сигнала (если сигнал широкополосный), период повторения сигналов и т.д. Целью обработки при проведении физического эксперимента может быть получение аналитического описания физического процесса, т.е. получение математической модели.
Рис. 1.3. Классификация сигналов
В радиотехнике, радиолокации, электрической связи, в системах и сетях передачи информации, автоматическом управлении целью обработки является получение, передача и обработка информации, содержащейся в сигналах.
Обработка может производиться в аналоговой или цифровой формах.
Для выполнения обработки в цифровой форме исходный аналоговый сигнал должен быть вначале преобразован в цифровую форму, т.е. представлен в виде серии отсчетов (мгновенных значений сигнала), взятых с некоторой частотой. Операция преобразования сигнала в цифровую форму производится с помощью АЦП. Для того, чтобы по набору цифровых отсчетов можно было восстановить значения измеряемого аналогового сигнала в любой момент времени с требуемой точностью, необходимо правильно выбрать разрядность АЦП и интервал дискретности измерений во времени. Обработку сигналов, представленных в цифровой форме, называют цифровой обработкой сигналов (ЦОС).
Методами ЦОС являются алгоритмы цифровой фильтрации, спектрально-корреляционного анализа, модуляции и демодуляции сигналов, адаптивной обработки и др. 3. Алгоритмы ЦОС, в отличие от других вычислений на ЭВМ, предусматривают, как правило, их выполнение в реальном масштабе времени.
Средствами реализации ЦОС программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), микропроцессоры общего назначения, микроконтроллеры, цифровые сигнальные процессоры (ЦСП). Последние аппаратно и программно оптимизированы на задачи ЦОС и образуют ее специализированную элементную базу. В режиме off line ЦОС может выполняться с помощью готовых компьютерных программ, представленных наиболее полно в MATLAB [4, 5]
Примером задачи ЦОС и средств ее решения может быть задача обнаружения и определения в реальном времени параметров радиолокационного линейно частотно модулированного (ЛЧМ) спутникового сигнала. Общая структура системы радиотехнического контроля радиолокационных спутниковых сигналов показана на рис. 1.5.
Рис. 1.5. Структура системы радиотехнического контроля радиолокационных
спутниковых сигналов. ПУТ-приемно-усилительный тракт, АОП-акустооптический
процессор, СРЦОС – система регистрации и обработки сигналов.
Рис. 1.6. Вид кадра, содержащего один элемент спектра ЛЧМ-сигнала
Один ЛЧМ-сигнал занимает несколько (например, 8-10) кадров. Чтобы получить ЛЧМ-сигнал, нужно обнаружить последовательно идущие кадры, содержащие элементы ЛЧМ-сигнала и просуммировать их. В результате будет получен сигнал, содержащий несколько (например, 8) последовательно расположенных линий спектра.
Основными задачами цифровой обработки является обнаружение в реальном времени ЛЧМ-сигналов в условиях шумов и помех и определение параметров ЛЧМ-сигнала, таких как центральная частота, полуширина спектра и амплитуда. Структура системы регистрации и цифровой обработки сигналов (СРЦОС) приведена на рис. 1.7.
Рис. 1.7. Структура СРЦОС. СИ_К- синхроимпульс кадра, СИ_Д – синхроимпульс данных (элементный синхроимпульс)
В процессе цифровой обработки решается несколько задач:
1. Фильтрация шумов и помех в потоке данных.
2. Обнаружение информативных сигналов в потоке данных и определение их параметров: центральной частоты, полуширины спектра и мощности.
3. Анализ параметров обнаруженных сигналов с целью исключения возможности ошибочного принятия сигнала помехи за информативный сигнал.
4. Передача параметров информативных сигналов на удаленный компьютер.
Предварительная обработка данных, требующая высокой скорости выполнения, реализована в ПЛИС. На этапе предварительной обработки производится фильтрация помех (п.1) и формирование 32-х битных отсчетов содержащих амплитуду сигнала, индекс в кадре и номер кадра для исключения из дальнейшей обработки неинформативных данных (п.2). Информативными считаются сигналы, превышающие пороговый уровень и не совпадающие с «картой помех». В «карте помех» сохраняется частотный диапазон структурно-детерминированных (станционных) помех, определенный непосредственно перед приемом спутникового сигнала.
Последовательность обработки информационного потока данных иллюстрируется на рис. 1.8.
Рис. 1.8. Последовательность обработки информационного потока данных
Другие примеры задач реального времени, решаемых с помощью систем ЦОС:
Обнаружение и определение параметров:
1. Донных сигналов электромагнитно-акустических толщиномеров;
2. Эхо-сигналов спектрометров ЯКР.
В задаче обнаружения и определения параметров донных сигналов электромагнитно-акустических (ЭМА) толщиномеров необходимо измерение времени прохождения ультразвукового импульса, порождаемого радиоимпульсом, через металлическое изделие. Таким способом определяется тощина металла. ЭМА-толщиномеры используются в атомной промышленности для контроля толщины металлических конструкций и для измерения толщины нефтегазовых труб в процессе эксплуатации. Пример вида зашумленных донных сигналов ЭМА-толщиномера приведен на рис.1.9.
Рис. 1.9.Фрагмент сигнала датчика (электромагнитно-акустического преобразователя) ЭМА-толщиномера
Определение толщины металла производится по расстоянию между центрами отраженных (донных) сигналов или по величине задержки отраженного радиоимпульса относительно зондирующего. Простейшим способом можно определить положение центров по максимумам отраженных сигналов. Структура типового ЭМА-толщиномера А1270 приведена на рис. 1.10.
Рис. 1.10. Структура аппаратной части ЭМА-толщиномера А1270.
Алгоритмы ЦОС, позволяющие определять более точно временную задержку отраженного радиоимпульса относительно зондирующего будут рассмотрены далее.
Блок обработки сигналов выполнен на базе ПЛИС и/или сигнального процессора.
§ спектрально-корреляционный анализ и другие методы ЦОС.
Создание систем ЦОС включает:
1. Разработку алгоритма ЦОС для выполнения решаемой задачи.
2. Высокоуровневую программную реализацию алгоритма (MATLAB) для моделирования процесса цифровой обработки и оценки эффективности разработанного алгоритма.
3. Низкоуровневую программную реализацию алгоритма ( С/С++).
4. Аппаратно-программную реализацию алгоритма ( VHDL, Verilog).
5. Аппаратную (ПЛИС, цифровые сигнальные процессоры, ПЛИС со встроенным аппаратным ядром ARM).
Электрический сигнал
Выделяют аналоговые, дискретные, квантованные и цифровые сигналы.
Содержание
Аналоговый сигнал (АС)
Большинство сигналов имеют аналоговую природу, то есть изменяются непрерывно во времени и могут принимать любые значения на некотором интервале. Аналоговые сигналы описываются некоторой 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 компьютер и обработать его невозможно, так как на любом интервале времени он имеет бесконечное множество значений, а для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому необходимо преобразовать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности.
Дискретный сигнал
Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени. Эти значения называются отсчетами. Δt называется интервалом дискретизации.
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 двоичный чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n ≥ log2(N).
Цифровой сигнал
Для того чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию. В результате сигнал будет представлен таким образом, что на каждом заданном промежутке времени известно приближённое (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом. Если записать эти целые числа в двоичной системе, получится последовательность нулей и единиц, которая и будет являться цифровым сигналом.
См. также
Полезное
Смотреть что такое «Электрический сигнал» в других словарях:
электрический сигнал — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN electric signal … Справочник технического переводчика
Электрический сигнал АЭ — 1.4.2. Электрический сигнал АЭ D. Elektrischen Schallemissionssignal E. Electrical AE signal Электрический сигнал на выходе приемного преобразователя, возникающий при воздействии на него механического сигнала АЭ Источник: МИ 198 79: Акустическая… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
электрический сигнал — elektrinis signalas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. electrical signal vok. elektrisches Signal, n rus. электрический сигнал, m pranc. signal électrique, m … Fizikos terminų žodynas
электрический сигнал акустической эмиссии — Сигнал АЭ на выходе преобразователя АЭ. [Система неразрушающего контроля. Виды (методы) и технология неразрушающего контроля. Термины и определения (справочное пособие). Москва 2003 г.] электрический сигнал акустической эмиссии Электрическое… … Справочник технического переводчика
электрический сигнал типа, стандартизованного в Рекомендации МСЭ-Т G.703, со скоростью передачи порядка q — электрический сигнал типа стандартизованного в Рекомендации МСЭ Т G.703, со скоростью передачи порядка q (q = 11, 12, 21, 22, 31, 32, 4) (МСЭ Т G.783). [http://www.iks media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324] Тематики электросвязь, основные… … Справочник технического переводчика
электрический силоизмеритель испытательной машины — Силоизмеритель, в котором измеряемое усилие преобразуется в электрический сигнал, воздействующий на показывающий или регистрирующий прибор. Примечание В зависимости от вида преобразователя электрические силоизмерители могут быть: тензометрические … Справочник технического переводчика
электрический — 3.45 электрический [электронный, программируемый электронный]; Е/Е/РЕ (electrical/electronic/ programmable electronic; Е/Е/РЕ) основанный на электрической и/или электронной, и/или программируемой электронной технологии. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
сигнал — 3.4 сигнал (signal): Воздействие на органы чувств оператора, характеризующее состояние или изменение состояния производственного оборудования. Настоящий стандарт описывает сигналы, распознаваемые органами зрения (видеодисплей), слуха… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
электрический импульс — 4.20 электрический импульс (elektrischer Impuls): Электрический сигнал (напряжение, ток или сопротивление), который за ограниченный промежуток времени отклоняется от начального значения, а затем возвращается к этому значению. Источник: ГОСТ Р ЕН… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
сигнал акустической эмиссии — 3.8 сигнал акустической эмиссии: «Полезный» сигнал, возбуждаемый дефектом в процессе АЭ контроля и имеющий акустическую природу. Источник: ГОСТ Р 52727 2007: Техническая диагностика. Акустико эмиссионная диагностика. Общие требования … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Электрический сигнал
Что такое электрический сигнал и с чем его едят? Давайте обсудим в этой статье.
Что такое сигнал?
Сигнал — это что-то такое, что можно передать через пространство и время. Итак, какие условия должны быть, чтоб назвать сигнал «сигналом»?
Во-первых, с игнал должен кем-либо создаваться (генерироваться).
Во-вторых, сигнал должен для кого предназначаться.
В-третьих, кто-то должен принять этот сигнал и сделать для себя какие-либо выводы, то есть правильно трактовать сигнал.
Окунемся в Дикий Запад.
Думаю, не секрет, что индейцы разжигали костер, и дым от костра использовался для передачи сигнала. Значит, в нашем случае костер — генератор сигнала. Итак, первый пункт работает). Для кого же был предназначен дым от костра? Для ковбоев? Конечно же нет! Для своих же индейцев. Значит, работает пункт два. Ну ладно, вы увидели два столба дыма, возвышающихся в небо. Вам это что-то говорит? Кто-то, наверное, жарит шашлыки? Может быть. Но если вы подойдете к этим кострам, то шашлык сделают именно из вас). Для индейцев эти два столба дыма означали, что их отряд благополучно поохотился на ковбоев ;-). Ну вот и выполнилось третье правило ;-).
Электрический сигнал
Но что же из себя представляет электрический сигнал? Терзают меня смутные сомнения, что где-то здесь замешан электрический ток :-). Чем характеризуется электрический ток? Ну конечно же, напряжением и силой тока. Самое примечательное, что электрический ток очень удобно передавать через пространство с помощью проводов. В этом случае его скорость распространения будет равна скорости света. Хотя и электроны в проводнике движутся со скоростью всего несколько миллиметров в секунду, электрические поле охватывает сразу весь провод со скоростью света! А как вы помните, скорость света равна 300 000 километров в секунду! Поэтому, электрон на другом конце провода практически сразу придет в движение.
Передача электрических сигналов
Итак, для передачи сигнала через пространство мы будем использовать провода. Чуть выше мы разобрали условия возникновения сигнала. Значит, первым делом, нам нужен генератор этих сигналов! То есть это может быть какая-либо батарея или схемка, которая бы генерировала электрический ток. Далее, должен быть кто-то, кто бы принимал этот сигнал. Это может быть какая-нибудь нагрузка, типа лампочки, нагревательного элемента или целой схемы, которая бы принимала этот сигнал. Ну и в-третьих, нагрузка должна как-то среагировать на этот сигнал. Лампочка должна источать свет, нагревательный элемент — греться, а схема исполнять какую-либо функцию.
Как вы поняли из всего выше сказанного, главный козырь сигнала — это его генератор. Итак, как мы уже разобрали, по проводам можно передавать два параметра электрического тока — это напряжение и сила тока. То есть мы можем создать генератор, который бы менял или свое напряжение или силу тока в нагрузке, которая бы цеплялась через провода к этому генератору. В основном в электронике используют именно параметр «напряжение», так как напряжение легко получить и менять его значение.
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:
Виды электрических сигналов
Постоянный ток
Какой же электрический сигнал является самым простым сигналом в электронике? Я думаю, это сигнал постоянного тока. А что значит постоянный ток? Это ток, значение напряжения которого не меняется с течением времени.Как же он выглядит на нашем графике? Примерно вот так:
Здесь мы видим сигнал постоянного тока в 3 вольта.
По вертикали у нас напряжение в вольтах, а по горизонтали — ну, скажем, в секундах. Постоянный ток с течением времени всегда имеет одно и то же значение напряжения, поэтому, неважно, в секундах или в часах у нас идет отсчет по времени. Напряжение ни прыгнуло, ни упало. Оно как было 3 Вольта, так и осталось. То есть можно сказать, что сигнал постоянного тока представляет из себя прямую линию, параллельную оси времени t.
Вот так выглядит сигнал постоянного тока на аналоговом осциллографе
Какие же генераторы электрического тока могут выдать такой сигнал постоянного напряжения?
Это, конечно же различные батарейки
аккумуляторы для мобильного телефона
и другие химические источники тока.
В лабораторных условиях проще получить постоянное напряжение из переменного. Прибор, который это умеет делать, называется лабораторным блоком питания постоянного напряжения.
Шумовой сигнал или просто шум
А что будет, если напряжение будет принимать хаотическое значение? Получится что-то типа этого:
Такой электрический сигнал называется шумом.
Думаю, некоторые из вас впервые видят осциллограмму шума, но я уверен на 100%, что все слышали звучание этого сигнала ;-). Ну-ка нажмите на Play 😉
Шипение радиоприемника или старого ТВ, не настроенного на станцию или на какой-нибудь канал — это и есть шум 😉 Как бы странно это не звучало, но такой сигнал тоже очень часто используется в электронике. Например, можно собрать схемку глушителя частот, который бы гасил все телевизионные и радиоприемники в радиусе километра). То есть генерируем шумовой сигнал, усиливаем его и подаем в эфир 😉 В результате глушим всю приемопередающую аппаратуру.
Синусоидальный сигнал
Синусоидальный сигнал — самый любимый сигнал среди электронщиков.
Все любят качаться на качелях?
Здесь мы видим девочку, которая с радостью на них качается. Но предположим, она не знает фишку, что можно раскачаться самой, вовремя сгибая и разгибая ноги. Поэтому, пришел папа девочки и толкнул дочку вперед.
Ниже на графике как раз показан этот случай
Как вы видите, траектория движения девочки во времени получилась очень забавной. Такой график движения носит название «синусоида«. В электронике такой сигнал называют синусоидальным. Вроде бы до боли самый простой график, но вы не поверите, именно на такой простой синусоиде строится вся электроника.
Так как синусоидальный сигнал повторяет свою форму на протяжении всего времени, то его можно назвать периодическим. То есть вы периодически обедаете — периодами — равными отрезками времени. Тут то же самое. Этот сигнал периодически повторяется. Важные параметры периодических сигналов — это амплитуда, период и частота.
Амплитуда (A) — максимальное отклонение напряжения от нуля и до какого-то значения.
Период (T) — время, за которое сигнал снова повторяется. То есть если вы сегодня обедаете в 12:00, завтра тоже в такое же время, в 12:00, и послезавтра тоже в это же самое время, значит ваш обед идет с периодом в 24 часа. Все элементарно и просто 😉
Частота (F) — это просто единичка, поделенная на период, то есть
Измеряется в Герцах. Объясняется как «столько-то колебаний в секунду». Ну пока для начала хватит ;-).
Как я уже сказал, в электронике синусоида играет очень большую роль. Даже не надо далеко ходить. Достаточно сунуть паль… щупы осциллографа в свою домашнюю розетку, и можно уже наблюдать синусоидальный сигнал, частотой в 50 Герц и амплитудой в 310 Вольт.
Прямоугольный сигнал
Очень часто в электронике используется и прямоугольный сигнал:
Прямоугольный сигнал на рисунке ниже, где время паузы и время длительности сигнала равны, называется меандром.
Треугольный сигнал
Близкие друзья синусоидального сигнала — это треугольный сигнал
У треугольного сигнала есть очень близкий кореш — это пилообразный сигнал
Сложный сигнал
В электронике также используются сложные сигналы. Вот, например, один из них (я нарисовал его от балды):
Все эти сигналы относятся к периодическим сигналам, так как для них можно указать период, частоту следования и амплитуду самих сигналов:
Двухполярные сигналы
Для сигналов, которые «пробивают пол», ну то есть могут иметь отрицательное значение напряжения, типа вот этих сигналов
кроме периода и амплитуды имеют еще один параметр. Называется он размах или двойная амплитуда. На буржуйском языке это звучит как amplitude Peak-to-peak, что в дословном переводе » амплитуда от пика до пика».
Вот двойная амплитуда для синусоиды (2А)
а вот для треугольного сигнала:
Чаще всего обозначается как 2А, что говорит нам о том, что это двойная амплитуда сигнала.
Импульсные сигналы
Также существуют сигналы, которые не подчиняются периодическому закону, но тоже играют немаловажную роль в электронике.
Импульсы — это те же самые сигналы, но они не поддаются периодическому закону, и меняют свое значение, в зависимости от ситуации.
Например, вот череда импульсов:
Каждый импульс имеет разную длительность во времени, поэтому мы не можем говорить о какой-то периодичности сигналов.
Звуковой сигнал
Также есть и звуковой сигнал
Хоть он и похож на белый шум, но несет информацию в виде звука. Если такой электрический сигнал подать на динамическую головку, то можно услышать какую-либо запись.
Вывод
В настоящее время электрические сигналы играют очень важную роль в радиоэлектронике. Без них не существовало бы никакой электроники, а тем более цифровой. В настоящее время цифровая электроника достигла своего апогея, благодаря цифровым сигналам и сложной системе кодирования.Скорость передачи данных просто ошеломляющая! Это могут быть гигабайты информации в секунду. А ведь все когда-то начиналось с простого телеграфа…