1. Электрические сигналы и их модели

1.1. Вводная часть

Сигнал — это физический носитель сообщения (информации) о каких-либо событиях, состояниях объекта, командах управления и т. п. Можно сказать, что сигнал «имеет две стороны»: содержание, т. е. переносимую им информацию, которая возникает при случайных процессах взаимодействия объектов со средой или при целенаправлен­ном воздействии на них системы управления, и форму, т. е. опреде­ленный характер изменения своих параметров, в соответствии с информацией, которая подлежит передаче или хранению. В общем случае выбор той или иной формы представления информации называется кодированием и зависит от способа ее дальнейшей обработки. Обратная операция — выявление закодированной, в сигнале информации — называется декодированием.

Наряду с сигналами в теоретических и экспериментальных исследованиях широко применяют воздействия — сигналы специаль­ного вида. Их подбирают так, чтобы нужные характеристики уст­ройств получались наиболее просто.

1.2. Аналоговые и цифровые сигналы

В рассматриваемых электронных цепях носителями информации будут электрические колебания. Для кодирования информации используют изменения параметров электрических колебаний. Такое кодирование принято называть модуляцией, которая может быть выполнена различными способами. Если сообщение пе­редается за счет непрерывного, в общем случае континуального, изменения того или иного пара­метра электрических колебаний, то говорят о непрерывной, или аналоговой, модуляции. На рис. 1.1 приведены наиболее часто употребляемые в информационных системах сигналы для передачи непрерывных величин.

Это могут быть напряжение или ток с меняющимся уровнем и изменяющимся направлением (рис. 1.1, а), либо колебания с изменяющейся амплитудой (АМ) (рис. 1.1, б), частотой (ЧМ) или фазой (ФМ), (рис. 1.1, в).

Колебания высокой, или, как принято говорить, несущей, частоты играют здесь роль переносчика информации: передаваемый низкочастотный сигнал заложен в изменениях того или иного параметра колебаний несущей частоты. Обратное преобразование — отделение сигнала от его переносчика называют демодуляцией.

В качестве переносчика сигнала можно применять не только гармонический сигнал. Можно использовать, например, периодические последовательности импульсов, обычно прямоугольной формы (рис. 1.2). Такой сигнал характеризуется следующими параметрами: длительностью импульса (t_и), длительностью паузы (t_п), периодом следования импульсов (T), частотой следования импульсов (f = 1/T).

В этом случае исходная информация передается за счет модуляции длительности им­пульсов t_и (ШИМ, рис. 1.3, б) при п

остоянной частоте их следования; за счет изменения периода Т при постоянной длительности импульсов (ЧИМ, рис. 1.3, в); или за счет изменения высоты импульсов Х_m (АИМ, рис. 1.3, г).

Н

Рисунок 2.1

аконец, если аналоговый сигнал преобразовать в цифровую форму, то получится дискретная выборка сигнала, которую можно представить в виде последовательности чисел. В зависимости от разрядности чисел в выборке и скорости изменения сигнала необходимо определить промежуток времени между соседними значениями выборки Dt (периодом квантования). Величина f = 1/Dt называется частотой дискретизации (частотой квантования).

На первый взгляд кажется, что передача непрерывного сообщения х(t) с помощью AM, ЧМ или ФМ принципиально отличается от передачи сообщений с помощью последовательности кодов, т. е. путем передачи дискретных точек непрерывной функции х(t), а не самой функции. Однако это не так. Любой аналоговый сигнал, в конечном счете, воспринимается нами чувственно через измерительные или показывающие приборы (вольтметры или осциллографы и т.п.). Любой из этих приборов имеет конечную точность измерения или отображения и, по сути, тоже является дискретным прибором, у которого минимальный шаг определяется погрешностью прибора.

Одновременно В. А. Котельниковым и Найквистом было показано, что для большинства непрерывных функций достаточно передать определенный ряд их мгновенных значений, чтобы на приемном конце системы связи можно было восстановить первоначальную функцию х(t) с наперед заданной точностью

Теорема. Для того чтобы по цифровым выборкам сигнала он мог быть восстановлен без потери информации необходимо, чтобы частота квантования этого сигнала была, по крайней мере, в два раза выше, чем высшая частота спектра исходного сигнала.

Рис.1.4