2. Понятие сигнала (передача символа).

Для передачи сообщения на далекие расстояния их преобразуют в соответствующий электрический или оптический сигнал. Как говорят, кодируют сообщения. В случае электрического сигнала формируется процесс u(t), характеризуемый определенной зависимостью электрической величины u от времени t. Звуки, например, сравнительно просто кодируются микрофонным устройством. Роль сообщения играет звуковое давление p на мембрану микрофона, изменяющееся во времени по закону p(t). При этом в угольном микрофоне соответствующим образом изменяется сопротивление микрофона и ток в его цепи. В результате на выходе микрофонного устройства напряжение u(t) изменяется во времени по тому же закону, что и звуковое давление p(t).

При изучении сигнала с точки зрения передаваемой информации несущественно, какая именно электрическая (оптическая) величина подразумевается под u – напряжение, ток или заряд. Важно не что изменяется, а как изменяется эта величина во времени. Можно отвлечься от физической природы этой величины и интересоваться характером абстрактной математической зависимости u(t), т.е. функции времени t. В конечном итоге, для нас важно, что независимо орт физической природы сообщения кодирующий его сигнал передается в виде определенной функции времени.

Представление сигнала.

Изучая некоторое событие мы обычно интересуемся тем, где и когда оно произошло, какие перемещения в пространстве и изменения во времени имели место. Поэтому мы привыкли рассматривать большинство величин как функции пространственных координат и времени. Так возникает понятие поля.

При рассмотрении электромагнитных сигналов пространственные координаты источника сигнала (приемника) во внимание как правило, не принимаются (напомним, что в воздухе скорость электромагнитной волны приблизительно 3*10⁸ м/с). Электромагнитные волны распространяются примерно в миллион раз быстрее звуковых именно в зависимости u(t).

Эту зависимость можно записать в виде формулы (аналитически) или представить в виде графика u(t), но можно сигнал охарактеризовать по-другому, с точки зрения его спектрального состава, и тоже представить графически соответствующим образом.

Будем рассматривать, главным образом, такие сигналы, которые являются периодическими, т.е. функция u(t) удовлетворяет соотношению u(t+nT)=u(t), где T – постоянная величина, называемая периодом; n – любое целое число, периодический процесс можно охарактеризовать также частотой v=1/T.

Теоретически предполагается, что такая периодичность длится вечно и не имеет начала и конца во времени. Практически периодическим процессом относят такие процессы, длительность которых намного больше периода.

У них одинаковая частота, но различная форма колебаний. Эти различные формы имеют разный спектральный состав.

Спектры звуков

Звуковые сообщения обычно подразделяются на музыкальные звуки и шумы.

Музыкальный звук представляет собой периодически изменяющийся процесс. В частности если этот процесс гармонический говорят о музыкальном тоне. В спектре соответствующего сигнала наибольшую амплитуду имеет основной тон с ростом номера гармоник амплитуда их заметно падает. Так что практически спектр музыкального тона имеет немного гармоник. Гармоники определяют тембр музыкальных звуков. Одинаковые ноты разных инструментов имеют разное число гармоник и разные соотношения между их амплитудами. Значит и их спектры различны (благодаря этому наше ухо определяет инструмент). Отрывистые звуки (удар барабана) являются шумами. Сигналы шумов отличаются не периодичностью и сложной зависимостью от времени. Спектр шума значительно шире и богаче спектра музыкальных тонов. Качественное отличие различных шумов выражается в том, что спектр одного шума может иметь более интенсивные спектральные компоненты в области низких частот, а другого шума – на более высоких частотах т.е. различных пропорциях между спектральными компонентами. Спектральные представления позволяют создать единый и наглядный язык для написания процессов различной физической природы, использовать подчас неожиданные ассоциации и аналогии. Специалисты иногда используют термин белый шум – это такой шум, в сплошном спектре которого присутствуют все звуковые частоты, причем различные спектральные компоненты отличаются по энергии не очень сильно.