Что такое сигналы: виды, характеристики и применение

Сигналы играют важную роль в нашей повседневной жизни. От звукового сигнала будильника утром до сигналов мобильной связи и интернета – мы постоянно сталкиваемся с передачей и приемом различных сигналов. Давайте разберемся, что представляют собой сигналы, какие бывают их виды и особенности.

Определение сигналов

В общем смысле сигнал – это изменение какой-либо физической величины, несущее в себе некую информацию. Сигналы могут иметь разную физическую природу – электрическую, электромагнитную, акустическую и др.

В теории связи под сигналом понимают материальный носитель информации, который используется для передачи сообщений. В отличие от простого сообщения, сигнал может генерироваться, но его прием не обязателен.

Математически сигнал описывают с помощью функции, характеризующей изменение его параметров во времени или по частоте. Это позволяет абстрагироваться от конкретной физической природы сигнала и исследовать общие закономерности передачи информации.

Физическая природа сигналов

По физической природе носителя информации различают следующие виды сигналов:

• Электрические сигналы (напряжение, ток)
• Электромагнитные сигналы (радиоволны)
• Акустические сигналы (звуковые волны)
• Оптические сигналы (свет)
• Механические сигналы (колебания и вибрации)

Наиболее распространенными являются электрические и электромагнитные сигналы, которые используются в радиосвязи, телекоммуникациях, радиовещании.

Примером акустического сигнала может служить обычный звук. Звуковые волны также могут нести в себе информацию. Например, звуковые сигналы применяются в системах оповещения, музыкальных инструментах и т.д.

Способы задания сигналов

По способу задания различают аналоговые и цифровые сигналы.

Аналоговый сигнал изменяется непрерывно во времени и может принимать любые значения в некотором диапазоне. Математически такой сигнал описывают непрерывной функцией времени. Пример – гармонический сигнал:

Недостатком аналоговых сигналов является сложность их оцифровки и обработки с помощью компьютеров.

Для решения этой проблемы используют цифровые сигналы, которые представляют собой последовательность дискретных отсчетов, записанных в виде двоичных чисел. Цифровой сигнал получают путем дискретизации и квантования аналогового сигнала. Это позволяет эффективно передавать и обрабатывать сигналы с помощью компьютеров и цифровых устройств.

На этом основаниях строится цифровая обработка сигналов и цифровая связь.

Математические модели сигналов

Для исследования и обработки сигналов используют различные математические модели. Эти модели позволяют абстрагироваться от конкретной физической природы сигнала и сосредоточиться на анализе переносимой информации.

Различают детерминированные и стохастические модели сигналов.

Детерминированная модель описывает сигнал конкретной математической функцией, все параметры которой известны. Например, рассмотренный выше гармонический сигнал является детерминированным.

Стохастическая (вероятностная) модель учитывает шумы и случайные возмущения сигнала. Здесь сигнал описывают уравнением, содержащим случайные величины – шумы.

Параметры и характеристики сигналов

Любой сигнал характеризуется определенными параметрами, наиболее важными из которых являются:

• Амплитуда
• Частота
• Фаза
• Полоса частот
• Спектр

Амплитуда сигнала определяет его мощность. Чем выше амплитуда, тем большей энергией обладает сигнал.

Частота – это количество колебаний сигнала в единицу времени. Она измеряется в герцах (Гц). Высокочастотные сигналы могут нести большие объемы информации.

Фаза показывает текущее состояние сигнала. Например, для гармонических колебаний она определяет положение на синусоиде.

Полоса частот характеризует диапазон частот сигнала. Ширина полосы влияет на объем переносимой информации.

Спектр представляет сигнал как сумму гармонических составляющих различных частот. Анализ спектра важен при передаче и обработке сигналов.

Прием и обработка сигналов

Для эффективного использования сигналов в системах связи необходимо принимать и обрабатывать их с помощью различных устройств.

После приема слабые сигналы требуют усиления. Для этого используют усилители, повышающие амплитуду и мощность сигнала.

Фильтрация сигналов

Важным этапом обработки является фильтрация сигналов. Фильтрация позволяет выделить нужный диапазон частот и подавить нежелательные.

Различают аналоговые и цифровые фильтры. Аналоговые фильтры обрабатывают аналоговые сигналы, а цифровые - цифровые после их предварительной оцифровки.

Правильный подбор и настройка фильтров имеет большое значение для качественной передачи информации, поскольку позволяет отфильтровать шумы и выделить полезный сигнал.

Детектирование сигналов

Детектирование необходимо для обнаружения и измерения параметров принятого сигнала.

Например, при приеме радиосигнала с амплитудной модуляцией сначала проводят детектирование – выделение низкочастотного сигнала с полезной информацией, закодированной в параметрах высокочастотного радиосигнала-носителя.

Таким образом, можно извлечь передаваемую информацию из высокочастотного сигнала, непригодного для непосредственного восприятия.

Применение сигналов

Сигналы находят широкое применение для передачи информации на расстояние в телекоммуникациях, радиосвязи, телевидении и радиовещании.

Обычный пример - это передача звука (речи или музыки) с помощью радиосигналов в радиовещании. Звуковая информация кодируется в параметрах радиосигнала, который затем передается на расстояние и принимается радиоприемником.

Также активно применяются различные сигналы тревоги, оповещения, управления.