Виды сигналов. 
Введение в радиоэлектронику

Математическую модель, описанную выше, принято называть аналоговым сигналом. Иногда говорят о непрерывном сигнале, что ближе к сути этой математической модели.

Однако если обратится к телеграфии, то легко обнаружить, что с математической точки зрения сигнал может быть и дискретным. Передача в этом случае ведется дискретно символами азбуки. Мы уже затрагивали этот вопрос. Всерьез занялись дискретными сигналами в 30-х годах XX века в связи с нехваткой каналов связи (см. раздел 1.12). Оказалось, что без существенной потери информации непрерывный (аналоговый) сигнал можно заменить его дискретными значениями — отсчетами. Такой сигнал принято называть дискретным сигналом.

На рис. 3.2 приведена иллюстрация процедуры дискретизации математической модели сигнала. Отсчеты функции ?(/) берутся, как правило, с равномерным шагом по оси времени.

Рис. 3.2. Математическая модель дискретного сигнала

Обратите внимание на то, что мелкие (быстрые) подробности в результате дискретизации исчезают. Однако общая закономерность поведения сигнала сохраняется. В промежутках между отсчетами одного сигнала можно передавать отсчеты других сигналов. Так идея Э. Бодо нашла свое применение в телефонии (см. раздел 1.5).

Вид реального сигнала, соответствующего дискретному математическому сигналу, показан на рис. 3.3. Отсчетам сигнала ставятся в соответствие достаточно короткие импульсы, высота которых равна значению сигнала в точке отсчета^[1]. Такой элементарный сигнал называют импульсным сигналом.

Рис. 3.3. Реальный дискретный (импульсный) сигнал

Выше мы говорили о том, что получателем информации, в конечном счете, является человек. Поэтому на выходе канала связи дискретный сигнал должен быть преобразован в непрерывный (аналоговый) сигнал. Ясно, что обратное восстановление происходит с ошибкой. Однако всегда можно установить допустимую погрешность восстановления. Ошибка восстановления увеличивается при действии на канал связи помех (см. разделы 1.8 и 1.12). В процессе развития систем связи были предложены методы уменьшения влияния помех на дискретный сигнал. Об этих методах вы узнаете при изучении специальных дисциплин.

Появление ЭВМ позволило сделать еще один, возможно самый важный шаг, в технике передачи информации — шаг к передаче дискретных отсчетов в форме двоичных чисел (см. раздел 1.12).

Кодирование информации с использованием двух состояний нам уже известно. В телеграфии это первым сделал П. Л. Шиллинг, который предложил шестизначный равномерный код (см. раздел 1.5). Затем появился неравномерный код С. Морзе. В телеграфии сигнал представляет собой буквы и цифры. Поэтому очень скоро появились устройства преобразования символов в импульсный код и обратно (аппараты Э. Бодо, раздел 1.5). С непрерывными сигналами ситуация сложнее.

Во-первых, значение сигнала в точке отсчета величина непрерывная, а двоичные числа дискретны и имеют ограничения по точности из-за конечной разрядности.

Во-вторых, надо было не только превратить отсчет в число, но восстановить исходный непрерывный сигнал.

Проблемы были решены благодаря прогрессу микроэлектронных технологий. В 70-х годах XX в. инженеры получили в свое распоряжение интегральные электронные схемы для преобразования аналогового сигнала в цифровой (АЦП) и цифрового в аналоговый (ЦАП). Это привело к стремительному развитию цифровых систем передачи, приёма, обработки и хранения сигналов.

Иллюстрация цифровой формы представления отсчетов приведена на рис. 3.4. В качестве примера выбрано кодирование четырехразрядными двоичными числами. Обратите внимание на ошибки по значению отсчетов, вызванные конечной разрядностью чисел (так называемый шум квантования).

Рис. 3.4. Математическая модель цифрового сигнала:

At — шаг дискретизации, 5 — ошибка квантования; отчеты — 1000 (8), 0100 (4), ООН (2), ООП (2), 0011 (2), 0001 (1).

На рис. 3.5. показан реальный сигнал, наделенный евойствами числа в соответствии с моделью рис. 3.4. По виду графика нет никакой возможности установить является ли сигнал цифровым или это все лишь некоторая последовательность импульсов, неравномерно расположенных на оси времени. Преобразование в число станет возможным только, если будут известна система кодирования и, что не менее важно, начальная точка отсчета времени. До процедуры декодирования вообще не важно, что это за сигнал.

Рис. 3.5. Вид реального (аналогового) сигнала, соответствующего цифровому представлению дискретных отсчетов на рис. 3.4

Математические модели сигналов, о которых шла речь, можно представить в виде некоторой диаграммы. Эта диаграмма показана на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Виды сигналов

Принцип действия всех цифровых устройств, включая ЭВМ и ваш ПК, базируется на реальных, непрерывных (аналоговых) физических явлениях в реальных физических объектах (электрических цепях). Переход на цифровую форму представления информации связан исключительно с тем, что мы наделяем эти процессы свойствами числа. Это всего лишь математическая модель, которая позволяет обращаться с такими сигналами как с числами. Этого можно было бы и не делать, но тогда описание процесса обработки сигнала стало бы крайне громоздким.

Возможно, вы обратили внимание на то, что дискретные, а тем более, цифровые сигналы недостоверно воспроизводят информацию. Да, это действительно так. Возникает вопрос, почему же в современных системах связи все шире используются именно такие сигналы.

Преимущества дискретных сигналов заключается, вопервых, в том, что появляется возможность уплотнения каналов связи. Во-вторых, цифровая форма сигналов позволяет реализовать такие численные математические методы обработки сигнала, которые не доступны аналоговым устройствам. Это преимущество особенно отчетливо проявляется при наличии в канале связи шумов и помех.

Как видите, радиоинженер должен владеть математикой, которая положена в основу теоретического фундамента радиотехники, радиоэлектроники и связи.

На современном этапе развития методов и технических средств обработки информации невозможно обойтись без навыков программирования, а профессиональное программирование невозможно без владения математикой.

• [1] Такую процедуру называют амплитудно-импульсной модуляцией.