Analoginiai signalai ir jų charakteristikos

1. Analoginiai signalai

Analoginiai elektriniai signalai – tai elektrinių dydžių kitimo laikui bėgant procesai. Elektriniame signale informaciniu parametru paprastai laikoma arba įtampa, arba srovė. Šie parametrai tarpusavyje priklausomi ir tiesinėse grandinėse susieti Omo dėsniu. Konkretiems elektrinių signalų šaltiniams, apdorojimo įtaisams ar imtuvams, nurodoma, kurs iš parametrų yra informacinis. Praktikoje elektrinio signalo informacinis parametras dažniausiai būna įtampa.

1.1. Analoginio signalo struktūros

Nagrinėjant bendrąsias elektrinių signalų bei jų apdorojimo procesų savybes, naudojamas abstraktus signalas, kintantis laike signalas, kurio laiko t funkcija x = f (t), nenurodant, kas laikoma to signalo informaciniu parametru. Galima tokia signalo forma, kai informacinis parametras yra pastovus. Tai tarsi tuščias signalas, kuriame informacija neįrašyta. Jis yra informacinio parametro nešiklis. Pasirinkto parametro keitimas proporcingai atvaizduojamam dydžiui yra moduliacija, o atvirkštinis procesas, t. y. šio dydžio atkūrimas pagal parametro vertę, – demoduliacija.

1 pav. Informacijos nešikliai: a – lygio, b – harmoninis, c – impulsinis

Didinant signalo atsparumą trukdžiams ar jo informacinę talpą, naudojami įvairūs signalo nešikliai. Analoginiai signalai formuojami su nuolatinio lygio, harmoniniais arba impulsiniai nešikliais (1 pav.).

Naudojant lygio (nuolatinio lygio) nešiklį, gali būti keičiamas tik vienintelis signalo parametras – jo lygis, todėl galima tik signalo lygio moduliacija. Tokie signalai labai plačiai taikomi vaizdo bei garso technikoje, automatikoje, kai kuriose ryšio sistemose ir metrologijoje.

2 pav. Analoginiai signalai suformuoti moduliuojant nuolatinį lygį (a) bei harmoninį nešiklį moduliuojant amplitude (b), dažniu (c) ir impulso pločiu (d)

Harmoninis nešiklis x(t) = X_m sin(ω) t + φ) priklauso nuo trijų parametrų: amplitudės X_m, dažnio ω ir fazės φ. Šio tipo signalus galima moduliuoti amplitude, dažniu ir faze. Dažniausiai naudojama vieno tipo moduliacija, nors specialiais atvejais gali būti naudojamos dvi, pavyzdžiui, amplitudinė ir dažninė moduliacijos. Harmoniniai signalo nešikliai naudojami radiotechnikoje bei ryšiuose.

1.2. Laikinė signalo išreiškimo forma

Laikine forma signalas pateikiamas savo natūralia išraiška – kaip laiko funkcija x = f (t). Pagrindinis parametras, apibūdinantis laikine forma pateiktą signalą, yra didžiausia signalo vertė X_max, mažiausia signalo vertė X_min ir signalo amplitudė ΔX, išreiškiamas didžiausios ir mažiausios signalo verčių skirtumu:

ΔX= X_max – X_min

1.3. Dažninė signalo išreiškimo forma

Bendroji dažninė signalo išraiškos forma yra signalo spektrinė charakteristika S(jω) – jo laikinės išraiškos x = f (t) Furjė atvaizdas:

Signalo spektrinė charakteristika priklauso nuo jo struktūros ir informacinio parametro kitimo ypatumų. Dažniausiai pasitaiko tolydiniai signalų spektrai (3 pav., d). Atskiru atveju, kai signalas yra periodinė laiko funkcija, jo spektras yra diskretinis (3 pav., b): tokio signalo Furjė atvaizdas tampa Furjė eilute, išreiškiančia signalą sudarančias harmonines dedamąsias.

Signalo spektrinis diapazonas, apibūdinamas signalo spektro S(ω) = |S(jω)| kraštinėmis vertėmis ω_ž ir ω_a bei dažnių juostos pločiu Δω= ω_а – ω_ž (3 pav., a). Ribinis aukštasis dažnis ω_a būdingas visiems realiems signalams, nes joks realus fizinis dydis negali kisti be galo greitai. Ribinis žemasis dažnis ω_ž gali būti lygus nuliui, kai signalas turi nuolatinę dedamąją.

Ribiniai signalo parametrai X_min , X_mm , ω_ž ir ω_a  , apibūdinantys signalo amplitudės ir dažnių kitimo intervalus, vertinami parenkant ar projektuojant bet kokius analoginių signalų apdorojimo įtaisus, tarp jų ir stiprintuvus.

3 pav. Analoginių signalų spektrai S(ω) = |S(jω)|: a – tolydinis ir b – diskretinis

2. Signalų šaltiniai

Elektroninių sistemų analoginiai įėjimo signalai dažniausiai gaunami matuojant kokio nors fizinio dydžio kitimą. Neelektrinių dydžių kitimą elektriniais signalais verčiantys įtaisai vadinami jutikliais.

Dalis jutiklių patys yra elektros energijos šaltiniai. Jie generuoja elektros srovę ar įtampą, proporcingas matuojamiems neelektriniams dydžiams, pvz, fotodiodai, elektromagnetiniai mikrofonai, pjezoelektriniai slėgio jutikliai, termoporos, tachogeneratoriai ir kiti panašūs jutikliai.

Kiti jutikliai elektros srovės negeneruoja, tačiau proporcingai matuojamam neelektriniam dydžiui keičia elektrinės grandinės parametrus, pavyzdžiui, varžą, talpą ar induktyvumą, todėl jiems reikalingas pašalinis elektros energijos šaltinis. Jutiklį su energijos šaltiniu kaip vientisą įtaisą ir pirmojo tipo jutiklį, galima įsivaizduoti kaip elektros energijos šaltinį, kurio įtampa ar srovė priklauso nuo matuojamojo dydžio kitimo.

Remiantis ekvivalentinio šaltinio teorema, bet kokį jutiklį galima pakeisti ekvivalentiniu dvipoliu (4 pav.), sudarytu iš idealaus įtampos šaltinio, kurio įtampa yra E, ir nuosekliai su juo įjungta vidaus varža r_i (Teveno forma, 4 pav., a) arba iš idealaus srovės šaltinio, kurio stiprumas I, ir lygiagrečiai su juo prijungtos vidaus varžos r_i (Nortono forma, 4 pav., b). Šie du šaltiniai tarpusavyje yra ekvivalentiški, o jų parametrai susiję priklausomybe

E = I·r_i .

4 pav. Ekvivalentiniai šaltiniai: a – įtampos ir b – srovės

3. Signalo imtuvai

Signalo imtuvai būna signalo apdorojimo arba vykdymo įtaisai. Elektriniu požiūriu tai dažniausiai pasyvūs įtaisai: jų sudėtyje įtampos ar srovės šaltinių nebūna. Todėl jų ekvivalentinė schema gali būti atvaizduota įėjimo impedansu (kompleksine varža) Z_in arba, jei nagrinėjamoje dažnių srityje reaktyvinės impedanso dedamosios yra pakankamai mažos, – įėjimo varža r_m.