Signāls elektrotehnikā: definīcija, veidi un pielietojumi

Uzzini, kas ir signāls elektrotehnikā — definīcija, galvenie veidi un praktiskie pielietojumi sakaru, signālu apstrādes un elektronikas sistēmās.

Sakaru, signālu apstrādes un vispārīgi elektrotehnikas jomā signāls ir jebkurš laikā mainīgs lielums.

Šis jēdziens ir plašs un grūti precīzi definējams. Bieži sastopamas apakšnozarēm raksturīgas definīcijas. Piemēram, informācijas teorijā signāls ir kodēts ziņojums, t. i., komunikācijas kanāla stāvokļu secība, kas kodē ziņojumu. Sakaru sistēmā raidītājs kodē ziņojumu signālā, ko pa sakaru kanālu pārnes uz uztvērēju. Piemēram, vārdi "Marijai bija mazais jērs" var būt ziņojums, kas izrunāts telefonā. Telefona raidītājs pārvērš skaņas elektriskā sprieguma signālā. Signāls pa vadiem tiek pārraidīts uz uztvērēja telefonu, un uztvērējā tas tiek pārveidots skaņās.

Ko nozīmē signāls elektrotehnikā un signālu veidi

Vienkārši sakot, signāls ir fiziska vai matemātiska lieluma atkarība no laika (vai citas neatkarīgās mainīgās). Signālu parasti attēlo kā viļņu formu laika domenā s(t) (nepārtrauktam laikam) vai kā secību s[n] (diskrētam laikam).

• Analogais (nepārtrauktais) signāls — vērtības var mainīties nepārtraukti, piemēram, skaņas spriegums mikrofonā.
• Digitālais (diskrētais) signāls — vērtības ir diskrētas laikā un/vai amplitūdā (piem., binārie dati, parasti pēc parauga ņemšanas un kvantēšanas).
• Periodisks vs. aperiodisks — periodiskam signālam viļņa forma atkārtojas regulāri (sinusoidālais signāls), aperiodiski signāli tam neatbilst.
• Deterministisks vs. stokastisks — deterministisks signāls ir paredzams, stokastisks satur nejaušības komponenti (troksni).
• Enerģijas un jaudas signāli — klasifikācija pēc integrālām īpašībām: enerģijas signāliem ir ierobežota enerģija, jaudas signāliem nav (piem., pastāvīgi periodiski signāli).

Signāla parametri un to nozīme

Biežāk izmantotie parametri:

• Amplitūda — signāla maksimālā vērtība.
• Frekvence — cik ātri mainās signāls laika gaitā; svarīga spektrālā sastāva noteikšanai.
• Fāze — relatīvais nobīdes laiks sinusoīdu kombinācijās.
• Joslas platums (bandwidth) — frekvenču diapazons, ko signāls aizņem; nosaka nepieciešamo kanāla kapacitāti.
• Trokšņa attiecība (SNR) — signāla un trokšņa attiecība; būtiska uzticamībai un kvalitātei.

Matemātiskā un frekvenču analīze

Signālu analizē gan laika, gan frekvenču domēnā. Galvenie rīki:

• Fourier transformācija — sadala signālu frekvenču komponentēs (spektrā).
• Laplace transformācija — noderīga sistēmu stabilitātes un pārneses funkciju analīzei.
• Z-transformācija — diskrētu signālu analīzei un digitālo filtru projektēšanai.
• Konvolūcija un korelācija — pamata operācijas sistēmu reakciju un signālu līdzīguma novērtēšanai.

Signālu apstrāde un galvenās darbības

Signālu apstrāde ietver virkni darbību, lai uzlabotu, pārveidotu vai iegūtu informāciju no signāla:

• Filtrēšana — noņem nevēlamas frekvences (zemfrekvenču, augstfrekvenču, joslas utt.).
• Paraugu ņemšana (sampling) — nepārtrauktā signāla pārvēršana diskrētā formā. Lai izvairītos no aliasinga, jāievēro Nyquist–Shannon nosacījums: paraugu ņemšanas frekvence >2× signāla maksimālā frekvence.
• Kvantēšana — amplitūdas diskretizācija digitālajā pārveidē; rada kvantēšanas kļūdu.
• Modulācija — signāla pārnešana uz citām nesējfrekvencēm, nepieciešama radiokomunikācijām.
• Kodēšana un kompresija — efektīvāka informācijas pārnese un uzglabāšana.
• Detekcija un izsekošana — signāla klātbūtnes noteikšana vai parametru novērtēšana (piem., radarā).

Praktiskie ierobežojumi un problēmas

Realitātē signālus ietekmē:

• Trokšņi un traucējumi — termiskais troksnis, elektromagnētiskie traucējumi, interferenču avoti.
• Attēlojuma izkropļojumi — nelinearitātes, rezonanse, fāzes nobīdes.
• Joslas platības un attāluma ierobežojumi — ietekmē datu pārraides ātrumu un drošību.
• Aliasing un kvantizācijas kļūdas — ja neievēro pareizu paraugošanu un ADC parametrus.

Rīki un iekārtas signālu novērošanai

Bieži izmantotie instrumenti:

• Oskiloskops — laika domēna signālu attēlošanai.
• Spektra analizators — frekvenču domēna analīzei.
• Signālu ģeneratori — testu signālu veidošanai.
• ADC/DAC — analogā/digitālā un digitālā/analogā pārveide.

Pielietojumi

Signāli un to apstrāde ir pamatā plašam elektrotehnikas un inženierijas pielietojumu lokam:

• Sakari — telefons, mobilie tīkli, radiosakaros;
• Kontroles sistēmas — sensori, aktuat ari, automātiska vadība;
• Mājas un rūpnieciskā mērīšana — temperatūras, spiediena, strāvas un sprieguma signāli;
• Audio un video — ierakstīšana, pārraide un apstrāde;
• Medicīna — EKG, EEG, ultraskaņa un citi biomedicīnas signāli;
• Radar un saimnieciskā novērošana — objekta detektēšana, attāluma mērīšana;
• Enerģētika — tīkla kvalitātes un frekvences signāli elektroenerģijas sistēmā;
• IoT un sensori — viedās ierīces, datu vākšana un pārsūtīšana.

Kopsavilkums

Signāls elektrotehnikā ir universāls jēdziens, kas aptver jebkuru laika atkarīgu lielumu. Sapratne par signālu veidiem, parametriem un apstrādes metodēm ir būtiska, lai projektētu uzticamas sakaru, mērīšanas un vadības sistēmas. Praktiskā darbā svarīgi ņemt vērā joslas platību, trokšņus, paraugošanu un ierīču ierobežojumus, lai saglabātu informācijas kvalitāti un sistēmu stabilitāti.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir signāls?

J: Kā jūs definētu signālu informācijas teorijā?

J: Kas notiek sakaru sistēmā?

J: Vai varat minēt piemēru, kā ziņojumu var pārraidīt sakaru sistēmā?

Vai signāla jēdzienu ir viegli precīzi definēt?

J: Kāda ir ierastā prakse, definējot signāla jēdzienu apakšnozarēs?

J: Kurās jomās izmanto signāla jēdzienu?

Meklēt pēc burta