Категории:
Просто о сигналах и спектрах
Есть множество материалов пытающихся объяснить, что такое спектр сигнала. Тем не менее, часто эти попытки страдают излишней заумностью, обилием формул, а объяснить, что же такое спектр просто, что называется “на пальцах”, мало у кого удаётся. Итак.
Прежде чем рассматривать, что такое спектр сигнала сначала выясним, что же такое сам сигнал. Как показывает практика, этот базовый вопрос актуален и отсутствие чёткого понимание именно этого момента часто ведёт к тому, что объяснения о сути спектра идут “в холостую”.
Вопрос о сигналах удобно рассматривать исторически. Одно из самых первых устройств электрической связи – это телеграф. Принцип работы телеграфа довольно прост и состоит в следующем. Из опытов по физике мы с вами знаем, что если намотать провод, например, на кусок железного гвоздя и подключить его к батарейке (см. рис. 1), то этот кусок гвоздя начнёт притягивать всевозможные железки, т.е. превратится в электромагнит (см. также, например, здесь).
рис.1
Если отключим провода от батарейки, то гвоздь перестанет быть магнитом. Таким образом, мы получили “чудо-гвоздь”, который в зависимости от нашего желания то становится магнитным, то перестаёт им быть. Причём, если у вас есть провод достаточной длинны, то вы с батарейкой можете находиться на одном конце города, а гвоздь-электромагнит на другом и вы, подключая (и отключая) батарейку к проводам, соединённым с гвоздём, можете дистанционно по проводам (что называется – через канал связи) управлять магнитными свойствами удалённого от вас гвоздя. В этом и состоит суть телеграфа. Телеграфный аппарат состоит из электромагнита, который управляются телеграфным ключом (выключателем) – см. рис.2.
рис.2
Магнит, то притягивают к себе металлическую пластину с прикреплённым к ней карандашом, то нет. В итоге, когда пластина притянута к электромагниту, тогда карандаш касается движущейся телеграфной ленты и оставляет на ней отметку. Если телеграфный ключ (который на одном конце города) замкнут на короткое время, то на телеграфной ленте (на другом конце города) остаётся точка, если телеграфный ключ удерживается в замкнутом положении дольше, то на движущейся ленте остаётся тире, если ключ не замкнут, то на ленте нет ни точки ни тире. Как известно, была изобретена азбука Морзе, где точками и тире на телеграфной ленте кодировались буквы. Таким образом, появилась возможность с огромной скоростью передавать сообщения из одного конца города в другой. Так вот, если к проводу, ведущему от ключа на телеграф подключить амперметр (см. рис.3), то тогда можно увидеть, что при замыкании ключа по проводам течёт ток с максимальной силой, когда ключ разомкнут, амперметр покажет нулевую силу тока в проводах. Всё это можно нарисовать в виде графика (см. рис.4), где по оси X откладываем время, а по оси Y силу тока в проводах между ключом и телеграфным аппаратом.
рис.3
рис.4
Мы видим на графике так называемые импульсы силы тока. Короткий импульс – ключ был замкнут на короткое время (передавалась точка), длинный импульс – на длинное (передавалось тире). Ясно, что эти импульсы несут информацию о том, что передавалось – точка или тире в такие-то моменты времени. Так вот график смены силы тока в телеграфе – это уже и есть то, что называют сигналом.
Развиваем тему. Следующее устройство электросвязи – это телефон. Принцип работы первых устройств для передачи речи на расстояния довольно прост и, по сути, является развитием идеи заложенной в телеграфе. Как известно звук – это колебания воздуха. Если вы тронете струну музыкального инструмента, то она начнёт колебаться, колебания струны предаются на воздух, воздух колеблясь начинает колебать перепонку вашего уха и вы слышите звук струны. Но позвольте, ведь пластина телеграфа (к которой прикреплён карандаш) тоже колеблется правда пока что довольно примитивно – она либо прилипает к магниту, либо нет. Однако, по идее, если мы заставим её колебаться более изощрённо – так же, как колеблется струна музыкального инструмента, то от этой пластины мы услышим звук так же, как от музыкального инструмента. А если мы заставим её колебаться так же, как колеблются, например, лист стекла или железа, когда рядом с ним человек произносит что-либо? Тогда от этой пластины мы услышим звуки в виде речи. Дело за малым – нужно сделать “телеграфный ключ”, который управлял бы притяжениями пластины телеграфа более изощрённо. В итоге электромагниты будут менять свою магнитную силу не как до этого – рывком (ключ замкнут – магнитная сила есть, ключ разомкнут – магнитной силы нет), а так, чтобы заставить пластину двигаться наподобие струны или наподобие того, как колеблется лист железа, когда рядом с ним человек что-либо произносит. Как сделать такой ключ? Ну, например, поступали и поступают следующим образом. Из опытов по физике мы знаем, что если взять катушку провода и начать двигать внутри неё магнит (см. рис.5), то по проводам этой катушки побежит изменяющийся ток, причём изменение силы этого тока будет пропорционально изменению положения магнита, также см., например, здесь.
рис.5
В итоге если к этому магниту прикрепить струну, то её колебания передадутся магниту, колебания магнита инициируют в проводах катушки изменяющийся ток, чья сила будет колебаться в соответствии с колебаниями струны. А раз так, то если эти провода с изменяющейся силой тока подключить к телеграфу, то и магнитная сила электромагнитов телеграфа будет также меняться в соответствии с изменениями силы тока, а значит и в соответствии с исходными колебаниями струны. Отсюда пластина телеграфа начнёт колебаться, так же как и струна, в итоге мы услышим от неё звук струны. Если к магниту на передающей стороне присоединить не струну, а мембрану, то человек произнося что-либо рядом с этой мембраной, вызовет её колебания, отсюда пойдёт колебание тока в проводах и всё завершится звуками человеческого голоса от пластины телеграфа. Вот и весь принцип, используемый и поныне. Правда вместо телеграфа на приёмной стороне сейчас устройство, называемое телефоном – там тоже под действием электромагнитов колеблется металлическая пластина, называемая мембраной. Переменный ток в проводах, как мы с вами уже знаем, соответствует колебаниям пластин на передающей и приёмной сторонах, т.е. соответствует передаваемым колебаниям-звукам. Таким образом, график изменения силы тока в проводах (см. рис. 6) и есть тот самый передаваемый сигнал.
рис.6
Итак, сигнал – это чаще всего некое колебательное движение, которое мы и хотим передать от передающей стороны на приёмную с целью передачи неких сообщений – только и всего. Собственно термин “сигнал” переводится, как “знак”. То есть мы подаём знаки некими колебаниями, которые передаются от передатчика на приёмник. Знаками-сигналами передаются сообщения.
Повторюсь, суть передачи информации – это перевод движений одного вида в движения другого вида – такого, который удобен для распространения на большие расстояния. То есть в примере с телеграфом мы движения руки по замыканию-размыканию ключа переводим в движение в виде наличия тока в проводе или его отсутствия. В примере с телефоном – мы движения колеблющегося воздуха (которое есть звуки) переводим в колебания величины тока в проводах и т.д. То есть сигналы это движения (обычно в виде колебаний) некоего носителя соответствующие движениям источника информации. В связи с этим возникает необходимость в изучении и описании колебательных движений для того, чтобы передавать эти самые колебательные движения в виде сигналов наиболее эффективным способом. Строго говоря, изучение свойств колебаний началось ещё в глубокой древности. Например, давным-давно было подмечено, что две одновременно колеблющиеся струны музыкального инструмента дают другой звук, чем те звуки, что мы получаем от отдельно колеблющихся струн. То есть можно создавать довольно сложные колебания-звуки на основе комбинации неких простейших колебаний-звуков. В общем-то именно эта идея и лежит в основе таких понятий, как преобразование Фурье, спектр и всё, что с этим связано.
При наличии интереса к данной теме продолжение следует ...
Итак, на следующей странице появилось продолжение.
Комментарии
Евгений
19/11/13 20:09
классно все объясненно как говориться на пальцах даже переспросить нечего и еще бы про спектр бы пояснить бы мне а то я в лесу можно сказать блуждаю автору огромное спасибо
Константин
19/11/13 20:24
Раз интерес проявился, то буду дописывать про спектр, правда, с небольшой задержкой.
артем
23/01/14 2:16
супер, развивайте сайт
