Главная Материалы Новости Форум Поддержать сайт     

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).

Электромагнит
                                                               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.

Телеграф
                                                               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.

Телеграф и амперметр
                                                               рис.3

График сигнала
                                                               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.

Электромагнитная индукция
                                                               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.

График сигнала
                                                               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”. Т.е. мы подаём знаки некими колебаниями, которые передаются от приёмника на передатчик. 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. Т.е. 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. Т.е. 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.


Обсудить на форуме


СЛЕДУЮЩАЯ СТРАНИЦА



                     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




Представтесь (не менее 2-х символов):

Сообщение:

Далее функция антиспама.
Ответьте на вопрос:
Восемь умножить на сто будет равно? (введите числом):






Читаем книгу "Что людей объединяет или обо всём понемногу"

Что людей объединяет ...