SEMNALE ELECTRICE

SEMNALE ELECTRICE

Semnalele sunt variatii ale unor marimi fizice care transporta (contin) informatii, ele pot fi de diferite tipuri: acustice, electrice, optice, termice, electromagnetice, chimice etc.

Se considera semnal electric acele informatii (ori mesaje) de orice natura (audio, video etc.) care prin intermediul unor dispozitive adecvate, numite transductori (microfon, camera video, etc.), sunt convertite într-o marime electrica: tensiune, curent, intensitate de câmp electric, intensitate de câmp magnetic. Semnale tipice sunt:

I.1. Clasificarea semnalelor

Semnalele electrice se clasifica dupa cum urmeaza:

Semnalul analogic poate lua, în interiorul intervalului sau de definire, orice valoare a amplitudinii. Un semnal este analogic când valoarea sa instantanee poate lua o infinitate de valori de amplitudine cuprinse între un minim si un maxim prestabilit.

De obicei semnalele analogice au amplitudini proportionale cu marimea fizica pe care o reprezinta, asa de exemplu, curentul electric produs de un microfon este în orice moment, proportional cu presiunea sonora a undei care a produs-o.

Semnalul digital (sau numeric)

Este semnalul a carui amplitudine poate lua numai un numar discret de valori, cel mai adesea doua. Un semnal e discret sau digital, când are unele valori ale amplitudinii, numite nivele, cuprinse între limite definite de variabilitate. Când nivelele sunt doua, semnalul digital se cheama binar sau numeric si fiecare dintre nivele poate fi asociat unei cifre binare, numita bit, pe scurt BInary digiT (cifra binara). De tip binar sunt: înregistrarile CD (Compact Disc), DVD (Digital Video Disc), fluxul de informatii în PC, transmisiile telefonice PCM.

Sistemele de telecomunicatii care utilizeaza semnale digitale au caracteristici foarte diferite de cele care folosesc semnale analogice.

Avantajele sistemelor numerice fata de cele analogice sunt determinate de posibilitatile de:

I.2. Distorsiuni

Distorsiunea reprezinta alterarea unui semnal produsa de un dispozitiv sau un canal de comunicatie. Dupa cum se stie, exista o multitudine de criterii de clasificare a circuitelor electronice, iar unul dintre cele mai importante este acela care le împarte dupa natura caracteristicii de transfer, în liniare si neliniare.

Liniaritatea este o proprietate care corespunde unui raport constant între variatia semnalului la intrarea si variatia semnalului de la iesirea unui cuadripol, adica se caracterizeaza prin relatii de superpozitie (suprapunere) între marimile de iesire (efecte) si cele de la intrare (cauze).

Deoarece dispozitivele electronice sunt în general neliniare, dar pot fi considerate liniare în domenii de functionare limitate, pentru a obtine o comportare liniara a circuitelor în raport cu semnalele de la intrare, trebuie impuse anumite restrictii, prin respectarea carora sa se asigure functionarea dispozitivelor în zonele liniare ale caracteristicilor. Din categoria circuitelor liniare, cele mai raspândite sunt: atenuatoarele, amplificatoarele, stabilizatoarele etc., la care raspunsul trebuie sa fie "fidel" (excitatiei, adica "nealterate").

Sistemele neliniare sunt acele sisteme care nu sunt liniare, adica nu se bucura de proprietatea de superpozitie.

In mod analog, si distorsiunile se clasifica în:

a)    liniare

b)    neliniare

O problema foarte importanta este aceea a modului în care un sistem de transmisie a semnalelor, fie el amplificator, filtru, canal fizic de propagare etc. intervine asupra formei semnalului de intrare. Teoretic, amprenta pe care o lasa sistemul asupra semnalului transmis este de natura binara: forma semnalului este, sau nu este alterata. Aceasta amprenta depinde, evident, de apartenenta sistemului considerat la una din cele doua categorii amintite: cea a sistemelor liniare sau a celor neliniare.

Practic, orice circuit deformeaza semnalul transmis, dar acest lucru nu trebuie considerat neaparat un neajuns. Scopul urmarit însa, este acela de a transmite cât mai nedistorsionat semnalul util. Trebuie de asemenea acceptat faptul ca, în multe aplicatii se urmareste obtinerea la iesire a unui raspuns de alta forma decât cea de la intrare (detectie, logaritmare si cazul particular din televiziune unde se predistorsioneaza semnalul în timpul procesarii, pentru ca la iesirea din emitator si dupa demodulare în receptor, sa se poata reproduce semnalul initial).

De aceea se considera normal sa se faca diferenta care exista între termenii "deformare" si "distorsionare" (distorsionare deformare nedorita, suparatoare), în sensul folosirii la locul si momentele potrivite.

Prin urmare, concluzionând, un cuadripol nu deformeaza semnalul de la intrare, daca forma acestuia este reprodusa de catre semnalul de la iesire.

Daca un cuadripol îndeplineste aceasta conditie, atunci se poate spune ca semnalul de la iesire îsi pastreaza forma, dar, este amplificat sau atenuat cu o marime A₀ si este întârziat sau nu, cu un timp τ > 0.

A.  Distorsiuni liniare

Daca circuitul este liniar, functia sa de transfer va fi constanta si în acest caz, circuitul nu deformeaza semnalul de la intrare. Altfel spus, conditia ca un semnal sa nu fie distorsionat este ca functia de transfer A(f)] si faza (φ), respectiv timpul de întârziere de grup (τ) sa fie independente de frecventa (fig. 8 a, b, si c).

B.     Distorsiuni neliniare

Aceste distorsiuni se produc într-un cuadripol care nu are caracteristica intrare-iesire - numita si caracteristica amplitudine-amplitudine, de tip liniar.

Daca circuitul este neliniar, atunci, în cazul particular al aplicarii la intrare a unui semnal sinusoidal (constituit dintr-o singura componenta spectrala ω), la trecerea prin acel circuit, vor apare la iesire componente noi, cunoscute sub numele de armonici. Cauza aparitiei acestor armonici o constituie neliniaritatea caracteristicii amplitudine-amplitudine (fig. 9), la variatia semnalului de intrare, semnalul de la iesire nu variaza proportional si se produce o distorsionare a formei semnalului. Se produc în realitate, la iesire, armonici care nu au fost prezente la intrare.

Zgomotul alb - o forma de zgomot al carui spectru cuprinde energia tuturor frecventelor din spectru si este egal distribuit;

Zgomotul de intermodulatie - zgomoul produs de neliniaritatea dispozitivelor electronice si care consta în prezenta în semnalul de la iesirea dispozitivului, a armonicelor nedorite care nu au existat în semnalul de la intrare;

Zgomotul de mod comun, sau de mod normal - zgomotul prezent la intrarea unui instrument de masura, împreuna cu semnalul de masura si neseparabil de acesta;

Zgomotul de cuantizare - consta în pierderea informatiei care are loc în timpul transformarii unui semnal analogic în digital, de exemplu în PCM;

Zgomotul termic - este determinat de miscarea fluctuanta a purtatorilor de sarcina care asigura fenomenul de conductie în conductoare, semiconductoare etc. si care depinde de temperatura conductorului. Curentul generat de zgomotul termic are un caracter fluctuant, cu valoare medie nula, dar cu valoare medie patratica diferita de zero. Densitatea spectrala este constanta, deci zgomotul termic se încadreaza în categoria de zgomot alb.

Zgomotul de alice (Schottky) este determinat de caracterul fluctuant al emisiei de purtatori de sarcina sau al trecerii lor prin jonctiunile tranzistoarelor. Este un zgomot ce se încadreaza în categoria de zgomot alb.

Un amplificator fara semnal de intrare nu are iesirea zero. Semnalul de iesire, în acest caz, are un caracter fluctuant, cu variatii aleatoare constituind semnalul de zgomot cu caracter perturbator. La un amplificator de audiofrecventa ascultat în difuzor, zgomotele apar sub forma unor fâsâituri, trosnituri.

Semnalul de zgomot la iesire poate fi oscilografiat sau masurat cu un voltmetru. Semnalul util de la iesirea amplificatorului trebuie sa fie mai mare decât semnalul de zgomot, impunându-se un anumit raport semnal/zgomot.

Caracterizarea unui amplificator în privinta zgomotului propriu se face prin factorul de zgomot F.

Consideram un amplificator cu amplificarea în putere A_p. Factorul de zgomot este:

unde: P_n,tot - este puterea totala de zgomot la iesire,

P_n - este puterea zgomotului la intrare.

Daca se conecteaza în cascada mai multe amplificatoare (etaje de amplificare), atunci zgomotul cel mai important din punctul de vedere al întregului amplificator este cel al primului bloc (etaj) de amplificare. Acest lucru se datoreaza faptului ca zgomotul primului etaj este amplificat de toate celelalte etaje.

Interferenta

Este un fenomen fizic în baza caruia semnalele electromagnetice, acustice sau optice prezente în aceeasi zona se însumeaza sau se scad, potrivit fazei lor.

Interferentele electromagnetice - sunt cauzate de unde electromagnetice externe care afecteaza semnalul util si fac dificila decodificarea (demodularea) corecta la receptie. Unele medii de transmisie sunt mai afectate de interferente decât altele.

Analiza semnalului dreptunghiular (rectangular)

Un semnal de interes deosebit în domeniul telecomunicatiilor este semnalul dreptunghiular (vezi pag. 16-17), pentru numeroasele sale utilizari ca: semnale de baza în toate procesele digitale, putatoare numerice, semnale de testare a circuitelor, ceas la toate computerele din lume, la toate orologiile digitale s.a.m.d.

I.3. Generarea semnalelor

Semnalele sunt generate de oscilatoare RC sau LC, în functie de frecventa. Pentru obtinerea semnalelor de forme diferite se utilizeaza generatorul de functii, el putând furniza un semnal stabilizat în amplitudine de frecventa foarte joasa (10^-5 Hz). În domeniul frecventelor înalte ele pot urca pâna la o frecventa de 40 MHz. Semnalele de înalta frecventa se obtin de la oscilatoarele LC sau oscilatoarele cu cuart. De foarte multe ori în domeniul frecventelor înalte, frecventa finala de utilizare, nu se obtine direct de la oscilator, ci, frecventa generata de un oscilator se multiplica.

În general, un generator de functii este un aparat ce poate sa furnizeze cel putin trei forme de unda de baza: sinusoidala, dreptunghiulara si triunghiulara. Plecând de la aceste functii de baza, generatoarele mai perfectionate sunt capabile sa furnizeze si alte functii (semnale): rampe liniare, rampe în trepte, trapez, semnale dreptunghiulare cu

factor de umplere variabil sau chiar si semnale de zgomot.

Semnale de test (linii de test)

În electronica - deci si în radiocomunicatii - ca si în alte aplicatii unde semnalele sunt amplificate, atenuate, prelucrate (procesate), comportamentul unui amplificator sau mai general, al unui cuadripol, se analizeaza prin raspunsul cuadripolului, aplicând la intrare un semnal de test particular, cum ar fi un impuls de scurta durata sau un impuls treapta.

Pentru masurarea parametrilor tehnici ai echipamentelor se utilizeaza semnale speciale - numite semnale de test - generate de generatoare specializate. Detalii referitoare la aceste semnale, la pag. 100-101.

STUDIUL SEMNALELOR DIGITALE

Semnalele obtinute de la un computer (de exemplu) sunt de tip numeric (biti), adica se prezinta sub forma de impulsuri de tensiune de tip rectangular, cum sunt cele din fig. 1.

Fig. 2

care contine, pe baza dezvoltarii în serie Fourier, o valoare constanta A₀, o infinitate de armonici cu amplitudini descrescatoare si frecvente crescatoare si a carui fundamentala este indicata în figura 3, având aceeasi frecventa a semnalului dreptunghiular

în timp ce spectrul are forma conform dezvoltarii în serie Fourier (fig. 4).

Fig. 4

Dar orice canal de transmisie telefonica a o largime de banda, de exemplu, asa zisa linie comutata de 4 kHz, mai exact de 300 Hz - 3400 Hz, motiv pentru care toate frecventele superioare lui 3400 Hz vor fi taiate (fig. 5).

De regula, nu poate fi tranzitata nici componenta continua, ea va fi taiata de diferite circuite care se gasesc în centrala telefonica.

Daca însa, de exemplu, prima armonica a semnalului dat, are frecventa egala sau mai mica decât 3,4 kHz, atunci aceasta poate tranzita lunga linie telefonica, dar fara armonicile sale.

Unda dreptunghiulara de la plecare, în acest caz, va fi practic transformata într-o sinusoida care însa include aceeasi informatie, adica frecventa si amplitudinea.

În realitate, la receptie, în principiu, este posibila regenerarea semnalului folosind un comparator de nivel, reglat la jumatate din valoarea maxima, testând semnalul receptionat la jumatatea duratei bitului.

Daca semnalul la receptie rezulta de valoare mai mare, atunci comparatorul îl interpreteaza ca un 1, daca rezulta de valoare inferioara, atunci îl interpreteaza ca un 0 si reface semnalul de la plecare (fig. 6)

Fig.6

Prin aceasta metoda, practic este posibila, plecând de la date numerice, tranzitarea pe linia telefonica numai a semnalelor analogice, care sunt sinusoide, si reproducerea la receptie a semnalului digital de la plecare fara, desigur, utilizarea tuturor armonicilor semnalului dreptunghiular, ci numai a primei armonice.

INTERFERENŢA INTERSIMBOLURI

Este fenomenul care se manifesta la receptia datelor numerice când, din cauza vitezei de transmitere a bitilor a zgomotului pe linie si a limitarii benzii de trecere, se comit erori în interpretarea datelor.

În scest caz se studiaza diagrama ochiului care se manifesta considerând toate posibilele semnale deformate. Se compara cu forma semnalului initial, conform figurii 7.

Fig.7

În figura 8 sunt prezentate oscilogramele cu diagrama ochiului în doua cazuri: a - semnalul corect; b - semnalul digital afectat de zgomot.

Fig.8