Измерительная информация, измерительный сигнал.

Аналоговая и квантованная величина.

Сигналом называется материальный носитель информации, представляющий собой некоторый физический процесс, один из параметров которого функционально связан с измеряемой физической величиной. Такой параметр называют информативным.

Измерительный сигнал — это сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине. Основные понятия, термины и определения в области измерительных сигналов устанавливает ГОСТ 16465-70 " Сигналы радиотехнические. Термины и определения". Измерительные сигналы чрезвычайно разнообразны. Их классификация по различным признакам приведена на рис.1.

Рис. 1. Классификация измерительных сигналов.

По характеру измерения информативного и временного параметров измерительные сигналы делятся на аналоговые, дискретные и цифровые.

Аналоговый сигнал — это сигнал, описываемый непрерывной или кусочно-непрерывной функцией Y_a(t), причем как сама эта функция, так и ее аргумент t могут принимать любые значения на заданных интервалах Y є(Y_min; Y_max) и t є(t_min; t_max) (рис. 2, а)

Рис. 2. Аналоговый (а), дискретный (по времени) (б) и цифровой (в)

измерительные сигналы

Дискретный сигнал — это сигнал, изменяющийся дискретно во времени или по уровню. В первом случае он может принимать в дискретные моменты времени nT, где Т = const — интервал (период) дискретизации, n = 0; 1; 2;...- целое, любые значения Y_д (nT)є(Y_min; Y_max), называемые выборками, или отсчетами. Такие сигналы (рис. 2, б) описываются решетчатыми функциями. Во втором случае значения сигнала Y_д(t) существуют в любой момент времени tє(t_min; t_max), однако они могут принимать ограниченный ряд значений

h_i = nq, кратных кванту q.

Цифровые сигналы ~ квантованные по уровню и дискретные по времени сигналы Y_д(nT), которые описываются квантованными решетчатыми функциями (квантованными последовательностями), принимающими в дискретные моменты времени nT лишь конечный ряд дискретных значений - уровней квантования h₁, h₂, …, h_n (рис. 2, в)

По характеру изменения во времени сигналы делятся на постоянные, значения которых с течением времени не изменяются, и переменные, значения которых меняются во времени. Постоянные сигналы являются наиболее простым видом измерительных сигналов.

Переменные сигналы могут быть непрерывными во времени и импульсными. Непрерывным называется сигнал, параметры которого изменяются непрерывно. Импульсный сигнал — это сигнал конечной энергии, существенно отличный от нуля в течение ограниченного интервала времени, соизмеримого с временем завершения переходного процесса в системе, для воздействия на которую этот сигнал предназначен.

По степени наличия априорной информации переменные измерительные сигналы делятся на детерминированные, квазидетерминированные и случайные. Детерминированный сигнал — это сигнал, закон изменения которого известен, а модель не содержит неизвестных параметров. Мгновенные значения детерминированного сигнала известны в любой момент времени. Детерминированными (с известной степенью точности) являются сигналы на выходе мер. Например, выходной сигнал генератора низкочастотного синусоидального сигнала характеризуется значениями амплитуды и частоты, которые установлены на его органах управления. Погрешности установки этих параметров определяются метрологическими характеристиками генератора.

Квазидетерминированные сигналы — это сигналы с частично известным характером изменения во времени, т.е. с одним или несколькими неизвестными параметрами. Они наиболее интересны с точки зрения метрологии. Подавляющее большинство измерительных сигналов являются квазидетерминированными.

Детерминированные и квазидетерминированные сигналы делятся на элементарные, описываемые простейшими математическими формулами, и сложные. К элементарным относятся постоянный и гармонический сигналы, а также сигналы, описываемые единичной и дельта-функцией. К сложным сигналам относятся импульсные и модулированные сигналы.

Сигналы могут быть периодическими и непериодическими. Непериодические сигналы делятся на почти периодические и переходные. Почти периодическим называется сигнал, значения которого приближенно повторяются при добавлении к временному

аргументу надлежащим образом выбранного числа — почти периода. Периодический сигнал является частным случаем таких сигналов. Почти периодические функции получаются в результате сложени я периодических функций с несоизмеримыми периодами, например Y(t) = sin (√ 2 ω t). Переходные сигналы описывают переходные процессы в физических системах.

Периодическим называется сигнал, мгновенные значения которого повторяются через постоянный интервал времени. Период Т сигнала — параметр, равный наименьшему такому интервалу времени. Частота fпериодического сигнала — величина, обратная периоду.

Периодический сигнал характеризуется спектром. Различают три вида спектра:

• комплексный — комплексная функция дискретного аргумента, кратного целому числу значений частоты ω периодического сигнала Y(t), представляющая собой значения коэффициентов комплексного ряда Фурье:

где k — любое целое число;

• амплитудный — функция дискретного аргумента, представляющая собой модуль комплексного спектра периодического сигнала:

где Re(z), Im(z) - действительная и мнимая части комплексного числа z;

• фазовый. — функция дискретного аргумента, представляющая собой аргумент комплексного спектра периодического сигнала:

Периодической сигнал содержит ряд гармоник. Гармоника — гармонический сигнал с амплитудой и начальной фазой, равными соответствующим значениям амплитудного и фазового спектра периодического сигнала при некотором значении аргумента. Наличие высших гармоник в спектре периодического сигнала количественно описывается коэффициентом гармоник, характеризующим отличие формы данного периодического сигнала от гармонической (синусоидальной). Он равен отношению среднеквадратического значения сигнала суммы всех его гармоник, кроме первой, к среднеквадратическому значению первой гармоники:

где Y_i, Y₁ — i-я и первая гармоники сигнала Y(t).

Периодические сигналы бывают гармоническими, т.е. содержащими только одну гармонику, и полигармоническими, спектр которых состоит из множества гармонических составляющих. К гармоническим сигналам относятся сигналы, описываемые функцией синуса или косинуса. Все остальные сигналы являются полигармоническими.

Случайный сигнал — это изменяющаяся во времени физическая величина, мгновенное значение которой является случайной величиной.