Signál – Informační veličina v elektronice

Signál v elektronice je časově závislá fyzikální veličina, která nese informaci o systému, procesu nebo jevu. Signály jsou základem všech elektronických komunikačních, řídicích a zpracovatelských systémů. Mohou představovat cokoli od vysloveného slova po teplotu v proudovém motoru a kódovat informace jako změny napětí, proudu, elektromagnetických polí nebo dokonce světla.

Signály jsou klíčové v každé oblasti elektroniky – od jednoduchých spínačů a senzorů až po složité avionické, telekomunikační a bezpečnostně kritické systémy. Jejich vlastnosti jsou definovány normami (např. ITU, ICAO) pro zajištění integrity, interoperability a spolehlivosti, zejména v regulovaných odvětvích, jako je letectví.

1. Definice a základní koncept

V nejširším slova smyslu je signál jakákoli fyzikální veličina, která se v čase mění za účelem přenosu informace. V elektronice jsou nejběžnějšími formami:

• Napětí (rozdíl potenciálů mezi dvěma body)
• Proud (tok elektrického náboje)
• Intenzita elektromagnetického pole (např. v RF a mikrovlnných systémech)
• Optická intenzita (ve vláknové optice a zobrazování)
• Mechanický posuv (v senzorech nebo pohonech)

Matematicky je signál reprezentován funkcí (např. s(t)), kde t je čas. Hodnota signálu v daném okamžiku kóduje část informace – například hlasitost zvuku, stav spínače nebo proud dat v digitálním toku.

Signály mohou být generovány přirozeně (senzory, převodníky) nebo uměle (například v počítačových datech). Jejich hlavním účelem je umožnit tok informací – uvnitř zařízení i mezi zařízeními v rámci komunikačních sítí.

Příklad z praxe:
V letectví vytváří teplotní senzor na motoru letadla napěťový signál úměrný teplotě motoru. Tento signál je digitalizován, zpracován a zobrazen pilotům a může být také přenášen na pozemní stanice k analýze údržby.

2. Klasifikace signálů

2.1 Analogové vs. digitální signály

Analogové signály jsou spojité v čase i amplitudě. Mohou nabývat libovolných hodnot v daném rozsahu v libovolném okamžiku – ideální pro reprezentaci fyzikálních veličin, jako je teplota, tlak nebo zvuk.

Digitální signály jsou diskrétní v čase i amplitudě a obvykle používají binární hodnoty (0 a 1). Informaci kódují v posloupnostech jednotlivých kroků nebo impulsů, což je činí odolnými vůči šumu a snadno zpracovatelnými i uložitelnými.

V praxi:
Moderní avionické a komunikační systémy používají převážně digitální signály pro spolehlivost a integraci, ale analogové signály jsou stále běžné v rozhraních senzorů a starších zařízeních.

2.2 Spojité vs. diskrétní signály

• Spojité signály (např. s(t)) jsou definovány v každém okamžiku času.
• Diskrétní signály (např. s[n]) existují pouze v určitých, pravidelně rozložených intervalech.

Diskrétní signály vznikají vzorkováním spojitých signálů – základní koncept v digitálním zpracování signálu (DSP).

2.3 Periodické vs. aperiodické signály

• Periodické signály se opakují v pravidelných intervalech (např. sinusovky, hodinové impulzy).
• Aperiodické signály se neopakují (např. řeč, náhodný šum).

Toto rozdělení je důležité pro analýzu – periodické signály se analyzují pomocí Fourierovy řady, aperiodické pomocí Fourierovy transformace.

2.4 Deterministické vs. náhodné (stochastické) signály

• Deterministické signály lze přesně popsat matematickým vztahem (např. sinusovka).
• Náhodné signály (stochastické) jsou nepředvídatelné, určované svými statistickými vlastnostmi (např. tepelný šum).

Porozumění stochastickým signálům je klíčové při návrhu robustních komunikačních a navigačních systémů, zejména v hlučném prostředí.

2.5 Sudé a liché signály

• Sudé signály: Symetrické vůči vertikální ose (f(t) = f(–t)); příklad: kosinová vlna.
• Liché signály: Antisymetrické vůči počátku (f(t) = –f(–t)); příklad: sinusová vlna.

Každý signál lze pro analýzu rozložit na sudou a lichou složku.

3. Klíčové vlastnosti signálu

3.1 Amplituda

Amplituda je maximální absolutní hodnota signálu, obvykle vztažená k nule. Udává sílu nebo intenzitu signálu – měří se ve voltech pro napěťové signály, ampérech pro proud apod.

3.2 Frekvence

Frekvence (f) je počet cyklů, které periodický signál dokončí za sekundu (Hz). Frekvence určuje rozdělení kanálů v komunikaci, filtrování a odolnost vůči rušení.

3.3 Perioda

Perioda (T) je délka jednoho cyklu (v sekundách). Frekvence a perioda jsou navzájem převrácené (f = 1/T).

3.4 Fáze

Fáze (ϕ) udává relativní časové posunutí signálu v rámci jeho cyklu, vyjadřuje se ve stupních nebo radiánech. Fáze je zásadní např. při modulaci, synchronizaci a v anténních systémech s řízenou fází.

3.5 Efektivní hodnota (RMS)

Efektivní hodnota (RMS) určuje účinnou hodnotu proměnného signálu, což je důležité zejména při výpočtech výkonu v AC obvodech.

3.6 Výkon

Výkon je rychlost přenosu energie, často se počítá jako ( P = (V_{rms})^2 / R ) pro odporové zátěže. Výkon signálu musí být dostatečný pro překonání šumu a ztrát, ale zároveň v mezích předpisů, aby nedocházelo k rušení.

4. Operace se signálem

4.1 Zesílení

Zesílení zvyšuje amplitudu signálu pomocí elektronických zesilovačů. Je nezbytné pro zesílení slabých signálů ze senzorů nebo při přenosu na větší vzdálenosti.

4.2 Útlum

Útlum je snížení amplitudy signálu vlivem ztrát v kabelech, součástkách nebo médiu. Obvykle se měří v decibelech (dB).

4.3 Modulace

Modulace je změna amplitudy, frekvence nebo fáze nosného signálu za účelem zakódování informace – umožňuje efektivní přenos a multiplexování. Příklady jsou AM, FM a digitální modulace (QAM, PSK).

4.4 Kódování a dekódování

Kódování převádí informaci do vhodného formátu signálu pro přenos nebo uložení (např. binární kódy, korekce chyb). Dekódování tento proces na přijímači obrací.

5. Zpracování signálu

5.1 Analogové zpracování signálu

Úprava spojitých signálů pomocí analogových obvodů – zesilovače, filtry, směšovače atd. Stále důležité v předzesilovačích senzorů a starších systémech.

5.2 Digitální zpracování signálu (DSP)

Převod analogových signálů do digitální podoby (vzorkování a kvantování) umožňuje algoritmické zpracování – filtrování, kompresi, extrakci vlastností a další. DSP je základem moderní avioniky, telekomunikací, radaru a monitorování.

Klíčové pojmy DSP

• Vzorkování: Měření signálu v pravidelných intervalech (vzorkovací frekvence).
• Kvantování: Zaokrouhlování vzorkovaných amplitud na diskrétní hodnoty.
• Filtrování: Odstraňování nežádoucích frekvenčních složek.
• Kompresce: Zmenšování objemu dat pro uložení nebo přenos.

6. Praktické aplikace

• Avionika: Přenos dat ze senzorů, hlasových, navigačních a řídicích signálů v letadle.
• Telekomunikace: Přenos hlasu, videa a dat po drátových i bezdrátových sítích.
• Průmyslová automatizace: Senzory a akční členy komunikující stav a příkazy.
• Spotřební elektronika: Audio, video a uživatelské signály v zařízeních.

7. Normy a spolehlivost

Mezinárodní normy (např. ITU, ICAO, RTCA DO-160) stanovují požadavky na integritu signálu, výkon, modulaci a korekci chyb, čímž zajišťují bezpečný a spolehlivý provoz v kritických systémech. Inženýři volí typy signálů a metody zpracování podle úrovně šumu, šířky pásma, regulatorních limitů a potřeb aplikace.

8. Shrnutí

Signál je jazykem elektroniky – časově proměnná veličina, která přenáší informace umožňující fungování složitých systémů. Ať už je analogový nebo digitální, spojitý či diskrétní, každý signál musí být pečlivě generován, přenášen, zpracováván a interpretován, aby systémy pracovaly spolehlivě a efektivně.

Pro více informací o signálech a osvědčených postupech v komunikaci a zpracování signálu kontaktujte náš tým nebo si domluvte ukázku ještě dnes!