Электрический импульс

Импульсный сигнал — детерминированный сигнал, имеющий конечную энергию, который существенно отличен от нуля в течение ограниченного интервала времени.^[3] Длительность импульса меньше или сравнима с продолжительностью переходных процессов в определенных технических устройствах.^[4]

Примеры форм импульсов. Вверху: слева — однополярный идеальный импульс прямоугольной формы; справа — реальный прямоугольный импульс; внизу слева: двухполярный импульс; внизу справа: радиоимпульс или пакетный импульс^[1][2].

В технике распространены импульсные сигналы в виде кратковременного появления напряжения или тока.^[5] Виодеоимпульс — кратковременное одностороннее отклонение тока или напряжения от постоянного (в частности, нулевого) уровня.^[6] Радиоимпульс — кратковременная порция колебаний высокой частоты. Видеоимпульс является огибающей радиоимпульса.^[7] Электромагнитная, звуковая или другая энергия может излучаться в виде импульсов. Такие импульсы применяются в лоцировании и связи.^[8]

Характеристики импульсов

Форма импульсов

Перекрывающиеся во времени радиоимпульсы прямоугольной формы

Одной из характеристик импульсов является их форма, визуально наблюдать которую, можно, например, на экране осциллографа. В общем случае в форме импульса различают следующие составляющие: фронт — начальный подъём, относительно плоская вершина (не для всех форм) и срез (спад) — конечный спад некоторой величины (тока или напряжения).

Параметры импульсов

В общем случае импульсы характеризуются двумя основными параметрами — амплитудой (размахом — разностью напряжений между пьедесталом и вершиной импульса) и длительностью (обозначается ${\displaystyle \tau }$ или ${\displaystyle t_{\text{и}}.}$ Длительность пилообразных и треугольных импульсов определяется по основанию (от начала изменения напряжения до конца), для остальных типов импульсов длительность принято брать на уровне напряжения 50 % от амплитуды, для колоколообразных импульсов иногда используется уровень 10 %, длительность искусственно синтезированных колоколообразных импульсов (с чётко выраженным основанием) и полуволн синусоиды часто измеряется по основанию.

Выброс на вершине прямоугольного импульса

Для разных типов импульсов также вводят дополнительные параметры, уточняющие форму или характеризующие степень её неидеальности — отклонения от идеальной. Например, для описания неидеальности прямоугольных импульсов используются такие параметры, как длительности фронта и среза (спада) (для идеального прямоугольного импульса они равны нулю), неравномерность вершины, а также размер выбросов после фронта и среза, возникающих в результате переходных процессов.

Спектральное представление импульсов

Кроме временного представления импульсов, наблюдаемого по осциллографу, существует спектральное представление, выраженное в виде двух функций — амплитудного и фазового спектров.

Спектр одиночного импульса является непрерывным и имеет бесконечную ширину, периодическая последоательность одинаковых импульсов имеет линейчатый спектр^[9]. Амплитудный спектр прямоугольного импульса имеет выраженные минимумы при некоторых частотах, следующие с интервалами, ширина которых обратна длительности импульса.

Многократные импульсы

Импульсные посылки (серии импульсов)

Некоторые импульсные последовательности и их спектры

Иногда импульсы используются или возникают не поодиночке, а группами, которые называются сериями импульсов или пачками импульсов или импульсными посылками, в том случае, когда они формируются преднамеренно для передачи куда-либо. Импульсная посылка может нести какую-либо информацию или служить идентификатором. Информационные посылки прямоугольных импульсов, в которых значимыми величинами являются количество импульсов, их временное расположение или длительности импульсов называются кодово-импульсными посылками или, в некоторых областях техники, их называют кадрами или фреймами. Кодирование информации в посылках может быть осуществлено разными способами: в двоичном коде, время-импульсном коде, код Морзе, в виде пачек заданного количества импульсов (пример — набор номера в телефонном аппарате). Во многих случаях импульсные посылки используются не поодиночке, а в виде непрерывных последовательностей посылок.

Импульсные последовательности

Импульсной последовательностью называется достаточно продолжительная последовательность импульсов, служащая для передачи непрерывно меняющейся информации, для синхронизации или для других целей, а также генерируемых непреднамеренно, например, импульсные помехи от искрения в коллекторно-щёточных узлах электрических машин.

Последовательности импульсов разделяются на периодические и непериодические. Периодические последовательности представляют собой ряд одинаковых импульсов, повторяющихся через одинаковые интервалы времени. Длительность интервала повторения называется периодом повторения (обозначается ${\displaystyle T}$), величина, обратная периоду — частотой повторения импульсов (обозначается ${\displaystyle F}$). Для последовательностей прямоугольных импульсов дополнительно применяются ещё два связанных друг с другом параметра: скважность (обозначается ${\displaystyle Q}$) — отношение периода к длительности импульса и коэффициент заполнения — обратная скважности величина; иногда коэффициент заполнения используют и для характеристики квазипериодической и случайной последовательностей, в этом случае он равен среднему отношению суммы длительностей импульсов за достаточно большой промежуток времени к длительности этого промежутка. Спектр периодической последовательности является дискретным и бесконечным для конечной последовательности, конечным для бесконечной. Среди непериодических последовательностей с, технической точки зрения, наибольший интерес представляют квазипериодические и случайные последовательности (на практике используются псевдослучайные). Квазипериодические последовательности представляют собой последовательности импульсов, период которых или другие характеристики варьируются вокруг средних значений. В отличие от спектра периодической последовательности, спектр квазипериодической последовательности является, строго говоря, не дискретным, а гребенчатым, с малой спектральной плотностью между гребнями, однако, на практике этим иногда можно пренебречь, так, например, в телевизионной технике для создания полного видеосигнала к сигналу чёрно-белого изображения добавляют сигнал цветности таким образом, что гребни его спектра оказываются между гребнями чёрно-белого видеосигнала.

Импульсы как носители информации

По характеру информации импульсные сигналы могут использоваться однократно (разовое сообщение о событии) или для непрерывной передачи информации.

Последовательности импульсов могут передавать дискретизированную по времени аналоговую информацию или цифровую информацию, возможны также случаи, когда единый, в физическом смысле, импульсный сигнал несёт два вида информации, например, телевизионный сигнал и телетекст.