Введение

Тип несинусоидальной формы волны – форма волны.

Квадратная волна – это несинусоидальная периодическая форма волны, в которой амплитуда регулярно изменяется с постоянной частотой между фиксированными минимальным и максимальным значениями, оставаясь одинаковое время на каждом из этих уровней. В идеальной квадратной волне переходы между минимальным и максимальным значениями происходят мгновенно. Квадратная волна является частным случаем импульсной волны, допускающей произвольную длительность как на минимальном, так и на максимальном уровнях амплитуды. Отношение длительности импульса к полному периоду импульсной волны называется коэффициентом заполнения (или рабочим циклом). Истинная квадратная волна имеет коэффициент заполнения 50% (равная длительность импульса и паузы). Квадратные волны часто встречаются в электронике и обработке сигналов, особенно в цифровой электронике и цифровой обработке сигналов. Её стохастическим аналогом является траектория двух состояний.

Происхождение и использование

Квадратные волны повсеместно встречаются в цифровых схемах переключения и естественным образом генерируются бинарными (двухуровневыми) логическими устройствами. Они используются в качестве опорных сигналов времени или "тактовых импульсов", поскольку их быстрые фронты подходят для запуска синхронных логических схем в точно заданные моменты времени. Однако, как видно из частотного спектра, квадратные волны содержат широкий диапазон гармоник, которые могут генерировать электромагнитное излучение или импульсы тока, создающие помехи для других соседних схем, вызывая шум или ошибки. Чтобы избежать этой проблемы в высокочувствительных схемах, таких как прецизионные аналого-цифровые преобразователи, в качестве опорных сигналов времени используются синусоидальные волны. В музыкальном плане их часто описывают как звучащие пустотело, поэтому они служат основой для звуков духовых инструментов, создаваемых методом субтрактивного синтеза. Они также формируют основу "пищащих" сигналов тревоги, используемых в быту, коммерции и промышленности. Кроме того, эффект дисторшна, применяемый к электрогитарам, обрезает крайние области формы волны, заставляя её всё больше походить на квадратную волну при увеличении степени искажения. Простые двухуровневые функции Радемахера являются квадратными волнами.

Характеристики неидеальных квадратных волн

Как уже упоминалось, идеальная прямоугольная волна имеет мгновенные переходы между высоким и низким уровнями. На практике этого никогда не удается достичь из-за физических ограничений системы, генерирующей форму сигнала. Время, необходимое сигналу для нарастания от низкого уровня до высокого уровня и для спада обратно, называется временем нарастания и временем спада соответственно. Если система передемпфирована, то форма сигнала может никогда не достичь теоретических высоких и низких уровней, а если система недодемпфирована, она будет колебаться около высоких и низких уровней, прежде чем установится. В этих случаях время нарастания и спада измеряется между заданными промежуточными уровнями, например, 5% и 95% или 10% и 90%. Пропускная способность системы связана с переходными характеристиками формы сигнала; существуют формулы, позволяющие приблизительно определить одну из них по другой.