“人有悲歡離合,月有陰晴圓缺”。這是我們在中學時期學的東坡先生在《水調歌頭》里的非常有名的一句詞,這里的陰晴圓缺指的就是月相的變化。那么,我們該怎么描述信號的相位的呢?
在學習相位之前,我們先來了解一下什么叫相,就以月相舉例來說,因為太陽,地球,月亮三者在運動的過程中相對位置會發(fā)生變化,我們在地球上看到月亮反射太陽光的形狀也會不同。通常我們把我們在地球上看到的形狀叫做月相。
由于月球是圍繞地球公轉,他們的位置會是周期性變化的,月相也是周期性變化的,每一種形狀對應一個月相。
上面我們知道了什么是月亮的月相,那么,什么是月亮的相位呢?古人真的是聰明呀,他們根據(jù)月相的周期性變化規(guī)律發(fā)明了月歷。這里的月歷我們可以理解為月亮的相位。比如,我們俗語里說的“十五的月亮十六圓”,這里的十五和十六其實就是月亮的相位。十五或十六日時月相是滿月,十五或十六代表了月相已經從新月開始變化到滿月狀態(tài),是完整周期30天的一半左右的位置,我們可以用月歷來度量這種位置關系。
看了上面的月亮的例子,大家應該對相和相位有個初步的了解吧。這里我們可以簡單總結一下:
相:它是一種在某種循環(huán)周期變化里的一個狀態(tài)。月亮的每一種月相反映的是一種我們看到的月亮的形狀。
相位:它是從某一個參考點開始測量到另外一個點的狀態(tài)變化的度量值,對應于周期變化的位置關系。這里就好理解了我們說月歷就是代表相位了。
接下來我們再來看下在通信里相和相位又是什么?
以一個正弦波為例,它是一個周期變化的信號,通過他的波形我們可以看出。在每個周期里它的變化規(guī)律都是從幅度為0開始逐漸變大到最大值(正),然后,開始減小到0,再繼續(xù)減小到最小值(負),最后,又開始增大到0,然后,進入下一個周期……
這里的最大值和最小值我們稱做波峰和波谷。對于波峰來說,這時它的值最大,處在值將要變小的狀態(tài);對于波谷來說,它的值最小,處在值將要變大的狀態(tài)。這種狀態(tài)其實就是代表正弦波的相。而對于波峰和波谷這兩點他們在變化中對應的位置關系,我們可以用相位來描述。下面我們通過向量的形式,進一步來理解相位。
在之前的復指數(shù)信號的篇章《談談歐拉公式與復指數(shù)信號》中我們知道在復指數(shù)的運動軌跡在復平面上是一個向量做圓周運動,在虛軸上的投影是一個正弦函數(shù)。
假如這里向量旋轉的角速度為ω,那么,它的相位可以用θ = ωt來表示。我們可以看出,相位實際上是一個角度,對應的是向量旋轉的角度。在這里就可以理解為什么上面說波峰或者波谷的位置關系可以用相位描述了。從上面旋轉向量上來看,以第一個周期為例,在波峰和波谷位置對應向量旋轉了π/2 和3π/2,所以對應的相位就是π/2 和3π/2。
我們再思考這樣一個問題,對于周期變化的正弦信號來說,會存在很多個波峰和波谷或者其他的值,那么,我們如何確認對應的是哪個周期的點呢?答案是顯而易見的,我們可以通過相位確定這種關系。
通常,我們需要把初始相位φ考慮進去,那么,相位的計算公式就是θ=ωt+φ。
最后,需要注意到是相位實際上發(fā)生在有周期變化規(guī)律的場景下,它是信號狀態(tài)變化的度量,對應的是周期運動的位置關系,這個度量我們可以用角度表示,我們也可以稱為“相角”。