Сигнал

Тон или стиль этой статьи могут не отражать энциклопедический тон, используемый в Википедии . См. Рекомендации в руководстве Википедии по написанию лучших статей . ( Июль 2018 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

На картине Уильяма Пауэлла Фрита «Сигнал» женщина посылает сигнал, размахивая платком.

В обработке сигналов , A сигнал представляет собой функцию , которая передает информацию о явлении. ^[1] В электронике и телекоммуникациях это относится к любому изменяющемуся во времени напряжению , току или электромагнитной волне , несущей информацию. Сигнал также может быть определен как наблюдаемое изменение качества, например количества. ^[2]

Любое качество, например физическая величина, которая демонстрирует изменение в пространстве или времени, может использоваться в качестве сигнала для обмена сообщениями между наблюдателями. ^[3] Согласно IEEE Transactions on Signal Processing , сигнал может быть аудио , видео , речевым, изображением , сонарным, радиолокационным и так далее. ^[4] В другом усилии , чтобы определить сигнал , ^[2] что - то есть только функция пространства, например, изображение, исключаются из категории сигналов. Также указывается, что сигнал может содержать или не содержать какую-либо информацию.

В природе сигналы могут быть действиями, совершаемыми организмом для предупреждения других организмов, от выделения химических веществ для растений, чтобы предупредить близлежащие растения о хищнике, до звуков или движений животных, чтобы предупредить других животных о пище. Передача сигналов происходит во всех организмах, даже на клеточном уровне, с помощью передачи сигналов клетки . Теория сигналов в эволюционной биологии предполагает, что важным фактором эволюции является способность животных общаться друг с другом, разрабатывая способы передачи сигналов. В человеческой инженерии сигналы обычно вырабатываются датчиком , и часто исходная форма сигнала преобразуется в другую форму энергии с помощью преобразователя . Например микрофонпреобразует акустический сигнал в форму волны напряжения, а динамик делает обратное. ^[1]

Теория информации служит формальным изучением сигналов и их содержания, а информация о сигнале часто сопровождается шумом . Термин «шум» относится к нежелательным модификациям сигнала, но часто расширяется для включения нежелательных сигналов, конфликтующих с полезными сигналами (перекрестные помехи ). Снижение шума частично рассматривается под заголовком целостности сигнала . Разделение желательных сигналов от фонового шума является полем восстановления сигнала , ^[5] одна ветви которой является теория оценивания , вероятностный подход к подавлению случайных возмущений.

Инженерные дисциплины, такие как электротехника, лидировали в проектировании, исследовании и внедрении систем, включающих передачу , хранение и обработку информации . Во второй половине 20-го века сама электротехника разделилась на несколько дисциплин, специализирующихся на разработке и анализе систем, которые манипулируют физическими сигналами; электронная инженерия и вычислительная техника в качестве примеров; в то время как проектирование разработано для функционального проектирования интерфейсов пользователя и компьютера .

Определения [ править ]

Определения, характерные для подполей, являются общими. Например, в теории информации , A сигнал является кодифицировано сообщением, то есть последовательность состояний в канале связи , который кодирует сообщение. В контексте обработки сигналов сигналы представляют собой аналоговые и цифровые представления аналоговых физических величин.

С точки зрения их пространственного распределения сигналы могут быть разделены на сигналы точечных источников (PSS) и сигналы распределенных источников (DSS). ^[2]

В системе связи передатчик кодирует сообщение для создания сигнала, который передается приемнику по каналу связи . Например, слова « Мария ела ягненка » могут быть сообщением, переданным по телефону . Телефонный передатчик преобразует звуки в электрический сигнал. Сигнал передается на принимающий телефон по проводам; в приемнике он преобразуется в звуки.

В телефонных сетях под сигнализацией , например сигнализацией по общему каналу , подразумевается номер телефона и другая цифровая управляющая информация, а не реальный речевой сигнал.

Сигналы можно классифицировать по-разному. Чаще всего различают дискретные и непрерывные пространства, в которых функции определены, например, в дискретной и непрерывной областях времени. Сигналы с дискретным временем в других областях часто называют временными рядами . Сигналы с непрерывным временем часто называют непрерывными сигналами .

Второе важное различие - между дискретными и непрерывными значениями. В частности , в области цифровой обработки сигналов , A цифрового сигнал может быть определен как последовательность дискретных значений, обычно связанной с основным непрерывным многозначных физическим процессом. В цифровой электронике цифровые сигналы - это сигналы непрерывной формы сигнала в цифровой системе, представляющие поток битов.

Еще одно важное свойство сигнала - это его энтропия или информационное содержание .

Классификация [ править ]

В «Сигналах и системах» сигналы можно классифицировать по многим критериям, главным образом: в соответствии с различными характеристиками значений, классифицируемых на аналоговые и цифровые сигналы ; по детерминированности сигналов классифицируются на детерминированные сигналы и случайные сигналы; в зависимости от силы сигналов классифицируются на сигналы энергии и сигналы мощности.

Аналоговые и цифровые сигналы [ править ]

На практике встречаются два основных типа сигналов: аналоговые и цифровые . На рисунке показан цифровой сигнал, который получается в результате приближения аналогового сигнала по его значениям в определенные моменты времени. Цифровые сигналы квантуются , а аналоговые сигналы непрерывны.

Аналоговый сигнал [ править ]

Аналоговый сигнал - это любой непрерывный сигнал, для которого изменяющаяся во времени характеристика сигнала является представлением некоторой другой изменяющейся во времени величины, т. Е. Аналогично другому изменяющемуся во времени сигналу. Например, в аналоговом аудиосигнале мгновенное напряжение сигнала непрерывно зависит от звукового давления . Он отличается от цифрового сигнала , в котором непрерывная величина является представлением последовательности дискретных значений, которые могут принимать только одно из конечного числа значений. ^{[6] [7]}

Термин аналоговый сигнал обычно относится к электрическим сигналам ; однако аналоговые сигналы могут использовать другие среды, такие как механические , пневматические или гидравлические . Аналоговый сигнал использует некоторые свойства среды для передачи информации о сигнале. Например, барометр-анероид использует поворотное положение в качестве сигнала для передачи информации о давлении. В электрическом сигнале напряжение , ток или частота сигнала могут изменяться для представления информации.

Любая информация может передаваться аналоговым сигналом; часто такой сигнал является измеренной реакцией на изменения физических явлений, таких как звук , свет , температура , положение или давление . Физическая переменная преобразуется в аналоговый сигнал преобразователем . Например, при записи звука колебания давления воздуха (то есть звука ) ударяются о диафрагму микрофона, что вызывает соответствующие электрические колебания. Говорят, что напряжение или ток являются аналогом звука.

Цифровой сигнал [ править ]

Цифровой сигнал - это сигнал, который состоит из дискретного набора форм волны физической величины, чтобы представить последовательность дискретных значений. ^{[8] [9] [10]} логический сигнал представляет собой цифровой сигнал только с двумя возможными значениями, ^{[11] [12]} и описывает произвольный поток битов . Другие типы цифровых сигналов могут представлять трехзначную логику или более высокую логику.

В качестве альтернативы цифровой сигнал можно рассматривать как последовательность кодов, представленную такой физической величиной. ^[13] физическая величина может быть переменной электрического тока или напряжения, интенсивность, фаза или поляризация из оптического или иного электромагнитного поля , звуковое давление, то намагниченность о наличии магнитных запоминающих сред и т.д. Цифровые сигналы присутствуют во всех цифровой электронике , в частности вычислительное оборудование и передача данных .

При использовании цифровых сигналов системный шум, если он не слишком велик, не влияет на работу системы, тогда как шум всегда в некоторой степени ухудшает работу аналоговых сигналов .

Цифровые сигналы часто возникают в результате дискретизации аналоговых сигналов, например, постоянно колеблющегося напряжения на линии, которое может быть оцифровано схемой аналого-цифрового преобразователя , при этом схема будет считывать уровень напряжения на линии, скажем, каждые 50  микросекунды и представляют каждое чтение с фиксированным числом бит. Результирующий поток чисел сохраняется в виде цифровых данных в сигнале с дискретным временем и квантованной амплитудой. Компьютеры и другие цифровые устройства ограничены дискретным временем.

Энергия и сила [ править ]

По силе сигналов практические сигналы можно разделить на две категории: энергетические сигналы и мощные сигналы. ^[14]

Сигналы энергии: эти сигналы энергия равна конечное положительное значение, но их средние мощности равны 0;

${\ displaystyle 0 <E = \ int _ {- \ infty} ^ {\ infty} s ^ {2} (t) dt <\ infty}$

Сигналы мощности: средняя мощность этих сигналов равна конечному положительному значению, но их энергия бесконечна .

${\displaystyle P=\lim _{T\rightarrow \infty }{\frac {1}{T}}\int _{-T/2}^{T/2}s^{2}(t)dt}$

Детерминированный и случайный [ править ]

Детерминированные сигналы - это те, значения которых в любой момент предсказуемы и могут быть вычислены с помощью математического уравнения.

Случайные сигналы - это сигналы, которые принимают случайные значения в любой данный момент времени и должны моделироваться стохастически . ^[15]

Четное и нечетное [ править ]

Четные и нечетные сигналы

${\displaystyle f(x)=x^{3}}$ это пример нечетного сигнала.

Четный сигнал удовлетворяет условию${\displaystyle x(t)=x(-t)}$

или, что эквивалентно, если следующее уравнение выполняется для всех и в области :${\displaystyle t}$${\displaystyle -t}$${\displaystyle x}$

${\displaystyle x(t)-x(-t)=0.}$

Нечетный сигнал удовлетворяет условию ${\displaystyle x(t)=-x(-t)}$

или, что эквивалентно, если следующее уравнение выполняется для всех и в области :${\displaystyle t}$${\displaystyle -t}$${\displaystyle x}$

${\displaystyle x(t)+x(-t)=0.}$

Периодический [ править ]

Сигнал называется периодическим, если он удовлетворяет условию:

${\displaystyle x(t)=x(t+T)}$ или же ${\displaystyle x(n)=x(n+N)}$

Где:

${\displaystyle T}$= основной период времени ,

${\displaystyle 1/T=f}$= основная частота .

Периодический сигнал будет повторяться для каждого периода.

Дискретизация по времени[ редактировать ]

Сигналы можно разделить на непрерывные или дискретные по времени . В математической абстракции область сигнала непрерывного времени - это набор действительных чисел (или некоторый их интервал), тогда как область сигнала дискретного времени (DT) - это набор целых чисел (или других подмножеств действительных чисел). ). Что представляют собой эти целые числа, зависит от природы сигнала; чаще всего пора.

Сигнал с непрерывным временем - это любая функция, которая определяется в каждый момент времени t в интервале, чаще всего в бесконечном интервале. Простым источником сигнала с дискретным временем является выборка непрерывного сигнала, аппроксимирующая сигнал последовательностью его значений в определенные моменты времени.

Квантование амплитуды[ редактировать ]

Если сигнал должен быть представлен как последовательность чисел, невозможно обеспечить точную точность - каждое число в последовательности должно иметь конечное количество цифр. В результате значения такого сигнала должны быть квантованы в конечный набор для практического представления. Квантование - это процесс преобразования непрерывного аналогового аудиосигнала в цифровой сигнал с дискретными числовыми значениями целых чисел.

Примеры сигналов [ править ]

Сигналы в природе могут быть преобразованы в электронные сигналы с помощью различных датчиков . Примеры включают:

• Движение . Движение объекта можно рассматривать как сигнал, и его можно контролировать с помощью различных датчиков для получения электрических сигналов. ^[16] Например, радар может подавать электромагнитный сигнал для отслеживания движения самолета. Сигнал движения является одномерным (время), а диапазон, как правило, трехмерным. Таким образом, позиция является 3-векторным сигналом; Положение и ориентация твердого тела - это 6-векторный сигнал. Сигналы ориентации можно генерировать с помощью гироскопа . ^[17]
• Звук . Поскольку звук - это вибрация среды (например, воздуха), звуковой сигнал связываетзначение давления с каждым значением времени и, возможно, с тремя пространственными координатами, указывающими направление движения. Звуковой сигнал преобразуется микрофоном в электрический сигнал, генерируясигнал напряжения как аналог звукового сигнала. Звуковые сигналы могут быть записаны в дискретный набор моментов времени; например, компакт-диски (CD) содержат дискретные сигналы, представляющие звук, записанные с частотой 44 100 Гц ; поскольку компакт-диски записаны в стерео, каждая выборка содержит данные для левого и правого каналов, которые можно рассматривать как двухвекторный сигнал. Кодирование компакт-диска преобразуется в электрический сигнал путем считывания информации с помощью лазера , преобразовывая звуковой сигнал в оптический сигнал. ^[18]
• Изображения . Картинка или изображение состоит из яркости или цветового сигнала в зависимости от двухмерного местоположения. Внешний вид объекта представлен как излучаемый или отраженный свет , электромагнитный сигнал. Его можно преобразовать в сигналы напряжения или тока с помощью таких устройств, как устройство с зарядовой связью . 2D-изображение может иметь непрерывную пространственную область, как в традиционной фотографии или живописи; или изображение можно дискретизировать в пространстве, как в цифровом изображении . Цветные изображения обычно представлены как комбинация монохромных изображений трех основных цветов .
• Видео . Видеосигнал - это последовательность изображений. Точка в видео идентифицируется по ее двумерному положению на изображении и по времени, в которое она возникает, поэтому видеосигнал имеет трехмерную область. Аналоговое видео имеет одно непрерывное измерение области (поперек линии развертки ) и два дискретных измерения (кадр и линию).
• Биологические мембранные потенциалы . Величина сигнала - это электрический потенциал (напряжение). Домен установить сложнее. Некоторые клетки или органеллы имеют одинаковый мембранный потенциал; нейроны обычно имеют разные потенциалы в разных точках. Эти сигналы имеют очень низкую энергию, но их достаточно для работы нервной системы; их можно измерить в совокупности методами электрофизиологии .
• Выход термопары , который передает информацию о температуре. ^[1]
• Выходной сигнал pH-метра, который передает информацию о кислотности. ^[1]

Обработка сигнала [ править ]

Типичная роль сигналов - обработка сигналов. Типичный пример - передача сигнала между разными местоположениями. Вариант осуществления сигнала в электрической форме представляет собой преобразователь, который преобразует сигнал из его исходной формы в форму волны, выраженную как ток ( I ) или напряжение ( V ), или форму электромагнитной волны , например, оптический сигнал или радиопередача . Будучи выраженным в виде электронного сигнала, сигнал доступен для дальнейшей обработки электрическими устройствами, такими как электронные усилители и электронные фильтры., и может передаваться в удаленное место электронными передатчиками и приниматься электронными приемниками .

Сигналы и системы [ править ]

В программах по электротехнике класс и область обучения, известные как «сигналы и системы» (S и S), часто рассматриваются как «класс сокращения» для карьеры в области энергоэффективности, и некоторые студенты боятся его как такового. В зависимости от школы, студенты бакалавриата обычно посещают этот класс как младшие или старшие, обычно в зависимости от количества и уровня предыдущих уроков линейной алгебры и дифференциальных уравнений, которые они изучали. ^[19]

Эта область изучает входные и выходные сигналы и математические представления между ними, известные как системы, в четырех областях: время, частота, s и z . Поскольку сигналы и системы изучаются в этих четырех областях, существует 8 основных разделов обучения. Например, при работе с сигналами непрерывного времени ( t ) можно преобразовать из временной области в частотную или s- область; или от дискретного времени ( n ) к частотной или z области. Системы также могут преобразовываться между этими областями, как сигналы, с непрерывным до s и дискретным до z .

Хотя S и S подпадают под и включают все темы, затронутые в этой статье, а также аналоговую обработку сигналов и цифровую обработку сигналов , на самом деле это подмножество области математического моделирования . Это поле восходит к РФ более века назад, когда оно было аналоговым и, как правило, непрерывным. Сегодня программное обеспечение заменило большую часть разработки и анализа аналоговых схем, и даже непрерывные сигналы теперь обычно обрабатываются в цифровом виде. По иронии судьбы, цифровые сигналы также обрабатываются в некотором смысле непрерывно, при этом программное обеспечение выполняет вычисления между дискретными «паузами» сигнала, чтобы подготовиться к следующему событию ввода / преобразования / вывода.

В прошлом учебные планы EE S и S, как их часто называют, включали анализ и проектирование схем с помощью математического моделирования и некоторых численных методов, и были обновлены несколько десятилетий назад инструментами динамических систем , включая дифференциальные уравнения, а недавно и лагранжианы . Сложность этой области в то время заключалась в том, что моделировались не только математическое моделирование, схемы, сигналы и сложные системы, но и физика, а также требовалось глубокое знание электрических (а теперь и электронных) тем.

Сегодня эта область стала еще более сложной и устрашающей с добавлением языков и программного обеспечения для анализа схем, систем и сигналов, а также языков проектирования, от MATLAB и Simulink до NumPy , VHDL , PSpice , Verilog и даже языка ассемблера . Ожидается, что студенты будут разбираться в инструментах, а также в математике, физике, анализе схем и преобразованиях между 8 областями.

Поскольку такие темы машиностроения, как трение, демпфирование и т. Д., Имеют очень близкие аналогии в науке о сигналах (индуктивность, сопротивление, напряжение и т. Д.), Многие инструменты, изначально использовавшиеся в МЭ-преобразованиях (преобразования Лапласа и Фурье, лагранжианы, теория выборки, вероятность, разностные уравнения и т. д.) теперь применяются к сигналам, схемам, системам и их компонентам, анализу и проектированию в EE. Динамические системы, которые включают шум, фильтрацию и другие случайные или хаотические аттракторы и репеллеры, теперь поместили стохастические науки и статистику между более детерминированными дискретными и непрерывными функциями в этой области. (Термин «детерминистический» здесь означает сигналы, которые полностью определяются как функции времени).

Специалисты по таксономии EE до сих пор не определились, где S&S находится в рамках всей области обработки сигналов по сравнению с анализом схем и математическим моделированием, но общая связь тем, охватываемых в ходе обучения, расширила границы с помощью десятков книг, журналов и т. Д. ... называется «Сигналы и системы», и используется в качестве текста и подготовки к экзаменам для EE, а также недавно к экзаменам по компьютерной инженерии. ^[20]

См. Также [ править ]

В Викиучебнике есть книга на тему: Сигналы и системы.

• Токовая петля - система сигнализации, широко используемая для управления технологическим процессом.
• Импульсная функция
• Сигнальный шум
• Соотношение сигнал шум
• Обработка сигналов
  • Цифровая обработка сигналов
• Сила сигнала
• Обработка изображений

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Сюй, Теория и проблемы PH Шаума: сигналы и системы , McGraw-Hill 1995, ISBN 0-07-030641-9 
• Лати, Б.П., Обработка сигналов и линейные системы , Berkeley-Cambridge Press, 1998, ISBN 0-941413-35-7 
• Шеннон, CE , 2005 [1948], «Математическая теория коммуникации» ( исправленная перепечатка ), получено 15 декабря 2005 г. Ориг. 1948, Технический журнал Bell System , т. 27, стр. 379–423, 623–656.