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 можно определить как наблюдаемое изменение качества, например количества. [2]
Любое качество, например физическая величина, которая изменяется 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 т. Д. [4] В другом усилии , чтобы определить сигнал , [2] что - то есть только функция пространства, например, изображение, исключаются из категории сигналов. Также указано, что сигнал может содержать или не содержать какую-либо информацию.
В природе сигналы могут быть действиями, производимыми 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 существенной движущей силой 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, микрофон преобразует акустический сигнал в форму волны напряжения, а динамик - наоборот. [1]
Теория информации служит формальным исследованием 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 в разделе « Целостность 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, изучении 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 инженерные разработки разрабатывались для функционального проектирования интерфейсов пользователя и компьютера .
Определения
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 категории сигналов точечных источников (PSS) и сигналов 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, сказанным 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 , понимается 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 представляют собой сигналы непрерывной формы сигнала в цифровой системе, представляющие поток битов.
Еще одним важным свойством сигнала является его энтропия или информативность .
Классификация
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
На практике встречаются два основных типа сигналов: аналоговые и цифровые . На рисунке показан цифровой сигнал, который является результатом аппроксимации аналогового сигнала по его значениям в определенные моменты времени. Цифровые сигналы квантуются , а аналоговые сигналы непрерывны.
Аналоговый сигнал
Аналоговый сигнал - это любой непрерывный сигнал, для которого изменяющаяся во времени характеристика сигнала представляет собой представление некоторой другой изменяющейся во времени величины, то есть аналогично другому изменяющемуся во времени сигналу. Например, в аналоговом аудиосигнале мгновенное напряжение сигнала непрерывно изменяется в зависимости 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. Напряжение или ток называют аналогом звука.
Цифровой сигнал
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 количеством 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 мощь
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;
Сигналы мощности: средняя мощность этих сигналов равна конечному положительному значению, но их энергия бесконечна .
Детерминированный и случайный
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 момент времени и должны моделироваться стохастически . [15]
Четный и нечетный
Четный сигнал удовлетворяет условию
или, что то же самое, если следующее уравнение выполняется для всех а также в области :
Нечетный сигнал удовлетворяет условию
или, что то же самое, если следующее уравнение выполняется для всех а также в области :
Периодический
Сигнал называется периодическим, если он удовлетворяет условию:
или же
Где:
= основной период времени ,
= основная частота .
Периодический сигнал будет повторяться для каждого периода.
Дискретизация по времени
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
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
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 выдачи 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 записываются в стерео , каждый отсчет 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 , преобразования звукового сигнала 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 может быть дискретизировано 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, когда 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 на всем протяжении; нейроны обычно имеют разные потенциалы в разных точках. Эти сигналы имеют очень низкую энергию, но их достаточно, чтобы заставить работать нервную систему; 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 сигналов
Обработка сигналов - это манипулирование сигналами. 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 фильтры , и может передаваться в удаленное место электронными передатчиками и приниматься электронными приемниками .
Сигналы и системы
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 непрерывными сигналами времени ( t ) можно преобразовать временную область 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 проектирования и разработки, от MATLAB и Simulink до NumPy , VHDL , PSpice , Verilog и даже языка ассемблера . Ожидается, что студенты будут понимать инструменты, а также математику, физику, анализ схем и преобразования 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 и т. Д.) разностные уравнения и т. д.) теперь применяются к сигналам, цепям, 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. ... называется «Сигналы и системы», и используется в качестве текстов и подготовки к экзаменам для EE, а в последнее время - к экзаменам по компьютерной инженерии. [20]
Смотрите также
- Токовая петля - система сигнализации, широко используемая для управления технологическим процессом.
- Импульсная функция
- Сигнальный шум
- Сигнал-шум
- Обработка сигналов
- Цифровая обработка сигналов
- Сила сигнала
- Обработка изображений
Рекомендации
- ^ a b c d Роланд Пример (1991). Вводная обработка сигналов . World Scientific. п. 1. ISBN 978-9971509194. Архивировано 2 июня 2013 года.
- ^ a b c Прагнан Чакраворти, «Что такое сигнал? [Примечания к лекции]», журнал IEEE Signal Processing, т. 35, нет. 5, pp. 175-177, сентябрь 2018 г. https://doi.org/10.1109/MSP.2018.2832195
- ^ Некоторые авторы не подчеркивают роль информации в определении сигнала. Например, см. Приябрата Синха (2009). Обработка речи во встроенных системах . Springer. п. 9. ISBN 978-0387755809. Архивировано 2 июня 2013 года.
В общем, сигнал - это любая изменяющаяся во времени физическая величина.
- ^ «Цели и размах» . Транзакции IEEE по обработке сигналов . IEEE . Архивировано 17 апреля 2012 года.
- ^ TH Wilmshurst (1990). Восстановление сигнала от шума в электронных приборах (2-е изд.). CRC Press. стр. 11 и след . ISBN 978-0750300582. Архивировано 19 марта 2015 года.
- ^ «Цифровые сигналы» . www.st-andrews.ac.uk . Архивировано 02 марта 2017 года . Проверено 17 декабря 2017 .
- ^ «Аналоговые против цифровых - learn.sparkfun.com» . learn.sparkfun.com . Архивировано 05 июля 2017 года . Проверено 17 декабря 2017 .
- ^ Роберт К. Дук (2005). Цифровой дизайн с приложениями CPLD и VHDL . ISBN 1401840302. Архивировано из оригинала на 2017-12-17.
Цифровое представление может иметь только определенные дискретные значения.
- ^ Proakis, John G .; Манолакис, Димитрис Г. (01.01.2007). Цифровая обработка сигналов . Пирсон Прентис Холл. ISBN 9780131873742. Архивировано 20 мая 2016 года.
- ^ Смилли, Грэм (1999-04-02). Аналоговые и цифровые методы связи . ISBN 9780080527147. Архивировано из оригинала на 2017-12-17.
Цифровой сигнал представляет собой сигнал сложной формы и может быть определен как дискретный сигнал, имеющий конечный набор уровней.
- ^ «Цифровой сигнал» . Проверено 13 августа 2016 .
- ^ Пол Горовиц; Уинфилд Хилл (2015). Искусство электроники . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521809269.
- ^ Винод Кумар Кханна (2009). Цифровая обработка сигналов . п. 3. ISBN 9788121930956.
Цифровой сигнал - это особая форма сигнала с дискретным временем, который дискретен как по времени, так и по амплитуде, полученный путем разрешения каждому значению (выборке) сигнала с дискретным временем получить конечный набор значений (квантование), присвоив ему числовое значение. символ в соответствии с кодом ... Цифровой сигнал - это последовательность или список чисел, взятый из конечного набора.
- ^ Скляр, Бернард, 1927- (2001). Цифровые коммуникации: основы и приложения (2-е изд.). Река Аппер Сэдл, штат Нью-Джерси: Prentice-Hall PTR. ISBN 0130847887. OCLC 45823120 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Цимер, Роджер Э. (2014-03-17). Принципы коммуникации: системы, модуляция и шум . Трантер, Уильям Х. (Седьмое изд.). Хобокен, Нью-Джерси. ISBN 9781118078914. OCLC 856647730 .
- ^ Пример из робототехники см. К. Нишио и Т. Ясуда (2011). «Аналогово-цифровая схема обнаружения движения на сетчатке позвоночных и ее приложение к мобильному роботу» . В Бао-Лян Лу; Лицин Чжан и Джеймс Квок (ред.). Neural обработка информации: 18 -я Международная конференция, Iconip 2011, Шанхай, Китай, ноябрь 13-17, 2011 . Springer. стр. 506 и далее . ISBN 978-3642249648. Архивировано 2 июня 2013 года.
- ^ Например, см. М.Н. Арменисе; Катерина Чиминелли; Франческо Дель'Олио; Витторио Пассаро (2010). «§4.3 Оптические гироскопы на основе кольцевого волоконного лазера» . Достижения в гироскопических технологиях . Springer. п. 47. ISBN 978-3642154935. Архивировано 2 июня 2013 года.
- ^ Процесс оптического считывания описывается Марк Л. Чемберс (2004). Запись CD и DVD для чайников (2-е изд.). Джон Вили и сыновья. п. 13. ISBN 978-0764559563. Архивировано 2 июня 2013 года.
- ^ Дэвид МакМахон (2007). Демистификация сигналов и систем . Нью-Йорк: Макгроу Хилл. ISBN 978-0-07-147578-5.
- ^ MJ Робертс (2011). Сигналы и системы: анализ с использованием методов преобразования и MATLAB . Нью-Йорк: Макгроу Хилл. ISBN 978-0073380681.
дальнейшее чтение
- 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 , Беркли-Кембридж Пресс, 1998 г., 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.