Сигнал

Изменяющаяся физическая величина, передающая информацию

В романе Уильяма Пауэлла Фрита « Сигнал » женщина подает сигнал, размахивая белым платком.

Сигнал относится как к процессу, так и к результату передачи данных через некоторые носители, достигнутому путем внедрения некоторых изменений. Сигналы важны во многих предметных областях, включая обработку сигналов , теорию информации и биологию .

В обработке сигналов сигнал — это функция, которая передает информацию о явлении. ^[1] Любая величина, которая может изменяться в пространстве или времени, может использоваться в качестве сигнала для обмена сообщениями между наблюдателями. ^[2] Труды IEEE по обработке сигналов включают аудио , видео , речь, изображение , сонар и радар в качестве примеров сигналов. ^[3] Сигнал также может быть определен как любое наблюдаемое изменение величины в пространстве или времени ( временной ряд ), даже если он не несет информации. ^[a]

В природе сигналы могут быть действиями, выполняемыми организмом для оповещения других организмов, начиная от высвобождения растительных химикатов для предупреждения близлежащих растений о хищнике, до звуков или движений, производимых животными для оповещения других животных о пище. Сигнализация происходит во всех организмах, даже на клеточном уровне, с клеточной сигнализацией . Теория сигнализации в эволюционной биологии предполагает, что существенным двигателем эволюции является способность животных общаться друг с другом, разрабатывая способы сигнализации. В человеческой инженерии сигналы обычно предоставляются 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 делает обратное. ^[1]

Другим важным свойством сигнала является его энтропия или информационное содержание . Теория информации служит формальным изучением сигналов и их содержания. Информация сигнала часто сопровождается шумом , который в первую очередь относится к нежелательным модификациям сигналов, но часто расширяется, чтобы включить нежелательные сигналы, конфликтующие с желаемыми сигналами ( перекрестные помехи ). Уменьшение шума частично рассматривается в разделе целостности сигнала . Отделение желаемых сигналов от фонового шума является областью восстановления сигнала , ^[5] одним из разделов которой является теория оценки , вероятностный подход к подавлению случайных помех.

Инженерные дисциплины, такие как электротехника, продвинулись в проектировании, изучении и внедрении систем, включающих передачу , хранение и обработку информации. Во второй половине 20-го века электротехника сама по себе разделилась на несколько дисциплин: электронная инженерия и компьютерная инженерия, разработанные для специализации на проектировании и анализе систем, которые манипулируют физическими сигналами, в то время как проектирование инженерных систем было разработано для решения функционального проектирования сигналов в интерфейсах пользователь-машина .

Определения

Определения, специфичные для подполей, являются общими:

• В электронике и телекоммуникациях сигналом называют любое изменяющееся во времени напряжение , ток или электромагнитную волну , которая переносит информацию.
• В обработке сигналов сигналы представляют собой аналоговые и цифровые представления аналоговых физических величин.
• В теории информации сигнал — это закодированное сообщение, то есть последовательность состояний в канале связи , кодирующая сообщение.
• В системе связи передатчик кодирует сообщение для создания сигнала, который передается приемнику по каналу связи. Например, слова « У Мэри был маленький ягненок » могут быть сообщением, произнесенным в телефон . Передатчик телефона преобразует звуки в электрический сигнал. Сигнал передается на принимающий телефон по проводам; на приемнике он снова преобразуется в звуки.
• В телефонных сетях сигнализация , например, сигнализация по общему каналу , относится к номеру телефона и другой цифровой управляющей информации, а не к фактическому голосовому сигналу.

Классификация

Сигналы можно классифицировать различными способами. Наиболее распространенное ^{[ требуется проверка ]} различие — между дискретными и непрерывными пространствами, в которых функции определены, например, дискретные и непрерывные временные области. Дискретные по времени сигналы часто называют временными рядами в других областях. Непрерывные по времени сигналы часто называют непрерывными сигналами .

Второе важное различие — между дискретно-значимыми и непрерывно-значимыми. В частности, в цифровой обработке сигналов цифровой сигнал может быть определен как последовательность дискретных значений, обычно связанных с лежащим в основе непрерывно-значимым физическим процессом. В цифровой электронике цифровые сигналы — это непрерывные во времени сигналы в цифровой системе, представляющие собой поток битов.

Сигналы также могут быть классифицированы по их пространственному распределению как сигналы точечных источников (PSS) или сигналы распределенных источников (DSS). ^[2]

В разделе «Сигналы и системы» сигналы можно классифицировать по многим критериям, в основном: по различным признакам значений — на аналоговые сигналы и цифровые сигналы ; по определенности сигналов — на детерминированные сигналы и случайные сигналы; по силе сигналов — на энергетические сигналы и силовые сигналы.

Аналоговые и цифровые сигналы

Цифровой сигнал имеет две или более различимых формы волны, в этом примере, высокое напряжение и низкое напряжение, каждое из которых может быть отображено на цифру. Характерно, что шум может быть удален из цифровых сигналов, если он не слишком экстремальный.

Два основных типа сигналов, встречающихся на практике, — аналоговые и цифровые . На рисунке показан цифровой сигнал, который получается в результате аппроксимации аналогового сигнала его значениями в определенные моменты времени. Цифровые сигналы квантуются , тогда как аналоговые сигналы непрерывны.

Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал — это любой непрерывный сигнал , для которого изменяющаяся во времени характеристика сигнала является представлением некоторой другой изменяющейся во времени величины, т. е. аналогичной другому изменяющемуся во времени сигналу. Например, в аналоговом аудиосигнале мгновенное напряжение сигнала непрерывно изменяется вместе со звуковым давлением . 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 сигнала. Например, анероидный барометр использует вращательное 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 быть передана 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 звукозаписи колебания давления воздуха (то есть звука ) ударяют по диафрагме микрофона , которая вызывает соответствующие электрические колебания. Напряжение или ток называются аналогом звука .

Цифровой сигнал

Двоичный сигнал, также известный как логический сигнал, представляет собой цифровой сигнал с двумя различимыми уровнями.

Цифровой сигнал — это сигнал, который формируется из дискретного набора форм волн физической величины, чтобы представлять последовательность дискретных значений. ^{[8] [9] [10]} Логический сигнал — это цифровой сигнал с двумя возможными значениями, ^{[11] [12]} и описывает произвольный поток битов . Другие типы цифровых сигналов могут представлять трехзначную логику или логику с более высокими значениями.

В качестве альтернативы цифровой сигнал можно рассматривать как последовательность кодов, представленных такой физической величиной. ^[13] Физическая величина может быть переменным электрическим током или напряжением, интенсивностью, фазой или поляризацией оптического или другого электромагнитного поля , акустическим давлением, намагничиванием магнитного носителя информации и т. д . Цифровые сигналы присутствуют во всей цифровой электронике , особенно в вычислительном оборудовании и передаче данных .

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

Цифровые сигналы часто возникают посредством выборки аналоговых сигналов, например, постоянно колеблющегося напряжения на линии, которое может быть оцифровано схемой аналого-цифрового преобразователя , где схема будет считывать уровень напряжения на линии, скажем, каждые 50  микросекунд и представлять каждое показание фиксированным числом бит. Результирующий поток чисел хранится в виде цифровых данных на дискретном по времени и квантованном по амплитуде сигнале. Компьютеры и другие цифровые устройства ограничены дискретным временем.

Энергия и мощность

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

Энергетические сигналы: энергия этих сигналов равна конечному положительному значению, но их средняя мощность равна 0;

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

Мощность сигналов: 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

Детерминированные сигналы — это сигналы, значения которых в любой момент времени предсказуемы и могут быть рассчитаны с помощью математического уравнения.

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

Чётные и нечётные

Чётные и нечётные сигналы

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

Сигнал называется периодическим, если он удовлетворяет условию:

${\displaystyle x(t)=x(t+T)\quad \forall t\in [t_{0},t_{max}]}$или ${\displaystyle x(n)=x(n+N)\quad \forall n\in [n_{0},n_{max}]}$

Где:

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

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

То же самое можно применить к . Периодический сигнал будет повторяться для каждого периода. ${\displaystyle N}$

Дискретизация времени

Дискретный сигнал, созданный из непрерывного сигнала путем выборки

Сигналы можно классифицировать как непрерывные или дискретные по времени . В математической абстракции домен непрерывного по времени сигнала — это множество действительных чисел (или некоторый их интервал), тогда как домен дискретного по времени (DT) сигнала — это множество целых чисел ( или других подмножеств действительных чисел). То, что представляют эти целые числа, зависит от природы сигнала; чаще всего это время.

Непрерывный сигнал — это любая функция , которая определена в каждый момент времени t в интервале, чаще всего в бесконечном интервале. Простым источником дискретного сигнала является выборка непрерывного сигнала, аппроксимирующая сигнал последовательностью его значений в определенные моменты времени.

Квантование амплитуды

Если сигнал должен быть представлен в виде последовательности цифровых данных, невозможно поддерживать точную точность — каждое число в последовательности должно иметь конечное число 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

Естественные сигналы могут быть преобразованы в электронные сигналы с помощью различных датчиков . Примеры включают в себя:

• Движение . Движение объекта можно считать сигналом, и его можно отслеживать с помощью различных датчиков для получения электрических сигналов. ^[16] Например, радар может выдавать электромагнитный сигнал для отслеживания движения самолета. Сигнал движения является одномерным (время), а диапазон обычно трехмерный. Таким образом, положение является 3-векторным сигналом; положение и ориентация твердого тела являются 6-векторным сигналом. Сигналы ориентации могут быть получены с помощью гироскопа . ^[17]
• Звук . Поскольку звук представляет собой вибрацию среды (например, воздуха), звуковой сигнал связывает значение давления с каждым значением времени и, возможно, тремя пространственными координатами, указывающими направление движения. Звуковой сигнал преобразуется в электрический сигнал микрофоном , генерируя сигнал напряжения как аналог звукового сигнала. Звуковые сигналы могут быть отобраны в дискретном наборе временных точек; например, компакт-диски (CD) содержат дискретные сигналы, представляющие звук, записанный на частоте 44 100 Гц ; поскольку компакт-диски записываются в стерео , каждый образец содержит данные для левого и правого каналов, которые можно считать 2-векторным сигналом. Кодирование CD преобразуется в электрический сигнал путем считывания информации с помощью лазера , преобразующего звуковой сигнал в оптический сигнал. ^[18]
• Изображения . Картинка или изображение состоит из яркостного или цветового сигнала, функции двумерного местоположения. Внешний вид объекта представляется как излучаемый или отраженный свет , электромагнитный сигнал. Он может быть преобразован в формы волн напряжения или тока с помощью таких устройств, как прибор с зарядовой связью . Двумерное 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 представляются как комбинация монохромных изображений в трех основных цветах .
• Видео . Видеосигнал представляет собой последовательность изображений. Точка в видео идентифицируется по ее двумерному положению на изображении и по времени, в которое она появляется, поэтому видеосигнал имеет трехмерный домен. Аналоговое видео имеет одно непрерывное измерение домена (поперек строки развертки ) и два дискретных измерения (кадр и строка).
• Биологические мембранные потенциалы . Значение сигнала — электрический потенциал (напряжение). Домен установить сложнее. Некоторые клетки или органеллы имеют одинаковый мембранный потенциал на всем протяжении; нейроны, как правило, имеют разные потенциалы в разных точках. Эти сигналы имеют очень низкую энергию, но их достаточно, чтобы заставить нервную систему работать; их можно измерить в совокупности с помощью электрофизиологических методов.
• Выходной сигнал термопары , передающий информацию о температуре. ^[1]
• Выходной сигнал pH-метра , передающий информацию о кислотности. ^[1]

Обработка сигнала

Передача сигналов с помощью электронных сигналов

Обработка сигнала — это манипуляция сигналами. Типичным примером является передача сигнала между различными локациями. Воплощение сигнала в электрическую форму осуществляется преобразователем, который преобразует сигнал из его первоначальной формы в форму волны, выраженную в виде тока или напряжения , или электромагнитного излучения , например, оптического сигнала или радиопередачи . После выражения в виде электронного сигнала сигнал доступен для дальнейшей обработки электрическими устройствами, такими как электронные усилители и фильтры , и может быть передан в удаленное место передатчиком и принят с помощью радиоприемников .

Сигналы и системы

В программах электротехники (EE) сигналы рассматриваются в классе и области изучения, известных как сигналы и системы . В зависимости от школы студенты бакалавриата EE обычно изучают класс как младшие или старшие, как правило, в зависимости от количества и уровня предыдущих курсов линейной алгебры и дифференциальных уравнений, которые они прошли. ^[19]

Поле изучает входные и выходные сигналы, а также 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 изучения. Например, при работе с непрерывными во времени сигналами ( t ) можно преобразовать из временной области в частотную или s область; или из дискретного времени ( n ) в частотную или z область. Системы также могут быть преобразованы между этими областями, как сигналы, с непрерывной в s и дискретной в z .

Сигналы и системы являются подмножеством области математического моделирования . Оно включает в себя анализ и проектирование цепей с помощью математического моделирования и некоторых численных методов, и было обновлено несколько десятилетий назад с помощью инструментов динамических систем, включая дифференциальные уравнения, а недавно и лагранжианы . Ожидается, что студенты будут понимать инструменты моделирования, а также математику, физику, анализ цепей и преобразования между 8 областями.

Поскольку такие темы машиностроения (МЭ), 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 преобразованиях МЭ (преобразования Лапласа и Фурье, лагранжианы, теория выборок, вероятность, разностные уравнения и т. д.), теперь применяются к сигналам, схемам, системам и их компонентам, анализу и проектированию в ЭЭ. Динамические системы, включающие 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. (Детерминированный в данном случае означает сигналы, которые полностью определены как функции времени).

Специалисты по таксономии электротехники до сих пор не решили, где сигналы и системы находятся в рамках всей области обработки сигналов, а где анализ цепей и математическое моделирование, но общая связь тем, которые рассматриваются в ходе обучения, прояснила границы с десятками книг, журналов и т. д. под названием «Сигналы и системы», которые используются в качестве учебника и подготовки к тестам для электротехники, а также, в последнее время, и для экзаменов по компьютерной инженерии. ^[20]

Галерея

• 
  Сигнальщик посылает семафорное сообщение с диспетчерской вышки Перл-Харбора,  1960 год .
• 
  Финский дальний светофор на западном подходе к станции Мухос показывает «Ожидаемая остановка» .
• 
  Женщина, ловящая такси, посылает сигнал о том, что она свободна и ее можно забрать.
• 
  Сигнальная ракета является распространенным средством подачи сигнала в темное время суток или в условиях задымления.

Смотрите также

• Математическая теория коммуникации  – научная статья Клода Шеннона, 1948 г.
• Токовая петля – система сигнализации, широко используемая для управления технологическими процессами.
• Отношение сигнал/шум

Примечания

1. Некоторые авторы не подчеркивают роль информации в определении сигнала. ^[4]

Ссылки

1. Роланд Праймер (1991). Введение в обработку сигналов. World Scientific. стр. 1. ISBN 978-9971509194. Архивировано из оригинала 2013-06-02. Сигнал — это функция, которая передает информацию о поведении системы или атрибутах некоторого явления.
2. Chakravorty, Pragnan (2018). «Что такое сигнал? [Конспект лекций]». Журнал обработки сигналов IEEE . 35 (5): 175–177. Bibcode : 2018ISPM...35e.175C. doi : 10.1109/MSP.2018.2832195. S2CID  52164353. Следовательно, сигнал, представленный как функция одной или нескольких переменных, может быть определен как наблюдаемое изменение количественно измеримой сущности.
3. "Цели и область применения". Труды IEEE по обработке сигналов . IEEE . Архивировано из оригинала 2012-04-17.
4. Приябрата Синха (2009). Обработка речи во встроенных системах. Спрингер. п. 9. ISBN 978-0387755809. Архивировано из оригинала 2013-06-02. Если говорить очень обобщенно, сигнал — это любая изменяющаяся во времени физическая величина.
5. TH Wilmshurst (1990). Восстановление сигнала от шума в электронных приборах (2-е изд.). CRC Press. стр. 11 и далее . ISBN 978-0750300582. Архивировано из оригинала 2015-03-19.
6. "Цифровые сигналы". www.st-andrews.ac.uk . Архивировано из оригинала 2017-03-02 . Получено 2017-12-17 .
7. "Аналог против цифрового - learn.sparkfun.com". learn.sparkfun.com . Архивировано из оригинала 2017-07-05 . Получено 2017-12-17 .
8. Роберт К. Дуек (2005). Цифровое проектирование с использованием приложений CPLD и VHDL. Thomson/Delmar Learning. ISBN 1401840302. Архивировано из оригинала 2017-12-17. Цифровое представление может иметь только определенные дискретные значения
9. Проакис, Джон Г.; Манолакис, Димитрис Г. (2007-01-01). Цифровая обработка сигналов. Pearson Prentice Hall. ISBN 9780131873742. Архивировано из оригинала 2016-05-20.
10. Смилли, Грэм (1999-04-02). Аналоговые и цифровые методы связи. Elsevier. ISBN 9780080527147. Архивировано из оригинала 2017-12-17. Цифровой сигнал представляет собой сложную форму волны и может быть определен как дискретная форма волны, имеющая конечный набор уровней
11. "Digital Signal". Архивировано из оригинала 2019-04-02 . Получено 2016-08-13 .
12. Пол Горовиц; Уинфилд Хилл (2015). Искусство электроники . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9780521809269.
13. Винод Кумар Кханна (2009). Цифровая обработка сигналов. С. Чанд. стр. 3. ISBN 9788121930956. Цифровой сигнал — это особая форма дискретного по времени сигнала, который является дискретным как по времени, так и по амплитуде, получаемая путем разрешения каждому значению (выборке) дискретного по времени сигнала приобретать конечный набор значений (квантование), присваивая ему числовой символ в соответствии с кодом... Цифровой сигнал — это последовательность или список чисел, взятых из конечного набора.
14. Склар, Бернард (2001). Цифровые коммуникации: основы и приложения (2-е изд.). Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall PTR. ISBN 0130847887. OCLC  45823120.
15. Ziemer, Rodger E.; Tranter, William H. (2014-03-17). Принципы коммуникации: системы, модуляция и шум (седьмое изд.). Hoboken, New Jersey: Wiley. ISBN 9781118078914. OCLC  856647730.
16. Пример из робототехники см. в K Nishio & T Yasuda (2011). «Аналогово-цифровая схема для обнаружения движения на основе сетчатки позвоночных и ее применение к мобильному роботу». В Bao-Liang Lu; Liqing Zhang & James Kwok (ред.). Neural Information Processing: 18th International Conference, Iconip 2011, Шанхай, Китай, 13–17 ноября 2011 г. Springer. стр. 506 и далее . ISBN 978-3642249648. Архивировано из оригинала 2013-06-02.
17. Например, см. MN Armenise; Caterina Ciminelli; Francesco Dell'Olio; Vittorio Passaro (2010). "§4.3 Оптические гироскопы на основе волоконного кольцевого лазера". Advances in Gyroscope Technologies . Springer. стр. 47. ISBN 978-3642154935. Архивировано из оригинала 2013-06-02.
18. Процесс оптического считывания описан Марком Л. Чемберсом (2004). Запись CD и DVD для чайников (2-е изд.). John Wiley & Sons. стр. 13. ISBN 978-0764559563. Архивировано из оригинала 2013-06-02.
19. Дэвид Макмахон (2007). Сигналы и системы демистифицированы. Нью-Йорк: McGraw Hill. ISBN 978-0-07-147578-5. Архивировано из оригинала 2020-01-22 . Получено 2017-09-11 .
20. MJ Roberts (2011). Сигналы и системы: анализ с использованием методов преобразования и MATLAB . Нью-Йорк: McGraw Hill. ISBN 978-0073380681.

Дальнейшее чтение

• Hsu, PH (1995). Теория и проблемы Шаума: сигналы и системы . McGraw-Hill. ISBN 0-07-030641-9.
• Лати, Б. П. (1998). Обработка сигналов и линейные системы . Berkeley-Cambridge Press. ISBN 0-941413-35-7.