Сигнал относится как к процессу, так и к результату передачи данных по некоторым носителям , осуществляемой путем внедрения некоторых вариаций. Сигналы важны во многих предметных областях, включая обработку сигналов , теорию информации и биологию .
В обработке сигналов сигнал — это функция, передающая информацию о явлении. [1] Любая величина, которая может меняться в пространстве или времени, может использоваться в качестве сигнала для обмена сообщениями между наблюдателями. [2] Транзакции IEEE по обработке сигналов включают в себя аудио , видео , речь, изображение , гидролокатор и радар в качестве примеров сигналов. [3] Сигнал также можно определить как любое наблюдаемое изменение величины в пространстве или времени ( временной ряд ), даже если он не несет информации. [а]
В природе сигналы могут представлять собой действия, совершаемые организмом для предупреждения других организмов, начиная от выделения растительных химикатов, чтобы предупредить близлежащие растения о хищнике, до звуков или движений, издаваемых животными, чтобы предупредить других животных о пище. Передача сигналов происходит во всех организмах, даже на клеточном уровне . Теория передачи сигналов в эволюционной биологии предполагает, что существенным фактором эволюции является способность животных общаться друг с другом, развивая способы передачи сигналов. В человеческой инженерии сигналы обычно подаются датчиком , и часто исходная форма сигнала преобразуется в другую форму энергии с помощью преобразователя . Например, микрофон преобразует акустический сигнал в сигнал напряжения, а динамик делает обратное. [1]
Еще одним важным свойством сигнала является его энтропия или информационное содержание . Теория информации служит формальным изучением сигналов и их содержания. Информация о сигнале часто сопровождается шумом , который в первую очередь относится к нежелательным модификациям сигналов, но часто распространяется и на нежелательные сигналы, конфликтующие с полезными сигналами ( перекрестные помехи ). Снижение шума частично рассматривается в разделе « Целостность сигнала» . Отделение полезных сигналов от фонового шума — это область восстановления сигналов , [5] одной из отраслей которой является теория оценивания — вероятностный подход к подавлению случайных помех.
Инженерные дисциплины, такие как электротехника, продвинули проектирование, исследование и внедрение систем, включающих передачу , хранение и манипулирование информацией. Во второй половине 20-го века сама электротехника разделилась на несколько дисциплин: электронная инженерия и компьютерная инженерия развивались, чтобы специализироваться на проектировании и анализе систем, манипулирующих физическими сигналами, а проектирование развивалось для решения функционального проектирования сигналов в пользовательских системах . – машинные интерфейсы .
Определения, специфичные для подполей, являются общими:
Сигналы можно классифицировать по-разному. Наиболее распространенное [ требуется проверка ] различие между дискретными и непрерывными пространствами, в которых функции определены, например, в областях дискретного и непрерывного времени. Сигналы дискретного времени часто называют временными рядами в других областях. Непрерывные сигналы часто называют непрерывными сигналами .
Второе важное различие касается дискретных и непрерывных значений. В частности , при цифровой обработке сигналов цифровой сигнал может быть определен как последовательность дискретных значений, обычно связанных с основным физическим процессом с непрерывными значениями. В цифровой электронике цифровые сигналы — это сигналы непрерывной формы в цифровой системе, представляющие битовый поток.
Сигналы также можно классифицировать по их пространственному распределению как сигналы точечных источников (PSS) или сигналы распределенных источников (DSS). [2]
В «Сигналах и системах» сигналы можно классифицировать по многим критериям, в основном: по различным характеристикам значений, которые подразделяются на аналоговые сигналы и цифровые сигналы ; по определенности сигналы подразделяют на детерминированные сигналы и случайные сигналы; В зависимости от силы сигналов подразделяются на энергетические сигналы и силовые сигналы.
На практике встречаются два основных типа сигналов: аналоговые и цифровые . На рисунке показан цифровой сигнал, возникающий в результате аппроксимации аналогового сигнала его значениями в определенные моменты времени. Цифровые сигналы квантуются , а аналоговые сигналы являются непрерывными.
Аналоговый сигнал – это любой непрерывный сигнал , для которого изменяющаяся во времени характеристика сигнала представляет собой представление некоторой другой изменяющейся во времени величины, т. е. аналогично другому изменяющемуся во времени сигналу. Например, в аналоговом аудиосигнале мгновенное напряжение сигнала постоянно меняется в зависимости от звукового давления . Он отличается от цифрового сигнала , в котором непрерывная величина представляет собой последовательность 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, барометр-анероид использует положение вращения 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 представляет собой измеренную реакцию 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 ) ударяются о диафрагму микрофона , что вызывает соответствующие электрические колебания. Говорят, что напряжение или ток являются аналогом звука.
Цифровой сигнал — это сигнал, который состоит из дискретного набора сигналов физической величины и представляет собой последовательность дискретных значений. [8] [9] [10] Логический сигнал — это цифровой сигнал, имеющий только два возможных значения, [11] [12] и описывающий произвольный поток битов . Другие типы цифровых сигналов могут представлять собой трехзначную логику или логику с более высоким значением.
Альтернативно, цифровой сигнал можно рассматривать как последовательность кодов, представленную такой физической величиной. [13] Физической величиной может быть переменный электрический ток или напряжение, интенсивность, фаза или поляризация оптического или другого электромагнитного поля , акустическое давление, намагниченность магнитного носителя информации и т. д . Цифровые сигналы присутствуют во всей цифровой электронике. , в частности компьютерное 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 выборки аналоговых сигналов, например, постоянно меняющегося напряжения в линии, которое можно оцифровать с помощью схемы аналого-цифрового преобразователя , при этом схема будет считывать уровень напряжения в линии, скажем, каждые 50 секунд. микросекунды и представляют каждое показание фиксированным количеством бит. Результирующий поток чисел сохраняется в виде цифровых данных в виде сигнала с дискретным временем и квантованной амплитудой. Компьютеры и другие цифровые устройства ограничены дискретным временем.
В зависимости от силы 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;
Сигналы мощности: средняя мощность этих сигналов равна конечному положительному значению, но их энергия бесконечна .
Детерминированные сигналы — это те сигналы, значения которых в любой момент 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]
Четный сигнал удовлетворяет условию
или, что то же самое, если следующее уравнение выполняется для всех и в области :
Нечетный сигнал удовлетворяет условию
или, что то же самое, если следующее уравнение выполняется для всех и в области :
Сигнал называется периодическим , если он удовлетворяет условию:
или
Где:
= фундаментальный период времени ,
= основная частота .
Периодический сигнал будет повторяться каждый период.
Сигналы можно классифицировать как непрерывные или дискретные по времени . В математической абстракции областью действия сигнала с непрерывным временем является набор действительных чисел (или некоторый их интервал), тогда как областью действия сигнала с дискретным временем (DT) является набор целых чисел (или других подмножеств действительных чисел). ). То, что представляют собой эти целые числа, зависит от характера сигнала; чаще всего это время.
Сигнал непрерывного времени — 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.
Если сигнал должен быть представлен как последовательность цифровых данных, невозможно поддерживать точную точность — каждое число в последовательности должно состоять из конечного числа 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.
Естественные сигналы могут быть преобразованы в электронные сигналы с помощью различных датчиков . Примеры включают в себя:
Обработка сигналов — это манипулирование сигналами. Типичным примером является передача сигнала между разными точками. Воплощение сигнала в электрической форме осуществляется преобразователем , который преобразует сигнал из исходной формы в форму волны , выраженную в виде тока или напряжения , или электромагнитного излучения , например, оптического сигнала или радиопередачи . Будучи выраженным в виде электронного сигнала, сигнал доступен для дальнейшей обработки электрическими устройствами, такими как электронные усилители и фильтры , и может быть передан в удаленное место с помощью передатчика и принят с помощью радиоприемников .
В программах электротехники (EE) сигналы рассматриваются в классе и области исследования, известных как сигналы и системы . В зависимости от школы студенты бакалавриата EE обычно посещают этот курс как младшие или старшие классы, обычно в зависимости от количества и уровня предыдущих занятий по линейной алгебре и дифференциальным уравнениям, которые они посещали. [19]
Область 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 исследования. Например, при работе с сигналами непрерывного времени ( t ) можно преобразовать временную область в частотную или s- область; или от дискретного времени ( n ) к частотным или z областям. Системы также могут быть преобразованы между этими областями, как сигналы, с непрерывным для s и дискретным для z .
Сигналы и системы — это подмножество области математического моделирования . Он включает анализ и проектирование схем с помощью математического моделирования и некоторых численных методов и был обновлен несколько десятилетий назад с помощью инструментов динамических систем , включая дифференциальные уравнения, а недавно и лагранжианы . Ожидается, что учащиеся будут понимать инструменты моделирования, а также математику, физику, анализ цепей и преобразования между 8 областями.
Поскольку темы машиностроения (МЭ), такие как трение, демпфирование и т. д., имеют очень близкие аналогии в науке о сигналах (индуктивность, сопротивление, напряжение и т. д.), многие инструменты, первоначально использовавшиеся в МЭ-преобразованиях (преобразования Лапласа и Фурье, лагранжианы, теория выборки , вероятности, 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 отталкиватели, теперь поместили стохастические науки и статистику между более детерминированными дискретными и непрерывными функциями в этой области. (Детерминированный здесь означает сигналы, которые полностью определены как функции времени).
Специалисты по систематике ЭЭ до сих пор не решили, где сигналы и системы относятся к общей области обработки сигналов, а не к анализу цепей и математическому моделированию, но общая связь тем, которые рассматриваются в ходе исследования, украсила границы десятками книг и журналов. и т. д. под названием «Сигналы и системы» и используются в качестве текста и подготовки к тестам EE, а также, с недавних пор, к экзаменам по компьютерной инженерии. [20]
Сигнал — это функция, передающая информацию о поведении системы или признаках какого-либо явления.
Следовательно, сигнал, представленный как функция одной или нескольких переменных, может быть определен как наблюдаемое изменение в количественном объекте.
Если говорить в общем, то сигнал — это любая изменяющаяся во времени физическая величина.
Цифровое представление может иметь только определенные дискретные значения.
Цифровой сигнал представляет собой сложную форму сигнала и может быть определен как дискретная форма сигнала, имеющая конечный набор уровней.
Цифровой сигнал — это особая форма сигнала дискретного времени, который дискретен как по времени, так и по амплитуде, полученный путем разрешения каждому значению (выборке) сигнала дискретного времени приобретать конечный набор значений (квантование) с присвоением ему числового значения. символ согласно коду... Цифровой сигнал — это последовательность или список чисел, взятых из конечного множества.
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )