Jump to content

Сигнал

(Перенаправлено из «Сигнал (теория информации)

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

Сигнал относится как к процессу, так и к результату передачи данных осуществляемой по некоторым носителям, 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, производимых 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 ветвью которой является теория оценивания , вероятностный подход к подавлению случайных возмущений.

Инженерные дисциплины, такие как электротехника, продвинули проектирование, исследование и внедрение систем, включающих передачу , хранение и манипулирование информацией. Во второй половине 20-го века электротехника сама по себе разделилась на несколько дисциплин: электронная инженерия и компьютерная инженерия развивались, чтобы специализироваться на проектировании и анализе систем, манипулирующих физическими сигналами, в то время как инженерное проектирование развивалось для решения функционального проектирования сигналов в пользовательских системах. – машинные интерфейсы .

Определения [ править ]

Определения, специфичные для подполей, являются общими:

Классификация [ править ]

Сигналы можно классифицировать по-разному. Самый распространенный [ нужна проверка ] Различие заключается между дискретными и непрерывными пространствами, в которых функции определяются, 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. при цифровой обработке сигналов В частности , 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.

Аналоговые и цифровые сигналы [ править ]

Цифровой сигнал имеет две или более различимые формы сигналов, в данном примере высокое напряжение и низкое напряжение, каждое из которых может быть отображено в цифру. Характерно, что из цифровых сигналов можно удалить шум, если он не слишком велик.

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 [ править ]

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 [ править ]

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

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 описывает произвольный битовый поток . 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 и т. д . или другого электромагнитного поля , акустическое давление, намагниченность магнитных носителей информации Цифровые сигналы присутствуют во всей цифровой электронике , особенно в вычислительной технике. оборудование и передача данных .

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

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.

Энергия и сила [ править ]

В зависимости от силы сигналов практические сигналы можно разделить на две категории: энергетические сигналы и силовые сигналы. [14]

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

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

Детерминированный и случайный [ править ]

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]

Четное и нечетное [ править ]

Четные и нечетные сигналы
является примером четного сигнала.
является примером нечетного сигнала.

Четный сигнал удовлетворяет условию

или, что то же самое, если следующее уравнение справедливо для всех и в области :

Нечетный сигнал удовлетворяет условию

или, что то же самое, если следующее уравнение справедливо для всех и в области :

Периодический [ править ]

Сигнал называется периодическим, если он удовлетворяет условию:

или

Где:

= фундаментальный период времени ,

= основная частота .

Периодический сигнал будет повторяться каждый период.

Дискретизация времени [ править ]

Сигнал дискретного времени, созданный из непрерывного сигнала путем выборки

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.

Амплитудное квантование

Если сигнал необходимо представить как последовательность цифровых данных, невозможно обеспечить 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.

Примеры сигналов [ править ]

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

  • Движение . Движение объекта можно рассматривать как сигнал и контролировать его 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 обычно трехмерным. Таким образом, позиция представляет собой 3-векторный сигнал; положение и ориентация твердого тела представляет собой 6-векторный сигнал. Сигналы ориентации можно генерировать с помощью гироскопа . [17]
  • Звук . Поскольку звук представляет собой вибрацию среды (например, воздуха), звуковой сигнал связывает значение давления с каждым значением времени и, возможно, с тремя пространственными координатами, указывающими направление движения. Звуковой сигнал преобразуется в электрический сигнал с помощью микрофона , генерирующего сигнал напряжения как аналог звукового сигнала. Звуковые сигналы можно дискретизировать 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 стереорежиме , каждый сэмпл содержит данные для левого и правого канала, которые можно рассматривать как 2-векторный сигнал. Кодирование компакт-диска преобразуется в электрический сигнал путем считывания информации с помощью лазера , преобразующего звуковой сигнал в оптический сигнал. [18]
  • Изображения . Изображение или изображение состоит из сигнала яркости или цвета, являющегося функцией 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 картине; или изображение может быть дискретизировано в пространстве, как в цифровом изображении . Цветные изображения обычно представляют собой комбинацию монохромных изображений трех основных цветов .
  • Видео . Видеосигнал представляет собой последовательность изображений. Точка 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 линия).
  • Биологические мембранные потенциалы . Значение сигнала представляет собой электрический потенциал (напряжение). Домен сложнее установить. Некоторые клетки или органеллы имеют одинаковый мембранный потенциал; нейроны обычно имеют разные потенциалы в разных точках. Эти сигналы имеют очень низкую энергию, но достаточны для работы нервной системы; их можно измерить в совокупности с помощью электрофизиологических методов.
  • Выход термопары , передающей информацию о температуре. [1]
  • Выход рН-метра , который передает информацию о кислотности. [1]

Обработка сигналов [ править ]

Передача сигналов с использованием электронных сигналов

Обработка сигналов — это манипулирование сигналами. Типичным примером является передача сигнала между разными местоположениями. Воплощение сигнала в электрической форме осуществляется преобразователем, преобразующим 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 .

Сигналы и системы [ править ]

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 в себя 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]

Галерея [ править ]

См. также [ править ]

Примечания [ править ]

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

Ссылки [ править ]

  1. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Роланд Пример (1991). Вводная обработка сигналов . Всемирная научная. п. 1. ISBN  978-9971509194 . Архивировано из оригинала 2 июня 2013 г. Сигнал — это функция, передающая информацию о поведении системы или признаках какого-либо явления.
  2. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Чакраворти, Прагнан (2018). «Что такое сигнал? [Конспекты лекций]». Журнал обработки сигналов IEEE . 35 (5): 175–177. Бибкод : 2018ISPM...35e.175C . дои : 10.1109/MSP.2018.2832195 . S2CID   52164353 . Следовательно, сигнал, представленный как функция одной или нескольких переменных, может быть определен как наблюдаемое изменение поддающегося количественному измерению объекта.
  3. ^ «Цели и возможности» . Транзакции IEEE по обработке сигналов . ИИЭЭ . Архивировано из оригинала 17 апреля 2012 г.
  4. ^ Приябрата Синха (2009). Обработка речи во встроенных системах . Спрингер. п. 9. ISBN  978-0387755809 . Архивировано из оригинала 2 июня 2013 г. Если говорить в общем, то сигнал — это любая изменяющаяся во времени физическая величина.
  5. ^ Т. Д. Уилмшерст (1990). Восстановление сигнала от шума в электронных приборах (2-е изд.). ЦРК Пресс. стр. 11 и далее . ISBN  978-0750300582 . Архивировано из оригинала 19 марта 2015 г.
  6. ^ «Цифровые сигналы» . www.st-andrews.ac.uk . Архивировано из оригинала 02 марта 2017 г. Проверено 17 декабря 2017 г.
  7. ^ «Аналоговый против цифрового — Learn.sparkfun.com» . Learn.sparkfun.com . Архивировано из оригинала 5 июля 2017 г. Проверено 17 декабря 2017 г.
  8. ^ Роберт К. Дуек (2005). Цифровой дизайн с использованием приложений CPLD и VHDL . Томсон/Дельмар Обучение. ISBN  1401840302 . Архивировано из оригинала 17 декабря 2017 г. Цифровое представление может иметь только определенные дискретные значения.
  9. ^ Проакис, Джон Г.; Манолакис, Димитрис Г. (1 января 2007 г.). Цифровая обработка сигналов . Пирсон Прентис Холл. ISBN  9780131873742 . Архивировано из оригинала 20 мая 2016 г.
  10. ^ Смайли, Грэм (2 апреля 1999 г.). Аналоговые и цифровые методы связи . Эльзевир. ISBN  9780080527147 . Архивировано из оригинала 17 декабря 2017 г. Цифровой сигнал представляет собой сложную форму сигнала и может быть определен как дискретная форма сигнала, имеющая конечный набор уровней.
  11. ^ «Цифровой сигнал» . Архивировано из оригинала 02 апреля 2019 г. Проверено 13 августа 2016 г.
  12. ^ Пол Горовиц; Уинфилд Хилл (2015). Искусство электроники . Издательство Кембриджского университета. ISBN  9780521809269 .
  13. ^ Винод Кумар Кханна (2009). Цифровая обработка сигналов . С. Чанд. п. 3. ISBN  9788121930956 . 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.
  14. ^ Склар, Бернар, 1927– (2001). Цифровые коммуникации: основы и приложения (2-е изд.). Река Аппер-Сэддл, Нью-Джерси: PTR Прентис-Холл. ISBN  0130847887 . OCLC   45823120 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  15. ^ Цимер, Роджер Э. (17 марта 2014 г.). Принципы связи: системы, модуляция и шум . Трантер, Уильям Х. (Седьмое изд.). Хобокен, Нью-Джерси. ISBN  9781118078914 . OCLC   856647730 . {{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  16. ^ Пример из робототехники см. К. Нисио и Т. Ясуда (2011). «Аналогово-цифровая схема обнаружения движения на основе сетчатки позвоночных и ее применение в мобильном роботе» . В Бао-Лян Лу; Лицин Чжан и Джеймс Квок (ред.). Нейронная обработка информации: 18-я Международная конференция, Iconip 2011, Шанхай, Китай, 13–17 ноября 2011 г. Спрингер. стр. 506 и далее . ISBN  978-3642249648 . Архивировано из оригинала 2 июня 2013 г.
  17. ^ Например, см. МН Арменисе; Катерина Чиминелли; Франческо Делл'Олио; Витторио Пассаро (2010). «§4.3 Оптические гироскопы на основе волоконного кольцевого лазера» . Достижения в области гироскопических технологий . Спрингер. п. 47. ИСБН  978-3642154935 . Архивировано из оригинала 2 июня 2013 г.
  18. ^ Процесс оптического считывания описывается Марк Л. Чемберс (2004). Запись CD и DVD для чайников (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья. п. 13. ISBN  978-0764559563 . Архивировано из оригинала 2 июня 2013 г.
  19. ^ Дэвид МакМахон (2007). Сигналы и системы демистифицированы . Нью-Йорк: МакГроу Хилл. ISBN  978-0-07-147578-5 . Архивировано из оригинала 22 января 2020 г. Проверено 11 сентября 2017 г.
  20. ^ М. Дж. Робертс (2011). Сигналы и системы: анализ с использованием методов преобразования и MATLAB . Нью-Йорк: МакГроу Хилл. ISBN  978-0073380681 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Сюй, PH (1995). Теория и проблемы Шаума: сигналы и системы . МакГроу-Хилл. ISBN  0-07-030641-9 .
  • Лати, Б.П. (1998). Обработка сигналов и линейные системы . Беркли-Кембридж Пресс. ISBN  0-941413-35-7 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: b9339f7b4558c0faec1b3eb87e1e623e__1715278140
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/b9/3e/b9339f7b4558c0faec1b3eb87e1e623e.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Signal - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)