Signál

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 30. března 2020; kontroly vyžadují 27 úprav .

Signál je materiální provedení zprávy pro použití při přenosu, zpracování a ukládání informací. [jeden]

Signál je kód ( symbol , znak ), vytvářený a přenášený do prostoru ( prostřednictvím komunikačního kanálu ) jedním systémem nebo vznikající v procesu interakce několika systémů. Význam a význam signálu se odhalí po registraci a interpretaci v přijímacím systému.

Signál (v teorii informace a komunikace ) je nosič informací používaný k přenosu zpráv v komunikačním systému .

V odborné literatuře existuje značné množství pokusů o formulaci docela pohodlné definice tohoto pojmu (např. [B: 1] [B: 2] [B: 3] [B: 4] [B: 5] [ B: 6] [B : 7] [B: 8] [B: 9] ), a ve formálních předpisech. [D:1] [D:2]

Definice

Kromě výše uvedené encyklopedické definice existuje v klasické literatuře mnoho dalších možností pro definici pojmu „signál“.

„Signál je obvykle chápán jako hodnota odrážející nějakým způsobem stav fyzického systému . V tomto smyslu je přirozené považovat signál za výsledek některých měření prováděných na fyzickém systému v procesu jeho pozorování. [2]

„Signál lze definovat jako funkci, která přenáší informace o stavu nebo chování fyzického systému. (…) Matematicky jsou signály reprezentovány jako funkce jedné nebo více nezávislých proměnných . [3]

„Signál je časově proměnná fyzikální veličina popsaná funkcí času. Jeden z parametrů této funkce obsahuje informaci o jiné fyzikální veličině. Takový parametr signálu (funkce) se nazývá informativní a fyzikální veličina, která představuje signál, se nazývá nosič signálu (nosič signálu); signál má rozměr této veličiny. [čtyři]

"Signál se obvykle nazývá něco, co přenáší nějaký druh dat ." [5]

Obecné informace

Signál lze generovat , ale není nutné jej přijmout, na rozdíl od zprávy , u které se očekává, že ji přijímající strana přijme, jinak se nejedná o zprávu. Signálem může být jakýkoli fyzický proces, jehož parametry se mění (nebo jsou nalezeny) v souladu s přenášenou zprávou.

Signál, deterministický nebo náhodný, je popsán matematickým modelem, funkcí, která charakterizuje změnu parametrů signálu. Matematický model reprezentace signálu jako funkce času je základním konceptem teoretické radiotechniky, který se osvědčil jak pro analýzu , tak pro syntézu radiotechnických zařízení a systémů. V radiotechnice je alternativou k signálu, který nese užitečné informace , šum , obvykle náhodná funkce času, která interaguje (například sčítáním) se signálem a deformuje jej. Hlavním úkolem teoretické radiotechniky je získat užitečné informace ze signálu s povinným uvážením šumu.

Pojem signálu nám umožňuje abstrahovat od konkrétní fyzikální veličiny , jako je proud, napětí, akustická vlna, a uvažovat mimo fyzikální kontext jevy spojené s kódováním informací a jejich extrakcí ze signálů, které jsou obvykle zkresleny šumem . . Ve studiích je signál často reprezentován jako funkce času, jehož parametry mohou nést potřebnou informaci. Způsob záznamu této funkce, stejně jako způsob záznamu rušivého šumu, se nazývá matematický model signálu .

V souvislosti s konceptem signálu jsou formulovány takové základní principy kybernetiky jako koncept šířky pásma komunikačního kanálu vyvinutý Claudem Shannonem a koncept optimálního příjmu vyvinutý V. A. Kotelnikovem .

Klasifikace signálů

Podle fyzické povahy nosiče informace:

elektrický;
elektromagnetické;
optický;
akustický

a další;

Jak nastavit signál:

regulární (deterministický) daný analytickou funkcí ;
nepravidelné (náhodné), nabývající kdykoli libovolné hodnoty. K popisu takových signálů se používá aparát teorie pravděpodobnosti .

V závislosti na funkci, která popisuje parametry signálu, existují [4] :

spojitý (analogový),
nepřetržitě kvantované,
diskrétně-kontinuální a
diskrétně kvantované signály.

Spojitý (analogový) signál

Většina signálů má spojitou závislost na nezávislé proměnné (například se plynule mění v čase) a v určitém intervalu mohou nabývat libovolné hodnoty. "Signály v nepřetržitém čase a se spojitým rozsahem amplitud se také nazývají analogové signály." [3] Analogové signály (AS) lze popsat nějakou spojitou matematickou funkcí času.

Příklad AC - harmonický signál: s(t) = A cos(ω t + φ) .

Analogové signály se používají v telefonii, rozhlasovém vysílání, televizi. Zadat takový signál do číslicového systému ke zpracování je nemožné, protože v libovolném časovém intervalu může mít nekonečný počet hodnot a pro přesné (bez chybové) znázornění jeho hodnoty jsou zapotřebí počty nekonečné bitové kapacity. Proto je velmi často nutné převést analogový signál tak, aby mohl být reprezentován posloupností čísel dané bitové hloubky.

Mezi odborníky panuje názor, že termín „analogový signál“ by měl být považován za nešťastný a zastaralý a místo něj by se měl používat termín „ kontinuální signál “ . [6]

Diskrétně spojitý (diskrétní) signál

"Diskrétní signály (signály v diskrétním čase) jsou definovány v diskrétních časech a jsou reprezentovány posloupností čísel." [3]

Diskretizace analogového signálu spočívá v tom, že signál je reprezentován jako sekvence hodnot pořízených v diskrétních časech ti ( kde i je index). Obvykle jsou časové intervaly mezi po sobě jdoucími čteními ( Δt i = t i − t i−1 ) konstantní; v takovém případě se Δt nazývá vzorkovací interval . Hodnoty signálu x(t) v okamžicích měření, tj. x i = x(t i ) , se nazývají odečty.

Spojitě kvantovaný signál

Při kvantování je celý rozsah hodnot signálu rozdělen do úrovní, jejichž počet musí být reprezentován čísly dané bitové hloubky. Vzdálenost mezi těmito úrovněmi se nazývá kvantizační krok Δ. Počet těchto úrovní je N (od 0 do N−1). Každé úrovni je přiřazeno číslo. Vzorky signálu jsou porovnány s kvantizačními úrovněmi a jako signál je vybráno číslo odpovídající určité kvantizační úrovni. Každá kvantizační úroveň je zakódována jako binární číslo s n bity. Počet kvantizačních úrovní N a počet bitů n binárních čísel kódujících tyto úrovně souvisí vztahem n ≥ log 2 (N).

V souladu s GOST 26.013-81 [D: 2] jsou takové signály označeny pojmem " víceúrovňový signál ".

Diskrétně kvantovaný (digitální) signál

Mezi digitální signály patří signály, pro které je nezávislá proměnná (například čas) i úroveň diskrétní. [5]

Aby byl analogový signál reprezentován jako posloupnost čísel s konečnou bitovou hloubkou, musí být nejprve převeden na diskrétní signál a poté podroben kvantizaci . Kvantování je speciální případ diskretizace, kdy k diskretizaci dochází ve stejném množství, které se nazývá kvantum. Výsledkem je, že signál bude prezentován takovým způsobem, že v každém daném časovém intervalu bude známa přibližná (kvantovaná) hodnota signálu, kterou lze zapsat jako celé číslo . Posloupnost takových čísel bude digitální signál.

Parametry signálu

Síla signálu $P(t)=s^{2}(t)$
Specifická energie signálu $E_{\text{ud}}=\int \limits _{-\infty }^{\infty }{s^{2}(t)dt}$
Doba trvání signálu určuje časový interval, během kterého signál existuje (různý od nuly); $T$
Dynamický rozsah je poměr nejvyššího okamžitého výkonu signálu k nejnižšímu:

D=10\lg {\frac {P_{max}}{P_{min}}}

Šířka spektra signálu je frekvenční pásmo, ve kterém je soustředěna hlavní energie signálu; $F$
Báze signálu je součinem délky signálu a šířky jeho spektra . Je třeba poznamenat, že existuje inverzní vztah mezi šířkou spektra a dobou trvání signálu: čím kratší je spektrum, tím delší je doba trvání signálu. Hodnota základu tak zůstává prakticky nezměněna; $B=TF$
Poměr signálu k šumu se rovná poměru užitečného výkonu signálu k výkonu šumu ;
Množství přenášených informací charakterizuje šířku pásma komunikačního kanálu potřebnou pro přenos signálu. Je definován jako součin šířky spektra signálu a jeho trvání a dynamického rozsahu:

V=FTD

Charakteristiky signálů

Charakteristiky signálu formálně předepsané v GOST [D: 1] jsou následující.

Charakteristika impulsů

Spektrální funkce hybnosti je komplexní funkcí, kterou je Fourierova transformace hybnosti.
Modul spektrální funkce hybnosti
Argument spektrální funkce hybnosti

Charakteristika periodických signálů

Perioda periodického signálu je parametr rovný nejmenšímu časovému intervalu, ve kterém se opakují okamžité hodnoty periodického signálu.
Frekvence periodického signálu je parametr, který je převrácenou hodnotou periody periodického signálu.
Komplexní spektrum periodického signálu — Komplexní funkce diskrétního argumentu rovnající se celému počtu frekvenčních hodnot periodického signálu, což jsou hodnoty koeficientů komplexní Fourierovy řady pro periodický signál.
Amplitudové spektrum periodického signálu — Funkce diskrétního argumentu, což je modul komplexního spektra periodického signálu.
Fázové spektrum periodického signálu je funkcí diskrétního argumentu, který je argumentem komplexního spektra periodického signálu.
Harmonický je harmonický signál s amplitudou a počáteční fází rovnou hodnotám amplitudy a fázového spektra periodického signálu při určité hodnotě argumentu.

Charakteristiky náhodných signálů

Jednorozměrná hustota pravděpodobnosti je funkce rovna limitu poměru pravděpodobnosti náhodného signálu v určitém intervalu hodnot k šířce tohoto intervalu, protože má tendenci k nule, a jejím argumentem je hodnota k které se interval stahuje
Korelační funkce je funkce rovna průměrné hodnotě součinu proměnné složky náhodného signálu a téže proměnné složky, avšak zpožděná o daný čas.
Normalizovaná korelační funkce - funkce rovna poměru korelační funkce náhodného signálu k jeho rozptylu
Energetické spektrum je funkcí reprezentující Fourierovu transformaci korelační funkce, jejímž argumentem je frekvence

Charakteristiky interakce signálu

Poměr signál-rušení je poměr veličin charakterizujících intenzitu signálu a rušení.
Modulační koeficient "nahoru" - koeficient rovný poměru vrcholové odchylky "nahoru" modulačního zákona k jeho konstantní složce při amplitudové modulaci.
Modulační koeficient "dolů" - koeficient rovný poměru špičkové odchylky "dolů" modulačního zákona k jeho konstantní složce při amplitudové modulaci.
Frekvenční odchylka "nahoru" - špičková odchylka "nahoru" modulačního zákona při frekvenční modulaci.
Frekvenční odchylka "dolů" - špičková odchylka "dolů" modulačního zákona při frekvenční modulaci.
Index úhlové modulace - špičková odchylka modulačního zákona fázově modulovaného signálu se zákonem harmonické modulace

Charakteristika propojení signálů

Křížová korelační funkce je funkce rovna průměrné hodnotě součinu proměnné složky jednoho náhodného signálu a proměnné složky jiného náhodného signálu se zpožděním za danou dobu.
Křížové energetické spektrum — Funkce reprezentující Fourierovu transformaci funkce vzájemné korelace, jejímž argumentem je frekvence
Doba zpoždění je parametr rovný hodnotě časového posunu jednoho ze signálů, při kterém je shodně roven druhému signálu až do konstantního faktoru a konstantního členu.
Fázový posun je modul rozdílu mezi počátečními fázemi dvou harmonických signálů stejné frekvence.

Charakteristiky zkreslení signálu

Harmonický koeficient je koeficient, který charakterizuje rozdíl mezi tvarem daného periodického signálu a harmonickým, rovný poměru efektivního napětí součtu všech harmonických signálu, kromě první, k efektivnímu napětí první harmonická.
Relativní odchylka signálu od lineárního zákona je koeficient rovný poměru absolutní odchylky (40) daného signálu od přímky spojující okamžité hodnoty signálu odpovídající začátku a konci daného časového intervalu k maximu. hodnotu signálu ve stejném intervalu
Koeficient nelinearity signálu je koeficient rovný poměru amplitudy derivace signálu v daném časovém intervalu k maximální hodnotě derivace ve stejném intervalu.
Absolutní odchylka signálů je maximální hodnota rozdílu mezi okamžitými hodnotami signálů odebraných současně během daného časového intervalu.

Ochrana osobních údajů

Signál a událost

Událost (přijetí poznámky, pozorování světlice, příjem symbolu telegraficky) je signálem pouze v tom systému vztahů, ve kterém je zpráva rozpoznána jako významná (např. v bojových podmínkách je světlice událostí to je významné pouze pro pozorovatele, kterému je určeno). Očividně, , že signál daný analyticky není událostí a nenese informaci, pokud je pozorovateli známa funkce signálu a jeho parametry.

Ve strojírenství je signál vždy událostí. Jinými slovy, událost - změna stavu jakékoli součásti technického systému, uznaná systémovou logikou jako významná, je signálem. Událost, která není uznána daným systémem logických nebo technických vztahů jako významná, není signálem.

Reprezentace signálu a spektrum

Existují dva způsoby, jak reprezentovat signál v závislosti na oblasti definice: časový a frekvenční. V prvním případě je signál reprezentován jako funkce času charakterizující změnu jeho parametru. $Svatý)$

Kromě obvyklé časové reprezentace signálů a funkcí se při analýze a zpracování dat široce používá popis signálů pomocí frekvenčních funkcí. Každý signál, libovolně složitý ve své formě, může být skutečně reprezentován jako součet jednodušších signálů, a zejména jako součet nejjednodušších harmonických kmitů, jejichž souhrn se nazývá frekvenční spektrum signálu.

Pro přechod na metodu frekvenční reprezentace se používá Fourierova transformace :

S(\omega )=\int \limits _{-\infty }^{+\infty }s(t)e^{-j\omega t}\,dt

Funkce se nazývá spektrální funkce nebo spektrální hustota. Protože spektrální funkce je komplexní, můžeme mluvit o amplitudovém spektru a fázovém spektru . $S(\omega )$ $S(\omega )$ $|S(\omega )|$ $\phi (\omega )=arg(S(\omega ))$

Fyzikální význam spektrální funkce: signál je reprezentován součtem nekonečné řady harmonických složek (sinusoid) s amplitudami , plynule vyplňující frekvenční interval od do a počáteční fáze . $Svatý)$ ${\frac {|S(\omega )|}{\pi }}d\omega$ $0$ $\infty$ $\phi (\omega )$

Rozměr spektrální funkce je rozměr signálu krát čas.

V radiotechnice

V radiotechnice je hlavním prvkem kódování modulace signálu . V tomto případě se obvykle uvažuje téměř harmonický signál ve tvaru s(t) = A sin(2πf t + φ) , kde amplituda A, frekvence f nebo fáze φ pomalu (vzhledem k rychlosti změny sinusu) ) se mění v závislosti na přenášené informaci (amplituda, frekvenční nebo fázová modulace).

Stochastické modely signálů předpokládají, že buď samotný signál, nebo informace, které nese, jsou náhodné. Stochastický model signálu je často formulován jako rovnice vztahující signál k šumu, který v tomto případě napodobuje mnoho možných informačních zpráv a nazývá se tvarovací šum , na rozdíl od rušivého pozorovacího šumu .

Zobecněním modelu skalárního signálu jsou například modely vektorového signálu, což jsou uspořádané množiny jednotlivých skalárních funkcí, s určitým vzájemným vztahem složek vektoru. Vektorový model v praxi odpovídá zejména současnému příjmu signálu několika přijímači s následným společným zpracováním. Dalším rozšířením pojmu signál je jeho zobecnění na případ polí.

Viz také

Poznámky

↑ Signál // Encyklopedie moderních technologií. Automatizace výroby a průmyslové elektroniky. Svazek 3 (chyba rozhodnutí - frekvenční telemetrický systém) - M.: Sovětská encyklopedie, 1964
↑ Franks, 1974 , str. 9.
↑ 1 2 3 Oppenheim, 1979 , s. patnáct.
↑ 1 2 Voshni, 1987 , Kapitola 2. Teoretické základy sběru dat, § 2.1. Základní pojmy a definice, str. 14-16.
↑ 1 2 Oppenheim, 2006 , s. 28.
↑ Lyons, 2006 , s. 22.

Literatura

Knihy

↑ Franks L. Teorie signálů / Per. z angličtiny. vyd. D. E. Vakmana .. - M . : Sov. Rozhlas, 1974. - 344 s. — 16 500 výtisků.
↑ A. Oppenheim, R. Schafer. Digitální zpracování signálu / Per. z angličtiny. - M. : Communication, 1979. - 416 s.
↑ Gonorovsky I. S. Rádiové obvody a signály. - M . : Rozhlas a komunikace, 1986. - 512 s.
↑ Kulikovsky L. F. , Molotov V. V. Teoretické základy informačních procesů. - M . : Vyšší škola, 1987. - 248 s.
↑ Kraus M. , Kuchbakh E. , Voshni O.-G. Sběr dat v řídicích výpočetních systémech / Per. s němčinou .. - M . : Mir, 1987. - 294 s. — 20 000 výtisků.
↑ Osipov L. A. Zpracování signálu na digitálních procesorech. Lineární aproximační metoda. - M . : Horká linka - Telecom, 2001. - 114 s.
↑ Ivanov M. T. , Sergienko A. B. , Ushakov V. N. Teoretické základy radiotechniky / Ed. V. N. Ušakov . - M . : Vyšší škola, 2002. - 306 s.
↑ Richard Lionas. Zpracování digitálních signálů. - M. : Binom-Press LLC, 2006. - 656 s. — ISBN 978-5-9518-0149-4 .
↑ A. Oppenheim, R. Schafer. Digitální zpracování signálu / Per. z angličtiny. - M. : Technosfera, 2006. - 856 s. - 1500 výtisků. - ISBN 978-5-94836-077-6 .

Normativní dokumenty

↑ 1 2 GOST 16465-70 Radiotechnické měřicí signály. Termíny a definice . docs.cntd.ru. Získáno 4. června 2017. Archivováno z originálu 20. června 2017. (neurčitý)
↑ 1 2 GOST 26.013-81 Měřicí a automatizační zařízení. Elektrické signály s diskrétní změnou vstupních a výstupních parametrů . docs.cntd.ru. Staženo 21. dubna 2020. Archivováno z originálu 27. dubna 2020. (neurčitý)

Odkazy

Průběh přednášek: Základy radioelektroniky a komunikací . Staženo: 7. března 2010. (Ruština)
Vzdělávací a metodický komplex: Metody a prostředky zpracování signálů (nedostupný odkaz) . Datum přístupu: 7. března 2010. Archivováno z originálu 18. února 2012. (Ruština)
Databáze rádiových signálů

Slovníky a encyklopedie	Velká dánština Britannica (online)
V bibliografických katalozích	NDL : 00571026 NKC : ph125525