Semnal

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 30 martie 2020; verificările necesită 27 de modificări .

Un semnal este o realizare materială a unui mesaj pentru utilizare în transmisia, procesarea și stocarea informațiilor. [unu]

Un semnal este un cod ( simbol , semn ), creat și transmis în spațiu ( prin intermediul unui canal de comunicație ) de către un sistem sau care apare în procesul de interacțiune a mai multor sisteme. Semnificația și semnificația semnalului sunt relevate după înregistrarea și interpretarea în sistemul de recepție.

Un semnal (în teoria informației și comunicării ) este un purtător de informații utilizat pentru a transmite mesaje într - un sistem de comunicații .

Există un număr considerabil de încercări de a formula o definiție destul de convenabilă a acestui termen în literatura de specialitate (de exemplu, [B: 1] [B: 2] [B: 3] [B: 4] [B: 5] [ B: 6] [B: 7] [B: 8] [B: 9] ), și în reglementări formale. [D:1] [D:2]

Definiții

Pe lângă definiția enciclopedică de mai sus, există multe alte opțiuni pentru definirea termenului „semnal” în literatura clasică.

„De obicei, un semnal este înțeles ca o valoare care reflectă într-un fel starea unui sistem fizic . În acest sens, este firesc să considerăm semnalul ca rezultat al unor măsurători efectuate asupra sistemului fizic în procesul de observare a acestuia. [2]

„Un semnal poate fi definit ca o funcție care transmite informații despre starea sau comportamentul unui sistem fizic. (…) Matematic, semnalele sunt reprezentate ca funcții ale uneia sau mai multor variabile independente .” [3]

„Un semnal este o mărime fizică variabilă în timp, descrisă de o funcție a timpului. Unul dintre parametrii acestei funcții conține informații despre o altă mărime fizică. Un astfel de parametru de semnal (funcție) se numește informativ , iar mărimea fizică care reprezintă semnalul se numește purtătoare de semnal (purtător de semnal); semnalul are dimensiunea acestei mărimi. [patru]

„Un semnal este de obicei numit ceva care transportă un fel de date .” [5]

Informații generale

Se poate genera un semnal , dar nu este necesar pentru a-l primi, spre deosebire de un mesaj , care se așteaptă să fie acceptat de partea care primește, altfel nu este un mesaj. Un semnal poate fi orice proces fizic ai cărui parametri se modifică (sau sunt găsiți) în conformitate cu mesajul transmis.

Un semnal, determinist sau aleator, este descris de un model matematic, o funcție care caracterizează modificarea parametrilor semnalului. Modelul matematic al reprezentării semnalului în funcție de timp este conceptul fundamental al ingineriei radio teoretice, care s-a dovedit fructuos atât pentru analiza , cât și pentru sinteza dispozitivelor și sistemelor de inginerie radio. În inginerie radio, o alternativă la un semnal care transportă informații utile este zgomotul , de obicei o funcție aleatorie a timpului care interacționează (de exemplu, prin adăugare) cu semnalul și îl distorsionează. Sarcina principală a ingineriei radio teoretice este de a extrage informații utile dintr-un semnal cu luarea în considerare obligatorie a zgomotului.

Conceptul de semnal ne permite să facem abstracție de la o anumită mărime fizică , cum ar fi curentul, tensiunea, unda acustică, și să luăm în considerare, în afara contextului fizic, fenomenele asociate cu codificarea informațiilor și extragerea acesteia din semnale care sunt de obicei distorsionate de zgomot . . În studii, semnalul este adesea reprezentat în funcție de timp, ai cărui parametri pot transporta informațiile necesare. Metoda de înregistrare a acestei funcții, precum și metoda de înregistrare a zgomotului de interferență, se numește modelul matematic al semnalului .

În legătură cu conceptul de semnal, astfel de principii de bază ale ciberneticii sunt formulate ca conceptul lățimii de bandă a unui canal de comunicare dezvoltat de Claude Shannon și conceptul de recepție optimă dezvoltat de V. A. Kotelnikov .

Clasificarea semnalelor

În funcție de natura fizică a purtătorului de informații:

electric;
electromagnetic;
optic;
acustic

si altii;

Prin setarea semnalului:

regulat (determinist) dat de o funcție analitică ;
neregulat (aleatoriu), luând valori arbitrare în orice moment. Pentru a descrie astfel de semnale, se folosește aparatul teoriei probabilităților .

În funcție de funcția care descrie parametrii semnalului, există [4] :

continuu (analogic),
cuantificat continuu,
discret-continuu şi
semnale cuantizate discrete.

Semnal continuu (analogic)

Majoritatea semnalelor au o dependență continuă de variabila independentă (de exemplu, se schimbă continuu în timp) și pot lua orice valoare într-un anumit interval. „Semnalele în timp continuu și cu o gamă continuă de amplitudini se mai numesc și semnale analogice”. [3] Semnalele analogice (AS) pot fi descrise printr-o funcție matematică continuă a timpului.

Exemplu AC - semnal armonic: s(t) = A cos(ω t + φ) .

Semnalele analogice sunt folosite în telefonie, radiodifuziune, televiziune. Este imposibil să introduceți un astfel de semnal într-un sistem digital pentru procesare, deoarece în orice interval de timp poate avea un număr infinit de valori, iar pentru o reprezentare precisă (fără eroare) a valorii sale, sunt necesare numere de capacitate infinită de biți. Prin urmare, este foarte adesea necesar să se convertească un semnal analogic, astfel încât să poată fi reprezentat printr-o succesiune de numere cu o anumită adâncime de biți.

Există o opinie printre experți că termenul „semnal analogic” ar trebui considerat nefericit și învechit, iar termenul „ semnal continuu ” ar trebui folosit în schimb . [6]

Semnal discret-continuu (discret)

„Semnalele discrete (semnalele în timp discret) sunt definite la momente discrete și sunt reprezentate printr-o succesiune de numere”. [3]

Discretizarea unui semnal analogic constă în faptul că semnalul este reprezentat ca o succesiune de valori luate la momente discrete t i (unde i este un indice). De obicei, intervalele de timp dintre citirile succesive ( Δt i = t i − t i−1 ) sunt constante; într-un astfel de caz, Δt se numește interval de eșantionare . Valorile semnalului x(t) în momentele măsurării, adică x i = x(t i ) , se numesc citiri.

Semnal cuantificat continuu

În timpul cuantizării, întreaga gamă de valori ale semnalului este împărțită în niveluri, al căror număr trebuie reprezentat în numere cu o anumită adâncime de biți. Distanța dintre aceste niveluri se numește pas de cuantizare Δ. Numărul acestor niveluri este N (de la 0 la N−1). Fiecărui nivel i se atribuie un număr. Eșantioanele de semnal sunt comparate cu nivelurile de cuantizare și un număr corespunzător unui anumit nivel de cuantizare este selectat ca semnal. Fiecare nivel de cuantizare este codificat ca un număr binar cu n biți. Numărul de niveluri de cuantizare N și numărul de biți n ai numerelor binare care codifică aceste niveluri sunt legate prin relația n ≥ log 2 (N).

În conformitate cu GOST 26.013-81 [D: 2] , astfel de semnale sunt desemnate prin termenul „ semnal pe mai multe niveluri ”.

Semnal cuantificat discret (digital)

Semnalele digitale includ acelea pentru care atât variabila independentă (de exemplu, timpul) cât și nivelul sunt discrete. [5]

Pentru a reprezenta un semnal analogic ca o secvență de numere cu adâncime finită de biți, acesta trebuie mai întâi convertit într-un semnal discret și apoi supus cuantizării . Cuantizarea este un caz special de discretizare, când discretizarea are loc în aceeași cantitate, numită cuantum. Ca urmare, semnalul va fi prezentat în așa fel încât valoarea aproximativă (cuantizată) a semnalului să fie cunoscută la fiecare interval de timp dat, care poate fi scris ca un număr întreg . Secvența unor astfel de numere va fi un semnal digital.

Parametrii semnalului

Puterea semnalului $P(t)=s^{2}(t)$
Energia semnalului specific $E_{\text{ud}}=\int \limits _{-\infty }^{\infty }{s^{2}(t)dt}$
Durata semnalului determină intervalul de timp în care semnalul există (diferit de zero); $T$
Intervalul dinamic este raportul dintre cea mai mare putere de semnal instantanee și cea mai mică:

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

Lățimea spectrului de semnal este banda de frecvență în care este concentrată energia principală a semnalului; $F$
Baza semnalului este produsul dintre durata semnalului și lățimea spectrului său . Trebuie remarcat faptul că există o relație inversă între lățimea spectrului și durata semnalului: cu cât spectrul este mai scurt, cu atât durata semnalului este mai lungă. Astfel, valoarea bazei rămâne practic neschimbată; $B=TF$
Raportul semnal-zgomot este egal cu raportul dintre puterea semnalului util și puterea zgomotului ;
Cantitatea de informații transmise caracterizează lățimea de bandă a canalului de comunicație necesară pentru transmiterea semnalului. Este definit ca produsul dintre lățimea spectrului de semnal și durata și intervalul dinamic al acestuia:

V=FTD

Caracteristicile semnalelor

Caracteristicile semnalului prescrise oficial în GOST [D: 1] sunt următoarele.

Caracteristicile impulsurilor

Funcția spectrală a impulsului este o funcție complexă care este transformata Fourier a impulsului.
Modulul funcției spectrale de impuls
Argumentul funcției spectrale de impuls

Caracteristicile semnalelor periodice

Perioada unui semnal periodic este un parametru egal cu cel mai mic interval de timp prin care se repetă valorile instantanee ale unui semnal periodic.
Frecvența unui semnal periodic este un parametru care este reciproca perioadei unui semnal periodic.
Spectrul complex al unui semnal periodic - O funcție complexă a unui argument discret egal cu un număr întreg de valori ale frecvenței unui semnal periodic, care sunt valorile coeficienților seriei complexe Fourier pentru un semnal periodic.
Spectrul de amplitudine al unui semnal periodic — O funcție a unui argument discret, care este modulul spectrului complex al unui semnal periodic.
Spectrul de fază al unui semnal periodic este o funcție a unui argument discret, care este un argument al spectrului complex al unui semnal periodic.
Armonicul este un semnal armonic cu amplitudinea și faza inițială egale cu valorile amplitudinii și, respectiv, spectrului de fază ale semnalului periodic, la o anumită valoare a argumentului.

Caracteristicile semnalelor aleatorii

Densitatea de probabilitate unidimensională este o funcție egală cu limita raportului dintre probabilitatea ca un semnal aleator să se afle într-un anumit interval de valori și lățimea acestui interval, deoarece tinde spre zero, iar argumentul său este valoarea pentru pe care se contractă intervalul
Funcția de corelație este o funcție egală cu valoarea medie a produsului dintre componenta variabilă a unui semnal aleator și aceeași componentă variabilă, dar întârziată cu un timp dat.
Funcția de corelație normalizată - o funcție egală cu raportul dintre funcția de corelare a unui semnal aleator și varianța acestuia
Spectrul de energie este o funcție care reprezintă transformata Fourier a funcției de corelație, al cărei argument este frecvența

Caracteristicile interacțiunii semnalului

Raportul semnal-interferență este raportul dintre cantitățile care caracterizează intensitatea semnalului și interferența.
Coeficientul de modulație „în sus” - un coeficient egal cu raportul dintre deviația de vârf „în sus” a legii de modulație și componenta sa constantă în timpul modulării în amplitudine.
Coeficientul de modulație „în jos” - un coeficient egal cu raportul dintre deviația de vârf „în jos” a legii de modulație și componenta sa constantă în timpul modulării în amplitudine.
Deviația de frecvență „în sus” - abaterea de vârf „în sus” a legii modulației în timpul modulării în frecvență.
Deviația de frecvență „în jos” - abaterea de vârf „în jos” a legii de modulare în timpul modulării în frecvență.
Indicele de modulație unghiulară - deviația de vârf a legii de modulație a semnalului modulat în fază cu o lege de modulație armonică

Caracteristicile interconectarii semnalului

Funcția de corelație încrucișată este o funcție egală cu valoarea medie a produsului dintre componenta variabilă a unui semnal aleator și componenta variabilă a altui semnal aleatoriu întârziat pentru un timp dat.
Spectru de energie încrucișată — O funcție care reprezintă transformata Fourier a unei funcții de corelație încrucișată al cărei argument este frecvența
Timpul de întârziere este un parametru egal cu valoarea deplasării în timp a unuia dintre semnale, la care este identic egal cu celălalt semnal până la un factor constant și un termen constant.
Deplasarea de fază este modulul diferenței dintre fazele inițiale a două semnale armonice de aceeași frecvență.

Caracteristicile distorsiunilor semnalului

Coeficientul armonic este un coeficient care caracterizează diferența dintre forma unui semnal periodic dat și unul armonic, egal cu raportul dintre tensiunea rms a sumei tuturor armonicilor semnalului, cu excepția primei, la tensiunea rms a prima armonică.
Abaterea relativă a semnalului de la o lege liniară este un coeficient egal cu raportul dintre abaterea absolută (40) a unui semnal dat de la o linie dreaptă care conectează valorile semnalului instantaneu corespunzătoare începutului și sfârșitului unui interval de timp dat la maxim. valoarea semnalului în același interval
Coeficientul de neliniaritate a semnalului este un coeficient egal cu raportul dintre amplitudinea derivatei semnalului într-un interval de timp dat și valoarea maximă a derivatei în același interval.
Abaterea absolută a semnalelor este valoarea maximă a diferenței dintre valorile instantanee ale semnalelor luate în același timp într-un interval de timp dat.

Confidențialitate

Semnal și eveniment

Un eveniment (primirea unei note, observarea unei fulgerări, primirea unui simbol prin telegraf) este un semnal numai în acel sistem de relații în care mesajul este recunoscut ca fiind semnificativ (de exemplu, în condiții de luptă, fulgerul este un eveniment care este semnificativ doar pentru observatorul căruia i se adresează). Evident, că un semnal dat analitic nu este un eveniment și nu poartă informații dacă funcția semnalului și parametrii săi sunt cunoscuți de observator.

În inginerie, un semnal este întotdeauna un eveniment. Cu alte cuvinte, un eveniment - o schimbare a stării oricărei componente a unui sistem tehnic, recunoscută de logica sistemului ca fiind semnificativă, este un semnal. Un eveniment care nu este recunoscut de un anumit sistem de relații logice sau tehnice ca fiind semnificativ nu este un semnal.

Reprezentarea semnalului și spectrul

Există două moduri de a reprezenta un semnal în funcție de domeniul de definiție: temporal și frecvență. În primul caz, semnalul este reprezentat în funcție de timp care caracterizează modificarea parametrului său. $Sf)$

Pe lângă reprezentarea temporală obișnuită a semnalelor și funcțiilor, descrierea semnalelor prin funcții de frecvență este utilizată pe scară largă în analiza și procesarea datelor. Într-adevăr, orice semnal, arbitrar complex în forma sa, poate fi reprezentat ca o sumă de semnale mai simple și, în special, ca o sumă a celor mai simple oscilații armonice, a căror totalitate se numește spectrul de frecvență al semnalului.

Pentru a trece la metoda de reprezentare a frecvenței, se utilizează transformata Fourier :

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

Funcția se numește funcție spectrală sau densitate spectrală. Deoarece funcția spectrală este complexă, putem vorbi de un spectru de amplitudine și un spectru de fază . $S(\omega )$ $S(\omega )$ $|S(\omega )|$ $\phi (\omega )=arg(S(\omega ))$

Semnificația fizică a funcției spectrale: semnalul este reprezentat ca suma unei serii infinite de componente armonice (sinusoide) cu amplitudini , umplând continuu intervalul de frecvență de la până la , și fazele inițiale . $Sf)$ ${\frac {|S(\omega )|}{\pi }}d\omega$ $0$ $\infty$ $\phi (\omega)$

Dimensiunea funcției spectrale este dimensiunea semnalului înmulțit cu timpul.

În inginerie radio

În ingineria radio , elementul principal de codare este modularea semnalului . În acest caz, se consideră de obicei un semnal aproape armonic de forma s(t) = A sin(2πf t + φ) , unde amplitudinea A, frecvența f sau faza φ lent (în raport cu viteza de schimbare a sinusului ). ) se modifică în funcție de informațiile transmise (amplitudine, frecvență sau, respectiv, modulație de fază).

Modelele stocastice de semnal presupun că fie semnalul în sine, fie informația pe care o poartă sunt aleatorii. Un model de semnal stocastic este adesea formulat ca o ecuație care relaționează un semnal cu zgomotul, care în acest caz imită multe mesaje de informații posibile și se numește zgomot de modelare , spre deosebire de zgomotul observațional interferat .

O generalizare a modelului de semnal scalar sunt, de exemplu, modelele de semnal vectorial, care sunt seturi ordonate de funcții scalare individuale, cu o anumită relație a componentelor vectoriale între ele. În practică, modelul vectorial corespunde, în special, recepției simultane a unui semnal de către mai multe receptoare cu procesare comună ulterioară. O altă extensie a conceptului de semnal este generalizarea acestuia la cazul câmpurilor.

Vezi și

Note

↑ Signal // Enciclopedia tehnologiei moderne. Automatizarea productiei si a electronicii industriale. Volumul 3 (Eroare de decizie - Sistem de telemetrizare a frecvenței) - M.: Enciclopedia sovietică, 1964
↑ Franks, 1974 , p. 9.
↑ 1 2 3 Oppenheim, 1979 , p. cincisprezece.
↑ 1 2 Voshni, 1987 , Capitolul 2. Fundamentele teoretice ale colectării datelor, § 2.1. Concepte de bază și definiții, p. 14-16.
↑ 1 2 Oppenheim, 2006 , p. 28.
↑ Lyon, 2006 , p. 22.

Literatură

Cărți

↑ Franks L. Teoria semnalelor / Per. din engleza. ed. D. E. Vakmana .. - M . : Sov. radio, 1974. - 344 p. — 16.500 de exemplare.
↑ A. Oppenheim, R. Schafer. Procesare digitală a semnalului / Per. din engleză.- M . : Communication, 1979. - 416 p.
↑ Gonorovsky I. S. Circuite și semnale radio. - M . : Radio şi comunicare, 1986. - 512 p.
↑ Kulikovsky L. F. , Molotov V. V. Fundamentele teoretice ale proceselor informaționale. - M . : Şcoala superioară, 1987. - 248 p.
↑ Kraus M. , Kuchbakh E. , Voshni O.-G. Colectarea datelor în sisteme de calcul de control / Per. cu germană .. - M . : Mir, 1987. - 294 p. — 20.000 de exemplare.
↑ Osipov L. A. Prelucrarea semnalului pe procesoare digitale. Metoda de aproximare liniară. - M . : Hot line - Telecom, 2001. - 114 p.
↑ Ivanov M. T. , Sergienko A. B. , Ushakov V. N. Fundamentele teoretice ale ingineriei radio / Ed. V. N. Uşakov . - M . : Şcoala superioară, 2002. - 306 p.
↑ Richard Lionas. Procesare digitală a semnalului. - M. : Binom-Press LLC, 2006. - 656 p. — ISBN 978-5-9518-0149-4 .
↑ A. Oppenheim, R. Schafer. Procesare digitală a semnalului / Per. din engleză.- M . : Technosfera, 2006. - 856 p. - 1500 de exemplare. - ISBN 978-5-94836-077-6 .

Documente normative

↑ 1 2 GOST 16465-70 Semnale de măsurare de inginerie radio. Termeni și definiții . docs.cntd.ru. Consultat la 4 iunie 2017. Arhivat din original pe 20 iunie 2017. (nedefinit)
↑ 1 2 GOST 26.013-81 Echipamente de măsurare și automatizare. Semnale electrice cu modificare discretă a parametrilor de intrare și de ieșire . docs.cntd.ru. Consultat la 21 aprilie 2020. Arhivat din original pe 27 aprilie 2020. (nedefinit)

Link -uri

Curs de prelegeri: Fundamentele electronicii radio și comunicațiilor . Preluat: 7 martie 2010. (Rusă)
Complex educațional și metodic: Metode și mijloace de procesare a semnalului (link inaccesibil) . Data accesului: 7 martie 2010. Arhivat din original la 18 februarie 2012. (Rusă)
Baza de date de semnal radio

Dicționare și enciclopedii	mare danez Britannica (online)
În cataloagele bibliografice	NDL : 00571026 NKC : ph125525