Signal

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 30. marts 2020; checks kræver 27 redigeringer .

Et signal er en materiel udførelsesform af en meddelelse til brug ved transmission, behandling og lagring af information. [en]

Et signal er en kode ( symbol , tegn ), skabt og transmitteret ud i rummet ( via en kommunikationskanal ) af et system, eller som opstår i processen med interaktion mellem flere systemer. Signalets betydning og betydning afsløres efter registrering og fortolkning i det modtagende system.

Et signal (i informations- og kommunikationsteori ) er en informationsbærer, der bruges til at transmittere meddelelser i et kommunikationssystem .

Der er et betydeligt antal forsøg på at formulere en ret bekvem definition af dette udtryk i den specialiserede litteratur (f.eks. [B: 1] [B: 2] [B: 3] [B: 4] [B: 5] [ B: 6] [B : 7] [B: 8] [B: 9] ), og i formelle bestemmelser. [D:1] [D:2]

Definitioner

Ud over ovenstående encyklopædiske definition er der mange andre muligheder for definitionen af begrebet "signal" i den klassiske litteratur.

"Normalt forstås et signal som en værdi , der på en eller anden måde afspejler tilstanden af et fysisk system . I denne forstand er det naturligt at betragte signalet som resultatet af nogle målinger udført på det fysiske system i processen med dets observation. [2]

”Et signal kan defineres som en funktion, der formidler information om et fysisk systems tilstand eller adfærd. (...) Matematisk er signaler repræsenteret som funktioner af en eller flere uafhængige variable ." [3]

"Et signal er en tidsvarierende fysisk størrelse beskrevet af en funktion af tiden. En af parametrene i denne funktion indeholder information om en anden fysisk størrelse. En sådan signalparameter (funktion) kaldes informativ , og den fysiske størrelse, der repræsenterer signalet, kaldes signalbæreren (signalbæreren); signalet har dimensionen af denne mængde. [fire]

"Et signal kaldes normalt noget, der bærer en form for data ." [5]

Generel information

Et signal kan genereres , men det er ikke nødvendigt at modtage det, i modsætning til en besked , som forventes at blive accepteret af den modtagende part, ellers er det ikke en besked. Et signal kan være enhver fysisk proces, hvis parametre ændres (eller findes) i overensstemmelse med den transmitterede meddelelse.

Et signal, deterministisk eller tilfældigt, er beskrevet af en matematisk model, en funktion, der karakteriserer ændringen i signalparametre. Den matematiske model for signalrepræsentation som en funktion af tid er det grundlæggende koncept for teoretisk radioteknik, som har vist sig frugtbart både for analysen og for syntesen af radiotekniske enheder og systemer. I radioteknik er et alternativ til et signal, der bærer nyttig information, støj , normalt en tilfældig funktion af tid, der interagerer (for eksempel ved addition) med signalet og forvrænger det. Hovedopgaven for teoretisk radioteknik er at udtrække nyttig information fra et signal med den obligatoriske hensyntagen til støj.

Begrebet et signal giver os mulighed for at abstrahere fra en bestemt fysisk størrelse , såsom strøm, spænding, akustisk bølge, og at overveje, uden for den fysiske kontekst, de fænomener, der er forbundet med kodning af information og udvinding af den fra signaler, der normalt forvrænges af støj . . I undersøgelser er signalet ofte repræsenteret som en funktion af tid, hvis parametre kan bære den nødvendige information. Metoden til at optage denne funktion, såvel som metoden til at optage forstyrrende støj, kaldes den matematiske model af signalet .

I forbindelse med begrebet et signal formuleres sådanne grundlæggende principper for kybernetik som konceptet om båndbredden af en kommunikationskanal udviklet af Claude Shannon og konceptet om optimal modtagelse udviklet af V. A. Kotelnikov .

Klassificering af signaler

I henhold til informationsbærerens fysiske karakter:

elektriske;
elektromagnetiske;
optisk;
akustisk

og andre;

Ved at indstille signalet:

regulær (deterministisk) givet af en analytisk funktion ;
uregelmæssig (tilfældig), tager vilkårlige værdier til enhver tid. For at beskrive sådanne signaler bruges apparatet til sandsynlighedsteori .

Afhængigt af funktionen, der beskriver signalets parametre, er der [4] :

kontinuerlig (analog),
konstant kvantificeret,
diskret-kontinuerlig og
diskrete kvantiserede signaler.

Kontinuerligt (analogt) signal

De fleste signaler har en kontinuerlig afhængighed af den uafhængige variabel (for eksempel ændrer de sig kontinuerligt over tid) og kan antage enhver værdi over et bestemt interval. "Signaler i kontinuerlig tid og med et kontinuerligt amplitudområde kaldes også analoge signaler." [3] Analoge signaler (AS) kan beskrives ved en eller anden kontinuerlig matematisk funktion af tiden.

AC eksempel - harmonisk signal: s(t) = A cos(ω t + φ) .

Analoge signaler bruges i telefoni, radioudsendelser, tv. Det er umuligt at indtaste et sådant signal i et digitalt system til behandling, da det på ethvert tidsinterval kan have et uendeligt antal værdier, og for en nøjagtig (uden fejl) repræsentation af dets værdi kræves antallet af uendelig bitkapacitet. Derfor er det meget ofte nødvendigt at konvertere et analogt signal, så det kan repræsenteres af en sekvens af tal med en given bitdybde.

Der er en opfattelse blandt eksperter om, at begrebet "analogt signal" bør betragtes som uheldigt og forældet, og i stedet bør begrebet " kontinuerligt signal " anvendes . [6]

Diskret-kontinuerlig (diskret) signal

"Diskrete signaler (signaler i diskret tid) er defineret på diskrete tidspunkter og er repræsenteret af en række tal." [3]

Diskretisering af et analogt signal er, at signalet er repræsenteret som en sekvens af værdier taget på diskrete tidspunkter t i (hvor i er et indeks). Normalt er tidsintervallerne mellem successive aflæsninger ( Δt i = t i − t i−1 ) konstante; i et sådant tilfælde kaldes Δt for samplingsintervallet . Værdierne af signalet x(t) i måleøjeblikket, det vil sige x i = x(t i ) , kaldes aflæsninger.

Kontinuerligt kvantiseret signal

Under kvantisering er hele området af signalværdier opdelt i niveauer, hvis antal skal være repræsenteret i tal af en given bitdybde. Afstanden mellem disse niveauer kaldes kvantiseringstrinnet Δ. Antallet af disse niveauer er N (fra 0 til N−1). Hvert niveau er tildelt et nummer. Signalprøver sammenlignes med kvantiseringsniveauer, og et tal svarende til et bestemt kvantiseringsniveau vælges som signal. Hvert kvantiseringsniveau er kodet som et binært tal med n bit. Antallet af kvantiseringsniveauer N og antallet af bit n af binære tal, der koder for disse niveauer, er relateret af relationen n ≥ log 2 (N).

I overensstemmelse med GOST 26.013-81 [D: 2] er sådanne signaler betegnet med udtrykket " flerniveausignal ".

Diskret-kvantiseret (digitalt) signal

Digitale signaler omfatter dem, for hvilke både den uafhængige variabel (f.eks. tid) og niveauet er diskrete. [5]

For at repræsentere et analogt signal som en sekvens af tal med endelig bitdybde, skal det først konverteres til et diskret signal og derefter udsættes for kvantisering . Kvantisering er et særligt tilfælde af diskretisering, når diskretisering sker i samme mængde, kaldet et kvante. Som et resultat vil signalet blive præsenteret på en sådan måde, at den omtrentlige (kvantiserede) værdi af signalet er kendt ved hvert givet tidsinterval, hvilket kan skrives som et heltal . Rækkefølgen af sådanne tal vil være et digitalt signal.

Signalparametre

Signalstyrke _ $P(t)=s^{2}(t)$
Specifik signalenergi $E_{\text{ud}}=\int \limits _{-\infty }^{\infty }{s^{2}(t)dt}$
Varigheden af signalet bestemmer det tidsinterval, hvorunder signalet eksisterer (forskelligt fra nul); $T$
Dynamisk område er forholdet mellem den højeste øjeblikkelige signaleffekt og den laveste:

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

Bredden af signalspektret er det frekvensbånd, inden for hvilket signalets hovedenergi er koncentreret; $F$
Signalbasen er produktet af signalets varighed og bredden af dets spektrum . Det skal bemærkes, at der er et omvendt forhold mellem spektrets bredde og signalvarigheden: Jo kortere spektret, desto længere er signalvarigheden. Således forbliver værdien af basen praktisk talt uændret; $B=TF$
Signal-til-støj-forholdet er lig med forholdet mellem den nyttige signaleffekt og støjeffekten ;
Mængden af transmitteret information karakteriserer båndbredden af kommunikationskanalen, der kræves til signaltransmission. Det er defineret som produktet af signalspektrets bredde og dets varighed og dynamiske område:

V=FTD

Karakteristika for signaler

Signalegenskaberne formelt foreskrevet i GOST [D: 1] er som følger.

Karakteristika for impulser

Den spektrale funktion af momentum er en kompleks funktion, der er Fourier-transformationen af momentum.
Momentum spektral funktionsmodul
Momentum spektral funktion argument

Karakteristika for periodiske signaler

Perioden for et periodisk signal er en parameter, der er lig med det mindste tidsinterval, gennem hvilket de øjeblikkelige værdier af et periodisk signal gentages.
Frekvensen af et periodisk signal er en parameter, der er den reciproke af perioden for et periodisk signal.
Kompleks spektrum af et periodisk signal - En kompleks funktion af et diskret argument svarende til et helt antal frekvensværdier af et periodisk signal, som er værdierne af koefficienterne for den komplekse Fourier-serie for et periodisk signal.
Amplitudespektrum for et periodisk signal — En funktion af et diskret argument, som er modulet af det komplekse spektrum af et periodisk signal.
Fasespektret af et periodisk signal er en funktion af et diskret argument, som er et argument for det komplekse spektrum af et periodisk signal.
Harmonisk er et harmonisk signal med amplitude og begyndelsesfase lig med værdierne af henholdsvis amplituden og fasespektret af det periodiske signal ved en bestemt værdi af argumentet.

Karakteristika for tilfældige signaler

En-dimensionel sandsynlighedstæthed er en funktion lig med grænsen for forholdet mellem sandsynligheden for, at et tilfældigt signal er i et bestemt interval af værdier til bredden af dette interval, da det har en tendens til nul, og dets argument er værdien til som intervallet trækker sig sammen
Korrelationsfunktion er en funktion lig med gennemsnitsværdien af produktet af den variable komponent af et tilfældigt signal og den samme variable komponent, men forsinket med en given tid.
Normaliseret korrelationsfunktion - en funktion lig med forholdet mellem korrelationsfunktionen af et tilfældigt signal og dets varians
Energispektret er en funktion, der repræsenterer Fourier-transformationen af korrelationsfunktionen, hvis argument er frekvensen

Karakteristika for signalinteraktion

Signal-interferensforholdet er forholdet mellem mængder, der karakteriserer intensiteten af signalet og interferens.
Modulationskoefficient "op" - en koefficient lig med forholdet mellem spidsafvigelsen "op" af modulationsloven og dens konstante komponent under amplitudemodulation.
Modulationskoefficient "ned" - en koefficient svarende til forholdet mellem spidsafvigelsen "ned" af modulationsloven og dens konstante komponent under amplitudemodulation.
Frekvensafvigelse "op" - spidsafvigelse "op" af modulationsloven under frekvensmodulation.
Frekvensafvigelse "ned" - spidsafvigelse "ned" af modulationsloven under frekvensmodulation.
Vinkelmodulationsindeks - spidsafvigelse af modulationsloven for det fasemodulerede signal med en harmonisk modulationslov

Karakteristika for signalforbindelse

Krydskorrelationsfunktion er en funktion lig med gennemsnitsværdien af produktet af den variable komponent af et tilfældigt signal og den variable komponent af et andet tilfældigt signal, der halter i en given tid.
Krydsenergispektrum — En funktion, der repræsenterer Fourier-transformationen af en krydskorrelationsfunktion, hvis argument er frekvens
Forsinkelsestid er en parameter lig med værdien af tidsforskydningen af et af signalerne, ved hvilken den er identisk lig med det andet signal op til en konstant faktor og en konstant term.
Faseforskydning er modulus af forskellen mellem de indledende faser af to harmoniske signaler med samme frekvens.

Karakteristika for signalforvrængninger

Harmonisk koefficient er en koefficient, der karakteriserer forskellen mellem formen af et givet periodisk signal og et harmonisk signal, svarende til forholdet mellem rms spændingen af summen af alle overtoner i signalet, undtagen den første, og rms spændingen af den første harmoniske.
Relativ signalafvigelse fra en lineær lov er en koefficient lig med forholdet mellem den absolutte afvigelse (40) af et givet signal fra en ret linje, der forbinder de øjeblikkelige signalværdier svarende til begyndelsen og slutningen af et givet tidsinterval til maksimum signalværdi i samme interval
Signal ikke-linearitetskoefficienten er en koefficient, der er lig med forholdet mellem amplituden af den afledede signal i et givet tidsinterval og den maksimale værdi af den afledede i samme interval.
Den absolutte afvigelse af signalerne er den maksimale værdi af forskellen mellem de øjeblikkelige værdier af signalerne taget på samme tid i et givet tidsinterval.

Fortrolighed

Signal og begivenhed

En hændelse (modtagelse af en seddel, observation af et blus, modtagelse af et symbol via telegraf) er kun et signal i det system af relationer, hvor meddelelsen er anerkendt som væsentlig (for eksempel i kampforhold er en flare en begivenhed som kun har betydning for den observatør, som den er rettet til). Naturligvis, at et signal givet analytisk ikke er en hændelse og ikke indeholder information, hvis signalfunktionen og dens parametre er kendt af observatøren.

I teknik er et signal altid en begivenhed. Med andre ord er en hændelse - en ændring i tilstanden af enhver komponent i et teknisk system, anerkendt af systemlogikken som signifikant, et signal. En hændelse, der ikke anerkendes af et givet system af logiske eller tekniske relationer som væsentlig, er ikke et signal.

Signalrepræsentation og spektrum

Der er to måder at repræsentere et signal på afhængigt af definitionsdomænet: tidsmæssig og frekvens. I det første tilfælde er signalet repræsenteret som en funktion af tiden , der karakteriserer ændringen i dets parameter. $s(t)$

Ud over den sædvanlige tidsmæssige repræsentation af signaler og funktioner er beskrivelsen af signaler efter frekvensfunktioner meget brugt i dataanalyse og -behandling. Faktisk kan ethvert signal, vilkårligt komplekst i sin form, repræsenteres som en sum af simplere signaler, og især som summen af de simpleste harmoniske svingninger, hvis helhed kaldes signalets frekvensspektrum .

For at skifte til frekvensrepræsentationsmetoden bruges Fourier-transformationen :

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

Funktionen kaldes spektralfunktionen eller spektraltætheden. Da spektralfunktionen er kompleks, kan vi tale om et amplitudespektrum og et fasespektrum . $S(\omega)$ $S(\omega)$ $|S(\omega )|$ $\phi (\omega )=arg(S(\omega ))$

Den fysiske betydning af den spektrale funktion: signalet er repræsenteret som summen af en uendelig række af harmoniske komponenter (sinusoider) med amplituder , der kontinuerligt fylder frekvensintervallet fra til , og indledende faser . $s(t)$ ${\frac {|S(\omega )|}{\pi }}d\omega$ $0$ $\infty$ $\phi (\omega)$

Dimensionen af spektralfunktionen er dimensionen af signalet gange tiden.

I radioteknik

I radioteknik er hovedelementet i kodning signalmodulation . I dette tilfælde betragtes normalt et næsten harmonisk signal af formen s(t) = A sin(2πf t + φ) , hvor amplituden A, frekvensen f eller fasen φ langsomt (i forhold til ændringshastigheden af sinusen ) ) ændres afhængigt af den transmitterede information (henholdsvis amplitude, frekvens eller fasemodulation).

Stokastiske signalmodeller antager, at enten selve signalet eller den information, det bærer, er tilfældigt. En stokastisk signalmodel er ofte formuleret som en ligning, der relaterer et signal til støj, som i dette tilfælde efterligner mange mulige informationsmeddelelser og kaldes shaping noise , i modsætning til interfererende observationsstøj .

En generalisering af den skalære signalmodel er for eksempel vektorsignalmodeller, som er ordnede sæt af individuelle skalarfunktioner, med et vist forhold mellem vektorkomponenterne til hinanden. I praksis svarer vektormodellen især til den samtidige modtagelse af et signal af flere modtagere med efterfølgende fælles behandling. En anden udvidelse af begrebet et signal er dets generalisering til tilfældet med felter.

Se også

Noter

↑ Signal // Encyclopedia of Modern Technology. Automatisering af produktion og industriel elektronik. Bind 3 (Beslutningsfejl - Frequency Telemetering System) - M.: Soviet Encyclopedia, 1964
↑ Franks, 1974 , s. 9.
↑ 1 2 3 Oppenheim, 1979 , s. femten.
↑ 1 2 Voshni, 1987 , kapitel 2. Teoretisk grundlag for dataindsamling, § 2.1. Grundlæggende begreber og definitioner, s. 14-16.
↑ 1 2 Oppenheim, 2006 , s. 28.
↑ Lyons, 2006 , s. 22.

Litteratur

Bøger

↑ Franks L. Teori om signaler / Pr. fra engelsk. udg. D. E. Vakmana .. - M . : Sov. radio, 1974. - 344 s. — 16.500 eksemplarer.
↑ A. Oppenheim, R. Schafer. Digital signalbehandling / Pr. fra engelsk - M . : Communication, 1979. - 416 s.
↑ Gonorovsky I. S. Radiokredsløb og signaler. - M . : Radio og kommunikation, 1986. - 512 s.
↑ Kulikovsky L. F. , Molotov V. V. Teoretisk grundlag for informationsprocesser. - M . : Højere skole, 1987. - 248 s.
↑ Kraus M. , Kuchbakh E. , Voshni O.-G. Dataindsamling i styringscomputersystemer / Pr. med tysk .. - M . : Mir, 1987. - 294 s. — 20.000 eksemplarer.
↑ Osipov L. A. Signalbehandling på digitale processorer. Lineær-approksimerende metode. - M . : Hotline - Telecom, 2001. - 114 s.
↑ Ivanov M. T. , Sergienko A. B. , Ushakov V. N. Teoretisk grundlag for radioteknik / Ed. V. N. Ushakov . - M . : Højere skole, 2002. - 306 s.
↑ Richard Lionas. Digital signalbehandling. - M. : Binom-Press LLC, 2006. - 656 s. — ISBN 978-5-9518-0149-4 .
↑ A. Oppenheim, R. Schafer. Digital signalbehandling / Pr. fra engelsk - M . : Technosfera, 2006. - 856 s. - 1500 eksemplarer. - ISBN 978-5-94836-077-6 .

Normative dokumenter

↑ 1 2 GOST 16465-70 Radiotekniske målesignaler. Begreber og definitioner . docs.cntd.ru. Hentet 4. juni 2017. Arkiveret fra originalen 20. juni 2017. (ubestemt)
↑ 1 2 GOST 26.013-81 Måle- og automationsudstyr. Elektriske signaler med diskret ændring af input og output parametre . docs.cntd.ru. Hentet 21. april 2020. Arkiveret fra originalen 27. april 2020. (ubestemt)

Links

Forelæsningsforløb: Grundlæggende om radioelektronik og kommunikation . Hentet: 7. marts 2010. (Russisk)
Pædagogisk og metodisk kompleks: Metoder og midler til signalbehandling (utilgængeligt link) . Dato for adgang: 7. marts 2010. Arkiveret fra originalen 18. februar 2012. (Russisk)
Radiosignaldatabase

Ordbøger og encyklopædier	Flot dansk Britannica (online)
I bibliografiske kataloger	NDL : 00571026 NKC : ph125525