Что такое сигнал приведите примеры
Сигнал (техника)
Сигнал (техника)
Сигнал — в теории информации и связи называется материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений по системе связи. Сигналом может быть любой физический процесс, параметры которого изменяются в соответствии с передаваемым сообщением. На практике чаще всего используются электрические сигналы. При этом носителем информации является изменяющиеся во времени ток или напряжение в электрической цепи. Электрические сигналы легче обрабатывать, чем другие, они совместимы с широко распространёнными электронными устройствами.
Сигнал, детерминированный или случайный, описывают математической моделью, функцией, характеризующей изменение параметров сигнала. Математическая модель представления сигнала, как функции времени, является основополагающей концепцией теоретической радиотехники, оказавшейся плодотворной как для анализа, так и для синтеза радиотехнических устройств и систем. В радиотехнике альтернативой сигналу, который несёт полезную информацию, является шум — обычно случайная функция времени, взаимодействующая (например, путем сложения) с сигналом и искажающая его. Основной задачей теоретической радиотехники является извлечение полезной информации из сигнала с обязательным учётом шума.
Содержание
Классификация сигналов
По физической природе носителя информации:
По способу задания сигнала:
В зависимости от функции, описывающей параметры сигнала, выделяют аналоговые, дискретные, квантованные и цифровые сигналы.:
Аналоговый сигнал (АС)
Большинство сигналов имеют аналоговую природу, то есть изменяются непрерывно во времени и могут принимать любые значения на некотором интервале. Аналоговые сигналы описываются некоторой математической функцией времени.
Пример АС — гармонический сигнал — s(t) = A·cos(ω·t + φ).
Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении. Ввести такой сигнал в компьютер и обработать его невозможно, так как на любом интервале времени он имеет бесконечное множество значений, а для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому необходимо преобразовать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности.
Дискретный сигнал
Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени. Эти значения называются отсчётами. Δt называется интервалом дискретизации.
Квантованный сигнал
При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности. Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования Δ. Число этих уровней равно N (от 0 до N–1). Каждому уровню присваивается некоторое число. Отсчеты сигнала сравниваются с уровнями квантования и в качестве сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования. Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с n разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов n двоичный чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n ≥ log2(N).
Цифровой сигнал
Для того чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию. В результате сигнал будет представлен таким образом, что на каждом заданном промежутке времени известно приближённое (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом. Если записать эти целые числа в двоичной системе, получится последовательность нулей и единиц, которая и будет являться цифровым сигналом.
Сигнал и событие
Событие (получение записки, наблюдение сигнальной ракеты, прием символа по телеграфу) является сигналом только в той системе отношений, в которой сообщение опознается значимым (например, в условиях боевых действий сигнальная ракета — событие, значимое только для того наблюдателя, которому оно адресовано). Очевидно, что сигнал, заданный аналитически, событием не является и не несет информацию, если функция сигнала и её параметры известны наблюдателю.
Временной и частотный способы предстваления сигналов. Спектр сигнала.
Есть два способа представления сигнала в зависимости от области определения: временной и частотный. В первом случае сигнал представляется функцией времени s(t) характеризующей измение его параметра.
Кроме привычного временного представления сигналов и функций при анализе и обработке данных широко используется описание сигналов функциями частоты. Действительно, любой сколь угодно сложный по своей форме сигнал можно представить в виде суммы более простых сигналов, и, в частности, в виде суммы простейших гармонических колебаний, совокупность которых называется частотным спектром сигнала.
Размерность спектральной функции есть размерность сигнала, умноженная на время.
Параметры сигналов
Значение слова «сигнал»
1. Условный знак (световой или звуковой) для передачи какого-л. сообщения, распоряжения, команды и т. п. Штормовой сигнал. Сигнал сбора. Сигналы точного времени. Дорожные сигналы. □ Среди мрака и ночи раздался пушечный выстрел, за ним другой. «А, сигнал! Вода прибывает». Достоевский, Преступление и наказание. Адмирал Рожественский сигналом приказал судам правой колонны навести орудия правого борта и кормовых башен на «Идзуми». Новиков-Прибой, Цусима. || перен. Действие, событие, которое должно послужить побуждением, призывом к чему-л. Я воспринял статью Тальникова и как сигнал опасности для себя. Я всем своим нутром понял, что мне нужно развивать в себе «внутреннее я», развивать свою внутреннюю актерскую технику. Ильинский, Сам о себе.
3. Книжн. и спец. Проявление существования, функционирования чего-л., вызывающее ответную реакцию какого-л. прибора, организма. Прием сигналов с отдаленных звезд. □ Каждый атом радиоактивного изотопа рано или поздно распадается и дает «сигнал» в форме излучения. Несмеянов, Радиоактивные элементы и их применение.
Источник (печатная версия): Словарь русского языка: В 4-х т. / РАН, Ин-т лингвистич. исследований; Под ред. А. П. Евгеньевой. — 4-е изд., стер. — М.: Рус. яз.; Полиграфресурсы, 1999; (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека
Сигна́л (в теории информации и связи) — носитель информации, используемый для передачи сообщений в системе связи. Сигнал может генерироваться, но его приём не обязателен, в отличие от сообщения, которое рассчитано на принятие принимающей стороной, иначе оно не является сообщением. Сигналом может быть любой физический процесс, параметры которого изменяются (или находятся) в соответствии с передаваемым сообщением.
Сигнал, детерминированный или случайный, описывают математической моделью, функцией, характеризующей изменение параметров сигнала. Математическая модель представления сигнала, как функции времени, является основополагающей концепцией теоретической радиотехники, оказавшейся плодотворной как для анализа, так и для синтеза радиотехнических устройств и систем. В радиотехнике альтернативой сигналу, который несёт полезную информацию, является шум — обычно случайная функция времени, взаимодействующая (например, путём сложения) с сигналом и искажающая его. Основной задачей теоретической радиотехники является извлечение полезной информации из сигнала с обязательным учётом шума.
Понятие сигнал позволяет абстрагироваться от конкретной физической величины, например тока, напряжения, акустической волны и рассматривать вне физического контекста явления связанные кодированием информации и извлечением её из сигналов, которые обычно искажены шумами. В исследованиях сигнал часто представляется функцией времени, параметры которой могут нести нужную информацию. Способ записи этой функции, а также способ записи мешающих шумов называют математической моделью сигнала.
В связи с понятием сигнала формулируются такие базовые принципы кибернетики, как понятие о пропускной способности канала связи, разработанное Клодом Шенноном и об оптимальном приёме, разработанная В. А. Котельниковым.
СИГНА’Л, а, м. [от латин. signum — знак]. 1. Звуковой или зрительный условный знак для передачи на расстояние каких-н. сведений, распоряжений и т. п. Морские сигналы. Железнодорожные сигналы. Дать с. По сигналу. 2. перен. Предупреждение о чем-н. нежелательном, что может совершиться, предостережение (нов.). Большевистская партия требует чуткости к сигналам, идущим снизу, в порядке самокритики. 3. Деревянное сооружение, возводимое на точках триангуляции при геодезических работах (геодез.).
Источник: «Толковый словарь русского языка» под редакцией Д. Н. Ушакова (1935-1940); (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека
Сигнал
Сигнал (в теории информации и связи) — материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений в системе связи. Сигнал может генерироваться, но его приём не обязателен, в отличие от сообщения, которое должно быть принято принимающей стороной, иначе оно не является сообщением. Сигналом может быть любой физический процесс, параметры которого изменяются в соответствии с передаваемым сообщением.
Сигнал, детерминированный или случайный, описывают математической моделью, функцией, характеризующей изменение параметров сигнала. Математическая модель представления сигнала, как функции времени, является основополагающей концепцией теоретической радиотехники, оказавшейся плодотворной как для анализа, так и для синтеза радиотехнических устройств и систем. В радиотехнике альтернативой сигналу, который несёт полезную информацию, является шум — обычно случайная функция времени, взаимодействующая (например, путём сложения) с сигналом и искажающая его. Основной задачей теоретической радиотехники является извлечение полезной информации из сигнала с обязательным учётом шума.
Понятие сигнал позволяет абстрагироваться от конкретной физической величины, например тока, напряжения, акустической волны и рассматривать вне физического контекста явления связанные кодированием информации и извлечением её из сигналов, которые обычно искажены шумами. В исследованиях сигнал часто представляется функцией времени, параметры которой могут нести нужную информацию. Способ записи этой функции, а также способ записи мешающих шумов называют математической моделью сигнала.
В связи с понятием сигнала формулируются такие базовые принципы кибернетики, как понятие о пропускной способности канала связи, разработанное Клодом Шенноном и об оптимальном приеме, разработанная В. А. Котельниковым.
Содержание
Классификация сигналов
По физической природе носителя информации:
По способу задания сигнала:
В зависимости от функции, описывающей параметры сигнала, выделяют аналоговые, дискретные, квантованные и цифровые сигналы:
Аналоговый сигнал (АС)
Большинство сигналов имеют аналоговую природу, то есть изменяются непрерывно во времени и могут принимать любые значения на некотором интервале. Аналоговые сигналы описываются некоторой математической функцией времени.
Пример АС — гармонический сигнал — s(t) = A·cos(ω·t + φ).
Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении. Ввести такой сигнал в компьютер и обработать его невозможно, так как на любом интервале времени он имеет бесконечное множество значений, а для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому необходимо преобразовать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности.
Дискретный сигнал
Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени. Эти значения называются отсчётами. Δt называется интервалом дискретизации.
Квантованный сигнал
При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности. Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования Δ. Число этих уровней равно N (от 0 до N-1). Каждому уровню присваивается некоторое число. Отсчёты сигнала сравниваются с уровнями квантования и в качестве сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования. Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с n разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов n двоичных чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n ≥ log2(N).
Цифровой сигнал
Для того, чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию. Квантование является частным случаем дискретизации, когда дискретизация происходит по одинаковой величине называемой квантом. В результате сигнал будет представлен таким образом, что на каждом заданном промежутке времени известно приближённое (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом. Если записать эти целые числа в двоичной системе, получится последовательность нулей и единиц, которая и будет являться цифровым сигналом.
Сигнал и событие
Событие (получение записки, наблюдение сигнальной ракеты, прием символа по телеграфу) является сигналом только в той системе отношений, в которой сообщение опознается значимым (например, в условиях боевых действий сигнальная ракета — событие, значимое только для того наблюдателя, которому оно адресовано). Очевидно, что сигнал, заданный аналитически, событием не является и не несет информацию, если функция сигнала и её параметры известны наблюдателю.
В технике сигнал всегда является событием. Другими словами, событие — изменение состояния любого компонента технической системы, опознаваемое логикой системы как значимое, является сигналом. Событие, неопознаваемое данной системой логических или технических отношений как значимое, сигналом не является.
Представление сигнала и спектр
Есть два способа представления сигнала в зависимости от области определения: временной и частотный. В первом случае сигнал представляется функцией времени 
характеризующей изменение его параметра.
Кроме привычного временного представления сигналов и функций при анализе и обработке данных широко используется описание сигналов функциями частоты. Действительно, любой сколь угодно сложный по своей форме сигнал можно представить в виде суммы более простых сигналов, и, в частности, в виде суммы простейших гармонических колебаний, совокупность которых называется частотным спектром сигнала.
Для перехода к частотному способу представления используется преобразование Фурье: 
.
Функция 
называется спектральной функцией или спектральной плотностью.
Поскольку спектральная функция является комплексной, то можно говорить о спектре амплитуд 
и спектре фаз 
. Физический смысл спектральной функции: сигнал представляется в виде суммы бесконечного ряда гармонических составляющих (синусоид) с амплитудами 
, непрерывно заполняющими интервал частот от 0 до 
, и начальными фазами 
.
Размерность спектральной функции есть размерность сигнала, умноженная на время.
Параметры сигналов
В радиотехнике
В радиотехнике основным элементом кодирования является модуляция сигнала. При этом обычно рассматривается близкий к гармоническому сигнал вида s(t)=A sin(2πft +φ), где амплитуда (A), частота (f) или фаза (φ), медленно (относительно скорости изменения синуса) изменяются в зависимости от передаваемой информации (амплитудная, частотная или фазовая модуляция).
Стохастические модели сигнала, предполагают случайным или сам сигнал или переносимую им информацию, стохастическая модель сигнала часто формулируется как уравнение, связывающее сигнал с шумом, который в данном случае имитирует множество возможных информационных сообщений и называется формирующим шумом, в отличие от мешающего шума наблюдения.
Обобщением скалярной модели сигнала являются например векторные модели сигналов, представляющие собой упорядоченные наборы отдельных скалярных функций, с определенной взаимосвязью компонентов вектора друг с другом. На практике векторная модель соответствует в частности одновременному приему сигнала несколькими приемниками с последующей совместной обработкой. Ещё одним расширением понятия сигнала является его обобщение на случай полей.
Любое качество, например физическая величина, которая демонстрирует изменение в пространстве или времени, может использоваться в качестве сигнала для обмена сообщениями между наблюдателями. [3] Согласно Транзакции IEEE при обработке сигналов, сигнал может быть аудио, видео, речь, изображение, гидролокаторные и радиолокационные и так далее. [4] В другой попытке определить сигнал, [2] все, что является только функцией пространства, например изображение, исключено из категории сигналов. Также указывается, что сигнал может содержать или не содержать какую-либо информацию.
В природе сигналы могут быть действиями, совершаемыми организмом для предупреждения других организмов, от выделения химических веществ для растений, чтобы предупредить близлежащие растения о хищнике, до звуков или движений животных, чтобы предупредить других животных о пище. Передача сигналов происходит у всех организмов даже на клеточном уровне, с клеточная сигнализация. Теория сигналовв эволюционной биологии предполагает, что важным фактором эволюция это способность животных общаться друг с другом, развивая способы передачи сигналов. В человеческой инженерии сигналы обычно предоставляются датчик, и часто исходная форма сигнала преобразуется в другую форму энергии с использованием преобразователь. Например, микрофон преобразует акустический сигнал в форму волны напряжения, а оратор делает обратное. [1]
Инженерные дисциплины, такие как электротехника, лидировали в проектировании, исследовании и внедрении систем, включающих коробка передач, место хранения, и манипулирование информацией. Во второй половине 20-го века сама электротехника разделилась на несколько дисциплин, специализирующихся на разработке и анализе систем, которые манипулируют физическими сигналами; электроинженерия и компьютерная инженерия в качестве примеров; пока проектирование разработан для функционального дизайна пользовательско-машинные интерфейсы.
Содержание
Определения
Определения, характерные для подполей, являются общими. Например, в теория информации, а сигнал кодифицированное сообщение, то есть последовательность состояний в канале связи, который кодирует сообщение. В контексте обработка сигналов, сигналы представляют собой аналоговые и цифровые представления аналоговых физических величин.
С точки зрения их пространственного распределения сигналы могут быть разделены на сигналы точечных источников (PSS) и сигналы распределенных источников (DSS). [2]
В системе связи передатчик кодирует сообщение для создания сигнала, который переносится на приемник посредством канал связи. Например, слова «У Мэри был маленький ягненок»может быть сообщение, сказанное в телефон. Телефонный передатчик преобразует звуки в электрический сигнал. Сигнал передается на принимающий телефон по проводам; в приемнике он преобразуется в звуки.
В телефонных сетях сигнализация, Например сигнализация по общему каналу, относится к номеру телефона и другой цифровой управляющей информации, а не к фактическому речевому сигналу.
Сигналы можно классифицировать по-разному. Чаще всего различают дискретные и непрерывные пространства, в которых функции определены, например, в дискретной и непрерывной областях времени. Дискретные сигналы времени часто упоминаются как Временные ряды в других областях. Сигналы непрерывного времени часто упоминаются как непрерывные сигналы.
Еще одним важным свойством сигнала является его энтропия или же информационное содержание.
Классификация
В «Сигналы и системы» сигналы можно классифицировать по многим критериям, главным образом: по разным характеристикам значений, классифицированных по аналоговые сигналы и цифровые сигналы; по детерминированности сигналов классифицируются на детерминированные сигналы и случайные сигналы; в зависимости от силы сигналов классифицируются на сигналы энергии и сигналы мощности.
Аналоговые и цифровые сигналы
На практике встречаются два основных типа сигналов: аналог и цифровой. На рисунке показан цифровой сигнал, который получается в результате приближения аналогового сигнала по его значениям в определенные моменты времени. Цифровые сигналы квантованный, в то время как аналоговые сигналы непрерывны.
Аналоговый сигнал
Период, термин аналоговый сигнал обычно относится к электрические сигналы; однако аналоговые сигналы могут использовать другие среды, такие как механический, пневматический или же гидравлический. Аналоговый сигнал использует некоторые свойства среды для передачи информации о сигнале. Например, барометр-анероид использует поворотное положение в качестве сигнала для передачи информации о давлении. В электрическом сигнале Напряжение, Текущий, или же частота сигнала может быть изменен для представления информации.
Любая информация может передаваться аналоговым сигналом; часто такой сигнал является измеренной реакцией на изменения физических явлений, таких как звук, свет, температура, должность или давление. Физическая переменная преобразуется в аналоговый сигнал с помощью преобразователь. Например, при звукозаписи колебания давления воздуха (т. Е. звук) ударяют по диафрагме микрофон что вызывает соответствующие электрические колебания. Напряжение или ток называют аналог звука.
Цифровой сигнал
В качестве альтернативы 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 из оптический или другой электромагнитное поле, акустическое давление, намагничивание из магнитное хранилище СМИ и т. д. Цифровые сигналы присутствуют во всех цифровая электроника, в частности, вычислительное оборудование и передача данных.
При использовании цифровых сигналов системный шум, если он не слишком велик, не влияет на работу системы, в то время как шум всегда ухудшает работу аналоговые сигналы до некоторой степени.
Цифровые сигналы часто возникают через отбор проб аналоговых сигналов, например, постоянно колеблющегося напряжения на линии, которое может быть оцифровано аналого-цифровой преобразователь Схема, при которой схема будет считывать уровень напряжения на линии, скажем, каждые 50микросекунды и представляют каждое чтение с фиксированным количеством бит. Результирующий поток чисел сохраняется в виде цифровых данных в сигнале с дискретным временем и квантованной амплитудой. Компьютеры и другие цифровой устройства ограничены дискретным временем.
Энергия и мощь
По силе сигналов практические сигналы можно разделить на две категории: энергетические сигналы и мощные сигналы. [14]
Энергетические сигналы: эти сигналы ‘ энергия равны конечному положительному значению, но их средние степени равны 0;
Сигналы мощности: среднее значение этих сигналов. мощность равны конечному положительный ценность, но их энергия бесконечный.
Детерминированный и случайный
Четный и нечетный
Периодический
Сигнал называется периодический если он удовлетворяет условию:
Периодический сигнал будет повторяться для каждого периода.
Дискретизация по времени
Квантование амплитуды
Примеры сигналов
В природе сигналы могут быть преобразованы в электронные с помощью различных датчики. Примеры включают:
Другими примерами сигналов являются выходные сигналы термопара, который передает информацию о температуре, а вывод pH метр который передает информацию о кислотности. [1]
Обработка сигналов
Сигналы и системы
В Электротехника программ, класс и область обучения, известные как «сигналы и системы» (S и S), часто рассматриваются как «класс сокращения» для карьеры в области EE, и некоторые студенты боятся его как такового. В зависимости от школы, студенты EE бакалавриата обычно посещают класс как младшие или старшие, обычно в зависимости от количества и уровня предыдущего обучения. линейная алгебра и дифференциальное уравнение уроки, которые они брали. [19]
Эта область изучает входные и выходные сигналы и 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 обучения. Например, при работе с сигналами непрерывного времени (т), можно преобразовать из временной области в частоту или s домен; или с дискретного времени (п) на частоту или z домены. Системы также могут преобразовываться между этими областями, как сигналы, с непрерывным s и дискретно z.
Хотя S и S относятся ко всем темам, затронутым в этой статье, а также Обработка аналогового сигнала и Цифровая обработка сигналов, на самом деле это подмножество поля Математическое моделирование. Это поле восходит к РФ более века назад, когда оно было аналоговым и, как правило, непрерывным. Сегодня программное обеспечение заменило большую часть разработки и анализа аналоговых схем, и даже непрерывные сигналы теперь обычно обрабатываются в цифровом виде. По иронии судьбы, цифровые сигналы также обрабатываются в некотором смысле непрерывно, при этом программное обеспечение выполняет вычисления между дискретными «паузами» сигнала, чтобы подготовиться к следующему событию ввода / преобразования / вывода.
В прошлом учебные планы S и S, как их часто называют, включали анализ и проектирование схем с помощью математического моделирования и некоторых численных методов и были обновлены несколько десятилетий назад с Динамические системы инструменты, включая дифференциальные уравнения, а недавно Лагранжианы. Сложность этой области в то время заключалась в том, что моделировались не только математическое моделирование, схемы, сигналы и сложные системы, но и физика, а также требовалось глубокое знание электрических (а теперь и электронных) тем.
Сегодня эта область стала еще более сложной и устрашающей с добавлением языков и программного обеспечения для анализа схем, систем и сигналов, а также проектирования и разработки программного обеспечения. MATLAB и Simulink к NumPy, VHDL, PSpice, Verilog и даже язык ассемблера. Ожидается, что студенты будут понимать инструменты, а также математику, физику, анализ схем и преобразования между 8 областями.
Поскольку такие темы машиностроения, как трение, демпфирование и т. Д., Имеют очень близкие аналогии в науке о сигналах (индуктивность, сопротивление, напряжение и т. Д.), Многие инструменты, изначально использовавшиеся в МЭ-преобразованиях (преобразования Лапласа и Фурье, лагранжианы, теория выборки, вероятность, разностные уравнения и т. д.) теперь применяются к сигналам, схемам, системам и их компонентам, анализу и проектированию в EE. Динамические системы, которые включают шум, фильтрацию и другие случайные или хаотические аттракторы и репеллеры, теперь поместили стохастические науки и статистику между более детерминированными дискретными и непрерывными функциями в этой области. (Термин «детерминистический» здесь означает сигналы, которые полностью определяются как функции времени).