Signaali

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 30. maaliskuuta 2020 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 27 muokkausta .

Signaali on viestin materiaalinen suoritusmuoto käytettäväksi tiedon siirtämisessä, käsittelyssä ja tallentamisessa. [yksi]

Signaali on koodi ( symboli , merkki ), jonka yksi järjestelmä luo ja lähettää avaruuteen ( viestintäkanavan kautta ) tai syntyy useiden järjestelmien vuorovaikutuksessa. Signaalin merkitys ja merkitys paljastuvat vastaanottavassa järjestelmässä rekisteröinnin ja tulkinnan jälkeen.

Signaali ( informaatio- ja viestintäteoriassa ) on tiedonsiirtoväline , jota käytetään viestien välittämiseen viestintäjärjestelmässä .

Erikoiskirjallisuudessa on yritetty muotoilla tälle termille melko kätevä määritelmä (esimerkiksi [B: 1] [B: 2] [B: 3] [B: 4] [B: 5] [ B: 6] [B: 7] [B: 8] [B: 9] ), ja muodollisissa määräyksissä. [D:1] [D:2]

Määritelmät

Yllä olevan tietosanakirjan määritelmän lisäksi klassisessa kirjallisuudessa on monia muita vaihtoehtoja termin "signaali" määrittelyyn.

”Yleensä signaali ymmärretään arvoksi , joka heijastaa jollain tavalla fyysisen järjestelmän tilaa . Tässä mielessä on luonnollista pitää signaalia joidenkin fysikaaliselle järjestelmälle sen havainnointiprosessissa suoritettujen mittausten tuloksena. [2]

”Signaali voidaan määritellä funktioksi, joka välittää tietoa fyysisen järjestelmän tilasta tai käyttäytymisestä. (…) Matemaattisesti signaalit esitetään yhden tai useamman riippumattoman muuttujan funktioina . [3]

"Signaali on ajassa muuttuva fyysinen suure, jota kuvaa ajan funktio. Yksi tämän funktion parametreista sisältää tietoa toisesta fyysisestä suuresta. Tällaista signaaliparametria (funktiota) kutsutaan informatiiviseksi ja signaalia edustavaa fyysistä määrää kutsutaan signaalin kantajaksi (signaalin kantajaksi); signaalilla on tämän suuren mitta. [neljä]

"Signaaliksi kutsutaan yleensä jotain, joka kuljettaa jonkinlaista dataa ." [5]

Yleistä tietoa

Signaali voidaan luoda , mutta sitä ei vaadita vastaanottamaan, toisin kuin viesti , jonka vastaanottavan osapuolen odotetaan hyväksyvän, muuten se ei ole viesti. Signaali voi olla mikä tahansa fyysinen prosessi, jonka parametrit muuttuvat (tai löydetään) lähetetyn viestin mukaisesti.

Signaali, deterministinen tai satunnainen, kuvataan matemaattisella mallilla, funktiolla, joka kuvaa signaaliparametrien muutosta. Signaalin esityksen matemaattinen malli ajan funktiona on teoreettisen radiotekniikan peruskäsite, joka on osoittautunut hedelmälliseksi sekä radioteknisten laitteiden ja järjestelmien analysoinnissa että syntetisoinnissa . Radiotekniikassa vaihtoehto hyödyllistä tietoa kuljettavalle signaalille on kohina , tavallisesti satunnainen ajan funktio, joka on vuorovaikutuksessa (esimerkiksi lisäämällä) signaalin kanssa ja vääristää sitä. Teoreettisen radiotekniikan päätehtävänä on poimia signaalista hyödyllistä tietoa huomioimalla pakollinen kohina.

Signaalin käsite antaa meille mahdollisuuden abstraktion tietystä fysikaalisesta suuresta , kuten virrasta, jännitteestä, akustisesta aallosta, ja tarkastella fyysisen kontekstin ulkopuolella ilmiöitä, jotka liittyvät tiedon koodaamiseen ja sen erottamiseen signaaleista, jotka yleensä vääristyvät kohinan vuoksi. . Tutkimuksissa signaali esitetään usein ajan funktiona, jonka parametrit voivat kuljettaa tarvittavaa tietoa. Tämän toiminnon tallennusmenetelmää sekä menetelmää häiritsevän kohinan tallentamiseen kutsutaan signaalin matemaattiseksi malliksi .

Signaalikäsitteen yhteydessä sellaiset kybernetiikan perusperiaatteet on muotoiltu Claude Shannonin kehittämänä viestintäkanavan kaistanleveyden käsitteenä ja V. A. Kotelnikovin kehittämänä optimaalisen vastaanoton käsitteenä .

Signaalien luokitus

Tietovälineen fyysisen luonteen mukaan:

sähkölaitteet;
sähkömagneettinen;
optinen;
akustinen

ja muut;

Asettamalla signaalin:

analyyttisen funktion antama säännöllinen (deterministinen) ;
epäsäännöllinen (satunnainen), ottamalla mielivaltaisia arvoja milloin tahansa. Tällaisten signaalien kuvaamiseen käytetään todennäköisyysteorian laitteistoa .

Riippuen funktiosta, joka kuvaa signaalin parametreja, on [4] :

jatkuva (analoginen),
jatkuvasti kvantisoitu,
diskreetti-jatkuva ja
diskreetti-kvantisoidut signaalit.

Jatkuva (analoginen) signaali

Useimmilla signaaleilla on jatkuva riippuvuus riippumattomasta muuttujasta (esimerkiksi ne muuttuvat jatkuvasti ajassa) ja voivat saada minkä tahansa arvon tietyllä aikavälillä. "Jatkuvassa ajassa olevia ja jatkuvalla amplitudialueella olevia signaaleja kutsutaan myös analogisiksi signaaleiksi." [3] Analogiset signaalit (AS) voidaan kuvata jollakin jatkuvalla matemaattisella ajan funktiolla.

AC esimerkki - harmoninen signaali: s(t) = A cos(ω t + φ) .

Analogisia signaaleja käytetään puhelimessa, radiolähetyksissä ja televisiossa. Tällaista signaalia on mahdotonta syöttää digitaaliseen järjestelmään käsittelyä varten, koska sillä voi milloin tahansa olla ääretön määrä arvoja, ja sen arvon tarkkaan (ilman virhettä) esittämiseen tarvitaan loputon bittikapasiteetti. Siksi on hyvin usein tarpeen muuntaa analoginen signaali siten, että se voidaan esittää tietyn bittisyvyyden omaavana numerosarjana.

Asiantuntijat ovat sitä mieltä, että termiä "analoginen signaali" tulisi pitää valitettavana ja vanhentuneena, ja sen sijaan tulisi käyttää termiä " jatkuva signaali " . [6]

Diskreetti-jatkuva (diskreetti) signaali

"Diskreetit signaalit (signaalit diskreetissä ajassa) määritellään diskreeteillä aikoina ja niitä edustaa numerosarja." [3]

Analogisen signaalin diskretisointi tarkoittaa sitä, että signaali esitetään arvojen sarjana, joka on otettu diskreeteillä aikoina t i (jossa i on indeksi). Yleensä aikavälit peräkkäisten lukemien välillä ( Δt i = t i − t i−1 ) ovat vakioita; tässä tapauksessa Δt :tä kutsutaan näytteenottoväliksi . Signaalin x(t) arvoja mittaushetkellä, eli x i = x(t i ) , kutsutaan lukemiksi.

Jatkuvasti kvantisoitu signaali

Kvantisoinnin aikana koko signaaliarvoalue jaetaan tasoiksi, joiden lukumäärä on esitettävä tietyn bittisyvyyden lukuina. Näiden tasojen välistä etäisyyttä kutsutaan kvantisointiaskeleeksi Δ. Näiden tasojen lukumäärä on N (0 - N−1). Jokaiselle tasolle on määritetty numero. Signaalinäytteitä verrataan kvantisointitasoihin ja signaaliksi valitaan tiettyä kvantisointitasoa vastaava luku. Jokainen kvantisointitaso on koodattu binaarilukuna, jossa on n bittiä. Kvantisointitasojen N lukumäärä ja näitä tasoja koodaavien binäärilukujen bittien lukumäärä n liittyvät toisiinsa suhteella n > log 2 (N).

Standardin GOST 26.013-81 [D: 2] mukaisesti tällaiset signaalit on merkitty termillä " monitasoinen signaali ".

Diskreetti-kvantisoitu (digitaalinen) signaali

Digitaaliset signaalit sisältävät signaalit, joille sekä riippumaton muuttuja (esimerkiksi aika) että taso ovat diskreettejä. [5]

Jotta analoginen signaali voidaan esittää äärellisen bittisyvyyden lukujonona, se on ensin muutettava diskreetiksi signaaliksi ja sitten kvantisoitava . Kvantisointi on diskretisoinnin erikoistapaus, kun diskretisointi tapahtuu samassa suuressa, jota kutsutaan kvantiksi. Tämän seurauksena signaali esitetään siten, että jokaisella aikavälillä tiedetään signaalin likimääräinen (kvantisoitu) arvo, joka voidaan kirjoittaa kokonaislukuna . Tällaisten numeroiden sekvenssi on digitaalinen signaali.

Signaaliparametrit

Signaalin voimakkuus $P(t)=s^{2}(t)$
Spesifinen signaalienergia $E_{\text{ud}}=\int \limits _{-\infty }^{\infty }{s^{2}(t)dt}$
Signaalin kesto määrittää ajan, jonka aikana signaali on olemassa (eri kuin nolla); $T$
Dynaaminen alue on korkeimman hetkellisen signaalitehon suhde pienimpään:

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

Signaalispektrin leveys on taajuuskaista, jolle signaalin pääenergia on keskittynyt; $F$
Signaalikanta on signaalin keston ja sen spektrin leveyden tulo . On huomattava, että spektrin leveyden ja signaalin keston välillä on käänteinen suhde: mitä lyhyempi spektri, sitä pidempi signaalin kesto. Siten kannan arvo pysyy käytännössä ennallaan; $B = TF$
Signaali-kohinasuhde on yhtä suuri kuin hyödyllisen signaalitehon suhde kohinatehoon ;
Lähetetyn tiedon määrä luonnehtii signaalin siirtoon tarvittavan viestintäkanavan kaistanleveyttä. Se määritellään signaalin spektrin leveyden ja sen keston ja dynaamisen alueen tulona:

V = FTD

Signaalien ominaisuudet

GOST:ssa [D: 1] virallisesti määrätyt signaalin ominaisuudet ovat seuraavat.

Impulssien ominaisuudet

Liikemäärän spektrifunktio on monimutkainen funktio, joka on liikemäärän Fourier-muunnos.
Momenttispektrifunktiomoduuli
Momenttispektrifunktion argumentti

Periodisten signaalien ominaisuudet

Jaksollisen signaalin jakso on parametri, joka on yhtä suuri kuin pienin aikaväli, jonka läpi jaksollisen signaalin hetkelliset arvot toistuvat.
Jaksollisen signaalin taajuus on parametri, joka on jaksollisen signaalin jakson käänteisluku.
Jaksottaisen signaalin monimutkainen spektri - Diskreetin argumentin kompleksifunktio, joka on yhtä suuri kuin jaksollisen signaalin taajuusarvojen kokonaisluku, joka on jaksollisen signaalin kompleksisen Fourier-sarjan kertoimien arvot.
Jaksottaisen signaalin amplitudispektri — Diskreetin argumentin funktio, joka on jaksollisen signaalin kompleksisen spektrin moduuli.
Jaksollisen signaalin vaihespektri on diskreetin argumentin funktio, joka on jaksollisen signaalin kompleksisen spektrin argumentti.
Harmoninen on harmoninen signaali, jonka amplitudi ja alkuvaihe ovat samat kuin jaksollisen signaalin amplitudi- ja vaihespektrin arvot, vastaavasti, tietyllä argumentin arvolla.

Satunnaisten signaalien ominaisuudet

Yksiulotteinen todennäköisyystiheys on funktio, joka on yhtä suuri kuin satunnaisen signaalin tietyllä arvovälillä olevan todennäköisyyden suhteen raja tämän intervallin leveyteen, koska se pyrkii nollaan, ja sen argumentti on arvo joka intervalli supistuu
Korrelaatiofunktio on funktio, joka on yhtä suuri kuin satunnaissignaalin muuttuvan komponentin ja saman muuttuvan komponentin tulon keskiarvo, mutta tietyn ajan viiveellä.
Normalisoitu korrelaatiofunktio - funktio, joka on yhtä suuri kuin satunnaissignaalin korrelaatiofunktion suhde sen varianssiin
Energiaspektri on funktio, joka edustaa korrelaatiofunktion Fourier-muunnosta, jonka argumentti on taajuus

Signaalin vuorovaikutuksen ominaisuudet

Signaali-häiriösuhde on signaalin ja häiriön voimakkuutta kuvaavien suureiden suhde.
Modulaatiokerroin "ylös" - kerroin, joka on yhtä suuri kuin modulaatiolain huippupoikkeaman "ylös" suhde sen vakiokomponenttiin amplitudimodulaation aikana.
Modulaatiokerroin "alas" - kerroin, joka on yhtä suuri kuin modulaatiolain huippupoikkeaman "alas" suhde sen vakiokomponenttiin amplitudimodulaation aikana.
Taajuuspoikkeama "ylös" - modulaatiolain huippupoikkeama "ylös" taajuusmodulaation aikana.
Taajuuspoikkeama "alas" - modulaatiolain huippupoikkeama "alas" taajuusmodulaation aikana.
Kulmamodulaatioindeksi - vaihemoduloidun signaalin modulaatiolain huippupoikkeama harmonisen modulaatiolain kanssa

Signaalin yhteenliittämisen ominaisuudet

Ristikorrelaatiofunktio on funktio, joka on yhtä suuri kuin yhden satunnaissignaalin muuttuvan komponentin ja tietyn ajan viiveellä olevan toisen satunnaissignaalin muuttuvan komponentin tulon keskiarvo.
Ristienergiaspektri — Funktion, joka edustaa ristikorrelaatiofunktion Fourier-muunnosta, jonka argumentti on taajuus
Viiveaika on parametri, joka on yhtä suuri kuin yhden signaalin aikasiirtymän arvo, jolloin se on identtisesti sama kuin toisen signaalin vakiotekijään ja vakiotermiin asti.
Vaihesiirto on kahden samalla taajuudella olevan harmonisen signaalin alkuvaiheiden välisen eron moduuli.

Signaalin vääristymien ominaisuudet

Harmoninen kerroin on kerroin, joka kuvaa tietyn jaksollisen signaalin ja harmonisen muodon välistä eroa, joka on yhtä suuri kuin signaalin kaikkien harmonisten, paitsi ensimmäistä, summan rms-jännitteen suhde rms-jännitteeseen. ensimmäinen harmoninen.
Suhteellinen signaalin poikkeama lineaarisesta laista on kerroin, joka on yhtä suuri kuin tietyn signaalin absoluuttisen poikkeaman (40) suhde suorasta viivasta, joka yhdistää tietyn aikavälin alkua ja loppua vastaavat hetkelliset signaaliarvot maksimiin. signaalin arvo samalla aikavälillä
Signaalin epälineaarisuuskerroin on kerroin, joka on yhtä suuri kuin signaaliderivaatan amplitudin suhde tietyllä aikavälillä derivaatan maksimiarvoon samalla aikavälillä.
Signaalien absoluuttinen poikkeama on tietyn ajanjakson aikana samanaikaisesti otettujen signaalien hetkellisten arvojen välisen eron enimmäisarvo.

Yksityisyys

Signaali ja tapahtuma

Tapahtuma (huomautuksen vastaanotto, soihdun tarkkailu, symbolin vastaanotto lennättimellä) on signaali vain siinä suhdejärjestelmässä, jossa viesti tunnistetaan merkittäväksi (esim. taisteluolosuhteissa soihdutus on tapahtuma sillä on merkitystä vain sille tarkkailijalle, jolle se on osoitettu). Ilmeisesti , että analyyttisesti annettu signaali ei ole tapahtuma eikä sisällä tietoa, jos signaalifunktio ja sen parametrit ovat havainnoijan tiedossa.

Suunnittelussa signaali on aina tapahtuma. Toisin sanoen tapahtuma - jonkin teknisen järjestelmän komponentin tilan muutos, jonka järjestelmälogiikka tunnistaa merkittäväksi, on signaali. Tapahtuma, jota tietty loogisten tai teknisten suhteiden järjestelmä ei tunnista merkittäväksi, ei ole signaali.

Signaalin esitys ja spektri

On kaksi tapaa esittää signaali määrittelyalueesta riippuen: ajallinen ja taajuus. Ensimmäisessä tapauksessa signaali esitetään ajan funktiona, joka kuvaa sen parametrin muutosta. $s(t)$

Signaalien ja toimintojen tavanomaisen ajallisen esityksen lisäksi datan analysoinnissa ja käsittelyssä käytetään laajasti signaalien kuvausta taajuusfunktioilla. Itse asiassa mikä tahansa signaali, joka on muodoltaan mielivaltaisen monimutkainen, voidaan esittää yksinkertaisempien signaalien summana ja erityisesti yksinkertaisimpien harmonisten värähtelyjen summana, joiden kokonaisuutta kutsutaan signaalin taajuusspektriksi .

Vaihtaaksesi taajuuden esitystapaan, käytetään Fourier-muunnosta :

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

Funktiota kutsutaan spektrifunktioksi tai spektritiheydeksi. Koska spektrifunktio on monimutkainen, voidaan puhua amplitudispektristä ja vaihespektristä . $S(\omega)$ $S(\omega)$ $|S(\omega )|$ $\phi (\omega )=arg(S(\omega ))$

Spektrifunktion fyysinen merkitys: signaali esitetään summana äärettömästä sarjasta harmonisia komponentteja (sinusoideja), joiden amplitudit täyttävät jatkuvasti taajuusvälin välillä - , ja alkuvaiheet . $s(t)$ ${\frac {|S(\omega )|}{\pi }}d\omega$ $0$ $\infty$ $\phi (\omega)$

Spektrifunktion ulottuvuus on signaalin ulottuvuus kertaa aika.

Radiotekniikassa

Radiotekniikassa koodauksen pääelementti on signaalimodulaatio . Tällöin yleensä ajatellaan lähes harmonista signaalia muotoa s(t) = A sin(2πf t + φ) , jossa amplitudi A, taajuus f tai vaihe φ hitaasti (suhteessa sinin muutosnopeuteen) ) muuttuvat lähetetyn tiedon mukaan (amplitudi, taajuus tai vaihemodulaatio, vastaavasti).

Stokastiset signaalimallit olettavat, että joko itse signaali tai sen kuljettama informaatio on satunnaista. Stokastinen signaalimalli muotoillaan usein yhtälöksi, joka yhdistää signaalin kohinaan, joka tässä tapauksessa jäljittelee monia mahdollisia informaatiosanomia ja jota kutsutaan muokkauskohinaksi , toisin kuin häiritsevä havaintokohina .

Skalaarisignaalimallin yleistystä ovat esimerkiksi vektorisignaalimallit, jotka ovat yksittäisten skalaarifunktioiden järjestettyjä joukkoja, joilla on tietty vektorikomponenttien suhde toisiinsa. Käytännössä vektorimalli vastaa erityisesti useiden vastaanottimien samanaikaista signaalin vastaanottoa ja sitä seuraavaa yhteiskäsittelyä. Toinen signaalin käsitteen laajennus on sen yleistäminen kenttien tapaukseen.

Katso myös

Muistiinpanot

↑ Signaali // Nykytekniikan tietosanakirja. Tuotannon ja teollisuuselektroniikan automatisointi. Osa 3 (Päätösvirhe - Frequency Telemetering System) - M.: Soviet Encyclopedia, 1964
↑ Franks, 1974 , s. 9.
↑ 1 2 3 Oppenheim, 1979 , s. viisitoista.
↑ 1 2 Voshni, 1987 , luku 2. Tiedonkeruun teoreettiset perusteet, § 2.1. Peruskäsitteet ja määritelmät, s. 14-16.
↑ 1 2 Oppenheim, 2006 , s. 28.
↑ Lyons, 2006 , s. 22.

Kirjallisuus

Kirjat

↑ Franks L. Signaaliteoria / Per. englannista. toim. D. E. Vakmana .. - M . : Sov. radio, 1974. - 344 s. — 16 500 kappaletta.
↑ A. Oppenheim, R. Schafer. Digitaalinen signaalinkäsittely / Per. englannista - M . : Viestintä, 1979. - 416 s.
↑ Gonorovsky I. S. Radiopiirit ja signaalit. - M . : Radio ja viestintä, 1986. - 512 s.
↑ Kulikovsky L. F. , Molotov V. V. Tietoprosessien teoreettiset perusteet. - M . : Korkeakoulu, 1987. - 248 s.
↑ Kraus M. , Kuchbakh E. , Voshni O.-G. Tiedonkeruu ohjauslaskentajärjestelmissä / Per. saksan kielen kanssa .. - M . : Mir, 1987. - 294 s. - 20 000 kappaletta.
↑ Osipov L. A. Signaalinkäsittely digitaalisissa prosessoreissa. Lineaarinen approksimaatiomenetelmä. - M . : Hot line - Telecom, 2001. - 114 s.
↑ Ivanov M. T. , Sergienko A. B. , Ushakov V. N. Radiotekniikan teoreettiset perusteet / Toim. V. N. Ushakov . - M . : Higher School, 2002. - 306 s.
↑ Richard Lionas. Digitaalinen signaalinkäsittely. - M .: Binom-Press LLC, 2006. - 656 s. — ISBN 978-5-9518-0149-4 .
↑ A. Oppenheim, R. Schafer. Digitaalinen signaalinkäsittely / Per. englannista - M . : Technosfera, 2006. - 856 s. - 1500 kappaletta. - ISBN 978-5-94836-077-6 .

Normatiiviset asiakirjat

↑ 1 2 GOST 16465-70 Radiotekniikan mittaussignaalit. Termit ja määritelmät . docs.cntd.ru. Haettu 4. kesäkuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 20. kesäkuuta 2017. (määrätön)
↑ 1 2 GOST 26.013-81 Mittaus- ja automaatiolaitteet. Sähköiset signaalit tulo - ja lähtöparametrien diskreetillä muutoksilla . docs.cntd.ru. Haettu 21. huhtikuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 27. huhtikuuta 2020. (määrätön)

Linkit

Luentokurssi: Radioelektroniikan ja viestinnän perusteet . Haettu: 7. maaliskuuta 2010. (Venäjän kieli)
Koulutus- ja metodologinen kompleksi: Signaalinkäsittelymenetelmät ja keinot (pääsemätön linkki) . Käyttöpäivä: 7. maaliskuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 18. helmikuuta 2012. (Venäjän kieli)
Radiosignaalitietokanta

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Suuri tanskalainen Britannica (verkossa)
Bibliografisissa luetteloissa	NDL : 00571026 NKC : ph125525