Сигнал

Поделись знанием:


Ты - не раб!
Закрытый образовательный курс для детей элиты: "Истинное обустройство мира".
http://noslave.org

Перейти к: навигация, поиск

Сигна́л — код (символ, знак), созданный и переданный в пространство (по каналу связи) одной системой, либо возникший в процессе взаимодействия нескольких систем. Смысл и значение сигнала проявляются в процессе его регистрации второй (принимающей) системой.

Сигна́лтеории 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.







Классификация сигналов

По физической природе носителя информации:

  • электрические;
  • электромагнитные;
  • оптические;
  • акустические

и другие;

По способу задания сигнала:

  • регулярные (детерминированные), заданные аналитической функцией;
  • нерегулярные (случайные), принимающие произвольные значения в любой момент времени. Для описания таких сигналов используется аппарат теории вероятностей.

В зависимости от функции, описывающей параметры сигнала, выделяют аналоговые, дискретные, квантованные и цифровые сигналы:

Аналоговый сигнал (АС)

Файл:Waveformoriginal.png
Аналоговый сигнал

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 цифровую систему для обработки невозможно, так как на любом интервале времени он может иметь бесконечное множество значений, и для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому очень часто необходимо преобразовывать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности.

Дискретный сигнал

Файл:Sampled.signal.svg
Дискретный сигнал

Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени ti (где i — индекс). Обычно промежутки времени между последовательными отсчётами (Δti = ti − ti−1) постоянны; в таком случае, Δt называется интервалом дискретизации. Сами же значения сигнала x(t) в моменты измерения, то есть xi = x(ti), называются отсчётами.

Квантованный сигнал

Файл:Quantized.signal.svg
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

Файл:Digital.signal.svg
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. Последовательность таких чисел и будет являться цифровым сигналом.

Сигнал и событие

Событие (получение записки, наблюдение сигнальной ракеты, приём 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 Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): s(t) 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:

Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): S(\omega) = \int\limits_{-\infty}^{+\infty} s(t)e^{-j\omega t}\,dt .

Функция Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): S(\omega) называется спектральной функцией или спектральной плотностью. Поскольку спектральная функция Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): S(\omega) является комплексной, то можно говорить о спектре амплитуд Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): |S(\omega)| и спектре фаз Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): \phi(\omega)=arg(S(\omega)) .

Физический смысл спектральной функции: сигнал Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): s(t) представляется в виде суммы бесконечного ряда гармонических составляющих (синусоид) с амплитудами Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): \frac{|S(\omega)|}{\pi}d\omega , непрерывно заполняющими интервал частот от Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): 0 до Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): \infty , и начальными фазами Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): \phi(\omega) .

Размерность спектральной функции есть размерность сигнала, умноженная на время.

Параметры сигналов

  • Мощность сигнала Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): P(t)=s^2(t)
  • Удельная энергия сигнала Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): E_\text{уд}= \int\limits_{-\infty}^\infty {s^2(t) dt}
  • Длительность сигнала Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): T определяет интервал времени, в течение которого сигнал существует (отличен от нуля);
  • Динамический диапазон есть отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к наименьшей:
Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): D = 10 \lg \frac{P_{max}}{P_{min}}
  • Ширина спектра сигнала Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): F  — полоса частот, в пределах которой сосредоточена основная энергия сигнала;
  • База сигнала есть произведение длительности сигнала на ширину его спектра Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): B=TF . Необходимо отметить, что между шириной спектра и длительностью сигнала существует обратно пропорциональная зависимость: чем короче спектр, тем больше длительность сигнала. Таким образом, величина базы остается практически неизменной;
  • Отношение сигнал/шум равно отношению мощности полезного сигнала к мощности шума;
  • Объём передаваемой информации характеризует пропускную способность канала связи, необходимую для передачи сигнала. Он определяется как произведение ширины спектра сигнала на его длительность и динамический диапазон:
Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл <code>texvc</code> не найден; См. math/README — справку по настройке.): V=FTD

В радиотехнике

В радиотехнике основным элементом кодирования является модуляция сигнала. При этом обычно рассматривается близкий к гармоническому сигнал вида s(t) = A sin(2πf·t + 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, соответственно).

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 приёму сигнала несколькими приёмниками с последующей совместной обработкой. Ещё одним расширением понятия сигнала является его обобщение на случай полей.

См. также

Напишите отзыв о статье "Сигнал"

Литература

  • Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. — М.: Радио и связь, 1986. — 512 с.
  • Иванов М. Т., Сергиенко А. Б., Ушаков В. Н. Теоретические основы радиотехники / Под ред. В. Н. Ушакова. — М.: Высшая школа, 2002. — 306 с.
  • Куликовский Л. Ф., Молотов В. В. Теоретические основы информационных процессов. — М.: Высшая школа, 1987. — 248 с.
  • Осипов Л. А. Обработка сигналов на цифровых процессорах. Линейно-аппроксимирующий метод. — М.: Горячая линия — Телеком, 2001. — 114 с.

Ссылки

  • [http://jstonline.narod.ru/rsw/course_cont.htm#rsw_b0 Курс лекций:Основы радиоэлектроники и связи] (рус.). Проверено 7 марта 2010. [http://www.webcitation.org/65YVUdCLG Архивировано из первоисточника 19 февраля 2012].
  • [http://www.edu.nstu.ru/courses/msos/ Учебно-методический комплекс: Методы и средства обработки сигналов] (рус.). Проверено 7 марта 2010. [http://www.webcitation.org/65YVVRjy7 Архивировано из первоисточника 19 февраля 2012].
  • [http://signals.radioscanner.ru/base/ База данных по радиосигналам]

Отрывок, характеризующий Сигнал

Чьи-то хрупкие, хорошие жизни только что так легко оборвавшись, белым облачком улетели в другой мир, и мне стало вдруг очень печально, как будто вместе с ними улетела капелька моей одинокой души... Очень хотелось верить, что милая девочка Катя обретёт хоть какое-то счастье в ожидании своего возвращения «домой»... И было искренне жаль всех тех, кто не имел приходящих «тётей», чтобы хоть чуточку облегчить свой страх, и кто в ужасе метался уходя в тот дугой, незнакомый и пугающий мир, даже не представляя, что их там ждёт, и не веря, что это всё ещё продолжается их «драгоценная и единственная» ЖИЗНЬ...

Незаметно летели дни. Проходили недели. Понемногу я стала привыкать к своим необычным каждодневным визитёрам... Ведь все, даже самые неординарные события, которые мы воспринимаем в начале чуть ли не как чудо, становятся обычным явлениям, если они повторяются регулярно. Вот так и мои чудесные «гости», которые в начале меня так сильно изумляли, стали для меня уже почти что обычным явлением, в которое я честно вкладывала часть своего сердца и готова была отдать намного больше, если только это могло бы кому-то помочь. Но невозможно было вобрать в себя всю ту нескончаемую людскую боль, не захлебнувшись ею и не разрушив при этом себя саму. Поэтому я стала намного осторожнее и старалась помогать уже не открывая при этом все «шлюзы» своих бушующих эмоций, а пыталась оставаться как можно более спокойной и, к своему величайшему удивлению, очень скоро заметила, что именно таким образом я могу намного больше и эффективнее помочь, совершенно при этом не уставая и тратя на всё это намного меньше своих жизненных сил.
Казалось бы, моё сердце давно должно было бы «замкнуться», окунувшись в такой «водопад» человеческой грусти и тоски, но видимо радость за наконец-то обретённый столь желанный покой тех, кому удавалось помочь, намного превышала любую грусть, и мне хотелось делать это без конца, насколько тогда хватало моих, к сожалению, всего лишь ещё детских, сил.
Так я продолжала непрерывно с кем-то беседовать, кого-то где-то искать, кому-то что-то доказывать, кого-то в чём-то убеждать, а если удавалось, кого-то даже и успокаивать…
Все «случаи» были чем-то друг на друга похожи, и все они состояли из одинаковых желаний «исправить» что-то, что в «прошедшей» жизни не успели прожить или сделать правильно. Но иногда случалось и что-то не совсем обычное и яркое, что накрепко отпечатывалось в моей памяти, заставляя снова и снова к этому возвращаться…
В момент «ихнего» появления я спокойно сидела у окна и рисовала розы для моего школьного домашнего задания. Как вдруг очень чётко услышала тоненький, но очень настойчивый детский голосок, который почему-то шёпотом произнёс:
– Мама, мамочка, ну, пожалуйста! Мы только попробуем… Я тебе обещаю… Давай попробуем?..
Воздух посередине комнаты уплотнился, и появились две, очень похожие друг на друга, сущности, как потом выяснилось – мама и её маленькая дочь. Я ждала молча, удивлённо за ними наблюдая, так как до сих пор ко мне всегда приходили исключительно по одному. Поэтому, вначале я подумала, что одна из них вероятнее всего должна быть такая же, как я – живая. Но никак не могла определить – которая, так как, по моему восприятию, живых среди этих двух не было...
Женщина всё молчала, и девочка, видимо не выдержав дольше, чуть-чуть до неё дотронувшись, тихонько прошептала:
– Мама!..
Но никакой реакции не последовало. Мать казалась абсолютно ко всему безразличной, и лишь рядом звучавший тоненький детский голосок иногда способен был вырвать её на какое-то время из этого жуткого оцепенения и зажечь маленькую искорку в, казалось, навсегда погасших зелёных глазах...
Девочка же наоборот – была весёлой и очень подвижной и, казалось, чувствовала себя совершенно счастливой в том мире, в котором она в данный момент обитала.
Я никак не могла понять, что же здесь не так и старалась держаться как можно спокойнее, чтобы не спугнуть своих странных гостей.
– Мама, мама, ну говори же!!! – видно опять не выдержала девчушка.
На вид ей было не больше пяти-шести лет, но главенствующей в этой странной компании, видимо, была именно она. Женщина же всё время молчала.
Я решила попробовать «растопить лёд» и как можно ласковее спросила:
– Скажите, могу ли я вам чем-то помочь?
Женщина грустно на меня посмотрела и наконец-то проговорила:
– Разве мне можно помочь? Я убила свою дочь!..
У меня мурашки поползли по коже от такого признания. Но девочку это, видимо, абсолютно не смутило и она спокойно произнесла:
– Это неправда, мама.
– А как же было на самом деле? – осторожно спросила я.
– На нас наехала страшно большая машина, а мама была за рулём. Она думает, что это её вина, что она не могла меня спасти. – Тоном маленького профессора терпеливо объяснила девочка. – И вот теперь мама не хочет жить даже здесь, а я не могу ей доказать, как сильно она мне нужна.
– И что бы ты хотела, чтобы сделала я? – спросила я её.
– Пожалуйста, не могла бы ты попросить моего папу, чтобы он перестал маму во всём обвинять? – вдруг очень грустно спросила девочка. – Я очень здесь с ней счастлива, а когда мы ходим посмотреть на папу, она потом надолго становится такой, как сейчас…
И тут я поняла, что отец видимо очень любил эту малышку и, не имея другой возможности излить куда-то свою боль, во всём случившимся обвинял её мать.
– Хотите ли вы этого также? – мягко спросила у женщины я.
Она лишь грустно кивнула и опять намертво замкнулась в своём скорбном мире, не пуская туда никого, включая и так беспокоившуюся за неё маленькую дочь.
– Папа хороший, он просто не знает, что мы ещё живём. – Тихо сказала девочка. – Пожалуйста, ты скажи ему…
Наверное, нет ничего страшнее на свете, чем чувствовать на себе такую вину, какую чувствовала она... Её звали Кристина. При жизни она была жизнерадостной и очень счастливой женщиной, которой, во время её гибели, было всего лишь двадцать шесть лет. Муж её обожал…
Её маленькую дочурку звали Вэста, и она была первым в этой счастливой семье ребёнком, которого обожали все, а отец просто не чаял в ней души…
Самого же главу семьи звали Артур, и он был таким же весёлым, жизнерадостным человеком, каким до смерти была его жена. И вот теперь никто и ничто не могло ему помочь найти хоть какой-то покой в его истерзанной болью душе. И он растил в себе ненависть к любимому человеку, своей жене, пытаясь этим оградить своё сердце от полного крушения.
– Пожалуйста, если ты пойдёшь к папе, не пугайся его… Он иногда бывает странным, но это когда он «не настоящий». – Прошептала девочка. И чувствовалось, что ей неприятно было об этом говорить.
Я не хотела спрашивать и этим ещё больше её огорчать, поэтому решила, что разберусь сама.
Я спросила у Вэсты, кто из них хочет мне показать, где они жили до своей гибели, и живёт ли там всё ещё её отец? Место, которое они назвали, меня чуть огорчило, так как это было довольно-таки далеко от моего дома, и чтобы добраться туда, требовалось немало времени. Поэтому так сразу я не могла ничего придумать и спросила моих новых знакомых, смогут ли они появиться вновь хотя бы через несколько дней? И получив утвердительный ответ, «железно» им пообещала, что обязательно встречусь за это время с их мужем и отцом.
Вэста лукаво на меня глянула и сказала:
– Если папа не захочет тебя сразу выслушать, ты скажи ему, что его «лисёнок» очень по нему скучает. Так папа называл меня только, когда мы были с ним одни, и кроме него этого не знает больше никто...
Её лукавое личико вдруг стало очень печальным, видимо вспомнив что-то очень ей дорогое, и она вправду стала чем-то похожа на маленького лисёнка…
– Хорошо, если он мне не поверит – я ему это скажу. – Пообещала я.
Фигуры, мягко мерцая, исчезли. А я всё сидела на своём стуле, напряжённо пытаясь сообразить, как же мне выиграть у моих домашних хотя бы два-три свободных часа, чтобы иметь возможность сдержать данное слово и посетить разочарованного жизнью отца...
В то время «два-три часа» вне дома было для меня довольно-таки длинным промежутком времени, за который мне стопроцентно пришлось бы отчитываться перед бабушкой или мамой. А, так как врать у меня никогда не получалось, то надо было срочно придумать какой-то реальный повод для ухода из дома на такое длительное время.
Подвести моих новых гостей я никоим образом не могла...
На следующий день была пятница, и моя бабушка, как обычно собиралась на рынок, что она делала почти каждую неделю, хотя, если честно, большой надобности в этом не было, так как очень многие фрукты и овощи росли в нашем саду, а остальными продуктами обычно были битком набиты все ближайшие продовольственные магазины. Поэтому, такой еженедельный «поход» на рынок наверняка был просто-напросто символичным – бабушка иногда любила просто «проветриться», встречаясь со своими друзьями и знакомыми, а также принести всем нам с рынка что-то «особенно вкусненькое» на выходные дни.
Я долго крутилась вокруг неё, ничего не в силах придумать, как бабушка вдруг спокойно спросила:
– Ну и что тебе не сидится, или приспичило что?..
– Мне уйти надо! – обрадовавшись неожиданной помощи, выпалила я. – Надолго.
– Для других или для себя? – прищурившись спросила бабушка.
– Для других, и мне очень надо, я слово дала!
Бабушка, как всегда, изучающе на меня посмотрела (мало кто любил этот её взгляд – казалось, что она заглядывает прямо тебе в душу) и наконец сказала:
– К обеду чтобы была дома, не позже. Этого достаточно?
Я только кивнула, чуть не подпрыгивая от радости. Не думала, что всё обойдётся так легко. Бабушка часто меня по-настоящему удивляла – казалось, она всегда знала, когда дело было серьёзно, а когда был просто каприз, и обычно, по-возможности, всегда мне помогала. Я была очень ей благодарна за её веру в меня и мои странноватые поступки. Иногда я даже была почти что уверена, что она точно знала, что я делала и куда шла… Хотя, может и вправду знала, только я никогда её об этом не спрашивала?..
Мы вышли из дома вместе, как будто я тоже собиралась идти с ней на рынок, а за первым же поворотом дружно расстались, и каждая уже пошла своей дорогой и по своим делам…
Дом, в котором всё ещё жил отец маленькой Вэсты был в первом у нас строящемся «новом районе» (так называли первые многоэтажки) и находился от нас примерно в сорока минутах быстрой ходьбы. Ходить я очень любила всегда, и это не доставляло мне никаких неудобств. Только я очень не любила сам этот новый район, потому что дома в нём строились, как спичечные коробки – все одинаковые и безликие. И так как место это только-только ещё начинало застраиваться, то в нём не было ни одного дерева или любой какой-нибудь «зелени», и оно было похожим на каменно-асфальтовый макет какого-то уродливого, ненастоящего городка. Всё было холодным и бездушным, и чувствовала я себя там всегда очень плохо – казалось, там мне просто не было чем дышать...
И ещё, найти номера домов, даже при самом большом желании, там было почти что невозможно. Как, например, в тот момент я стояла между домами № 2 и № 26, и никак не могла понять, как же такое может быть?!. И гадала, где же мой «пропавший» дом № 12?.. В этом не было никакой логики, и я никак не могла понять, как люди в таком хаосе могут жить?
Наконец-то с чужой помощью мне удалось каким-то образом найти нужный дом, и я уже стояла у закрытой двери, гадая, как же встретит меня этот совершенно мне незнакомый человек?..