Signal

Im Das Signal durch William Powell Frith, Eine Frau sendet ein Signal, indem er ein weißes Taschentuch schwenkt.

Im Signalverarbeitung, a Signal ist eine Funktion, die vermittelt Information über ein Phänomen.^[1] Jede Menge, die über den Raum oder die Zeit variieren kann, kann als Signal verwendet werden, um Nachrichten zwischen Beobachtern zu teilen.^[2] Das IEEE -Transaktionen zur Signalverarbeitung inklusive Audio-, Video, Rede, Bild, Sonar, und Radar als Beispiele für Signal.^[3] Ein Signal kann auch definiert werden als irgendein Beobachtbare Veränderung einer Menge über Raum oder Zeit, auch wenn sie keine Informationen enthält.^[4]

In der Natur können Signale von einem Organismus Maßnahmen erfolgen, um andere Organismen zu alarmieren, die von der Freisetzung von Pflanzenchemikalien bis hin zu Pflanzen in der Nähe von Pflanzen und Anträgen von Tieren bis hin zu anderen Tieren der Nahrung reichen. Signalübertragung tritt in allen Organismen auch in zellulären Ebenen mit Zellsignalisierung. Signaltheorie, in Evolutionsbiologieschlägt vor, dass ein erheblicher Fahrer für Evolution ist die Fähigkeit für Tiere, miteinander zu kommunizieren, indem sie Signalweisen entwickeln. In der menschlichen Technik werden Signale normalerweise von a bereitgestellt Sensorund oft wird die ursprüngliche Form eines Signals mit a in eine andere Form der Energie umgewandelt Wandler. Zum Beispiel a Mikrofon konvertiert ein akustisches Signal in eine Spannungswellenform und a Lautsprecher macht das Gegenteil.^[1]

Eine weitere wichtige Eigenschaft eines Signals ist seine Entropie oder Informationsgehalt. Informationstheorie dient als formales Studium der Signale und deren Inhalt. Die Informationen eines Signals werden häufig von begleitet von Lärm, die sich hauptsächlich auf unerwünschte Modifikationen von Signalen beziehen, aber oft um unerwünschte Signale ausgeweitet wird, die mit den gewünschten Signalen widersprüchlich sind (mit den gewünschten Signalen (Übersprechen). Die Reduzierung des Rauschens wird teilweise unter der Überschrift von bedeckt Signalintegrität. Die Trennung der gewünschten Signale von Hintergrundrauschen ist das Feld von Signalwiederherstellung,^[5] ein Zweig davon ist Schätztheorie, ein probabilistischer Ansatz zur Unterdrückung von zufälligen Störungen.

Engineering -Disziplinen wie Elektrotechnik haben das Design, die Studie und die Umsetzung von Systemen beteiligt Übertragung, Lagerung, und Manipulation von Informationen. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts trennte sich die Elektrotechnik selbst in mehrere Disziplinen: elektronisches Ingenieurwesen und Technische Informatik entwickelt, um sich auf das Design und die Analyse von Systemen spezialisiert zu haben, die physikalische Signale manipulieren, während Design-Ingenieur entwickelt, um das funktionale Design von Signalen in zu beheben Benutzer -Machine -Schnittstellen.

Definitionen

Definitionen, die für Unterfelder spezifisch sind, sind häufig.

• Im Elektronik und Telekommunikation, Signal bezieht sich auf jede zeitlich variierende Stromspannung, aktuell, oder Elektromagnetische Welle Das trägt Informationen.
• Im SignalverarbeitungSignale sind analoge und digitale Darstellungen analogen physikalischen Mengen.
• Im Informationstheorie, ein Signal ist eine kodifizierte Nachricht, dh die Abfolge von Zustände in einem Kommunikationskanal Das codiert eine Nachricht.
• In einem Kommunikationssystem a Sender codiert a Botschaft um ein Signal zu erstellen, das zu a getragen wird Empfänger durch den Kommunikationskanal. Zum Beispiel die Wörter "Mary hatte ein kleines Lamm"Könnte die in a gesprochene Nachricht sein Telefon. Der Telefonsender wandelt die Geräusche in ein elektrisches Signal um. Das Signal wird durch Drähte an das Empfangstelefon übertragen. Am Empfänger wird es in Geräusche umgewandelt.
• In Telefonnetzwerken, Signalisierung, zum Beispiel Common-Channel-Signalübertragung, bezieht sich eher auf Telefonnummer und andere digitale Steuerungsinformationen als auf das tatsächliche Sprachsignal.

Einstufung

Signale können auf verschiedene Weise kategorisiert werden. Das Üblichste^{[Überprüfung erforderlich]} Die Unterscheidung besteht zwischen diskreten und kontinuierlichen Räumen, über die die Funktionen beispielsweise diskrete und kontinuierliche Zeitbereiche definiert sind. Diskrete Signale werden oft als als bezeichnet als Zeitfolgen in anderen Bereichen. Kontinuierliche Zeitsignale werden oft als als bezeichnet als kontinuierliche Signale.

Eine zweite wichtige Unterscheidung ist zwischen diskretem Wert und kontinuierlich bewertet. Speziell in digitale Signalverarbeitung, a Digitalsignal kann als eine Abfolge diskreter Werte definiert werden, die typischerweise mit einem zugrunde liegenden kontinuierlichen physikalischen Prozess verbunden sind. Im Digitale ElektronikDigitale Signale sind die Wellenformsignale für kontinuierliche Zeit in einem digitalen System, die einen Bitstrom darstellen.

Signale können auch nach ihren räumlichen Verteilungen als Punktquellsignale (PSSS) oder verteilte Quellsignale (DSS) kategorisiert werden.^[2]

In Signalen und Systemen können Signale hauptsächlich nach vielen Kriterien klassifiziert werden: gemäß dem unterschiedlichen Wertemerkmal, in einklassifiziert in Analoge Signale und Digitale Signale; gemäß der Bestimmung von Signalen, die in deterministische Signale und zufällige Signale eingeteilt sind; laut dem Stärke der Signale, in Energiesignale und Leistungssignale eingeteilt.

Analog- und digitale Signale

Ein digitales Signal hat zwei oder unterscheidbare Wellenformen, in diesem Beispiel hohe Spannung und niedrige Spannungen, die jeweils auf eine Ziffer zugeordnet werden können. Charakteristisch gesehen kann Rauschen aus digitalen Signalen entfernt werden, sofern es nicht zu extrem ist.

Zwei Haupttypen von Signalen, die in der Praxis auftreten, sind Analog und Digital. Die Abbildung zeigt ein digitales Signal, das sich aus der Apparation eines analogen Signals durch seine Werte zum bestimmten Zeitpunkt ergibt. Digitale Signale sind quantisiert, während analoge Signale kontinuierlich sind.

Analogsignal

Ein analoges Signal ist jeder kontinuierliches Signal für die die zeitlich variierende Merkmale des Signals eine Darstellung einer anderen Zeit ist, die variierende Menge, d. H.,, analog zu einem anderen Zeitpunkt variieren Signal. Zum Beispiel in einem Analogon Audiosignal, Im Momentan Stromspannung des Signals variiert kontinuierlich mit dem Schalldruck. Es unterscheidet sich von a Digitalsignal, in der die kontinuierliche Menge eine Darstellung einer Sequenz von ist diskrete Werte Dies kann nur eine endliche Anzahl von Werten annehmen.^[6][7]

Der Begriff Analogsignal bezieht sich normalerweise auf elektrische Signale; Analoge Signale können jedoch andere Medien verwenden, wie z. mechanisch, pneumatisch oder hydraulisch. Ein analoges Signal verwendet eine Eigenschaft des Mediums, um die Informationen des Signals zu vermitteln. Zum Beispiel eine Aneroidbarometer Verwendet die Rotationsposition als Signal, um Druckinformationen zu vermitteln. In einem elektrischen Signal die Stromspannung, aktuell, oder Frequenz des Signals kann variiert werden, um die Informationen darzustellen.

Alle Informationen können durch ein analoges Signal vermittelt werden. Oft ist ein solches Signal eine gemessene Reaktion auf Änderungen der physikalischen Phänomene, wie z. Klang, hell, Temperatur, Position, oder Druck. Die physikalische Variable wird durch a in ein analoges Signal umgewandelt Wandler. Zum Beispiel bei Schallaufzeichnungen, Schwankungen des Luftdrucks (das heißt, Klang) Schlagen Sie das Zwerchfell von a Mikrofon was entsprechende elektrische Schwankungen induziert. Die Spannung oder der Strom soll eine sein Analog des Klangs.

Digitalsignal

Ein binäres Signal, auch als logisches Signal bezeichnet, ist ein digitales Signal mit zwei unterscheidbaren Werten

Ein digitales Signal ist ein Signal, das aus einem diskreten Satz von konstruiert wird Wellenformen einer physikalischen Menge, um eine Sequenz von darzustellen diskret Werte.^[8][9][10] A Logiksignal ist ein digitales Signal mit nur zwei möglichen Werten,^[11][12] und beschreibt einen willkürlichen Bit Stream. Andere Arten von digitalen Signalen können darstellen dreiwertige Logik oder höher geschätzte Logik.

Alternativ kann ein digitales Signal als die Abfolge von Codes angesehen werden, die durch eine solche physikalische Menge dargestellt werden.^[13] Die physikalische Menge kann ein variabler elektrischer Strom oder eine Spannung, die Intensität, Phase oder sein Polarisation von einem optisch oder andere elektromagnetisches Feld, akustischer Druck, der Magnetisierung von a magnetischer Speicher Medien usw. Digitale Signale sind in allen vorhanden Digitale Elektronik, insbesondere Berechnung von Geräten und Datenübertragung.

Mit digitalen Signalen, Systemrauschen, vorausgesetzt, es ist nicht zu groß, wirkt sich keinen Einfluss auf den Systembetrieb, während Rauschen immer den Betrieb des Betriebs beeinträchtigt Analoge Signale Zu einem gewissen Grad.

Digitale Signale ergeben sich oft über durch Probenahme von analogen Signalen beispielsweise eine ständig schwankende Spannung auf einer Linie, die von einem digitalisiert werden kann Analog-Digital-Wandler Schaltung, wobei die Schaltung den Spannungspegel auf der Linie auf der Linie liest, beispielsweise alle 50Mikrosekunden und stellen Sie jede Lesung mit einer festen Anzahl von Bits dar. Der resultierende Zahlenstrom wird als digitale Daten zu einem diskreten und quantisierten Amplitudensignal gespeichert. Computers und andere Digital Geräte sind auf diskrete Zeit beschränkt.

Energie und Kraft

Nach den Stärken von Signalen können praktische Signale in zwei Kategorien eingeteilt werden: Energiesignale und Leistungssignale.^[14]

Energiesignale: diese Signale ' Energie sind gleich einem endlichen positiven Wert, aber ihre durchschnittlichen Kräfte sind 0;

$oder$

Leistungssignale: Durchschnitt der Signale Energie sind gleichbedeutend positiv Wert, aber ihre Energie sind unendlich.

$oder$

Deterministisch und zufällig

Deterministische Signale sind diejenigen, deren Werte jederzeit vorhersehbar sind und durch eine mathematische Gleichung berechnet werden können.

Zufällige Signale sind Signale, die zufällige Werte zu einem bestimmten Zeitpunkt annehmen und modelliert werden müssen stochistisch.^[15]

Geraden und ungeraden

Sogar und seltsame Signale

${\ displayStyle f (x) = x^{2}}$ ist ein Beispiel für ein gleichmäßiges Signal.

${\ displayStyle f (x) = x^{3}}$ ist ein Beispiel für ein seltsames Signal.

Ein sogar signalisieren erfüllt die Bedingung ${\ displayStyle x (t) = x (-t)}}$

oder gleichwertig, wenn die folgende Gleichung für alle gilt ${\ displayStyle t}$ und ${\ displayStyle -t}$ im Bereich von ${\ displayStyle x}$:

${\ displayStyle x (t) -x (-t) = 0.}$

Ein seltsames Signal erfüllt den Zustand ${\ displayStyle x (t) =-x (-t)}$

oder gleichwertig, wenn die folgende Gleichung für alle gilt ${\ displayStyle t}$ und ${\ displayStyle -t}$ im Bereich von ${\ displayStyle x}$:

${\ displayStyle x (t)+x (-t) = 0.}$

Periodisch

Ein Signal soll sein periodisch Wenn es den Zustand erfüllt:

${\ displayStyle x (t) = x (t+t)}}$ oder ${\ displayStyle x (n) = x (n+n)}$

Wo:

${\ displayStyle t}$ = grundlegende Zeit ZeitraumAnwesend

${\ displayStyle 1/t = f}$= grundlegend Frequenz.

Ein periodisches Signal wird für jeden Zeitraum wiederholt.

Zeitdiskretisierung

Diskretes Signal, das aus einem kontinuierlichen Signal von erzeugt wurde Probenahme

Signale können als klassifiziert werden als kontinuierlich oder Diskrete Zeit. In der mathematischen Abstraktion ist die Domäne eines kontinuierlichen Zeitsignals der Satz realer Zahlen (oder ein gewisses Intervall davon), während die Domäne eines diskreten Zeitsignals der Satz von ist Ganzzahlen (oder andere Untergruppen realer Zahlen). Was diese Ganzzahlen darstellen, hängt von der Art des Signals ab; Meistens ist es Zeit.

Ein kontinuierliches Signal ist jeder Funktion was bei jedem Mal definiert wird t In einem Intervall, am häufigsten ein unendliches Intervall. Eine einfache Quelle für ein diskretes Signal ist die Probenahme von einem kontinuierlichen Signal, das das Signal durch eine Sequenz seiner Werte zu bestimmten Zeitpunkten annähert.

Amplitudenquantisierung

Wenn ein Signal als Abfolge von Zahlen dargestellt werden soll, ist es unmöglich, die genaue Genauigkeit beizubehalten - jede Zahl in der Sequenz muss eine endliche Anzahl von Ziffern haben. Infolgedessen müssen die Werte eines solchen Signals sein quantisiert in ein endliche Menge für die praktische Darstellung. Quantisierung ist der Prozess der Konvertierung eines kontinuierlichen analogen Audiosignals in ein digitales Signal mit diskreten numerischen Werten von Ganzzahlen.

Beispiele für Signale

Natürlich vorkommende Signale können von verschiedenen in elektronischen Signalen umgewandelt werden Sensoren. Beispiele beinhalten:

• Bewegung. Die Bewegung eines Objekts kann als Signal angesehen werden und von verschiedenen Sensoren überwacht werden, um elektrische Signale bereitzustellen.^[16] Zum Beispiel, Radar kann ein elektromagnetisches Signal für die folgende Flugzeugbewegung liefern. Ein Bewegungssignal ist eindimensional (Zeit) und der Bereich ist im Allgemeinen dreidimensional. Position ist somit ein 3-Vektor-Signal; Die Position und Ausrichtung eines starren Körpers ist ein 6-Vektor-Signal. Orientierungssignale können mit a generiert werden Gyroskop.^[17]
• Klang. Da ist ein Geräusch a Vibration eines Mediums (wie Luft), ein Schallsignal assoziiert a Druck Wert für jeden Zeitwert und möglicherweise drei Raumkoordinaten, die die Fahrtrichtung anzeigen. Ein Schallsignal wird durch a in ein elektrisches Signal umgewandelt Mikrofon, erzeugen a Stromspannung Signal als Analogie des Schallsignals. Schallsignale können sein probiert an einer diskreten Reihe von Zeitpunkten; zum Beispiel, CDs (CDs) enthalten diskrete Signale, die Ton darstellen, aufgenommen bei 44.100 Hz; da CDs in aufgezeichnet werden in StereoJede Probe enthält Daten für einen linken und rechten Kanal, der als 2-Vektor-Signal angesehen werden kann. Die CD -Codierung wird durch Lesen der Informationen mit a in ein elektrisches Signal umgewandelt Laser-Umwandlung des Schallsignals in ein optisches Signal.^[18]
• Bilder. Ein Bild oder ein Bild besteht aus einer Helligkeit oder einem Farbsignal, eine Funktion einer zweidimensionalen Position. Das Aussehen des Objekts wird als emittiert oder reflektiert dargestellt hellein elektromagnetisches Signal. Es kann unter Verwendung von Geräten wie dem in Spannung oder Stromwellenformen umgewandelt werden Ladungsgekoppelte Gerät. Ein 2D -Bild kann eine kontinuierliche räumliche Domäne haben, wie auf einem traditionellen Foto oder Malerei; oder das Bild kann im Raum diskretisiert werden, wie in a digitales Bild. Farbbilder werden typischerweise als Kombination von monochromen Bildern in drei dargestellt Grundfarben.
• Videos. Ein Videosignal ist eine Abfolge von Bildern. Ein Punkt in einem Video wird durch seine zweidimensionale Position im Bild und durch die Zeit, zu der es auftritt, identifiziert, sodass ein Videosignal eine dreidimensionale Domäne hat. Analoges Video hat eine kontinuierliche Domänendimension (über a Scan -Linie) und zwei diskrete Dimensionen (Rahmen und Linie).
• Biologisch Membranpotentiale. Der Wert des Signals ist ein elektrisches Potenzial (Stromspannung). Die Domäne ist schwieriger zu etablieren. Etwas Zellen oder Organellen haben das gleiche Membranpotential durchweg; Neuronen Im Allgemeinen haben an verschiedenen Stellen unterschiedliche Potentiale. Diese Signale haben sehr niedrige Energien, reichen jedoch aus, um Nervensysteme zum Laufen zu bringen. Sie können insgesamt durch die Techniken von gemessen werden Elektrophysiologie.
• Die Ausgabe von a Thermoelement, die Temperaturinformationen vermittelt.^[1]
• Die Ausgabe von a pH-meter die Säureinformationen vermittelt.^[1]

Signalverarbeitung

Signalübertragung unter Verwendung elektronischer Signale

Die Signalverarbeitung ist die Manipulation von Signalen. Ein häufiges Beispiel ist die Signalübertragung zwischen verschiedenen Stellen. Die Verkörperung eines Signals in elektrischer Form wird von a gemacht Wandler Das konvertiert das Signal von seiner ursprünglichen Form in a Wellenform ausgedrückt als a aktuell oder ein Stromspannung, oder elektromagnetische Strahlungzum Beispiel eine Optisches Signal oder Funkübertragung. Einmal als elektronisches Signal ausgedrückt, steht das Signal zur weiteren Verarbeitung durch elektrische Geräte wie z. elektronische Verstärker und Filterund kann durch a an einen abgelegenen Ort übertragen werden Sender und empfangen Radioempfänger.

Signale und Systeme

Im Elektrotechnik Programme, Signale werden in einer Klasse und einem Studienbereich behandelt Signale und Systeme. Abhängig von der Schule nehmen EE -Schüler die Klasse im Allgemeinen als Junioren oder Senioren an, normalerweise abhängig von der Anzahl und dem Niveau der vorherigen Lineare Algebra und Differentialgleichung Klassen, die sie genommen haben.^[19]

Die Feldstudien Eingabe- und Ausgangssignale sowie die mathematischen Darstellungen zwischen ihnen, die als Systeme bezeichnet werden, in vier Domänen: Zeit, Frequenz, s und z. Da beide Signale und Systeme in diesen vier Domänen untersucht werden, gibt es 8 Hauptstudienabteilungen. Als Beispiel bei der Arbeit mit kontinuierlichen Zeitsignalen (t), man kann sich von der Zeitdomäne zu einer Frequenz verwandeln oder s Domain; oder aus diskreter Zeit (n) zur Frequenz oder z Domänen. Systeme können auch zwischen diesen Domänen wie Signalen transformiert werden, mit kontinuierlich bis s und diskret zu z.

Signale und Systeme sind eine Teilmenge des Feldes von Mathematische Modellierung. Es beinhaltet die Schaltungsanalyse und das Design über mathematische Modellierung und einige numerische Methoden und wurde vor einigen Jahrzehnten mit aktualisiert Dynamische Systeme Tools einschließlich Differentialgleichungen und kürzlich, Lagrangier. Von den Schülern wird erwartet, dass sie die Modellierungswerkzeuge sowie die Mathematik, Physik, Schaltungsanalyse und Transformationen zwischen den 8 Domänen verstehen.

Because mechanical engineering topics like friction, dampening etc. have very close analogies in signal science (inductance, resistance, voltage, etc.), many of the tools originally used in ME transformations (Laplace and Fourier transforms, Lagrangians, sampling theory, probability, Differenzgleichungen usw.) wurden nun auf Signale, Schaltkreise, Systeme und deren Komponenten, Analyse und Design in EE angewendet. Dynamische Systeme mit Rauschen, Filterung und anderen zufälligen oder chaotischen Attraktoren und Repellern haben jetzt stochastische Wissenschaften und Statistiken zwischen den deterministischeren diskreten und kontinuierlichen Funktionen im Feld platziert. (Deterministisch, wie hier verwendet, bedeutet Signale, die vollständig als Funktionen der Zeit bestimmt werden).

EE -Taxonomisten werden immer noch nicht entschieden, wo Signale und Systeme in das gesamte Feld der Signalverarbeitung im Vergleich zu Schaltungsanalysen und mathematischer Modellierung fallen, aber der gemeinsame Zusammenhang der Themen, die im Verlauf des Studiums behandelt werden usw. Signale und Systeme bezeichnet und als Text- und Testvorbereitung für das EE sowie in jüngster Zeit auf Computer Engineering -Prüfungen verwendet.^[20]

Siehe auch

• Eine mathematische Kommunikationstheorie- Artikel über die Theorie der Kommunikation von Claude Shannon
• Aktuelle Runde - Ein Signalisierungssystem in weit verbreiteter Verwendung für die Prozesssteuerung
• Signal-Rausch-Verhältnis

Verweise

Weitere Lektüre

• Hsu, P. H. (1995). Schaums Theorie und Probleme: Signale und Systeme. McGraw-Hill. ISBN 0-07-030641-9.
• Lathi, B.P. (1998). Signalverarbeitung und lineare Systeme. Berkeley-Cambridge Press. ISBN 0-941413-35-7.