Kas yra signalas? Apibrėžimas, tipai ir reikšmė ryšiuose

Ryšių, signalų apdorojimo ir apskritai elektrotechnikos srityse signalas yra bet koks kintantis laike dydis.

Ši sąvoka yra plati ir ją sunku tiksliai apibrėžti. Dažnai pasitaiko apibrėžimų, būdingų atskiroms sritims. Pavyzdžiui, informacijos teorijoje signalas yra užkoduotas pranešimas, t. y. ryšių kanalo būsenų seka, kurioje užkoduotas pranešimas. Ryšių sistemoje siųstuvas užkoduoja pranešimą į signalą, kuris ryšio kanalu perduodamas imtuvui. Pavyzdžiui, žodžiai "Marija turėjo mažą ėriuką" gali būti pranešimas, ištartas į telefoną. Telefono siųstuvas garsus paverčia elektros įtampos signalu. Signalas laidais perduodamas į telefono imtuvą, o imtuve jis vėl paverčiamas garsais.

Kas yra signalas — formalesnis apibrėžimas

Techniniu požiūriu signalas dažnai apibrėžiamas kaip funkcija, kuri laike (ir kartais erdvėje) aprašo fizinį dydį. Dažniausi žymėjimai yra x(t) — nuolatinio laiko signalas, ir x[n] — diskretinio laiko signalas. Signalo reikšmės gali būti realios arba kompleksinės, vienmatis arba daugiamatis (pavyzdžiui, vaizdas).

Signalo tipai

Laiko charakteris: nuolatinio laiko (continuous-time) ir diskretinio laiko (discrete-time).
Vertės: analoginis (tęstinės reikšmės) ir digitalinis (skaitmeninis, atvaizduojamas bitų seka).
Deterministinis vs stokastinis: deterministinis signalas pilnai aprašomas formulėmis arba nustatytu modeliu; stokastinis (atsitiktinis) aprašomas statistiniais parametrais (vidurkis, dispersija, autokoreliacija).
Periodiškumas: periodiški (pavyzdžiui, sinusai) ir aperiodiški (vienetiniai ar atsitiktiniai) signalai.
Energijos ir galios signalai: energijos signalai turi ribotą bendrą energiją, o galios signalai turi baigtinę vidutinę galią per ilgą laiką.

Signalo savybės ir parametrai

Amplitudė — signalo dydis (pvz., įtampos reikšmė voltais).
Frekuencija — kaip greitai kinta signalas; matuojama hercais (Hz).
Fazė — harmoninių komponentų išsidėstymas laike.
Spektras — signalo sudėtis pagal dažnius; gaunamas panaudojus Fourier transformaciją.
Juosta (bandwidth) — dažnių ruožas, kuriame sutelktas reikšmingas energijos kiekis; svarbus ryšiuose dėl kanalo talpos.

Kaip signalai vaizduojami ir analizuojami

Signalai gali būti nagrinėjami laiko srityje (kaip funkcija laiko atžvilgiu) arba dažnių (spektrinėje) srityje. Dažniausiai naudojami įrankiai: Fourier, Laplace ir Z transformacijos, kurios leidžia suprasti signalo sudėtį ir reakciją į sistemas. Diskretizavimas (pramplinimas) ir kvantizavimas yra pagrindiniai žingsniai pereinant nuo analoginių signalų prie skaitmeninių — čia svarbi Nyquist-Shannon teorija, nurodanti minimalią pramplinimo dažnį, kad signalo informacija nebūtų prarasta.

Signalų vaidmuo ryšiuose

Siųstuvas paverčia pranešimą į signalą (moduliacija), pavyzdžiui, AM (amplitudės moduliacija) arba FM (dažnio moduliacija).
Signalas keliauja per ryšio kanalą, kuriame gali pasireikšti trukdžiai: triukšmas, iškraipymai, pralaidumo ribojimas ar iškraipymai dėl daugiasluoksnių sklidimo sąlygų.
Imtuvas filtruoja, stiprina ir demoduliuoja signalą, stengdamasis atkurti originalų pranešimą.
Svarbūs parametrai ryšiuose: duomenų perdavimo sparta (bit rate), signalas–triukšmo santykis (SNR), klaidų tikimybė.

Praktiniai pavyzdžiai

Žmogaus balsas (garsas) įrašytas kaip laiko priklausoma oro slėgio kaita arba elektros įtampa.
Vaizdas — dvisluoksnis signalas (erdvinis), dažnai apdorojamas kaip dvmatė diskretinė reikšmių matrica (pikseliai).
Jutiklių duomenys — temperatūra, spaudimas, šviesos intensyvumas, pateikiami kaip analoginiai arba skaitmeniniai signalai.
Skaitmeninis duomenų srautas — bitų seka, perduodama per ryšio kanalą.

Signalų apdorojimo uždaviniai

Filtravimas — trukdžių pašalinimas arba norimų komponentų išgavimas.
Atkūrimas ir rekonstrukcija — iš užteršto arba pramplinto signalo atkurti pradinę informaciją.
Klasifikacija ir atpažinimas — balso atpažinimas, vaizdų klasifikacija, anomalijų aptikimas.
Kompresija — sumažinti duomenų kiekį (pvz., MP3, JPEG) be arba su tam tikru informacijos praradimu.
Matavimo ir kontrolės sistemos — signalai naudojami valdymui ir stebėjimui pramonėje, medicinoje (pvz., EKG, EEG).

Triukšmas ir neapibrėžtumas

Realūs signalai visada susiduria su triukšmu: terminiu triukšmu, interferencija, kvantavimo klaidomis. Statistikos ir tikimybių teorijos metodai (pvz., filtrai pagal vidurkį, Kalmeno filtras) padeda atskirti naudingą komponentą nuo triukšmo ir tinkamai įvertinti neapibrėžtumą.

Apibendrinimas

Signalas — tai plati ir universali sąvoka, reiškianti laike (ir kartais erdvėje) kintantį dydį, kuris saugo ir perduoda informaciją. Signalai yra pagrindinis elementas ryšiuose, elektronikoje, jutiklių sistemose, medicinoje ir daugelyje kitų sričių. Supratimas apie signalų tipus, jų savybes ir apdorojimo metodus leidžia efektyviau perduoti, apdoroti ir išgauti informaciją iš aplinkos.

Signalų pavyzdžiai

Pasiūlymas. Dalelės judėjimas tam tikroje erdvėje gali būti laikomas signalu arba gali būti vaizduojamas signalu. Judėjimo signalo sritis yra vienmatė (laikas), o diapazonas paprastai yra trimatis. Taigi padėtis yra 3 vektorių signalas; padėtis ir orientacija yra 6 vektorių signalas.

Garsas. Kadangi garsas yra terpės (pvz., oro) virpesiai, garso signalas susieja slėgio vertę su kiekviena laiko verte ir trimis erdvės koordinatėmis. Mikrofonas garso slėgį tam tikroje vietoje paverčia tik laiko funkcija, naudodamas įtampos signalą kaip garso signalo analogą.

Kompaktiniai diskai (CD). Kompaktiniuose diskuose yra diskretieji bitai, perteikiantys garso signalą, įrašytą 44 100 pavyzdžių per sekundę greičiu. Kiekvieną pavyzdį sudaro kairiojo ir dešiniojo kanalo duomenys, kurie gali būti laikomi 2 vektoriais (nes kompaktiniai diskai įrašomi stereofoniniu formatu).

Triukšmas paprastai yra nepageidaujamas, bet ne visada.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra signalas?

A: Signalas yra bet koks kintantis laike dydis.

K: Kaip konkrečiai apibrėžtumėte signalą informacijos teorijoje?

A: Informacijos teorijoje signalas yra užkoduotas pranešimas, t. y. ryšių kanalo būsenų seka, kurioje užkoduotas pranešimas.

K: Kas vyksta ryšių sistemoje?

A: Ryšių sistemoje siųstuvas užkoduoja pranešimą į signalą, kuris ryšio kanalu perduodamas imtuvui.

K: Ar galite pateikti pavyzdį, kaip pranešimas gali būti perduodamas ryšių sistemoje?

A: Pavyzdžiui, žodžiai "Marija turėjo mažą avinėlį" gali būti pranešimas, ištartas į telefoną. Telefono siųstuvas garsus paverčia elektros įtampos signalu. Signalas laidais perduodamas į telefono imtuvą, o imtuve vėl paverčiamas garsais.

Klausimas: Ar lengva tiksliai apibrėžti signalo sąvoką?

Atsakymas: Ne, signalo sąvoka yra plati ir ją sunku tiksliai apibrėžti.

K: Kokia yra įprasta signalo sąvokos apibrėžimo praktika pakraipose?

A: Dažnai vartojami posričiams būdingi apibrėžimai.

K: Kokiose srityse vartojama signalo sąvoka?

A: Signalo sąvoka vartojama ryšių, signalų apdorojimo ir apskritai elektrotechnikos srityse.