Сигнал: определение в електротехника и комуникации

Сигнал в електротехника и комуникации — изчерпателно обяснение: видове, кодиране, предаване и обработка в съвременните комуникационни системи.

В областта на комуникациите, обработката на сигнали и по-общо в електротехниката сигналът е всяка величина, която се променя във времето.

Понятието е широкообхватно и трудно може да се дефинира точно. Често се срещат дефиниции, специфични за отделни области. Например в теорията на информацията сигналът е кодирано съобщение, т.е. последователността от състояния в комуникационния канал, която кодира съобщение. В една комуникационна система предавателят кодира съобщение в сигнал, който се пренася до приемника по комуникационния канал. Например думите "Мария имаше малко агънце" могат да бъдат съобщението, произнесено по телефона. Телефонният предавател преобразува звуците в сигнал с електрическо напрежение. Сигналът се предава по жиците до приемащия телефон; а в приемника се преобразува отново в звуци.

Основни характеристики и видове сигнали

• Аналогов срещу цифров — аналоговият сигнал е непрекъсната функция от времето (например звуково напрежение), докато цифровият (дискретен) представя стойности в отделни моменти или стъпки (битове или числа).
• Непрекъснат във времето vs. дискретен — непрекъснатият сигнал има стойности за всеки момент от време; дискретният е дефиниран само за дискретни моменти (например след проба/дискретизация).
• Детерминистичен vs. стохастичен — детерминистичният сигнал може да се опише с точни аналитични зависимости; стохастичният (случаен) съдържа елемент на неопределеност и се описва статистически.
• Периодичен vs. апериодичен — периодичните повтарят форма през определен интервал (напр. синусоида), а апериодичните не.
• Енергиен vs. мощностен сигнал — в анализа на сигнали се различават сигнали с крайна енергия и такива с несвършваща енергия, но с ограничена средна мощност (например непрекъснат тон).

Представяне и преобразувания

Сигналите могат да се разглеждат в различни области:

• Временна област — стойността на сигнала като функция на времето. Полезна при наблюдение на форма, преходи и времеви закъснения.
• Честотна област — представяне чрез спектър, което показва каква част от енергията на сигнала е концентрирана при различни честоти. Честотните анализи разкриват хармоници, филтруване и модулация.

За преобразуване между областите се използват математически инструменти като:

• Фурие трансформация и серия — за анализ на периодични и апериодични сигнали.
• Лапласова трансформация — за анализ на системи и преходни процеси.
• Z-преобразувание — особено за дискретни сигнали и дигитални системи.

Дискретизация и цифровизация

За да се преобразува аналогов сигнал в цифров (напр. при запис или предаване), се прилагат:

• Проба (sampling) — взимат се стойности на сигнала през регулярни интервали. За да не възникне ефектът aliasing, е важно да се спазва теоремата на Найквист: честотата на проба трябва да е поне два пъти по-голяма от най-високата честота в сигнала.
• Квантоване — приблизително представяне на амплитудата с ограничен брой нива, което въвежда квантова грешка.

Шум, смущения и канал

При реални системи сигналите винаги се замърсяват от шум и смущения. Основни понятия:

• Шум — стохастично изменение (напр. термичен шум, шум от компоненти), описвано чрез средна стойност и дисперсия. Съотношението сигнал/шум (SNR) е ключово за качеството на предаването и обработката.
• Канал — средата, през която се предава сигналът; каналът внася изкривявания, затихване, закъснения и шум. В комуникациите се използват модели на канали (напр. адитивен бял гаусов шум — AWGN).
• Филтриране — използва се за намаляване на шума или за извличане на желани честотни компоненти.

Примери и приложения

• Аудиосигнали — реч, музика (електрически напрежения в микрофони, записващи устройства).
• Видеосигнали — двуизмерни и времеви промени, използвани в телевизия, камери и стрийминг.
• Радиосигнали — носещи вълни, модулирани за предаване на информация (AM, FM, цифрови модулации).
• Сензорни и телеметрични данни — температурни, налягане, ускорение и др., преобразувани в електрически сигнали за мониторинг и управление.

Единици и измерване

• Амплитуда — волтове (V) за електрически сигнали, децибели (dB) за относителни нива.
• Честота — херци (Hz).
• Мощност — ватове (W) или dBm при комуникации.

Практически съображения

При проектиране и анализ на системи, работещи със сигнали, е важно да се вземат предвид:

• Изискванията към честотната лента и динамичния обхват.
• Влиянието на шума и необходимостта от кодиране/корекция на грешки в комуникациите.
• Ограниченията на аналогово-цифровото преобразуване (разрядност, честота на проба).

Така, терминът сигнал обхваща широк спектър от физични и абстрактни явления, от електрическото напрежение в телефонната мрежа до статистически модели в теорията на информацията. Неговото правилно разбиране и представяне е в основата на модерните комуникационни и електронни системи.

Въпроси и отговори

В: Какво е сигнал?

В: Как бихте определили сигнала конкретно в теорията на информацията?

В: Какво се случва в една комуникационна система?

В: Можете ли да дадете пример за това как може да се предаде съобщение в комуникационна система?

Въпрос: Лесно ли е да се определи точно понятието сигнал?

Въпрос: Каква е обичайната практика при определянето на понятието сигнал в подобластите?

В: В кои области се използва понятието сигнал?

Търсене по буква