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.