訊號

威廉·鮑威爾·弗里斯(William Powell Frith)信號中,一個女人通過揮舞著白色的手帕發出信號。

信號處理中,信號是傳達有關現象信息的函數。任何可能在空間或時間上變化的數量都可以用作在觀察者之間共享消息的信號。信號處理的IEEE交易包括音頻視頻,語音,圖像聲納雷達,作為信號的示例。信號也可以定義為在空間或時間序列上的任何可觀察到的變化,即使它不攜帶信息。

在本質上,有機體可以採取信號來提醒其他生物,從釋放植物化學物質到警告附近的捕食者的植物到動物發出的聲音或動議,以提醒其他動物食物。信號傳導甚至在細胞水平上都會發生,並隨細胞信號傳導。在進化生物學中,信號傳導理論提出,進化的實質性驅動力是動物通過開發信號傳導相互交流的能力。在人工工程中,信號通常由傳感器提供,通常使用傳感器將信號的原始形式轉換為另一種形式的能量。例如,麥克風將聲學信號轉換為電壓波形,而揚聲器則進行反向。

信號的另一個重要屬性是其信息內容信息理論是對信號及其內容的正式研究。信號的信息通常伴隨著噪聲,主要是指信號的不必要的修改,但通常會擴展到包括與所需信號( Crosstalk )衝突的不必要信號。噪聲的減少在信號完整性的標題下部分覆蓋。所需信號與背景噪聲的分離是信號恢復的場,其中一個分支是估計理論,這是抑制隨機干擾的概率方法。

電氣工程等工程學科已經提高了涉及傳輸存儲和操縱信息的系統的設計,研究和實施。在20世紀後半葉,電氣工程本身分為幾個學科:開發的電子工程計算機工程,旨在專門研究操縱物理信號的系統的設計和分析,而設計工程開發了用於解決用戶信號的功能設計的設計工程。 - 機器接口

定義

特定於子場的定義很常見:

  • 電子電信中,信號是指帶有信息的任何隨時間變化的電壓電流電磁波
  • 信號處理中,信號是模擬物理量的模擬和數字表示。
  • 信息理論中,信號是一個編碼的消息,即編碼消息的通信通道中的狀態序列。
  • 在通信系統中,發射器編碼一條消息以創建信號,該信號由通信通道傳遞給接收器。例如,“瑪麗有一隻小羊肉”一詞可能是電話中傳達的信息。電話發射器將聲音轉換為電信號。信號通過電線傳輸到接收電話;在接收器上,它被重新連接為聲音。
  • 在電話網絡中,信令,例如通用渠道信號,是指電話號碼和其他數字控制信息,而不是實際的語音信號。

分類

信號可以通過各種方式進行分類。最常見的區別是在函數被定義的離散空間和連續空間之間,例如離散和連續的時間域。離散的時間信號通常稱為其他字段中的時間序列連續時信號通常稱為連續信號

第二個重要區別是離散值和連續值之間的區別。特別是在數字信號處理中,數字信號可以定義為一系列離散值,通常與基礎連續值的物理過程有關。在數字電子設備中,數字信號是數字系統中連續的時波形信號,代表了數據流。

信號也可以按其空間分佈分類為點源信號(PSSS)或分佈式源信號(DSSS)。


在信號和系統中,可以根據許多標準對信號進行分類:根據值的不同特徵,分類為模擬信號數字信號;根據信號的確定性,分類為確定性信號和隨機信號;根據信號的強度,分類為能量信號和功率信號。

模擬和數字信號

數字信號具有兩個或多個可區分的波形,​​在此示例中,高壓和低電壓可以映射到數字上。典型的是,只要它不是太極端,就可以從數字信號中刪除噪聲。

實踐中遇到的兩種主要信號類型是模擬數字。該圖顯示了一個數字信號,該信號是由於在特定時間瞬間通過其值近似模擬信號而產生的。數字信號被量化,而模擬信號是連續的。

類比信號

模擬信號是任何連續信號,信號的時變特徵是其他時間變化數量的表示,即類似於另一個時間變化的信號。例如,在模擬音頻信號中,信號的瞬時電壓隨著聲壓而連續變化。它與數字信號有所不同,其中連續數量是一系列離散值的表示,只能接收有限數量的值之一。

術語模擬信號通常是指電信號。但是,模擬信號可以使用其他培養基,例如機械氣動液壓。模擬信號使用介質的某些屬性傳達信號的信息。例如, Aneroid晴雨表使用旋轉位置作為信號來傳達壓力信息。在電信號中,信號的電壓電流頻率可能會變化以表示信息。

任何信息都可以通過模擬信號傳達;這種信號通常是對物理現像變化的響應,例如聲音溫度,位置或壓力。物理變量被傳感器轉換為模擬信號。例如,在聲音記錄中,氣壓的波動(即聲音)撞擊了麥克風的隔膜,該麥克風會引起相應的電波動。電壓或電流被認為是聲音的類似物

數字信號

二進制信號,也稱為邏輯信號,是一個具有兩個可區分級別的數字信號

數字信號是一個由一個物理量的波形組構成的信號,以表示一系列離散值。邏輯信號是只有兩個可能值的數字信號,並描述了任意位流。其他類型的數字信號可以代表三值邏輯或更高價值的邏輯。

或者,數字信號可以被認為是由這種物理數量表示的代碼序列。物理量可以是可變的電流或電壓,光學或其他電磁場的強度,相位或極化,聲壓,磁性存儲介質的磁化等。數字信號都存在於所有數字電子中,尤其是計算設備和數據傳輸

借助數字信號,系統噪聲(如果它不是太大)不會影響系統操作,而噪聲總是會在某種程度上降低模擬信號的操作。

數字信號通常是通過對模擬信號採樣而產生的,例如,可以通過模擬數字轉換器電路數字化的線上不斷波動的電壓,其中該電路將讀取線路上的電壓水平,例如每50個電路,微秒並用固定數量的位表示每個讀數。在離散時間和量化振幅信號上,將所得數的數字流作為數字數據存儲。計算機和其他數字設備僅限於離散時間。

能源和力量

根據信號的優勢,實用信號可以分為兩類:能量信號和電信號。

能量信號:這些信號的能量等於有限的正值,但它們的平均功率為0;

功率信號:這些信號的平均功率等於有限的正值,但它們的能量是無限的

確定性和隨機性

確定性信號是那些在任何時候都可以預測的值的信號,並且可以通過數學方程來計算。

隨機信號是在任何給定時間瞬間進行隨機值的信號,必須隨機建模。

偶數和奇數

均勻的信號
是一個均勻信號的示例。
是一個奇數的示例。

偶數信號滿足條件

或等於所有的方程式

一個奇數可以滿足條件

或等於所有的方程式

週期性

據說如果滿足條件,則據說是週期性的

或者

在哪裡:

=基本時間

=基本頻率

週期性信號將在每個時期重複。

時間離散化

通過採樣從連續信號產生的離散時間信號

信號可以分類為連續離散時間。在數學抽像中,連續時間信號的域是一組實數(或某些間隔),而離散時間(DT)信號的域是整數集(或實際數字的其他子集) )。這些整數所代表的取決於信號的性質;最常見的是時間。

連續時間信號是每次t時t定義的任何函數,最常見的是無限間隔。離散時間信號的簡單來源是對連續信號的採樣,在特定時間瞬間通過其值的序列近似信號。

振幅量化

如果信號表示為一系列數字數據,則不可能保持精確的精度 - 序列中的每個數字都必須具有有限數量的數字。結果,必須將此類信號的值量化有限集以進行實際表示。量化是將連續模擬音頻信號轉換為具有離散數值整數數值的數字信號的過程。

信號的示例

自然發生的信號可以通過各種傳感器轉換為電子信號。示例包括:

  • 運動。物體的運動可以視為信號,可以通過各種傳感器監視以提供電信號。例如,雷達可以提供用於遵循飛機運​​動的電磁信號。運動信號是一維(時間),範圍通常為三維。因此,位置是一個3矢量信號;剛體的位置和方向是6個矢量信號。可以使用陀螺儀生成方向信號。
  • 聲音。由於聲音是介質的振動(例如空氣),因此聲音信號將壓力值與時間的每個值相關聯,可能是三個空間坐標,指示行進方向。聲音信號通過麥克風轉換為電信號,產生電壓信號作為聲音信號的類似物。聲音信號可以在離散的時間點進行採樣;例如,緊湊型光盤(CD)包含代表聲音的離散信號,記錄為44,100 Hz ;由於CD記錄在立體聲中,因此每個樣本都包含左右通道的數據,這可能被認為是2矢量信號。 CD編碼通過用激光讀取信息,將聲音信號轉換為光學信號,將其轉換為電信號。
  • 圖片。圖片或圖像由亮度或顏色信號組成,這是二維位置的函數。物體的外觀以發射或反射(電磁信號)表示。它可以使用電荷耦合設備等設備將其轉換為電壓或電流波形。 2D圖像可以像傳統的照片或繪畫一樣具有連續的空間域。否則圖像可以像數字圖像一樣在空間中離散。顏色圖像通常表示為三種原色的單色圖像的組合。
  • 影片.視頻信號是一系列圖像。視頻中的一個點通過其在圖像中的二維位置和發生的時間來標識,因此視頻信號具有三維域。模擬視頻具有一個連續的域維度(跨掃描線)和兩個離散維度(幀和線路)。
  • 生物膜電位。信號的值是電勢(電壓)。該領域更難建立。一些細胞細​​胞器在整個過程中具有相同的膜電位。神經元通常在不同點具有不同的電位。這些信號的能量非常低,但足以使神經系統起作用。它們可以通過電生理技術進行匯總測量。
  • 熱電偶的輸出,傳達溫度信息。
  • 傳達酸度信息的pH計的輸出。

信號處理

使用電子信號傳輸信號

信號處理是信號的操縱。一個常見的例子是不同位置之間的信號傳遞。信號以電氣形式的實施例是由傳感器製成的,該傳感器將信號從原始形式轉換為以電流電壓電磁輻射表示的波形,例如光信號無線電傳輸。一旦表示為電子信號,該信號便可以通過電子設備(例如電子放大器過濾器)進行進一步處理,並且可以通過發射器將其傳輸到遠程位置並使用無線電接收器接收。

信號和系統

電氣工程(EE)計劃中,信號在一個稱為信號和系統的課程和研究領域涵蓋。根據學校的不同,本科生EE學生通常會上課,通常取決於他們參加過的線性代數微分方程課程的數量和水平。

現場研究輸入和輸出信號,以及它們在四個域中稱為系統的數學表示:時間,要求, sz 。由於這四個領域都研究了信號和系統,因此有8個主要研究部門。例如,在使用連續時間信號( t )時,一個人可能會從時域轉換為頻率或s域。或從離散時間( n )到頻率或z域。系統也可以在這些域(如信號)之間進行轉換,並具有連續至s並離散為z

信號和系統是數學建模領域的子集。它涉及通過數學建模和一些數值方法進行電路分析和設計,並在幾十年前使用包括微分方程的動態系統工具以及最近的Lagrangians進行了更新。期望學生了解建模工具以及8個域之間的數學,物理,電路分析和轉換。

因為機械工程(ME)主題(例如摩擦,抑制等)在信號科學(電感,電阻,電壓等)中具有非常緊密的類比,所以許多最初在我轉換中使用的工具(Laplace和Fourier Transforms,Lagrangians, lagrangians,採樣理論,概率,差異方程式等)現已應用於EE中的信號,電路,系統及其組件,分析和設計。涉及噪聲,過濾以及其他隨機或混亂的吸引子和驅蟲劑的動態系統現在在現場的更確定性離散和連續功能之間放置了隨機科學和統計。 (此處使用的確定性意味著完全確定為時間函數的信號)。

EE分類學家仍未確定信號和系統屬於信號處理與電路分析和數學建模的整個領域的位置,但是在研究過程中涵蓋的主題的共同鏈接使數十本書,期刊和期刊都使邊界更加明亮。等等。稱為“信號和系統”,用作EE的文本和測試準備,以及最近的計算機工程考試。

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