信号是什么?关于信号的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:57:47

在通信系统、信号处理和电气工程中,信号是一种“传递关于某种现象的行为或属性的信息”的函数。 在电子和电信领域,这是一种用于传输信息的时变电压、电流或电磁波。信号也可以定义为“可量化实体中的可观察变化”。在物理世界中,任何表现出时间变化或空间变化的量(例如图像)都可能是一种信号,它可能提供物理系统状态的信息,或者在观察者之间传递信息,以及其他可能性。 美国电气和电子工程师协会《信号处理会刊》指出,“信号”一词包括音频、视频、语音、图像、通信、地球物理、声纳、雷达、医疗和音乐信号。 随后经过对信号的重新定义, 以图像为例,任何仅是空间函数的对象,都被排除在信号的范畴之外。此外,一般认为一个信号可能包含也可能不包含任何信息。

在自然界中,信号可以表现为一个有机体能够被其他有机体感知的任何行动的形式,从植物释放化学物质以警告附近的植物有相同类型的捕食者,到动物发出声音或动作来警告其他动物有危险或食物。信号广泛存在于生物体中,一直到细胞水平,伴随着细胞信息传递。进化生物学中的信号理论提出,进化的一个重要驱动力是动物通过发展信号传递方式来相互交流的能力。在人体工程学中,信号通常由传感器提供,通常信号的原始形式使用换能器转换成另一种形式的能量。例如,麦克风将声音信号转换成电压波形,扬声器则相反。

信号信息内容的形式化研究属于信息论领域。信号中的信息通常伴随着噪声。术语“噪声”通常意味着不希望的随机干扰,但通常被扩展为包括与期望信号相冲突的不希望的信号(例如串扰)。噪声的预防部分包含在信号完整性研究内容中。期望信号与背景的分离的研究属于信号恢复领域, 其中一个分支是估计理论,一种抑制随机干扰的概率方法。

电气工程等工程学科在涉及信息传输、存储和处理的系统的设计、研究和实施方面处于领先地位。在20世纪下半叶,电气工程本身分成几个学科,例如专门设计和分析操纵物理信号的系统;例如电子工程和计算机工程:旨在处理人-机界面的功能设计而开发的设计工程亦是一个例子。

定义

针对不同子领域的定义不同是常见的。例如,在信息论中,信号是一个编码的消息,即编码消息的通信信道中的状态序列。在信号处理的背景下,信号是模拟物理量的模拟和数字表示。

就其空间分布而言,信号可分为点源信号和分布式源信号。

在通信系统中,发射机对消息进行编码以产生信号,该信号由通信信道传送给接收机。例如,“玛丽有只小羊羔”这句话可能是对着电话说的。电话发射机将声音转换成电信号。信号通过电线传输到接收电话;在接收器处,它被转换成声音。

在电话网络中,信令,例如公共信道信令,是指电话号码和其他数字控制信息,而不是实际的语音信号。

信号可以用多种方式分类。最常见的区别是函数在离散和连续时间域上定义的离散和连续空间。离散时间信号在其他领域通常被称为时间序列。连续时间信号通常被称为连续信号。

第二个重要的区别是离散值和连续值之间的区别。特别是在数字信号处理中,数字信号可以被定义为离散值序列,通常与底层连续值物理过程相关联。在数字电子技术中,数字信号是数字系统中代表比特流的连续时间波形信号。

信号的另一个重要属性是它的熵或信息量。

模拟和数字信号

数字信号具有两个或多个可区分的波形,在本例中,高电压和低电压,每个波形都可以映射到一个数字上。特征是,只要噪声不太大,就可以从数字信号中去除。

实践中遇到的两种主要信号类型是模拟信号和数字信号。该图显示了一个数字信号,它是由模拟信号在特定时刻的值近似而成的。数字信号被量化,而模拟信号是连续的。

模拟信号

模拟信号是一种连续信号,其信号的时变特性是某种时变量的表示,即类似于另一个时变信号。例如,在模拟音频信号中,信号的瞬时电压随着声压连续变化。它不同于数字信号,在数字信号中,连续量是由一系列离散值的表示,这些离散值只能采用有限数量的值中的一个。

专有名词模拟信号通常指电信号;然而,模拟信号可以使用其他介质传播,例如机械、气动或液压。模拟信号利用介质的某些特性来传递信号的信息。例如,无液气压计使用旋转位置作为信号来传递压力信息。在电信号中,可以通过改变信号的电压、电流或频率来表示信息。

任何信息都可以通过模拟信号传递;通常这种信号是对物理现象变化的测量响应,例如声音、光、温度、位置或压力。物理变量被转换器转换成模拟信号。例如,在录音中,气压(也就是声音)的波动撞击麦克风的振膜,从而引起相应的电波动。电压或电流被称为声音的模拟。

数字信号

二进制信号,也称为逻辑信号,是具有两个不同电平的数字信号。

数字信号是由物理量的一组离散波形构成的信号,以便表示一系列离散值。 逻辑信号是只有两个可能值的数字信号, 并且它可以描述任意比特流。其他类型的数字信号可以代表三值逻辑或更高值逻辑。

或者,数字信号可以被认为是由这种物理量表示的码片序列。 物理量可以是可变电流或电压、光或其他电磁场的强度、相位或极化、声压、磁存储介质的磁化等。数字信号存在于所有的数字电子设备中,尤其是计算设备和数据传输设备。

接收到的数字信号可能受到噪声和失真的损害,但不一定影响数字。

对于数字信号,系统噪声在不太大的情况下是不会影响系统运行,而噪声通常在一定程度上降低模拟信号的运行。

数字信号通常通过模拟信号的采样产生,例如,在由具备读取线路上电压电平功能的模数转换器电路数字化的线路上,连续波动的电压以每50微秒为例,被持续读取,并用固定数量的比特对其进行表示。产生的数字流作为数字数据存储在离散时间和量化幅度信号上。计算机和其他数字设备在离散时间中被限制。

时间离散化

通过采样从连续信号产生的离散时间信号。

不同类型信号的基本区别之一是连续时间和离散时间。在数学抽象中,连续时间信号的域是一组实数(或其某个区间),而离散时间信号的域是一组整数(或某个区间)。这些整数具体代表什么含义取决于信号的性质;大多数时候是代表时间。

如果对于一个信号,这些量只在一组离散的时间上定义,我们称之为离散时间信号。离散时间信号的一个简单来源是对连续信号的采样,在特定时刻用其值序列逼近信号。

离散实时(或复数)信号可以被视为整数集(索引标记时刻)到实数集(或复数集)(这些时刻的函数值)的函数。

连续实时(或复数)信号是在时间间隔内的每个时间t定义的任何实值(或复值)函数,最常见的是无限时间间隔。

振幅量化

近似模拟信号的数字信号,是时间的连续函数。

如果一个信号被一系列数字表示,那么就不可能保持精确的精度——序列中的每个数字都必须是有限的位数。因此,这种信号的值属于有限集合;换句话说,它被量化了。量化是将连续模拟音频信号转换成具有离散数值的数字信号的过程。

信号示例

自然界的信号可以通过各种传感器转换成电子信号。例如:

  • 运动。物体的运动可以被认为是一种信号,并且可以被各种传感器监控以提供电信号。 例如,雷达可以为跟踪飞机运动提供电磁信号。运动信号是一维的(时间),范围通常是三维的。因此位置是一个3维矢量信号;刚体的位置和方向是一个6维矢量信号。方位信号可以用陀螺仪产生。
  • 声音。由于声音是介质(如空气)的振动,声音信号将压力值与每个时间值和三个空间坐标相关联。麦克风将声音信号转换成电信号,产生作为声音信号模拟的电压信号,使得声音信号可用于进一步的信号处理。声音信号可以在一组离散的时间点进行采样;例如,光盘包含代表声音的离散信号,每秒记录44,100个样本;每个样本包含左声道和右声道的数据,该数据可以被认为是双矢量信号(因为光盘是以立体声记录的)。通过用激光读取信息,将声音信号转换成光信号,将光盘编码转换成电信号。
  • 图像。图片或图像由亮度或颜色信号组成,是二维位置的函数。物体的外观表现为发射或反射的电磁波,一种形式的电子信号。可以使用电荷耦合器件等器件将其转换为电压或电流波形。2D图像可以具有连续的空间域,如在传统照片或绘画中;或者像光栅扫描数字图像一样,图像可以在空间中离散化。彩色图像通常表示为三原色图像的组合,因此信号是三维矢量值。
  • 视频。视频信号是一系列图像。视频中的一个点由它的二维位置和它出现的时间来识别,因此视频信号具有三维域。模拟视频有一个连续的域维度(跨越扫描线)和两个离散的维度(帧和线)。
  • 生物膜电位。信号的值是电势(“电压”)。该域更难建立。一些细胞或细胞器始终具有相同的膜电位;神经元通常在不同的点具有不同的电位。这些信号能量很低,但足以让神经系统工作;它们可以通过电生理学技术进行总体测量。

信号的其他例子是传递温度信息的热电偶输出,以及传递酸度信息的酸度计输出。

信号处理

使用电子信号传输信号。

信号的典型作用是信号处理。一个常见的例子是不同位置之间的信号传输。电形式信号的实施例由换能器构成,该换能器将信号从其原始形式转换成表示为电流(I)或电压(V)的波形,或者电磁波形,例如光信号或无线电传输。一旦表示为电子信号,该信号可由电子设备(如电子放大器和电子滤波器)进一步处理,并可由电子发射器传输到远程位置,并使用电子接收器接收。

信号和系统

在电气工程项目中,被称为“信号与系统”(S和S)的课程和研究领域通常被视为电气工程职业生涯中的“翘课必选”,这也是一些学生所害怕的。根据学校的不同,本科电气工程专业的学生通常以三年级或四年级学生的身份上课,这通常取决于他们之前参加的线性代数和微分方程课程的数量和水平。

该领域在四个领域研究输入和输出信号,以及它们之间被称为系统的数学表示:时间、频率、s和z。由于信号和系统都在这四个领域研究,因此有8个主要的研究领域。例如,当处理连续时间信号(t)时,可以从时域转换到频域或s域;或者从离散时间(n)到频率或z域。系统也可以像信号一样在这些域之间转换,从连续到s,从离散到z。

虽然“S和S”(此处指信号与系统)属于并包括本文涵盖的所有主题,以及模拟信号处理和数字信号处理,但它实际上是数学建模领域的一个子集。这个领域可以追溯到一个多世纪前的射频,当时它是模拟的,并且通常是连续的。今天,软件已经取代了大部分模拟电路的设计和分析,甚至连连续的信号现在也一般都是数字处理的。讽刺的是,数字信号在某种意义上也是连续处理的,软件在离散信号“休息”之间进行计算,为下一个输入/转换/输出事件做准备。

在过去的电气工程课程信号与系统中,该课程涉及通过数学建模和一些数值方法进行电路分析和设计,几十年前用包括微分方程在内的动力系统工具进行了更新,最近又用拉格朗日方法进行了更新。当时该领域的困难包括这样一个事实:不仅数学建模、电路、信号和复杂系统正在被建模,物理学以及电学(现在是电子学)主题的深入知识也被涉及与需要。

如今,随着电路、系统和信号分析以及设计语言和软件的增加,从MATLAB和Simulink到NumPy、VHDL、PSpice、Verilog甚至汇编语言,这个领域变得更加令人望而生畏和复杂。学生需要理解工具以及数学、物理、电路分析和8个领域(时间、频率、s和z)之间的转换。

因为机械工程的主题像摩擦,阻尼等等。在信号科学(电感、电阻、电压等)方面有非常相近的类比。许多最初用于机械工程变换的工具(拉普拉斯和傅立叶变换、拉格朗日、采样理论、概率、差分方程等)。现已应用于电子工程中的信号、电路、系统及其组件的分析和设计。涉及噪声、滤波和其他随机或混沌吸引子和排斥子的动力系统现在已经将随机科学和统计学置于该领域中更确定性的离散和连续函数之间。(这里使用的确定性是指完全被确定为时间函数的信号)。

电子工程分类学家仍然没有决定S&S在信号处理与电路分析和数学建模的整个领域中的地位,但是研究过程中所涉及的主题的共同联系已经与几十本书、杂志等有了明显的界限。被称为信号和系统,用于电子工程考试的文本和测试准备,以及最近的计算机工程考试。