Классификация и модельное представление сигналов

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 23:11, 17 мая 2017.

Определения и описание сигналов

Под сигналом понимается физический процесс, несущий сообщение о каком-либо событии или состоянии объекта и протекающий в пространстве и во времени и охватывающий определенный спектральный диапазон длин волн, т. е. это материальная (физическая) форма представления сообщения для передачи по каналу. В реальных каналах передачи сообщений (КПС) в зависимости от физической природы носителя сигнала различают:

  • Электромагнитные и, в частности, оптические, или радиоэлектронные носители,
  • Акустические носители,
  • Механические носители,
  • Электрические носители.

Физической величиной (основным информационным параметром), определенным образом связанной с передаваемым сообщением, определяющей характер сигнала и зависящей от пространственных координат и времени, может быть:

  • Напряженность электрического поля в электромагнитной волне ,
  • Яркость или освещенность соответственно в пространстве предметов и изображений,
  • Поток излучения,
  • Напряжение,
  • Ток,
  • Заряд,
  • Давление в акустической волне.

В теоретических исследованиях независимо от физической природы сигнала говорят о его математическом представлении (структурной модели сигнала) в виде в общем случае векторной функции пространственных координат, длины волны и времени. Эта функция определяет закон изменения физической величины реального сигнала, отождествляемой с самим сигналом. Преобразование исходного сообщения от объекта в электромагнитный или акустический сигнал осуществляется в результате:

  • испускания,
  • отражения,
  • прохождения излучения.

Один или несколько параметров функции, описывающей физический процесс (сигнал), изменяются в соответствии с некоторой зависимостью, которая характеризует содержание передаваемого сообщения. Информационными параметрами сигнала являются:

  • амплитуда (интенсивность),
  • частота,
  • фаза,
  • длительность,
  • ширина спектра,
  • время запаздывания,
  • направление распространения волны,
  • поляризационные параметры.

Такое преобразование может быть заложено как в самом процессе функционирования объекта, так и осуществляться в результате модуляции (управления) сигнала. Основная характеристика процесса модуляции - степень соответствия между изменением параметра сигнала и модулирующим сигналом. Сигналы могут преобразовываться из одного вида в другой, более удобный, без изменения несомого ими сообщения для последующей:

  • передачи;
  • переработки;
  • управления;
  • отображения;
  • хранения или целенаправленного изменения информации, имеющейся в сообщении. В подсистемах КПС таким специфическим (типовым) преобразованием является трансформация пространственно-временного сигнала во временной (в частности, электрический) и обратно.

В зависимости от вида функции , которая описывает физический процесс передачи или преобразования сообщений, можно выделить следующие классы сигналов:

  1. произвольные по величине и непрерывные по координатам;
  2. произвольные по величине и дискретные по координатам;
  3. квантованные по величине и непрерывные по координатам;
  4. квантованные по величине и дискретные по координатам.
  1. Сигналы первого класса иногда называют аналоговыми, или непрерывными, так как они считаются заданными на несчетном (континуальном) множестве пространственно-временных точек. По величине они принимают любое значение в определенном интервале, но могут иметь разрывы. Принято называть такие сигналы континуальными пространственно-временными сигналами.
  2. К сигналам второго класса относятся сигналы, заданные при дискретных значениях аргументов, т. е. на счетном множестве пространственно-временных точек. Такие сигналы называют дискретными. Так как величина сигнала может принимать любые значения, то термин дискретный характеризует способ его задания на пространственно-временных осях. При этом преобразование дискретного сообщения в дискретный сигнал называется кодированием.
  3. Третий класс составляют сигналы, квантованные по уровню. Они заданы во всех пространственно-временных точках, однако могут принимать лишь дискретные значения.
  4. В четвертом классе сигналов квантование используют с целью последующей электронной обработки сигналов в цифровой форме с помощью цифрового кодирования. Уровни сигнала нумеруются числами с конечным числом разрядов, так что сообщение превращается в последовательность двоично-кодированных чисел. Поэтому квантованный по уровню и дискретный по координатам сигнал называют цифровым.

Таким образом выделяют: 1) континуальные; 2) дискретные; 3) квантованные; и 4) цифровые сигналы. При этом термин дискретный применяется по отношению к дискретизации по координатам. Дискретизация по уровню называется квантованием. При формальном описании сигналов в первую очередь выделяются две наиболее общие характеристики:

  • множество значений, которые могут принимать сами сигналы;
  • множество значений, которые могут принимать их математические представления (формулы).

Исходя из этого, ниже будет представлена следующая классификация сигналов (для классификации могут быть использованы разные критерии, поэтому можно предположить и разные классы сигналов).

Пространственный и временной сигналы

  • Пространственный сигнал - зависит только от пространственных координат. Наиболее часто используемый, двумерный сигнал. Модель – .
  • Временной сигнал - зависит только от времени. Модель –

Финитный и инфинитный сигналы

  • Финитный сигнал- множество значений координат ограничено.
  • Инфинитный сигнал - множество значений координат неограниченно.

Аналоговый, непрерывный, дискретный, квантованный, цифровой сигналы

  • Аналоговый сигнал- сигнал и его аргументы принимают непрерывные значения на числовых осях координат и значений.
  • Дискретный сигнал - аргументы сигнала принимают лишь счетное множество значений.
  • Квантованный сигнал - сигнал, который принимает счетное множество значений.
  • Цифровой сигнал - дискретный, квантованный сигнал.

Детерминированный (регулярный) и случайный (недетерминированный) сигналы

  • Детерминированный (регулярный) сигнал, это сигнал, который может быть задан точными функциональными зависимостями от пространственных координат и времени.
  • Случайный сигнал - сигнал, который нельзя описать точными математическими соотношениями. Эти сигналы рассматриваются как выборочные значения или реализации из некоторого ансамбля сигналов, и математическое описание не для каждого отдельного сигнала (который есть случайная величина или функция), а для ансамбля(процесса) в целом. Эти сигналы описываются не точными выражениями, а при помощи осредненных характеристик.

Пространственный сигнал, преобразуемый в радиоэлектронных и оптико-электронных КПС

  • В случае когерентных сигналов – вектор напряженности электрического поля в электромагнитной волне, именуемый для краткости электрический вектор, В/м, a – электрическое смещение, Кл/м,2.
  • В случае некогерентных сигналов в любой точке электромагнитной волны величина и направление потока электрической энергии за единицу времени через единичную площадку, нормальную к потоку, определяется вектором Умова – Пойнтинга.В классической электродинамике усредненную по времени величину , Вт/м 2, этого вектора называют интенсивностью , т.е. поверхностной плотностью лучистого потока в точке

Заметим, что на практике наряду с поверхностной плотностью лучистого потока используется пространственно-угловая плотность, или сила излучения . В фотометрии она называется силой света [Вт/срад].

Пространственный сигнал, преобразуемый в радиоэлектронных и оптико-электронных КПС

  • Звуковое давление, то есть переменное давление в среде, обусловленное акустическими колебаниями. Максимальное значение переменного акустического давления (амплитуда давления) может быть рассчитано через амплитуду колебания частиц: , где — максимальное акустическое давление (амплитуда давления); — частота; — скорость распространения ультразвука; — плотность среды; — амплитуда колебания частиц среды. На расстоянии в половину длины волны амплитудное значение давления из положительного становится отрицательным, то есть разница давлений в двух точках, отстоящих друг от друга на пути распространения волны, равна . Для выражения звукового давления в единицах СИ используется Паскаль (Па), равный давлению в один ньютон на метр квадратный (Н/м2). Звуковое давление в системе СГС измеряется в дин/см2; 1 дин/см2 = 10-1Па = 10-1Н/м2. Наряду с указанными единицами часто пользуются внесистемными единицами давления — атмосфера (атм) и техническая атмосфера (ат), при этом 1 ат = 0,98106 дин/см2 = 0,98105 Н/м2. Иногда применяется единица, называемая баром или микробаром (акустическим баром); 1 бар = 106 дин/см2.
  • В случае некогерентных акустических сигналов в любой точке акустической волны величина и направление потока электрической энергии за единицу времени через единичную площадку, нормальную к потоку, определяется вектором Умова – Пойнтинга. Усредненную по времени величину этого вектора называют интенсивностью [Вт/м2], т.е. поверхностной плотностью акустического потока в точке .

Модели цифровых изображений, принятые в вычислительной технике

  1. Черно-белая модель Bitmap. Каждому пикселу ставится в соответствие 1 бит-0, если цвет белый и 1, если цвет черный — битовая карта
  2. Полутоновые изображения. (grayscale) Пиксел полутонового изображения кодируется 8 битами(1 байт). Глубина цвета такого изображения составляет 8 бит, каждый пиксел может принимать 256 различных значений. Значения, принимаемые пикселами назывются серой шкалой. Она имеет 256 градаций серого цвета.
  3. Индексированный цвет. Первые цветные мониторы работали с ограниченной цветовой гаммой. Они кодировались или 4 битами(16 цветов) или 8 (256 цветов). Такие цвета получили название индексированных цветов. Индексированные цвета кодируются обычно 4 или 8 битами в виде цветовых таблиц. Например, графическая среда Windows 95 поддерживает цветовую таблицу из 8 бит/пиксел.
  4. Полноцветные изображения. К ним относятся модели с глубиной цвета не менее 24 байт на пиксел (не менее 16,7 млн. оттенков). Поэтому их иногда называют True Color(истинный цвет). Битовый объем каждого пикселя распределяется по цветовым составляющим.Каждый цвет кодируется 8 битами. Цветовые составляющие обычно в программах организуются в виде каналов, совмещенное отображение каналов и определяет цвет изображения. К таким моделям относятся:RGB,CMYK и другие.