Сигнал как носитель информации

21.09.202328.09.2023 admin 0 Comments

Сигнал как носитель информации

Понятие сигнала, сигнал как носитель информации, цифровой и аналоговый сигналы.

Сигнал – это изменение некоторой физической величины(напряжения, громкости, освещённости и.т.д), которое несёт информацию.

сигнал как носитель информации

Процесс получения информации можно интерпретировать как изменение неопределенности в результате приёма сигнала.

При передаче символов, при получении символа ситуация характеризуется неопределённостью того, какой символ будет отправлен, то есть априорной энтропией H(X). После получения символа yk неопределённость относительно того, какой символ был отправлен, меняется (в случае отсутствия шума исчезает); при наличии шума нет уверенности в том, что принятый символ равен отправленному, и возникает неопределённость характеризуемая апостериорной энтропией H(X|yk)=H() > 0.

Аналоговый сигнал – сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений.

— напряжение принимает произвольные значения в интервале от U1 – минимального до U2 – максимального, т.е. аналоговый сигнал по своей природе непрерывный сигнал. Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении.

Цифровой сигнал – сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений.

Сигналы представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе вся емкость коммуникационного канала используется для передачи одного сигнала. Цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля.

— имеется два устойчивых уровня напряжения : напряжение высокого уровня(U>2,4 В, например 3 или 5 В) и напряжения низкого уровня (U

Источник

Сигнал как носитель информации и его виды

Сигналом называется физическая величина, которая изменяется во времени и описывается следующим уравнением . В качестве носителя сигнала используется переменный ток или переменное напряжение, которые характеризуются своей величиной амплитуды, частоты, периодом колебаний, а также сдвигом по фазе (рис.1). Единицей измерения сигнала является соответственно единицы измерения носителя сигнала. В каждом конкретном случаи параметр носителя сигнала содержит информацию о каком-то измеряемом технологическом параметре, например, величина тока сообщает нам о давлении в трубопроводе или сопротивление в КСМ-4 сообщает нам об измеряемой температуре, такой параметр называется информативным.

Информативный параметр сигнала может изменяться во времени непрерывно или дискретно. В зависимости от этого различают следующие виды сигналов:

В случаи аналогового сигнала информативный параметр может принимать любое значение из заранее заданного непрерывного множества значений. При дискретной форме представления сигнала информативный параметр может принимать только конечное множество дискретных значений. Если известен сигнал, то информация, приносимая с сигналом, равно 0. Информация поступает тогда, когда сигнал носит случайный характер, он является мерой устранения неопределенности.

Рис. 1

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Сигнал (техника)

Сигнал — в теории информации и связи называется материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений по системе связи. Сигналом может быть любой физический процесс, параметры которого изменяются в соответствии с передаваемым сообщением. На практике чаще всего используются электрические сигналы. При этом носителем информации является изменяющиеся во времени ток или напряжение в электрической цепи. Электрические сигналы легче обрабатывать, чем другие, они совместимы с широко распространёнными электронными устройствами.

Сигнал, детерминированный или случайный, описывают математической моделью, функцией, характеризующей изменение параметров сигнала. Математическая модель представления сигнала, как функции времени, является основополагающей концепцией теоретической радиотехники, оказавшейся плодотворной как для анализа, так и для синтеза радиотехнических устройств и систем. В радиотехнике альтернативой сигналу, который несёт полезную информацию, является шум — обычно случайная функция времени, взаимодействующая (например, путем сложения) с сигналом и искажающая его. Основной задачей теоретической радиотехники является извлечение полезной информации из сигнала с обязательным учётом шума.

Содержание

Классификация сигналов

По физической природе носителя информации:

По способу задания сигнала:

В зависимости от функции, описывающей параметры сигнала, выделяют аналоговые, дискретные, квантованные и цифровые сигналы.:

Аналоговый сигнал (АС)

Большинство сигналов имеют аналоговую природу, то есть изменяются непрерывно во времени и могут принимать любые значения на некотором интервале. Аналоговые сигналы описываются некоторой математической функцией времени.

Пример АС — гармонический сигнал — s(t) = A·cos(ω·t + φ).

Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении. Ввести такой сигнал в компьютер и обработать его невозможно, так как на любом интервале времени он имеет бесконечное множество значений, а для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому необходимо преобразовать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности.

Дискретный сигнал

Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени. Эти значения называются отсчётами. Δt называется интервалом дискретизации.

Квантованный сигнал

При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности. Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования Δ. Число этих уровней равно N (от 0 до N–1). Каждому уровню присваивается некоторое число. Отсчеты сигнала сравниваются с уровнями квантования и в качестве сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования. Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с n разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов n двоичный чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n ≥ log₂(N).

Цифровой сигнал

Для того чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию. В результате сигнал будет представлен таким образом, что на каждом заданном промежутке времени известно приближённое (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом. Если записать эти целые числа в двоичной системе, получится последовательность нулей и единиц, которая и будет являться цифровым сигналом.

Сигнал и событие

Событие (получение записки, наблюдение сигнальной ракеты, прием символа по телеграфу) является сигналом только в той системе отношений, в которой сообщение опознается значимым (например, в условиях боевых действий сигнальная ракета — событие, значимое только для того наблюдателя, которому оно адресовано). Очевидно, что сигнал, заданный аналитически, событием не является и не несет информацию, если функция сигнала и её параметры известны наблюдателю.

Временной и частотный способы предстваления сигналов. Спектр сигнала.

Есть два способа представления сигнала в зависимости от области определения: временной и частотный. В первом случае сигнал представляется функцией времени s(t) характеризующей измение его параметра.

Кроме привычного временного представления сигналов и функций при анализе и обработке данных широко используется описание сигналов функциями частоты. Действительно, любой сколь угодно сложный по своей форме сигнал можно представить в виде суммы более простых сигналов, и, в частности, в виде суммы простейших гармонических колебаний, совокупность которых называется частотным спектром сигнала.

Размерность спектральной функции есть размерность сигнала, умноженная на время.

Параметры сигналов

Источник

Понятие сигнала в радиосвязи — типы и параметры сигналов

В этой статье Вы узнаете что такое информация и сигнал, какие бывают сигналы, их виды, параметры. Увидите реальную спектральную плотность мощности. Что происходит с сигналом в канале связи. Познакомимся с эффектом Доплера. Узнаем больше о шумах и помехах.

Что такое информация

Под информацией понимают совокупность сведений о каких-либо событиях, явлениях или предметах, предназначенных для передачи, приёма, обработки, преобразования, хранения.

К.Э. Шеннон, как один из основателей теории информации образно её определил так: «Информация – послание, которое уменьшает неопределённость».

Если я Вам скажу что-то, что для Вас известно, то это не будет для Вас информацией. Я если скажу, то что Вы не знали, уменьшу вашу неопределенность, то это уже будет для Вас информацией.

Что такое сигнал

Сигнал – это некоторый физический процесс, параметры которого изменяются в соответствии с передаваемым сообщением. Пример – электрический сигнал, радиосигнал, как частный случай электромагнитного сигнала, акустический сигнал, оптический и т.д. В зависимости от того, в какой среде идет распространение сигнала. Сигнал – это материальный носитель информации.

Обычно сигнал, независимо от его физической природы, представляют, как некоторую функцию времени x(t). Такое представление есть общепринятая математическая абстракция физического сигнала.

Типы сигналов

Такой сигнал передает информацию? Информация уменьшает неопределенность. В детерминированном сигнале мы знаем все, мы знаем какой он будет через минуту, через год. Детерминированный сигнал информацию в себе никакую не несет. Например, сигнал с гетеродина, мы сами его сформировали, задали частоту, амплитуду, фазу.

Пример: x(t)=Asin(wt+j), где амплитуда А и j — случайная величина.

Например, мы знаем его частоту, но не знаем амплитуду и фазу — это квазидетерминированный сигнал, “квази”-почти, почти определенный сигнал. Информация вносит некоторую случайность. Если мы знаем амплитуду, частоту и фазу, значит информации там нет. Квазидетерминированный сигнал передает информацию, передача информации идет в тех параметрах, которые случайны, в нашем примере амплитуда и фаза случайные величины. Именно в этих величинах передается информация. Информация всегда несет в себе хаос, случайность. Все модулированные сигналы, ЧМ, ФМ это квазидетерминированные сигналы.

Кроме этого все сигналы могут быть непрерывными (аналоговыми) и дискретными (цифровыми или импульсными).

О случайном сигнале мы можем судить о его вероятностных характеристиках. Мы можем знать его плотность вероятности, но какое значение примет сигнал через секунду, минуту мы не знаем. Когда мы работаем со случайным сигналом, мы всегда работаем с вероятностью.

Параметры сигналов

Какие параметры мы будем использовать? Это энергия за некоторый интервал времени T. X(t) это сам сигнал, чтобы определить энергию мы должны взять по модулю, возвести в квадрат, проинтегрировать на некотором промежутке времени и получим энергию.

Средняя мощность за некоторое время t. Это энергия деленная на время.

Мгновенная мощность, если средняя мощность измеряется на некотором участке времени, то мгновенная измеряется в один, конкретный момент времени.

Средняя мощность измеряется на промежутке времени, а мгновенная в точке.

Спектральная плотность энергии и мощности

Спектральная плотность сигнала характеризует распределение энергии или мощности сигнала по диапазону частот. Спектральная плотность энергии, это как у нас энергия распределяется по частотному диапазону. Вычисляется через преобразование Фурье.

И соответственно, СПМ это, как у нас распределяется мощность по частотному диапазону.

В формуле, модуль в квадрате это спектральная плотность энергии, поделили ее на время T и по определению, время T должно стремиться к бесконечности. Но на практике, никто не ждет бесконечности, все оценивают СПМ на некотором интервале времени.

СПМ это некоторая функция зависящая от частоты. По шкале СПМ возьмем 10 Вт/Гц, и окрестности в 1 Гц по частоте. То в полосе 1 Гц будет заключено 10 Вт мощности.

Есть два сигнала и представлены их спектральные плотности мощности. ВОПРОС. Мощность какого сигнала больше?

Мы должны определить площадь под кривой, проинтегрировать. S1=2*10=20 Вт, S2=1*30=30 Вт. В первом случае S1 имеет мощность 20 Вт, а во втором 30 Вт.

СПМ реального сигнала, отображаемая на спектральном анализаторе.

Современные анализаторы спектра могут считать автоматически площадь, вы включаете определение мощности, задаете частотный интервал в котором он должен измерить эту мощность и он сам вычисляет канальную мощность сигнала.

Что происходит с сигналом в канале связи

С ним происходят ослабления, задержка, доплеровский сдвиг, шумы и тому подобное.

Ослабление

Сигнал ослабевает за счет рассеивания в пространстве. Например, у нас есть источник радиосигнала, всенаправленный и изотропный, т.е. он во все стороны излучает одинаково. Получается сферический фронт волны. На одном расстоянии r1 и на другом r2.

Пусть излучаемая мощность 100 Вт, все эти 100 ватт распределяются по всей сфере. Приемные антенны не большие, они охватывают только небольшой участок пространства. И количество мощности, проходящее через небольшой участок пространства, будет разный на расстоянии r1 и r2. Потому что плотность мощности на расстоянии r1 будет выше, чем на расстоянии r2.

Площадь сферы равна S=4pi*R^2. И эта формула фигурирует во всех формулах оценки дальности радиосвязи. Потому что радиоволна равномерно рассеивается в пространстве. И помимо того, что сигнал сам ослабевает по мере распространения в пространстве, электромагнитная волна проходит через некую среду, которую пытается нагреть и за счет этого теряет свою энергию.

Задержка распространения сигнала

Не смотря на то, что электромагнитная волна, это самое быстрое, что есть у нас во вселенной, тем не менее скорость распространения этой волны конечна. И поддается измерениям. Например, на 1 км задержка распространения

На что влияет задержка распространения? Обычно, мы точно не знаем расстояние между передатчиком и приемником с точность до микрон. И задержка распространения, которая нам неизвестна, мы не знаем расстояние и не знаем за какое время примем этот сигнал. И соответственно мы не знаем начальную фазу сигнала.

Доплеровский сдвиг частоты

Приняли сигнал с частотой, который отличается от той, которую мы передали. Это дало информацию о скорости объекта. Доплеровский сдвиг частоты появляется, когда у нас либо приемник, или передатчик, двигаются относительно друг друга. Либо двигается отражающая среда, передатчик излучил, радиосигнал отразился от какого-то объекта, если этот объект тоже двигается, то возникает доплеровский сдвиг частоты. Более подробно читайте полную статью “ Доплеровский сдвиг частоты ”.

Воздействие помех и шумов

И в эфире есть шумы и собственные шумы приемника. Про шумы подробнее в отдельной статье.

Замирания сигнала

Замирания сигнала это процесс, когда у сигнала, случайным образом скачет амплитуда и фаза. То больше амплитуда, то меньше. Выделяют:

Когда есть источник, есть приемник, есть множество путей распространения радиоволны, одна волна может прийти прямой, другая переотраженной.

Например, одна волна прошла 100 км, другая 101 км, к чему это приводит? Если две электромагнитные волны проделали разный путь, то фазы у этих сигналов тоже будут разные. Соответственно, если сигналы сложились в противофазе, то сигналы друг друга подавили, если сложились в фазе, то друг друга усилили.

Из-за многолучевого распространения, каждый луч проделывает разное расстояние, это приводит к тому, что начальная фаза каждого луча отличается. И когда в приемнике эти сигналы складываются, они могут друг друга усиливать либо ослаблять. Это приводит к тому, что амплитуда результирующего сигнала постоянно изменяется, это и есть быстрые замирания.

На рисунке ниже представлен характер изменения амплитуды сигнала от времени. Сплошной линией показаны быстрые замирания, пунктирной медленные. Медленные замирания происходят из за затенения, быстрые из-за многолучевого распространения. Получается, что амплитуда постоянно скачет на десятки дБ.

Межсимвольная интерференция

Возникает из-за многолучевого распространения.

Линейные искажения

Канал связи всегда имеет АЧХ и ФЧХ. Какие-то частоты он усиливает, какие-то ослабляет, фаза где-то поворачивается в одну сторону, где-то в другую это и есть линейные искажения.

Если мы хотим сделать модель канала связи, то чем больше этих параметров мы учтем, тем точнее будет эта модель.

Источник

Лекция №3. Сигнал— материальный носитель информации, представляющий собой некий физический процесс, один из параметров которого непосредственно связан с измеряемой

Сигнал— материальный носитель информации, представляющий собой некий физический процесс, один из параметров которого непосредственно связан с измеряемой физической величиной. Этот параметр называется информативным.

КЛАССИФИКАЦИЯ СИГНАЛОВ

Измерительный сигнал— сигнал, который обязательно дает количественную оценку измеряемой физической величине.

«Сигналы технической радиоэлектронной теории» Классификация измерительных сигналов (ИС):

1.По характеру измерения во времени, может быть:

■ Постоянный сигнал— сигнал, который не изменяется во времени.

■ Переменный сигнал.В свою очередь который подразделяется на непрерывный

и импульсный (колебания, действующие определенный конечный отрезок времени). Примером может служить радио и импульсы.

Жирным выделена видимая часть U_e(t). Up(t)=U_e(t)cos((ot+ ).

2. По характеру измерения информационного и временного параметра подразделяются на:

■ Аналоговый— сигнал, описывающийся непрерывной или кусочно-непрерывной функцией.

■ Дискретный сигнал— сигнал, изменяющийся дискретно по времени.

Описывается решетчатыми функциями.

— интервал выборки.

■ Квантовые сигналы— сигналы, квантованные по уровню.

■ Цифровой сигнал— сигнал квантования по уровню и дискретизированный по времени.

— функция квантования.

Для цифровых сигналов удобна система представления фиксированных значений в виде чисел. (Например: двоичная система исчисления). Для восьмиуровневого квантования необходим трёхразрядный двоичный код).

Число уровней квантования N и наименьшее число разрядов m двоичных чисел:

С уменьшением кванта h увеличивается разрядность, уменьшается быстродействия передачи сигнала.

3. По степени наличия априорной информации о характере изменения ИС:

■ Детерминированные сигналы— определенные. Сигналы, мгновенное значение которых можно предсказать в любой момент времени.

■ Квадетерминированные— с частично известными параметрами.

■ Случайный— сигнал, поведение которого предсказать невозможно.

Виды детерминированных сигналов:

Элементарные — тестовые сигналы. Предназначены для анализа и проверки радиотехнических устройств (к ним относятся элементарные и ряд сложных).

Временные представления элементарных функций:

•Единичная функция. Функция Хевисайда

•Дискретное представление

•Дискётная S – функция:

Стробируянепрерывный сигнал, мы получаем дискретный. Процесс стробирования записывается:

Согласно уравнению: если непрерывную функцию умножить на и проинтегрировать по времени, то результат будет равен мгновенному значению непрерывной функции в точке t, где сосредоточен импульс.

Структурная модель выглядит следующим образом:

Идеальный дискретный сигнал:

y(t)=y_msin(t+),

Сложные сигналы:

y(t)=y_m[1-(t-to)-1-(t-to-)],

где — длительность импульса.

обычно больше, чем _н.

б) знакопеременные

К сложным измерительным сигналам относится любой модулированный сигнал.

Говоря о детерминированных сигналах, их подразделяют на периодические и непериодические.

Периодические сигналы:

Периодический сигнал часто характеризуется спектром, используя преобразование Фурье.

Линейчатый амплитудный спектр выглядит следующим образом:

Интегральные параметры:

· Среднее значение постоянной составляющей:

· Среднеквадратичное (действительное) значение:

Непериодические сигналы:

|| — спектральная плотность.

4. По размерности подразделяются:

■ Одномерный сигнал x(t);

■ Многомерный сигнал V(x(t), x₂(t). ).

Основные способы описания сигналов:

1)представление в функции времени x(t),

2)представление в операторной форме x(p),

3)представление в виде функции частоты x(w),

4)представление в виде совокупности сигналов.

Принцип динамического представления сигнала – реальный сигнал представляется суммой элементарных сигналов, возникающих в последовательные моменты времени. Если длительность отдельных сигналов ® 0, то в пределе получим точное описание исходного сигнала.

К элементарным относят единичный импульс, единичную функциюи синусоидальное воздействие.

единичный импульс (d-функция) .

, где t- момент действия импульса.

d-функция- математическая модель короткого внешнего воздействия с единичной площадью. Это идеализированный сигнал, характеризуемый малой длительностью, с ¥ уровнем, площадью, равной единице.

2) — единичная функция (функция Хэвисайда, функция включения, ступенчатая функция).