Señal

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Una señal es una materialización material de un mensaje para su uso en la transmisión, procesamiento y almacenamiento de información. [una]

Una señal es un código ( símbolo , signo ), creado y transmitido al espacio ( a través de un canal de comunicación ) por un sistema, o que surge en el proceso de interacción de varios sistemas. El significado y la importancia de la señal se revelan después del registro y la interpretación en el sistema de recepción.

Una señal (en la teoría de la información y la comunicación ) es un portador de información utilizado para transmitir mensajes en un sistema de comunicación .

Hay un número considerable de intentos de formular una definición bastante conveniente de este término en la literatura especializada (por ejemplo, [B: 1] [B: 2] [B: 3] [B: 4] [B: 5] [ B: 6] [B : 7] [B: 8] [B: 9] ), y en reglamentos formales. [D:1] [D:2]

Definiciones

Además de la definición enciclopédica anterior, existen muchas otras opciones para la definición del término "señal" en la literatura clásica.

“Por lo general, una señal se entiende como un valor que refleja de alguna manera el estado de un sistema físico . En este sentido, es natural considerar la señal como el resultado de unas medidas realizadas sobre el sistema físico en el proceso de su observación. [2]

“Una señal se puede definir como una función que transmite información sobre el estado o el comportamiento de un sistema físico. (…) Matemáticamente, las señales se representan como funciones de una o más variables independientes .” [3]

“Una señal es una cantidad física variable en el tiempo descrita por una función del tiempo. Uno de los parámetros de esta función contiene información sobre otra cantidad física. Tal parámetro de señal (función) se llama informativo , y la cantidad física que representa la señal se llama portador de señal (portador de señal); la señal tiene la dimensión de esta cantidad. [cuatro]

“Una señal generalmente se llama algo que transporta algún tipo de datos ”. [5]

Información general

Se puede generar una señal , pero no se requiere para recibirla, a diferencia de un mensaje , que se espera que sea aceptado por la parte receptora, de lo contrario no es un mensaje. Una señal puede ser cualquier proceso físico cuyos parámetros cambien (o se encuentren) de acuerdo con el mensaje transmitido.

Una señal, determinista o aleatoria, se describe mediante un modelo matemático, una función que caracteriza el cambio en los parámetros de la señal. El modelo matemático de representación de señales en función del tiempo es el concepto fundamental de la ingeniería radioeléctrica teórica, que ha demostrado ser fructífero tanto para el análisis como para la síntesis de dispositivos y sistemas de ingeniería radioeléctrica. En ingeniería de radio, una alternativa a una señal que transporta información útil es el ruido , generalmente una función aleatoria del tiempo que interactúa (por ejemplo, por adición) con la señal y la distorsiona. La tarea principal de la ingeniería de radio teórica es extraer información útil de una señal con la consideración obligatoria del ruido.

El concepto de señal nos permite abstraernos de una cantidad física específica , como la corriente, el voltaje, la onda acústica, y considerar, fuera del contexto físico, los fenómenos asociados con la codificación de la información y su extracción a partir de señales que suelen estar distorsionadas por el ruido . . En los estudios, la señal a menudo se representa como una función del tiempo, cuyos parámetros pueden transportar la información necesaria. El método de registro de esta función, así como el método de registro del ruido de interferencia, se denomina modelo matemático de la señal .

En relación con el concepto de señal, los principios básicos de la cibernética se formulan como el concepto de ancho de banda de un canal de comunicación desarrollado por Claude Shannon y el concepto de recepción óptima desarrollado por V. A. Kotelnikov .

Clasificación de señales

Según la naturaleza física del soporte de información:

eléctrico;
electromagnético;
óptico;
acústico

y otros;

A modo de configuración de la señal:

regular (determinista) dada por una función analítica ;
irregular (aleatorio), tomando valores arbitrarios en cualquier momento. Para describir tales señales, se utiliza el aparato de la teoría de la probabilidad .

Dependiendo de la función que describe los parámetros de la señal, existen [4] :

continuo (analógico),
continuamente cuantificado,
discreto-continuo y
señales cuantificadas discretas.

Señal continua (analógica)

La mayoría de las señales tienen una dependencia continua de la variable independiente (por ejemplo, cambian continuamente en el tiempo) y pueden tomar cualquier valor durante un cierto intervalo. "Las señales en tiempo continuo y con un rango continuo de amplitudes también se denominan señales analógicas". [3] Las señales analógicas (AS) pueden describirse mediante alguna función matemática continua del tiempo.

Ejemplo de CA - señal armónica: s(t) = A cos(ω t + φ) .

Las señales analógicas se utilizan en telefonía, radiodifusión, televisión. Es imposible ingresar una señal de este tipo en un sistema digital para su procesamiento, ya que en cualquier intervalo de tiempo puede tener un número infinito de valores, y para una representación precisa (sin error) de su valor, se requieren números de capacidad de bits infinitos. Por lo tanto, muy a menudo es necesario convertir una señal analógica para que pueda ser representada por una secuencia de números de una profundidad de bits determinada.

Existe la opinión entre los expertos de que el término "señal analógica" debe considerarse desafortunado y obsoleto, y en su lugar debe usarse el término " señal continua " . [6]

Señal discreta-continua (discreta)

"Las señales discretas (señales en tiempo discreto) se definen en tiempos discretos y se representan mediante una secuencia de números". [3]

La discretización de una señal analógica consiste en que la señal se representa como una secuencia de valores tomados en tiempos discretos ti (donde i es un índice). Usualmente los intervalos de tiempo entre lecturas sucesivas ( Δt i = t i − t i−1 ) son constantes; en tal caso, Δt se denomina intervalo de muestreo . Los valores de la señal x(t) en los momentos de medición, es decir, x i = x(t i ) , se denominan lecturas.

Señal cuantificada continuamente

Durante la cuantificación, todo el rango de valores de la señal se divide en niveles, cuyo número debe representarse en números de una profundidad de bits determinada. La distancia entre estos niveles se denomina paso de cuantificación Δ. El número de estos niveles es N (de 0 a N−1). A cada nivel se le asigna un número. Las muestras de señal se comparan con los niveles de cuantificación y se selecciona como señal un número correspondiente a un determinado nivel de cuantificación. Cada nivel de cuantificación se codifica como un número binario con n bits. El número de niveles de cuantificación N y el número de bits n de números binarios que codifican estos niveles están relacionados por la relación n ≥ log 2 (N).

De acuerdo con GOST 26.013-81 [D: 2] , dichas señales se designan con el término " señal multinivel ".

Señal cuantificada discretamente (digital)

Las señales digitales incluyen aquellas para las que tanto la variable independiente (por ejemplo, el tiempo) como el nivel son discretos. [5]

Para representar una señal analógica como una secuencia de números de profundidad de bits finita, primero debe convertirse en una señal discreta y luego someterse a cuantificación . La cuantización es un caso especial de discretización, cuando la discretización ocurre en la misma cantidad, llamada cuanto. Como resultado, la señal se presentará de tal manera que se conozca el valor aproximado (cuantificado) de la señal en cada intervalo de tiempo dado, que se puede escribir como un número entero . La secuencia de dichos números será una señal digital.

Parámetros de la señal

Fuerza de la señal $P(t)=s^{2}(t)$
Energía de señal específica $E_{\text{ud}}=\int \limits _{-\infty }^{\infty }{s^{2}(t)dt}$
La duración de la señal determina el intervalo de tiempo durante el cual existe la señal (diferente de cero); $T$
El rango dinámico es la relación entre la potencia de señal instantánea más alta y la más baja:

D=10\lg {\frac {P_{máx}}{P_{mín}}}

El ancho del espectro de la señal es la banda de frecuencia dentro de la cual se concentra la energía principal de la señal; $F$
La base de la señal es el producto de la duración de la señal y el ancho de su espectro . Cabe señalar que existe una relación inversa entre el ancho del espectro y la duración de la señal: cuanto más corto es el espectro, más larga es la duración de la señal. Así, el valor de la base se mantiene prácticamente invariable; $B = TF$
La relación señal/ruido es igual a la relación entre la potencia útil de la señal y la potencia del ruido ;
La cantidad de información transmitida caracteriza el ancho de banda del canal de comunicación requerido para la transmisión de la señal. Se define como el producto del ancho del espectro de la señal y su duración y rango dinámico:

V=FTD

Características de las señales

Las características de la señal prescritas formalmente en GOST [D: 1] son las siguientes.

Características de los impulsos

La función espectral del impulso es una función compleja que es la transformada de Fourier del impulso.
Módulo de función espectral de momento
Argumento de la función espectral de momento

Características de las señales periódicas

El periodo de una señal periódica es un parámetro igual al menor intervalo de tiempo a través del cual se repiten los valores instantáneos de una señal periódica.
La frecuencia de una señal periódica es un parámetro que es el recíproco del período de una señal periódica.
Espectro complejo de una señal periódica — Una función compleja de un argumento discreto igual a un número entero de valores de frecuencia de una señal periódica, que son los valores de los coeficientes de la serie compleja de Fourier para una señal periódica.
Espectro de amplitud de una señal periódica: una función de un argumento discreto, que es el módulo del espectro complejo de una señal periódica.
El espectro de fase de una señal periódica es una función de un argumento discreto, que es un argumento del espectro complejo de una señal periódica.
Armónico es una señal armónica con amplitud y fase inicial iguales a los valores del espectro de amplitud y fase de la señal periódica, respectivamente, en un cierto valor del argumento.

Características de las señales aleatorias

La densidad de probabilidad unidimensional es una función igual al límite del cociente de la probabilidad de que una señal aleatoria se encuentre en un cierto intervalo de valores al ancho de este intervalo cuando tiende a cero, y su argumento es el valor a que el intervalo se contrae
La función de correlación es una función igual al valor medio del producto de la componente variable de una señal aleatoria y la misma componente variable, pero con un retraso de tiempo determinado.
Función de correlación normalizada: una función igual a la relación entre la función de correlación de una señal aleatoria y su varianza.
El espectro de energía es una función que representa la transformada de Fourier de la función de correlación, cuyo argumento es la frecuencia

Características de la interacción de señales

La relación señal-interferencia es la relación de cantidades que caracterizan la intensidad de la señal y la interferencia.
Coeficiente de modulación "hacia arriba" - un coeficiente igual a la relación de la desviación máxima "hacia arriba" de la ley de modulación a su componente constante durante la modulación de amplitud.
Coeficiente de modulación "hacia abajo" - un coeficiente igual a la relación de la desviación máxima "hacia abajo" de la ley de modulación a su componente constante durante la modulación de amplitud.
Desviación de frecuencia "hacia arriba": desviación máxima "hacia arriba" de la ley de modulación durante la modulación de frecuencia.
Desviación de frecuencia "hacia abajo": desviación máxima "hacia abajo" de la ley de modulación durante la modulación de frecuencia.
Índice de modulación angular : desviación máxima de la ley de modulación de la señal modulada en fase con una ley de modulación armónica

Características de la interconexión de señales

La función de correlación cruzada es una función igual al valor promedio del producto del componente variable de una señal aleatoria y el componente variable de otra señal aleatoria retrasada durante un tiempo determinado.
Espectro de energía cruzada: una función que representa la transformada de Fourier de una función de correlación cruzada cuyo argumento es la frecuencia.
El tiempo de retardo es un parámetro igual al valor del cambio de tiempo de una de las señales, en el que es idénticamente igual a la otra señal hasta un factor constante y un término constante.
El cambio de fase es el módulo de la diferencia entre las fases iniciales de dos señales armónicas de la misma frecuencia.

Características de las distorsiones de señal

El coeficiente armónico es un coeficiente que caracteriza la diferencia entre la forma de una señal periódica dada y una armónica, igual a la relación entre el voltaje rms de la suma de todos los armónicos de la señal, excepto el primero, al voltaje rms de el primer armónico.
La desviación relativa de la señal de una ley lineal es un coeficiente igual a la relación de la desviación absoluta (40) de una señal dada de una línea recta que conecta los valores instantáneos de la señal correspondientes al comienzo y al final de un intervalo de tiempo dado al máximo valor de la señal en el mismo intervalo
El coeficiente de no linealidad de la señal es un coeficiente igual a la relación entre la amplitud de la derivada de la señal en un intervalo de tiempo dado y el valor máximo de la derivada en el mismo intervalo.
La desviación absoluta de las señales es el valor máximo de la diferencia entre los valores instantáneos de las señales tomadas al mismo tiempo durante un intervalo de tiempo dado.

Privacidad

Señal y evento

Un evento (recepción de un billete, observación de una bengala, recepción de un símbolo por telégrafo) es una señal sólo en aquel sistema de relaciones en el que el mensaje se reconoce como significativo (por ejemplo, en condiciones de combate, una bengala es un evento que sólo es significativo para el observador al que se dirige). Obviamente, que una señal dada analíticamente no es un evento y no lleva información si el observador conoce la función de la señal y sus parámetros.

En ingeniería, una señal es siempre un evento. En otras palabras, un evento - un cambio en el estado de cualquier componente de un sistema técnico, reconocido por la lógica del sistema como significativo, es una señal. Un evento que no es reconocido como significativo por un sistema dado de relaciones lógicas o técnicas no es una señal.

Representación de señal y espectro

Hay dos formas de representar una señal dependiendo del dominio de definición: temporal y frecuencial. En el primer caso, la señal se representa en función del tiempo caracterizando el cambio en su parámetro. $S t)$

Además de la representación temporal habitual de señales y funciones, la descripción de señales por funciones de frecuencia se usa ampliamente en el análisis y procesamiento de datos. De hecho, cualquier señal, arbitrariamente compleja en su forma, puede representarse como una suma de señales más simples y, en particular, como una suma de las oscilaciones armónicas más simples, cuya totalidad se denomina espectro de frecuencia de la señal.

Para cambiar al método de representación de frecuencia, se utiliza la transformada de Fourier :

S(\omega )=\int \limits _{-\infty }^{+\infty }s(t)e^{-j\omega t}\,dt

La función se llama función espectral o densidad espectral. Dado que la función espectral es compleja, podemos hablar de un espectro de amplitud y un espectro de fase . $S(\omega)$ $S(\omega)$ $|S(\omega )|$ $\phi (\omega)=arg(S(\omega))$

El significado físico de la función espectral: la señal se representa como la suma de una serie infinita de componentes armónicos (sinusoides) con amplitudes , llenando continuamente el intervalo de frecuencia desde hasta y fases iniciales . $S t)$ ${\frac {|S(\omega )|}{\pi }}d\omega$ ${\ estilo de visualización 0}$ $\infty$ $\fi (\omega)$

La dimensión de la función espectral es la dimensión de la señal multiplicada por el tiempo.

En ingeniería de radio

En la ingeniería de radio , el elemento principal de la codificación es la modulación de la señal . En este caso, generalmente se considera una señal casi armónica de la forma s(t) = A sin(2πf t + φ) , donde la amplitud A, la frecuencia f o la fase φ lentamente (en relación con la tasa de cambio del seno ) cambian dependiendo de la información transmitida (modulación de amplitud, frecuencia o fase, respectivamente).

Los modelos de señales estocásticas asumen que la señal en sí o la información que transporta es aleatoria. Un modelo de señal estocástica a menudo se formula como una ecuación que relaciona una señal con el ruido, que en este caso imita muchos mensajes de información posibles y se denomina ruido de modelado , a diferencia del ruido de observación que interfiere .

Una generalización del modelo de señal escalar son, por ejemplo, los modelos de señal vectorial, que son conjuntos ordenados de funciones escalares individuales, con una cierta relación de los componentes vectoriales entre sí. En la práctica, el modelo vectorial corresponde, en particular, a la recepción simultánea de una señal por varios receptores con posterior procesamiento conjunto. Otra extensión del concepto de señal es su generalización al caso de campos.

Véase también

Notas

↑ Signal // Enciclopedia de tecnología moderna. Automatización de la producción y electrónica industrial. Volumen 3 (Error de decisión - Sistema de telemedida de frecuencia) - M .: Enciclopedia soviética, 1964
↑ Francos, 1974 , pág. 9.
↑ 1 2 3 Oppenheim, 1979 , pág. quince.
↑ 1 2 Voshni, 1987 , Capítulo 2. Fundamentos teóricos de la recopilación de datos, § 2.1. Conceptos básicos y definiciones, pág. 14-16.
↑ 1 2 Oppenheim, 2006 , pág. 28
↑ Lyon, 2006 , p. 22

Literatura

Libros

↑ Franks L. Teoría de las señales / Per. De inglés. edición D. E. Vakmana .. - M . : Sov. Radio, 1974. - 344 págs. — 16.500 copias.
↑ A. Oppenheim, R. Schafer. Procesamiento de señales digitales / Per. del inglés.- M. : Comunicación, 1979.- 416 p.
↑ Gonorovsky I. S. Circuitos y señales de radio. - M. : Radio y comunicación, 1986. - 512 p.
↑ Kulikovsky L. F. , Molotov V. V. Fundamentos teóricos de los procesos de información. - M. : Escuela superior, 1987. - 248 p.
↑ Kraus M. , Kuchbakh E. , Voshni O.-G. Recogida de datos en sistemas informáticos de control / Per. con alemán .. - M . : Mir, 1987. - 294 p. — 20.000 copias.
↑ Osipov L. A. Procesamiento de señales en procesadores digitales. Método de aproximación lineal. - M. : Hot line - Telecom, 2001. - 114 p.
↑ Ivanov M. T. , Sergienko A. B. , Ushakov V. N. Fundamentos teóricos de la ingeniería de radio / Ed. V. N. Ushakov . - M. : Escuela Superior, 2002. - 306 p.
↑ Ricardo Lionas. Procesamiento de señales digitales. - M. : Binom-Press LLC, 2006. - 656 p. — ISBN 978-5-9518-0149-4 .
↑ A. Oppenheim, R. Schafer. Procesamiento de señales digitales / Per. del inglés.- M. : Technosfera, 2006. - 856 p. - 1500 copias. - ISBN 978-5-94836-077-6 .

Documentos normativos

↑ 1 2 GOST 16465-70 Señales de medición de ingeniería de radio. Términos y definiciones . docs.cntd.ru. Consultado el 4 de junio de 2017. Archivado desde el original el 20 de junio de 2017. (indefinido)
↑ 1 2 GOST 26.013-81 Equipos de medición y automatización. Señales eléctricas con cambio discreto de parámetros de entrada y salida . docs.cntd.ru. Consultado el 21 de abril de 2020. Archivado desde el original el 27 de abril de 2020. (indefinido)

Enlaces

Curso de conferencias: Fundamentos de radioelectrónica y comunicaciones . Recuperado: 7 de marzo de 2010. (Ruso)
Complejo educativo y metódico: Métodos y medios de procesamiento de señales (enlace inaccesible) . Fecha de acceso: 7 de marzo de 2010. Archivado desde el original el 18 de febrero de 2012. (Ruso)
Base de datos de señales de radio

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