Signal – Hvad er et signal i kommunikation, signalbehandling og elektroteknik
Signal – forstå tidsvarierende signaler i kommunikation, signalbehandling og elektroteknik: klare definitioner, praktiske eksempler og anvendelser forklaret enkelt og præcist.
Inden for kommunikation, signalbehandling og inden for elektroteknik mere generelt er et signal en tidsvarierende størrelse.
Begrebet er bredt og svært at definere præcist. Definitioner, der er specifikke for delområder, er almindelige. I informationsteorien er et signal f.eks. et kodet budskab, dvs. den sekvens af tilstande i en kommunikationskanal, der koder et budskab. I et kommunikationssystem koder en sender et budskab til et signal, som overføres til en modtager via kommunikationskanalen. F.eks. kan ordene "Mary had a little lamb" være den besked, der tales ind i en telefon. Telefonsenderen omdanner lydene til et elektrisk spændingssignal. Signalet overføres til den modtagende telefon via ledninger, og i modtageren omdannes det igen til lyde.
Typer af signaler
Signalers opførsel og egenskaber beskrives ofte ved hjælp af nogle grundlæggende klassifikationer:
- Tidskontinuerte vs. tidsdiskrete signaler: Tidskontinuerte signaler er defineret for alle tidspunkter (f.eks. en analog spænding), mens tidsdiskrete signaler kun er defineret på en række diskrete tidspunkter (f.eks. prøver efter sampling).
- Analoge vs. digitale signaler: Analoge signaler kan antage et kontinuerligt sæt værdier. Digitale signaler består af diskrete værdier eller symboler (f.eks. bitstrømme).
- Deterministiske vs. stokastiske signaler: Deterministiske signaler kan beskrives præcist via en matematisk funktion, mens stokastiske (tilfældige) signaler kræver statistiske beskrivelser (f.eks. støj).
- Periodiske vs. ikke-periodiske: Periodiske signaler gentager sig med en fast periode (f.eks. en sinus), hvor ikke-periodiske signaler ikke gør det.
Repræsentation og analyse
Signaler analyseres typisk i både tidsdomænet og frekvensdomænet. Centrale værktøjer omfatter:
- Tidsdomænet: Direkte beskrivelse af signalets amplitude som funktion af tid.
- Frekvensdomænet: Fourier-transformen (og dens varianter) viser, hvilke frekvenskomponenter signalet indeholder. Dette er essentielt ved filtrering, modulation og spektralanalyse.
- Laplace- og z-transform: Bruges i systemanalyse og ved behandling af kontinuerte samt diskrete signaler for at studere stabilitet og overføringsfunktioner.
- Autokorrelation og tværspektrer: Statistikker, der anvendes til at beskrive stokastiske signalers struktur og til at detektere gentagelser eller sammenhænge.
Almindelige operationer i signalbehandling
- Sampling: Konvertering fra kontinuerligt til diskret signal. Her er Nyquist-frekvensen central for at undgå aliasing.
- Quantisering: Afrunding af prøver til et begrænset sæt niveauer ved digitalisering.
- Filtrering: Fjernelse eller fremhævelse af bestemte frekvenskomponenter (lavpas, højspas, båndpas osv.).
- Modulation/demodulation: Overførsel af signaler over fysiske kanaler ved at ændre amplitude, frekvens eller fase.
- Konvolution og korrelation: Grundlæggende operationer ved systemrespons og signalmatching.
Måling, enheder og præstation
I elektroteknik er signaler typisk repræsenteret som spænding (volt), strøm (ampere) eller effekt (watt). Digitale systemer måles ofte i bits per sekund (bitrate). Vigtige præstationsmål er:
- SNR (signal-to-noise ratio): Forholdet mellem signalstyrke og støj, afgørende for dataintegritet.
- Bitfejlrate (BER): Sandsynligheden for fejl i digitale transmissionssystemer.
- Båndbredde: Det frekvensområde, som et signal eller en kanal kræver.
- Svar- og forsinkelsestid: Vigtige i realtidssystemer og kontrolapplikationer.
Støj, forvrængning og robusthed
Reelle signaler påvirkes af støj (termodynamisk støj, elektronisk støj, interferens) og forvrængning (nonlineariteter, kanalbegrænsninger). Teknikker til at håndtere dette omfatter filtrering, fejlkorrigerende koder, adaptiv signalbehandling og moduleringsteknikker, der er robuste over for støj.
Anvendelser
Signalbegrebet optræder i mange felter:
- Kommunikation: Tale, data og video over kabel, fiber, trådløst.
- Audio og musik: Signaler fra mikrofoner, mixning, equalizere og kodning (f.eks. MP3).
- Billed- og video-behandling: Kompression, filtrering og feature-udtrækning.
- Radar og sonar: Pulssignaler og ekkoanalyse til detektion og afstandsbestemmelse.
- Kontrolsystemer: Sensor- og aktuatorsignaler i automatiserede processer.
- Biomedicinske signaler: ECG, EEG og andre målinger, hvor signalbehandling hjælper ved diagnostik.
Signalers rolle i elektroteknik
I elektroteknik betragtes signaler ofte som variable, der beskriver systemets tilstand eller input/udgang til komponenter og kredsløb. Vigtige aspekter her er impedansmatchning for at minimere refleksioner i transmissionslinjer, forstærkning og stabilitetsanalyse af forstærkerkredsløb samt beskyttelse mod transienter og interferens.
Samlet set er et signal et centralt begreb, der knytter matematik, fysik og praktiske teknikker sammen for at beskrive, analysere og manipulere information og energioverførsel i mange teknologiske systemer.
Eksempler på signaler
- Forslag. En partikels bevægelse gennem et rum kan betragtes som et signal eller kan repræsenteres af et signal. Et bevægelsessignals domæne er endimensionalt (tid), og området er generelt tredimensionalt. Position er således et 3-vektorsignal; position og orientering er et 6-vektorsignal.
- Lyd. Da lyd er en vibration af et medium (f.eks. luft), knytter et lydsignal en trykværdi til hver værdi af tid og tre rumkoordinater. En mikrofon konverterer lydtrykket et sted til en funktion af tiden ved hjælp af et spændingssignal som en analog af lydsignalet.
- Compactdiske (cd'er). CD'er indeholder diskrete bits, der repræsenterer et lydsignal, optaget med 44.100 samples pr. sekund. Hver prøve indeholder data for en venstre og højre kanal, som kan betragtes som en 2-vektor (da cd'er optages i stereo).
- Støj er typisk uønsket, men ikke altid.
Spørgsmål og svar
Q: Hvad er et signal?
A: Et signal er enhver tidsvarierende størrelse.
Q: Hvordan vil du definere et signal specifikt i informationsteori?
A: I informationsteori er et signal en kodet besked, dvs. den sekvens af tilstande i en kommunikationskanal, der koder en besked.
Q: Hvad sker der i et kommunikationssystem?
A: I et kommunikationssystem koder en sender et budskab til et signal, som sendes til en modtager via kommunikationskanalen.
Q: Kan du give et eksempel på, hvordan et budskab kan blive transmitteret i et kommunikationssystem?
A: For eksempel kan ordene "Mary had a little lamb" være den besked, der tales ind i en telefon. Telefonsenderen omdanner lydene til et elektrisk spændingssignal. Signalet transmitteres til modtagertelefonen via ledninger, og hos modtageren konverteres det igen til lyde.
Q: Er begrebet signal let at definere præcist?
A: Nej, begrebet signal er bredt og svært at definere præcist.
Q: Hvad er almindelig praksis for at definere begrebet signal i underområder?
A: Definitioner, der er specifikke for underfelter, er almindelige.
Q: Inden for hvilke områder bruges begrebet signal?
A: Signalbegrebet bruges inden for kommunikation, signalbehandling og elektroteknik mere generelt.
Søge