سیگنال
سیگنال هم به فرآیند و هم به نتیجه انتقال داده بر روی برخی رسانه ها اشاره دارد که با تعبیه برخی تغییرات انجام میشود. سیگنالها در زمینه های مختلف موضوعی از جمله پردازش سیگنال، نظریه اطلاعات و زیست شناسی مهم هستند.
سیگنال تابعی است که اطلاعات یک پدیده را منتقل میکند. هر کمیتی که میتواند در مکان یا زمان متفاوت باشد میتواند به عنوان سیگنالی برای به اشتراک گذاشتن پیامها بین ناظران استفاده شود. معاملات IEEE در این پردازش شامل صدا، ویدئو، گفتار، تصویر، سونار و رادار به عنوان نمونه‌هایی از سیگنالها است. سیگنال همچنین ممکن است به عنوان هر تغییر قابل مشاهده در یک کمیت در مکان یا زمان (یک سری زمانی) تعریف شود، حتی اگر اطلاعاتی را حمل نکند.
در طبیعت، سیگنالها میتوانند اقداماتی باشند که توسط یک موجود زنده برای هشدار دادن به موجودات دیگر انجام میشود، از انتشار مواد شیمیایی گیاهی برای هشدار دادن به گیاهان مجاور در مورد یک شکارچی، تا صداها یا حرکاتی که توسط حیوانات برای هشدار دادن به حیوانات دیگر در مورد غذا ایجاد میشود. سیگنال دهی در همه موجودات حتی در سطوح سلولی با سیگنال دهی سلولی اتفاق میافتد. نظریه سیگنالینگ، در زیست‌شناسی تکاملی، پیشنهاد میکند که یک محرک اساسی برای تکامل، توانایی حیوانات برای برقراری ارتباط با یکدیگر از طریق ایجاد راه‌هایی برای سیگنال‌دهی است. در مهندسی انسانی، سیگنالها معمولاً توسط یک حسگر ارائه میشوند و اغلب شکل اصلی سیگنال با استفاده از مبدل به شکل دیگری از انرژی تبدیل میشود. به عنوان مثال، یک میکروفون یک سیگنال صوتی را به شکل موج ولتاژ تبدیل میکند و یک بلندگو برعکس را انجام میدهد.
یکی دیگر از ویژگیهای مهم سیگنال، آنتروپی یا محتوای اطلاعاتی آن است. نظریه اطلاعات به عنوان مطالعه رسمی سیگنالها و محتوای آنها عمل میکند. اطلاعات یک سیگنال اغلب با نویز همراه است، که در درجه اول به تغییرات ناخواسته آنها اشاره دارد، اما اغلب به سیگنالهای ناخواسته در تضاد با سیگنالهای مورد نظر بسط می یابد (crosstalk). کاهش نویز تا حدودی تحت عنوان یکپارچگی پوشش داده میشود. جداسازی سیگنالهای مورد نظر از نویز پس‌زمینه، زمینه بازیابی سیگنال است، که یکی از شاخه‌های آن نظریه تخمین است، یک رویکرد احتمالی برای سرکوب اختلالات تصادفی.
رشته های مهندسی مانند مهندسی برق، طراحی، مطالعه و اجرای سیستمهایی را که شامل انتقال، ذخیره سازی و دستکاری اطلاعات میشود، پیشرفت داده اند. در نیمه دوم قرن بیستم، مهندسی برق به چندین رشته تقسیم شد: مهندسی الکترونیک و مهندسی کامپیوتر که برای تخصص در طراحی و تجزیه و تحلیل سیستمهایی که سیگنالهای فیزیکی را دستکاری میکنند، توسعه یافت، در حالی که مهندسی طراحی برای پرداختن به طراحی عملکردی سیگنالها در کاربر توسعه یافت.
سیگنالهای آنالوگ و دیجیتال
دو نوع سیگنال اصلی که در عمل با آن مواجه میشوند، آنالوگ و دیجیتال هستند. شکل یک سیگنال دیجیتال را نشان میدهد که از تقریب سیگنال آنالوگ با مقادیر آن در لحظه های زمانی خاص حاصل میشود. سیگنالهای دیجیتال کوانتیزه میشوند، در حالیکه سیگنالهای آنالوگ پیوسته هستند.
سیگنال آنالوگ
سیگنال آنالوگ هر سیگنال پیوسته ای است که ویژگی تغییر زمان برای آن نمایش مقداری دیگر از زمان متغیر است، یعنی مشابه با سیگنال متغیر زمانی دیگر. به عنوان مثال، در یک سیگنال صوتی آنالوگ، ولتاژ لحظه ای سیگنال به طور مداوم با فشار صدا تغییر میکند. با یک سیگنال دیجیتال، که در آن کمیت پیوسته نمایشی از دنباله ای از مقادیر گسسته است که فقط میتواند یکی از تعداد محدودی از مقادیر را بگیرد، متفاوت است.
اصطلاح سیگنال آنالوگ معمولاً به سیگنالهای الکتریکی اشاره دارد. با اینحال، سیگنالهای آنالوگ ممکن است از رسانه های دیگری مانند مکانیکی، پنوماتیک یا هیدرولیک استفاده کنند. یک سیگنال آنالوگ از برخی ویژگیهای رسانه برای انتقال اطلاعات سیگنال استفاده میکند. به عنوان مثال، یک فشارسنج آنروئیدی از موقعیت چرخشی به عنوان سیگنال برای انتقال اطلاعات فشار استفاده میکند. در یک سیگنال الکتریکی، ولتاژ، جریان یا فرکانس سیگنال ممکن است برای نمایش اطلاعات تغییر کند.
هر گونه اطلاعات ممکن است توسط یک سیگنال آنالوگ منتقل شود. اغلب چنین سیگنالی یک پاسخ اندازه گیری شده به تغییرات در پدیده های فیزیکی مانند صدا، نور، دما، موقعیت یا فشار است. متغیر فیزیکی توسط یک مبدل به سیگنال آنالوگ تبدیل میشود. به عنوان مثال، در ضبط صدا، نوسانات فشار هوا (یعنی صدا) به دیافراگم میکروفون برخورد میکند که نوسانات الکتریکی مربوطه را القا میکند. ولتاژ یا جریان به آنالوگ صدا گفته میشود.
یک سیگنال دیجیتال دارای دو یا چند شکل موج قابل تشخیص است، در این مثال، ولتاژ بالا و ولتاژ پایین، که هر کدام را میتوان بر روی یک رقم ترسیم کرد. بطور مشخص، نویز را میتوان از سیگنالهای دیجیتال حذف کرد، به شرطی که خیلی شدید نباشد.
سیگنال دیجیتال
سیگنال دیجیتال مجموعه ای مجزا از شکل موجهای یک کمیت فیزیکی ساخته میشود تا دنباله ای از مقادیر گسسته را نشان دهد. سیگنال دیجیتال تنها دو مقدار ممکن است، و یک جریان بیت دلخواه را توصیف میکند. انواع دیگر سیگنالهای دیجیتال میتوانند منطق سه ارزشی یا منطقهای با ارزش بالاتر را نشان دهند.
از طرف دیگر، سیگنال دیجیتال ممکن است دنباله ای از کدهای نمایش داده شده توسط چنین کمیت فیزیکی در نظر گرفته شود. کمیت فیزیکی ممکن است یک جریان یا ولتاژ الکتریکی متغیر، شدت، فاز یا قطبش یک میدان نوری یا دیگر الکترومغناطیسی، فشار آکوستیک، مغناطیسی شدن یک رسانه ذخیره‌سازی مغناطیسی و غیره باشد. سیگنالهای دیجیتال در تمام الکترونیک دیجیتال، به‌ویژه محاسبات، وجود دارند.
با سیگنالهای دیجیتال، نویز سیستم، به شرطی که خیلی زیاد نباشد، بر عملکرد سیستم تأثیر نمیگذارد، در حالیکه نویز همیشه عملکرد سیگنالهای آنالوگ را تا حدی کاهش میدهد.
سیگنالهای دیجیتال اغلب از طریق نمونه‌برداری از سیگنالهای آنالوگ بوجود میآیند، به عنوان مثال، یک ولتاژ در حال نوسان مداوم در یک خط که میتواند توسط یک مدار مبدل آنالوگ به دیجیتال دیجیتالی شود، که در آن مدار سطح ولتاژ روی خط را مثلاً هر 50 عدد میخواند. میکروثانیه و هر قرائت را با تعداد ثابتی بیت نشان میدهد. جریان حاصل از اعداد به عنوان داده های دیجیتال بر روی یک سیگنال زمان گسسته و دامنه کوانتیزه ذخیره میشود. رایانه ها و سایر دستگاه های دیجیتالی محدود به زمان گسسته هستند.
سیگنال باینری که به عنوان سیگنال منطقی نیز شناخته میشود، یک سیگنال دیجیتال با دو سطح قابل تشخیص است.
پردازش سیگنال
پردازش سیگنال دستکاری سیگنالها است. یک مثال رایج انتقال سیگنال بین مکانهای مختلف است. تجسم یک سیگنال به شکل الکتریکی توسط یک مبدل ساخته میشود که سیگنال را از شکل اصلی خود به شکل موجی تبدیل میکند که به صورت جریان یا ولتاژ یا تابش الکترومغناطیسی، به عنوان مثال، سیگنال نوری یا انتقال رادیویی بیان میشود. هنگامیکه سیگنال به عنوان سیگنال الکترونیکی بیان شد، سیگنال برای پردازش بیشتر توسط دستگاه های الکتریکی مانند تقویت کننده های الکترونیکی و فیلترها در دسترس است و میتواند توسط یک فرستنده به یک مکان دور منتقل شود و با استفاده از گیرنده های رادیویی دریافت شود.
انتقال سیگنال با استفاده از سیگنالهای الکترونیکی
سیگنال ها و سیستم ها
در برنامه‌های مهندسی برق (EE)، سیگنالها و سیستمها پوشش داده میشوند. بسته به مدرسه، دانش‌آموزان دوره کارشناسی EE معمولاً کلاس را به‌عنوان دانش‌آموزان یا ارشد، معمولاً بسته به تعداد و سطح کلاسهای جبر خطی قبلی و معادلات دیفرانسیل که گذرانده‌اند، میگذرانند.
میدان سیگنالهای ورودی و خروجی و نمایشهای ریاضی بین آنها به نام سیستمها را در چهار حوزه زمان، فرکانس، s و z مطالعه میکند. از آنجاییکه سیگنالها و سیستمها هر دو در این چهار حوزه مورد مطالعه قرار میگیرند، 8 بخش اصلی مطالعه وجود دارد. به عنوان مثال، هنگام کار با سیگنالهای زمان پیوسته (t)، ممکن است از حوزه زمان به دامنه فرکانس یا s تبدیل شود. یا از زمان گسسته (n) به دامنه فرکانس یا z. سیستمها را نیز میتوان بین این حوزه‌ها مانند سیگنالها با پیوسته به s و گسسته به z تبدیل کرد.
سیگنالها و سیستمها زیر مجموعه ای از رشته مدل سازی ریاضی است. این شامل تجزیه و تحلیل و طراحی مدار از طریق مدلسازی ریاضی و برخی روشهای عددی است و چندین دهه پیش با ابزارهای سیستمهای دینامیکی از جمله معادلات دیفرانسیل و اخیراً لاگرانژیان به‌روزرسانی شد. انتظار میرود دانش‌آموزان ابزارهای مدلسازی و همچنین ریاضیات، فیزیک، آنالیز مدار و تبدیلهای بین 8 حوزه را درک کنند.
از آنجاییکه مباحث مهندسی مکانیک (ME) مانند اصطکاک، میرایی و غیره مشابهات بسیار نزدیکی در علم سیگنال دارند (القایی، مقاومت، ولتاژ، و غیره)، بسیاری از ابزارهایی که در ابتدا در تبدیلهای ME استفاده میشدند (تبدیلهای لاپلاس و فوریه، لاگرانژیان، نظریه نمونه‌برداری). معادلات احتمال، اختلاف و غیره) در حال حاضر برای سیگنالها، مدارها، سیستمها و اجزای آنها، تجزیه و تحلیل و طراحی در EE اعمال شده است. سیستمهای دینامیکی که شامل نویز، فیلتر و سایر جاذبه‌ها و دفع‌کننده‌های تصادفی یا آشفته هستند، اکنون علوم و آمار تصادفی را بین توابع گسسته و پیوسته قطعی‌تر در این زمینه قرار داده‌اند. (Deterministic همانطور که در اینجا استفاده میشود به معنی سیگنالهایی است که کاملاً به عنوان تابع زمان تعیین میشوند).
تاکسونومیستهای EE هنوز تصمیم نگرفته‌اند که سیگنالها و سیستمها در کجای حوزه پردازش سیگنال در مقابل تحلیل مدار و مدلسازی ریاضی قرار میگیرند، اما پیوند مشترک موضوعاتی که در دوره مطالعه پوشش داده میشوند، مرزها را با ده‌ها کتاب، مجله روشنتر کرده است. و غیره که “سیگنالها و سیستمها” نامیده میشود و به عنوان متن و آمادگی آزمون برای EE و همچنین اخیراً امتحانات مهندسی کامپیوتر استفاده میشود.
