Класифікація та модельне уявлення сигналів

Визначення та опис сигналів

Під сигналом розуміється фізичний процес, що несе повідомлення про будь-яку подію або стан об'єкта і протікає в просторі і в часі і охоплює певний спектральний діапазон довжин хвиль, т. Е. Це матеріальна (фізична) форма подання повідомлення для передачі по каналу. У реальних каналах передачі повідомлень (КПС) в залежності від фізичної природи носія сигналу розрізняють:

Електромагнітні і, зокрема, оптичні, або радіоелектронні носії,
Акустичні носії,
Механічні носії,
Електричні носії.

Фізичною величиною (основним інформаційним параметром), певним чином пов'язаної з переданим повідомленням, що визначає характер сигналу і залежить від просторових координат і часу, може бути:

Напруженість електричного поля в електромагнітній хвилі U e l k \, \!>,
Яскравість L або освітленість E відповідно в просторі предметів і зображень,
Потік випромінювання,
напруга,
Струм,
заряд,
Тиск в акустичної хвилі.

У теоретичних дослідженнях незалежно від фізичної природи сигналу говорять про його математичному поданні (структурної моделі сигналу) у вигляді в загальному випадку векторної функції S (x. Y. Z. # X3bb ;. t) просторових координат, довжини хвилі і часу. Ця функція визначає закон зміни фізичної величини реального сигналу, що ототожнюється з самим сигналом. Перетворення вихідного повідомлення від об'єкта в електромагнітний або акустичний сигнал здійснюється в результаті:

випускання,
відображення,
проходження випромінювання.

амплітуда (інтенсивність),
частота,
фаза,
тривалість,
ширина спектра,
час запізнювання,
напрямок поширення хвилі,
поляризаційні параметри.

Таке перетворення може бути закладено як у самому процесі функціонування об'єкта, так і здійснюватися в результаті модуляції (управління) сигналу. Основна характеристика процесу модуляції - ступінь відповідності між зміною параметра сигналу і модулюючим сигналом. Сигнали можуть перетворюватися з одного виду в інший, більш зручний, без зміни несомого ними повідомлення для подальшої:

передачі;
переробки;
управління;
відображення;
зберігання або цілеспрямованої зміни інформації, наявної в повідомленні. У підсистемах КПС таким специфічним (типовим) перетворенням є трансформація просторово-часового сигналу у часовій (зокрема, електричний) і назад.

Залежно від виду функції S (x. Y. Z. # X3bb ;. t). яка описує фізичний процес передачі або перетворення повідомлень, можна виділити наступні класи сигналів:

довільні за величиною і безперервні за координатами;
довільні за величиною і дискретні за координатами;
квантовані за величиною і безперервні за координатами;
квантовані за величиною і дискретні за координатами.

Сигнали першого класу іноді називають аналоговими. або безперервними. так як вони вважаються заданими на незліченну (континуальному) безлічі просторово-часових точок. За величиною вони приймають будь-яке значення в певному інтервалі, але можуть мати розриви. Прийнято називати такі сигнали континуальними просторово-часовими сигналами.
До сигналів другого класу відносяться сигнали, задані при дискретних значеннях аргументів, т. Е. На рахунковому безлічі просторово-часових точок. Такі сигнали називають дискретними. Так як величина сигналу може приймати будь-які значення, то термін дискретний характеризує спосіб його завдання на просторово-часових осях. При цьому перетворення дискретного повідомлення в дискретний сигнал називається кодуванням.
Третій клас складають сигнали, квантовані за рівнем. Вони задані у всіх просторово-часових точках, однак можуть приймати лише дискретні значення.
У четвертому класі сигналів квантування використовують з метою подальшої електронної обробки сигналів в цифровій формі за допомогою цифрового кодування. Рівні сигналу нумеруються числами з кінцевим числом розрядів, так що повідомлення перетворюється в послідовність двійковій-кодованих чисел. Тому квантований за рівнем і дискретний за координатами сигнал називають цифровим.

Таким чином виділяють: 1) контінуальниє; 2) дискретні; 3) квантовані; і 4) цифрові сигнали. При цьому термін дискретний застосовується по відношенню до дискретизації за координатами. Дискретизація за рівнем називається квантуванням. При формальному описі сигналів в першу чергу виділяються дві найбільш загальні характеристики:

безліч значень, які можуть приймати самі сигнали;
безліч значень, які можуть приймати їх математичні уявлення (формули).

Виходячи з цього, нижче буде представлена наступна класифікація сигналів (для класифікації можуть бути використані різні критерії, тому можна припустити і різні класи сигналів).

Просторовий і часовий сигнали

Просторовий сигнал - залежить тільки від просторових координат. Найбільш часто використовуваний, двовимірний сигнал. Модель - S (x. Y).
Тимчасової сигнал - залежить тільки від часу. Модель - F (t)

ФІНІТНОГО і інфінітним сигнали

ФІНІТНОГО сигнал-безліч значень координат обмежена.
Інфінітним сигнал - безліч значень координат необмежено.

Аналоговий, безперервний, дискретний, квантований, цифровий сигнали

Аналоговий сигнал-сигнал і його аргументи приймають безперервні значення на числових осях координат і значень.
Дискретний сигнал - аргументи сигналу приймають лише рахункове безліч значень.
Квантований сигнал - сигнал, який приймає рахункове безліч значень.
Цифровий сигнал - дискретний, квантований сигнал.

Детермінований (регулярний) і випадковий (недетермінований) сигнали

Детермінований (регулярний) сигнал, це сигнал, який може бути заданий точними функціональними залежностями від просторових координат і часу.
Випадковий сигнал - сигнал, який можна описати точними математичними співвідношеннями. Ці сигнали розглядаються як вибіркові значення або реалізації з деякого ансамблю сигналів, і математичний опис не для кожного окремого сигналу (який є випадкова величина або функція), а для ансамблю (процесу) в цілому. Ці сигнали описуються точними виразами, а за допомогою усереднених характеристик.

Просторовий сигнал, що перетворюється в радіоелектронних та оптико-електронних КПС

У разі когерентних сигналів - вектор напруженості електричного поля в електромагнітній хвилі, іменований для стислості електричний вектор, В / м, a - електричне зміщення, Кл / м, 2.
У разі некогерентних сигналів в будь-якій точці електромагнітної хвилі величина і напрямок потоку електричної енергії за одиницю часу через одиничну площадку, нормальну до потоку, визначається вектором Умова - Пойнтінга .У класичної електродинаміки усереднену за часом величину. Вт / м 2. цього вектора називають інтенсивністю I p (x. Y). тобто поверхневою щільністю променистого потоку в точці

(X. Y) (1.1)

Зауважимо, що на практиці поряд з поверхневою щільністю променистого потоку використовується просторово-кутова щільність, або сила випромінювання J ( # X398; ). У фотометрії вона називається силою світла [Вт / СрАТ].

Просторовий сигнал, що перетворюється в радіоелектронних та оптико-електронних КПС

Звуковий тиск, тобто змінне тиск в середовищі, обумовлене акустичними коливаннями. Максимальне значення змінного акустичного тиску (амплітуда тиску) може бути розраховане через амплітуду коливання частинок: P = 2 # X3c0; f # X3c1; c A. де P - максимальне акустичний тиск (амплітуда тиску); f - частота; c - швидкість поширення ультразвуку; # X3c1; - щільність середовища; A - амплітуда коливання частинок середовища. На відстані в половину довжини хвилі ( # X3bb; / 2) амплітудне значення тиску з позитивного стає негативним, тобто різниця тисків у двох точках, віддалених один від одного на ( # X3bb; / 2) шляхи поширення хвилі, дорівнює 2 P. Для вираження звукового тиску в одиницях СІ використовується Паскаль (Па), що дорівнює тиску в один ньютон на метр квадратний (Н / м 2). Звуковий тиск в системі СГС вимірюється в дин / см 2; 1 дин / см 2 = 10 -1 Па = 10 -1 Н / м 2. Поряд із зазначеними одиницями часто користуються позасистемна одиниця тиску - атмосфера (атм) і технічна атмосфера (ат), при цьому 1 ат = 0,98 # X22c5; 10 6 дин / см 2 = 0,98 # X22c5; 10 5 Н / м 2. Іноді застосовується одиниця, звана баром або мікробар (акустичним баром); 1 бар = 10 6 дин / см 2.
У разі некогерентних акустичних сигналів в будь-якій точці акустичної хвилі величина і напрямок потоку електричної енергії за одиницю часу через одиничну площадку, нормальну до потоку, визначається вектором Умова - Пойнтінга. Усереднену за часом величину цього вектора називають інтенсивністю I p (x. Y) [Вт / м 2], тобто поверхневою щільністю акустичного потоку в точці (x. y).

Моделі цифрових зображень, прийняті в обчислювальній техніці

Чорно-біла модель Bitmap. Кожному пікселю ставиться у відповідність 1 біт-0, якщо колір білий і 1, якщо колір чорний - бітова карта
Напівтонові зображення. (Grayscale) Пиксел півтонування кодується 8 бітами (1 байт). Глибина кольору такого зображення становить 8 біт, кожен піксель може приймати 256 різних значень. Значення, що приймаються пікселями називют сірою шкалою. Вона має 256 градацій сірого кольору.
Індексований колір. Перші кольорові монітори працювали з обмеженою колірною гамою. Вони кодувалися або 4 бітами (16 кольорів) або 8 (256 кольорів). Такі кольори отримали назву індексованих кольорів. Індексовані кольору кодуються зазвичай 4 або 8 бітами у вигляді колірних таблиць. Наприклад, графічне середовище Windows 95 підтримує колірну таблицю з 8 біт / піксель.
Повнокольорові зображення. До них відносяться моделі з глибиною кольору не менше 24 байт на піксель (не менше 16,7 млн. Відтінків). Тому їх іноді називають True Color (справжній колір). Бітовий обсяг кожного пікселя розподіляється по колірних составляющім.Каждий колір кодується 8 бітами. Колірні складові зазвичай в програмах організовуються у вигляді каналів, поєднане відображення каналів і визначає колір зображення. До таких моделей належать: RGB, CMYK і інші.