Signaal (tehnika): määratlus, tüübid ja kasutus side- ja elektrotehnikas

Side, signaalitöötluse ja üldisemalt elektrotehnika valdkonnas on signaal mis tahes ajas muutuv suurus.

Mõiste on lai ja seda on raske täpselt määratleda. Levinud on alamvaldkondade spetsiifilised määratlused. Näiteks infoteoorias on signaal kodeeritud sõnum, st sidekanali olekute jada, mis kodeerib sõnumi. Sidesüsteemis kodeerib saatja sõnumi signaaliks, mis edastatakse sidekanali kaudu vastuvõtjani. Näiteks sõnad "Maarjal oli väike tall" võivad olla telefoni sisse räägitud sõnum. Telefoni saatja muundab helid elektriliseks pingesignaaliks. Signaal edastatakse juhtmete kaudu vastuvõtvasse telefoni ja vastuvõtja juures muundatakse see uuesti helideks.

Mida signaal tähendab praktiliselt?

Signaal on tavaliselt mingi füüsikalise suuruse (näiteks pinge, vool, helirõhk, valgusintensiivsus) ajas või ruumis muutuva väärtuste jada. Signaali kaudu kantakse infot — see võib olla hääle, pildi, mõõteandmete või juhtimiskäskude kodeeritud kujutis. Elektrotehnikas ja sides kasutatakse signaale nii analoog- kui ka digitaalkujul.

Signaali põhikomponendid ja omadused

Amplituud — signaali hetkeline väärtus (nt pinge), või amplituudi teatud statistiline/mõõdetud suurus (RMS, tippväärtus).
Sagedus — kui kiiresti signaal ajas muutub; perioodiline signaal määrab sageduse Hz-ides.
Faasil — perioodilise signaali ettekirjutatud nihke nurk, oluline modulatsioonis ja interferentsis.
Bandwith (kanali laius) — sagedusalamus, kus signaalil on oluline energia; määrab, kui palju informatsiooni kanal suudab edastada.
Signaalimüra suhe (SNR) — signaali tugevuse ja soovimatu mürataseme suhe; kõrgem SNR tähendab paremat signaalikvaliteeti.

Signaalide liigitus

Ajaline ja ruumiline — signaal võib olla funktsioon ajast (nt helisignaal) või ruumist (nt pildid, elektromagnetvälja jaotused).
Anaaloogsed vs digitaalsed — analoogsignaal on pidev (väärtused kogu reaalarvulises skaalas), digitaalne on diskreetne nii ajas (näiteks proovide jadana) kui amplituudis (kvantiseeritud väärtused).
Jatkuv vs diskreetne — kas signaal on defineeritud pidevalt või üksnes kindlatel ajahetkedel.
Perioodiline vs aperiodiline — perioodiline kordub regulaarselt; aperiodiline mitte.
Deterministlik vs juhuslik (stohhastiline) — deterministlikku signaali saab täpselt kirjeldada valemiga, stohhastilist aga iseloomustavad tõenäosuslikud omadused.
Baseband vs kandja (moduleeritud) signaal — baseband on lähtesagedusala (nt helisagedused), kandjasignaal on nihutatud kõrgemale sagedusele modulatsiooni abil (nt raadioside).

Signaalide esitused ja analüüs

Signaale analüüsitakse peamiselt:

Aegdomeenis — signaali väärtuste vaatlemine ajafunktsioonina; kasulik impulsi, lainekuju ja ajas muutuvate sündmuste puhul.
Sagedusdomeenis — signaali jagamine sageduskomponentideks (nt Fourier' analüüs, spekter); oluline filtrite, modulatsiooni ja kanalite uurimisel.

Tavalised signaalitöötlusoperatsioonid

Filtreerimine — soovimatute sageduste eemaldamine või soovitud sageduste esiletoomine (madalpääs-, kõrgepääs-, ribapääs- filtrid).
Modulatsioon ja demodulatsioon — info kandmine kõrgema sageduse kohale (AM, FM, PSK jt) ja selle tagasimuutmine.
Sämplings (näidistamine) ja kvantimine — analoogsignaali muutmine diskreetseks protsessiks (ADC) ja vastupidi (DAC); oluline Nyquisti teoreem ja aliasing'i vältimine.
FFT ja spektrianalüüs — kiire Fourier' teisendus sagedusekomponentide leidmiseks ning signaalide omaduste uurimiseks.
Mürasummutus ja koodimine — signaali kaitsmine vigade eest (veakontroll, tihendamine) ning mürataseme vähendamine.

Kasutusvaldkonnad ja näited

Side: häälside, andmeside, raadioside — saatja kodeerib info signaaliks ja vastuvõtja dekodeerib selle tagasi.
Helitehnika: mikrofonid ja kõlarid — heli muundamine elektrisignaalideks ja tagasi.
Pilditöötlus: digitaalne pilt on ruumiline signaal, mida töödeldakse filtrite, tihenduste ja analüüsi abil.
Mõõtesüsteemid ja sensorid: temperatuur, rõhk, vibratsioon — signaalid edastavad reaalmaailma muutusi mõõteseadmeteni.
Juhtimissüsteemid: signaalid edastavad juhtimis- ja tagasisideinfot automaatikas.

Mõõtmine ja tööriistad

Signaalide analüüsimiseks kasutatakse näiteks oskilloskoopi (aegdomeen), spektrianalüsaatorit (sagedusdomeen), signaaligeneraatorit, ADC/DAC mooduleid ja tarkvarapõhiseid vahendeid (MATLAB, Python + SciPy). Signaali kvaliteeti hinnatakse SNR, väära tõlgenduse tõenäosuse, moonutuse ja bitivea kiiruse alusel.

Kokkuvõte

Signaal on elektrotehnikas ja sides võtmekontseptsioon — see on ajas (või ruumis) muutuva füüsikalise suuruse kaudu edastatav info. Signaale saab liigitada, analüüsida ja töödelda mitmel viisil; igal meetodil ja omadusel on oma tähtsus süsteemi jõudluse, usaldusväärsuse ja efektiivsuse tagamisel.

Näiteid signaalide kohta

Ettepanek. Osakese liikumist läbi mingi ruumi võib pidada signaaliks või seda võib kujutada signaali abil. Liikumissignaali valdkond on ühemõõtmeline (aeg) ja ulatus on tavaliselt kolmemõõtmeline. Asukoht on seega 3-vektoriline signaal; asukoht ja orientatsioon on 6-vektoriline signaal.

Heli. Kuna heli on keskkonna (näiteks õhu) vibratsioon, seostab helisignaal iga aja ja kolme ruumikoordinaadi väärtusega rõhu väärtust. Mikrofon teisendab helirõhu mõnes kohas lihtsalt aja funktsiooniks, kasutades helisignaali analoogina pingesignaali.

Kompaktplaadid (CD). CD-d sisaldavad diskreetseid bitte, mis kujutavad helisignaali, mis on salvestatud kiirusega 44 100 proovi sekundis. Iga proov sisaldab andmeid vasaku ja parema kanali kohta, mida võib pidada 2-vektoriks (kuna CD-d on salvestatud stereosagedusena).

Müra on tavaliselt soovimatu, kuid mitte alati.

Küsimused ja vastused

K: Mis on signaal?

V: Signaal on mis tahes ajas muutuv suurus.

K: Kuidas te defineeriksite signaali konkreetselt infoteoorias?

V: Informatsiooniteoorias on signaal kodeeritud sõnum, st sidekanali olekute jada, mis kodeerib sõnumi.

K: Mis toimub sidesüsteemis?

V: Sidesüsteemis kodeerib saatja sõnumi signaaliks, mis edastatakse sidekanali kaudu vastuvõtjani.

K: Kas te oskate tuua näite, kuidas sõnum võib sidesüsteemis edastada?

V: Näiteks sõnad "Maarjal oli väike tall" võivad olla telefoni sisse räägitud sõnum. Telefoni saatja muundab helid elektriliseks pingesignaaliks. Signaal edastatakse juhtmete kaudu vastuvõtvasse telefoni ja vastuvõtja juures muundatakse see uuesti helideks.

K: Kas signaali mõistet on lihtne täpselt määratleda?

V: Ei, signaali mõiste on lai ja seda on raske täpselt määratleda.

K: Milline on levinud praktika signaali mõiste määratlemisel alavaldkondades?

V: Alavaldkondade spetsiifilised määratlused on tavalised.

K: Millistes valdkondades kasutatakse signaali mõistet?

V: Signaali mõistet kasutatakse side, signaalitöötluse ja üldisemalt elektrotehnikas.