信号

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ウィリアム・パウエル・フリスの「The Signal」の絵では、女性が白いハンカチを振って信号を送ります

信号処理において信号は現象に関する情報を伝達する機能です。[1]電子機器や電気通信では、情報を運ぶ任意の時間変化する電圧電流、または電磁波を指します。信号は、量などの品質の観察可能な変化として定義することもできます。[2]

空間や時間の変動を示す物理量などの品質は、オブザーバー間でメッセージを共有するための信号として使用できます。[3]信号処理に関するIEEEトランザクションによると、信号は音声ビデオ、音声、画像、ソナー、レーダー関連などになります。[4]

自然界では、信号は、近くの植物に捕食者を警告するための植物化学物質の放出から、他の動物に食物を警告するために動物が行う音や動きに至るまで、他の生物に警告するために生物によって行われる行動である可能性があります。シグナル伝達は、細胞レベルでもすべての生物で起こり、細胞シグナル伝達を伴います。シグナル理論は、進化生物学において、進化の実質的な推進力は、シグナル伝達の方法を開発することによって動物が互いに通信する能力であると提案しています。人間工学では、信号は通常センサーによって提供され、多くの場合、信号の元の形式はトランスデューサーを使用して別の形式のエネルギーに変換されます。たとえば、マイク音響信号を電圧波形に変換し、スピーカーがその逆を行います。[1]

情報理論は、信号とその内容の正式な研究として機能し、信号の情報にはノイズが伴うことがよくあります。「ノイズ」という用語は、不要な信号の変更を指しますが、多くの場合、目的の信号と競合する不要な信号を含むように拡張されます(クロストーク)。ノイズの低減は、シグナルインテグリティの見出しの下で部分的にカバーされています。バックグラウンドノイズからの目的の信号の分離は信号回復の分野であり[5]、その1つの分野は推定理論であり、ランダムな外乱を抑制するための確率論的アプローチです。

電気工学などの工学分野は、情報の送信保存、および操作を含むシステムの設計、研究、および実装の道を切り開いてきました20世紀の後半、電気工学自体がいくつかの分野に分かれ、物理信号を操作するシステムの設計と分析に特化しました。例としての電子工学コンピュータ工学。一方、設計エンジニアリングは、ユーザーとマシンのインターフェイスの機能設計を処理するために開発されました

定義

サブフィールドに固有の定義は一般的です。たとえば、情報理論では、信号は成文化されたメッセージ、つまり、メッセージをエンコードする通信チャネルの状態のシーケンスです。信号処理のコンテキストでは、信号はアナログ物理量のアナログおよびデジタル表現です。

それらの空間分布の観点から、信号は点源信号(PSS)と分散ソース信号(DSS)に分類できます。[2]

通信システムでは、送信機はメッセージをエンコードして信号を作成し、信号は通信チャネルによって受信機に運ばれますたとえば、「メアリーは小さな子羊を持っていた」という言葉は、電話に向かって話されたメッセージかもしれません電話の送信機は、音を電気信号に変換します。信号は有線で受信電話に送信されます。受信機でそれは音に再変換されます。

電話網では、信号、たとえば共通チャネル信号は、実際の音声信号ではなく、電話番号やその他のデジタル制御情報を指します。

信号はさまざまな方法で分類できます。最も一般的な違いは、関数が定義されている離散空間と連続空間の違いです。たとえば、離散時間領域と連続時間領域です。 離散時間信号は、他の分野で は時系列と呼ばれることがよくあります。連続時間信号は、しばしば連続信号と呼ばれます。

2つ目の重要な違いは、離散値と連続値の違いです。特にデジタル信号処理では、デジタル信号は、通常、基礎となる連続値の物理プロセスに関連付けられた一連の離散値として定義できます。デジタルエレクトロニクスでは、デジタル信号はデジタルシステムの連続時間波形信号であり、ビットストリームを表します。

信号のもう1つの重要な特性は、その エントロピーまたは情報コンテンツです。

分類

信号とシステムでは、信号は主に次のような多くの基準に従って分類できます。値のさまざまな特徴に従って、アナログ信号デジタル信号に分類されます。信号の決定性に応じて、決定性信号とランダム信号に分類されます。信号の強さに応じて、エネルギー信号と電力信号に分類されます。

アナログおよびデジタル信号

デジタル信号には、2つ以上の識別可能な波形があります。この例では、高電圧と低電圧で、それぞれを1桁にマッピングできます。特徴的に、ノイズは極端すぎない限り、デジタル信号から除去できます。

実際に遭遇する信号の2つの主なタイプは、アナログデジタルです。この図は、特定の時点での値によってアナログ信号を近似した結果のデジタル信号を示しています。デジタル信号は量子化されますが、アナログ信号は連続的です。

アナログ信号

アナログ信号は、信号の時間変化する特徴が他の時間変化する量の表現である、すなわち、別の時間変化する信号に類似している任意の連続信号である。たとえば、アナログオーディオ信号では、信号の瞬時電圧は音圧に応じて連続的に変化します。これは、連続量が有限数の値の1つのみを取ることができる離散値のシーケンスの表現であるデジタル信号とは異なります。[6] [7]

アナログ信号という用語は通常、電気信号を指しますただし、アナログ信号は、機械式空気圧式油圧式などの他の媒体を使用する場合がありますアナログ信号は、媒体の特性を使用して信号の情報を伝達します。たとえば、アネロイド気圧計は、圧力情報を伝達する信号として回転位置を使用します。電気信号では、信号の電圧電流、または周波数を変化させて情報を表すことができます。

任意の情報は、アナログ信号によって伝達される可能性があります。多くの場合、このような信号は、音温度、位置、圧力などの物理現象の変化に対する測定された応答です。物理変数は、トランスデューサーによってアナログ信号に変換されます。たとえば、録音では、気圧の変動(つまり音)がマイクロフォンの振動板に当たり、それに対応する電気的変動が発生します。電圧または電流は音 のアナログであると言われています。

デジタル信号

論理信号とも呼ばれるバイナリ信号は、2つの識別可能なレベルを持つデジタル信号です。

デジタル信号は、物理量の波形の離散セットから構築され、離散値のシーケンスを表す信号です。[8] [9] [10]論理信号は、2つの可能な値[11] [12]のみを持つデジタル信号であり、任意のビットストリームを記述します。他のタイプのデジタル信号は、3値論理またはそれ以上の値の論理を表すことができます。

あるいは、デジタル信号は、そのような物理量によって表されるコードのシーケンスであると見なすことができます。[13]物理量は、可変電流または電圧、光または他の電磁場の強度、位相または分極磁気記憶媒体の磁化などである可能性があります。デジタル信号はすべてのデジタル電子機器に存在します、特にコンピューティング機器とデータ伝送

デジタル信号の場合、システムノイズは、大きすぎない限り、システムの動作に影響を与えませんが、ノイズは常にアナログ信号の動作をある程度低下させます。

デジタル信号は、アナログ信号のサンプリングを介して発生することがよくあります。たとえば、アナログ-デジタル変換回路によってデジタル化できるライン上の継続的に変動する電圧では、回路はライン上の電圧レベルを、たとえば50ごとに読み取ります。 マイクロ秒で、固定数のビットで各読み取り値を表します。結果として得られる数値のストリームは、離散時間および量子化された振幅信号にデジタルデータとして保存されます。 コンピューターやその他のデジタルデバイスは、離散時間に制限されています。

エネルギーとパワー

信号の強さによって、実用的な信号はエネルギー信号と電力信号の2つのカテゴリに分類できます。[14]

エネルギー信号:これらの信号のエネルギーは有限の正の値に等しくなりますが、それらの平均パワーは0です。

電力信号:これらの信号の平均電力は有限のの値に等しくなりますが、それらのエネルギーは無限大です。

決定論的でランダム

決定論的信号とは、いつでも値が予測可能であり、数式で計算できる信号です。

ランダム信号は、任意の時点でランダムな値をとる信号であり、確率的にモデル化する必要があります。[15]

偶数と奇数

偶数および奇数信号
偶数信号の例です。
奇数信号の例です。

偶数信号条件を満たす

または同等に、次の方程式がすべてに当てはまる場合のドメインで

奇数信号が条件を満たす

または同等に、次の方程式がすべてに当てはまる場合のドメインで

定期的

信号が次の条件を満たす場合、 信号は周期的であると言われます。

また

どこ:

=基本期間

=基本周波数

周期的な信号が周期ごとに繰り返されます。

時間の離散化

サンプリングにより連続信号から作成された離散時間信号

信号は、連続時間または離散時間として分類できます数学的な抽象化では、連続時間信号のドメインは実数のセット(またはその間隔)ですが、離散時間(DT)信号のドメインは整数のセット(または実数の他のサブセット)です。 )。これらの整数が何を表すかは、信号の性質によって異なります。ほとんどの場合、それは時間です。

連続時間信号は、間隔内のすべての時間tで定義される関数であり、最も一般的には無限の間隔です。離散時間信号の単純なソースは、連続信号のサンプリングであり、特定の時点での値のシーケンスによって信号を近似します。

振幅量子化

信号を一連の数値として表す場合、正確な精度を維持することは不可能です。シーケンス内の各数値は有限の桁数である必要があります。結果として、そのような信号の値は、実用的な表現のために有限集合に量子化されなければなりません量子化は、連続的なアナログオーディオ信号を整数の離散数値を持つデジタル信号に変換するプロセスです。

信号の例

自然界の信号は、さまざまなセンサーによって電子信号に変換できます例は次のとおりです。

  • モーション物体の動きは信号と見なすことができ、電気信号を提供するためにさまざまなセンサーで監視できます。[16]たとえば、レーダーは航空機の動きを追跡するための電磁信号を提供できます。モーション信号は1次元(時間)であり、範囲は通常3次元です。したがって、位置は3ベクトル信号です。剛体の位置と方向は6ベクトル信号です。方向信号は、ジャイロスコープを使用して生成できます[17]
  • 音は媒体(空気など)の振動であるため、音信号は圧力値を時間のすべての値に関連付け、場合によっては進行方向を示す3つの空間座標に関連付けます。音声信号はマイクによって電気信号に変換され、音声信号のアナログとして電圧信号を生成し音声信号は、個別の時点のセットでサンプリングできますたとえば、コンパクトディスク(CD)には、 44,100Hzで録音された音を表す個別の信号が含まれています。CDはステレオで録音されているので、各サンプルには、左右のチャネルのデータが含まれています。これは、2ベクトル信号と見なすことができます。CDエンコーディングは、レーザーで情報を読み取り、音声信号を光信号に変換することにより、電気信号に変換されます。[18]
  • 画像画像または画像は、2次元の位置の関数である明るさまたは色の信号で構成されます。オブジェクトの外観は、放射光または反射、電磁信号として表されます。電荷結合デバイスなどのデバイスを使用して、電圧または電流の波形に変換できます2D画像は、従来の写真や絵画のように、連続的な空間領域を持つことができます。または、デジタル画像のように、画像を空間で離散化することもできます。カラー画像は通常、3原色のモノクロ画像の組み合わせとして表されます。
  • ビデオビデオ信号は一連の画像です。ビデオ内のポイントは、画像内の2次元の位置とそれが発生する時間によって識別されるため、ビデオ信号には3次元のドメインがあります。アナログビデオには、1つの連続したドメイン次元(スキャンライン全体)と2つの個別の次元(フレームとライン)があります。
  • 生体膜電位信号の値は電位(電圧)です。ドメインを確立するのはより困難です。一部の細胞または細胞小器官は、全体を通して同じ膜電位を持っています。ニューロンは一般に、さまざまなポイントでさまざまな電位を持っています。これらの信号のエネルギーは非常に低いですが、神経系を機能させるには十分です。それらは、電気生理学の技術によって集合的に測定することができます
  • 温度情報を伝達する熱電対の出力。[1]
  • 酸性度情報を伝達するpHメーターの出力。[1]

信号処理

電子信号を使用した信号伝送

信号処理は信号の操作です。一般的な例は、異なる場所間の信号伝送です。電気的形態の信号の実施形態は、信号を元の形態から電流または電圧、または電磁放射、例えば、光信号または無線送信として表される波形に変換するトランスデューサによって作られる。電子信号として表現されると、信号は電子増幅器フィルターなどの電気機器によるさらなる処理に利用でき、送信機によって遠隔地に送信することができますラジオ受信機を使用して受信します。

信号とシステム

電気工学プログラムでは、信号は信号とシステムとして知られているクラスと研究分野でカバーされています学校によっては、学部生のEE学生は通常、以前に受けた線形代数微分方程式のクラスの数とレベルに応じて、ジュニアまたはシニアとしてクラスを受講します。[19]

このフィールドでは、入力信号と出力信号、およびシステムと呼ばれるそれらの間の数学的表現を、時間、周波数、szの4つのドメインで研究します。信号とシステムの両方がこれらの4つのドメインで研究されているため、研究には8つの主要な部門があります。例として、連続時間信号(t)を操作する場合、時間領域から周波数またはs領域に変換することができます。または離散時間(n)から周波数またはzドメインへ。システムは、信号のようにこれらのドメイン間で変換することもできます。連続はsに、離散はzになります。

信号とシステムは、数学的モデリングの分野のサブセットですこれには、数学的モデリングといくつかの数値的手法による回路解析と設計が含まれ、数十年前に微分方程式を含む動的システムツールで更新され、最近ではラグランジアンが更新されました。学生は、モデリングツールだけでなく、数学、物理学、回路解析、および8つのドメイン間の変換を理解することが期待されています。

摩擦、減衰などの機械工学のトピックは、信号科学(インダクタンス、抵抗、電圧など)に非常に類似しているため、ME変換で元々使用されていたツールの多く(ラプラスおよびフーリエ変換、ラグランジュ、サンプリング理論、確率、差分方程式など)は、EEの信号、回路、システムとそのコンポーネント、分析、および設計に適用されています。ノイズ、フィルタリング、その他のランダムまたはカオス的なアトラクタとリペラを含む動的システムは、確率論的科学と統計を、フィールド内のより決定論的な離散関数と連続関数の間に配置しました。(ここで使用される決定論的とは、時間の関数として完全に決定される信号を意味します)。

EE分類学者は、信号とシステムが信号処理と回路解析および数学的モデリングの全分野に含まれるかどうかはまだ決定されていませんが、研究の過程でカバーされるトピックの共通のリンクは、数十の本、ジャーナルとの境界を明るくしました、などはSignals and Systemsと呼ばれ、EEのテキストとテストの準備、および最近ではコンピュータエンジニアリングの試験として使用されます。[20]

も参照してください

参考文献

  1. ^ a b c d Roland Priemer(1991)。入門信号処理世界科学。p。1.ISBN _  978-99715091942013年6月2日にオリジナルからアーカイブされました。
  2. ^ a b Pragnan Chakravorty、「信号とは何ですか?[講義ノート]」、IEEE Signal Processing Magazine、vol。35、いいえ。5、pp。175-177、2018年9月 。https://doi.org/10.1109/MSP.2018.2832195
  3. ^ 一部の著者は、信号の定義における情報の役割を強調していません。たとえば、 Priyabrata Sinha(2009)を参照してください。組み込みシステムでの音声処理スプリンガー。p。9. ISBN 978-03877558092013年6月2日にオリジナルからアーカイブされました。非常に一般的に言えば、信号は時間とともに変化する物理量です。
  4. ^ 「目的と範囲」信号処理に関するIEEEトランザクションIEEE2012年4月17日にオリジナルからアーカイブされました。
  5. ^ TH Wilmshurst(1990)。電子計装におけるノイズからの信号回復(第2版)。CRCプレス。pp。11ff _ ISBN  978-07503005822015年3月19日にオリジナルからアーカイブされました。
  6. ^ 「デジタル信号」www.st-andrews.ac.uk2017-03-02にオリジナルからアーカイブされました2017年12月17日取得
  7. ^ 「アナログvs.デジタル-learn.sparkfun.com」learn.sparkfun.com2017年7月5日にオリジナルからアーカイブされまし2017年12月17日取得
  8. ^ Robert K. Dueck(2005)。CPLDアプリケーションとVHDLを使用したデジタルデザインISBN 14018403022017年12月17日にオリジナルからアーカイブされました。デジタル表現は特定の離散値のみを持つことができます
  9. ^ プロアキス、ジョンG。; マノラキス、ディミトリスG.(2007-01-01)。デジタル信号処理ピアソンプレンティスホール。ISBN 97801318737422016年5月20日にオリジナルからアーカイブされました。
  10. ^ Smillie、Grahame(1999-04-02)。アナログおよびデジタル通信技術ISBN 97800805271472017年12月17日にオリジナルからアーカイブされました。デジタル信号は複雑な波形であり、有限のレベルセットを持つ離散波形として定義できます。
  11. ^ 「デジタル信号」2016年8月13日取得
  12. ^ ポール・ホロヴィッツ; ウィンフィールドヒル(2015)。エレクトロニクスの芸術ケンブリッジ大学出版局。ISBN 9780521809269
  13. ^ Vinod Kumar Khanna(2009)。デジタル信号処理p。3. ISBN 9788121930956デジタル信号は、時間と振幅の両方で離散的な特殊な形式の離散時間信号であり、離散時間信号の各値(サンプル)が有限の値のセット(量子化)を取得し、それに数値を割り当てることによって取得されます。コードによる記号...デジタル信号は、有限のセットから引き出された数値のシーケンスまたはリストです。
  14. ^ Sklar、Bernard、1927年-(2001)。デジタル通信:基礎と応用(第2版)。ニュージャージー州アッパーサドルリバー:Prentice-Hall PTR ISBN 0130847887OCLC45823120 _{{cite book}}:CS1 maint:複数の名前:著者リスト(リンク
  15. ^ Ziemer、Rodger E.(2014-03-17)。通信の原則:システム、変調、およびノイズトランター、ウィリアムH.(第7版)。ニュージャージー州ホーボーケン。ISBN 9781118078914OCLC856647730 _
  16. ^ ロボット工学の例については、 K Nishio&T Yasuda(2011)を参照してください。「脊椎動物の網膜に基づく動き検出のためのアナログデジタル回路とその移動ロボットへの応用」バオ・リァン・ルー; Liqing Zhang&James Kwok(編)。神経情報処理:第18回国際会議、Iconip 2011、上海、中国、2011年11月13〜17日スプリンガー。pp。506ff _ ISBN 978-36422496482013年6月2日にオリジナルからアーカイブされました。
  17. ^ たとえば、 MNArmeniseを参照してください。カテリーナ・シミネッリ; Francesco Dell'Olio; ヴィットリオパッサロ(2010)。「§4.3ファイバーリングレーザーに基づく光学ジャイロ」ジャイロスコープ技術の進歩スプリンガー。p。47. ISBN 978-36421549352013年6月2日にオリジナルからアーカイブされました。
  18. ^ 光学的読み取りプロセスは、 Mark L. Chambers(2004)によって説明されています。ダミーのためのCD&DVDレコーディング(第2版)。ジョン・ワイリー&サンズ。p。13. ISBN 978-07645595632013年6月2日にオリジナルからアーカイブされました。
  19. ^ デビッドマクマホン(2007)。Signals&SystemsDemystifiedニューヨーク:マグロウヒル。ISBN 978-0-07-147578-5
  20. ^ MJロバーツ(2011)。信号とシステム:変換方法とMATLABを使用した分析ニューヨーク:マグロウヒル。ISBN 978-0073380681

さらに読む

  • スー、PH(1995)。シャウムの理論と問題:信号とシステムマグロウヒル。ISBN 0-07-030641-9
  • Lathi、BP(1998)。信号処理および線形システムバークレー-ケンブリッジプレス。ISBN 0-941413-35-7