سیگنال چیست؟

سیگنالها، متغیرهای فیزیکی هستند که حامل اطلاعاتی در مورد یک فرآیند یا رخداد خاص هستند. سیگنالها به صورت ریاضی بر روی یک محدوده یا حوزه مشخص تعریف شده و برای افراد با تخصصهای مختلف، مفاهیم متفاوتی ایجاد میکنند.

برای یک مهندس برق میتواند موارد زیر باشد:

جریان
ولتاژ
توان
انرژی

برای یک مهندس مکانیک موارد زیر باشد:

نیرو
گشتاور
سرعت
جابه‌جایی

برای یک هواشناس موارد زیر باشد:

دمای اتمسفری
رطوبت اتمسفری
فشار اتمسفری
سرعت باد

برای یک اقتصاددان موارد زیر باشد:

نرخ رشد
نرخ ایجاد شغل
نرخ بهره
نرخ تورم
تغییرات بازار بورس

برای یک جغرافیادان موارد زیر باشد:

امواج لرزه‌ای
سونامی
فعالیتهای آتشفشانی

برای یک پزشک موارد زیر باشد:

سیگنال قلب ECG
سیگنال مغزی EEG
سونوگرام

برای یک مهندس مخابرات موارد زیر باشد:

امواج صوتی (صدای افراد یا موسیقی)
سیگنال ویدئویی (تلویزیون، کنفرانس، …)
داده رایانه‌ای
امواج مدوله شده (مدولاسیون دامنه (AM)، مدولاسیون فرکانس (FM)، مدولاسیون فاز (PM)، مدولاسیون دامنه تربیعی (QAM) و غیره.
امواج مالتی پلکس شده ( مالتی‌ پلکس زمانی (TDM)، مالتی پلکس زمانی-آماری (STDM)، مالتی پلکس فرکانسی (FDM) و غیره.

از دیدگاه ساختار جعبه سیاه یا black box، سیگنالها، ورودی به سیستم و پاسخ سیستم که همان خروجی نام دارد، را تشکیل میدهند. از آنجا که بسیاری از ابزارهای اندازه‌گیری، ذخیره‌سازی، دنبال کردن و پردازش فعالیتهای سیگنالی به نوعی ابزارهای الکتریکی یا الکترونیکی هستند، دانشمندان و مهندسین معمولا هر نوع تغییرات فیزیکی را به سیگنال الکتریکی تبدیل میکنند.

سیگنالهای الکتریکی با توجه به معیارهای مختلفی قابل کلاسبندی هستند. برخی از این معیارهای کلاسبندی به شرح زیر است:

سیگنالها میتوانند تابعی از یک یا بیش از یک متغیر مستقل که از یک یا چند منبع تولید شده‌اند، باشد.
سیگنالها ممکن است تک‌بعدی یا چند‌بعدی باشند.
سیگنالها میتوانند متعامد یا نامتعامد، متناوب یا نامتناوب، زوج یا فرد باشند و حتی ممکن است تقارن خاصی را نشان دهند.
سیگنالها ممکن است معین و قطعی یا غیرقطعی و تصادفی باشند.
سیگنالها میتوانند آنالوگ یا دیجیتال باشند.
سیگنالها به لحاظ محتوای فرکانسی ممکن است باند‌باریک یا باند‌پهن باشند.
سیگنالها ممکن است از نوع توان یا انرژی باشند.

در هر شرایطی، سیگنالها در نتیجه یک فرآیند تولید میشوند که معمولا به صورت یک رابطه ریاضی توصیف شده با معادله، الگوریتم، مدل، جدول، نمودار یا یک قائده مشخص تعریف میشوند.

یک سیگنال تک‌بعدی به صورت یک عبارت ریاضی متشکل از یک متغیر مستقل است، مثل سیگنال صوتی. یک سیگنال دوبعدی تابعی از دو متغیر مستقل است، همچون تصویر سیاه و سفید. یک ویدئوی سیاه و سفید متحرک همچون یک سیگنال سه‌بعدی قابل تصور است که متشکل از تصاویر دوبعدی است که با نرخ مشخصی ارسال یا پردازش میشوند. به طور کلی، بُعد یک سیگنال ویدئویی با اضافه کردن رنگ، روشنایی و غیره قابل افزایش است.

سیگنالهای قطعی و تصادفی، روش کلاسبندی دیگری است که به طور گسترده استفاده میشود. سیگنالهای قطعی، آنهایی هستند که مقدار یکتا و مشخصی دارند در حالیکه سیگنالهای تصادفی دارای مقادیر از پیش تعیین شده‌ای نیستند. آنها ممکن است تصادفی باشند یا با مقادیر آماری تعریف شوند، همچون نویز.

یک دسته‌بندی مهم دیگر که در استانداردهای صنعتی بسیار مهم است، سیگنالهای آنالوگ و دیجیتال است. سیگنالهای آنالوگ توانایی تغییر در هر لحظه از زمان را دارند. این نوع سیگنالها تحت عنوان زمان‌پیوسته نیز شناخته میشوند که مفهوم دامنه پیوسته در آنها بدین معنی است که دامنه سیگنال هر مقداری را میتواند داشته باشد.

از طرفی، سیگنالهای زمان‌گسسته، سیگنالهایی هستند که در نمونه‌های مشخصی از زمان و در بازه زمانی محدود، تعریف شده‌اند. بنابراین، سیگنالهای زمان‌گسسته به صورت دنباله‌ای از نقاط ارائه میشوند که همان نمونه‌های سیگنال در طول زمان است.

شکل زیر یک نمونه از سیگنال آنالوگ و دیجیتال را نشان میدهد:

یک سیگنال آنالوگ طی فرآیند نمونه‌برداری میتواند به سیگنال دیجیتال با نرخ مشخص T تبدیل شود که در واقع فاصله زمانی بین نمونه‌های مختلف سیگنال گسسته است. به این مقدار، نرخ نمونه‌برداری گفته میشود.

سیستمها یا سیگنالهای زمان‌پیوسته معمولا سیستمهای فیزیکی را توصیف میکنند و توسط مجموعه‌ای از معادلات دیفرانسیل به بهترین شکل توصیف میشوند. کارکرد مشابه در سیستمهای زمان‌گسسته را مجموعه‌ای از معادلات تفاضلی بر عهده دارد.

به طور کلی، سیگنالهایی که معمولا در طبیعت بوجود می‌آیند، آنالوگ هستند ولی اگر یک سیگنال توسط یک رایانه یا هر مبدل دیجیتالی دیگری پردازش شود، به یک دنباله گسسته از اعداد تبدیل میشود که دامنه مقادیر آن را در نمونه‌های زمانی مختلف نشان میدهد.

منبع: practical MATLAB applications for engineers