1.3 Инженерное определение и классификации сигналов

Сигнал - сообщение о физических свойствах, состоянии или поведении какой-либо физической системы, объекта или среды, а целью обработки сигналов можно считать извлечение определенных информационных сведений и преобразование этих сведений в форму, удобную для восприятия и дальнейшего использования.

Под "анализом" сигналов (analysis) имеется в виду получение на основе результатов их обработки выводов о специфических особенностях соответствующих процессов и объектов. Целями анализа сигналов обычно являются:

- Определение или оценка числовых параметров сигналов (энергия, средняя мощность, среднее квадратическое значение и пр.).

- Разложение сигналов на элементарные составляющие для сравнения свойств различных сигналов.

- Сравнение степени близости, "похожести", "родственности" различных сигналов, в том числе с определенными количественными оценками.

Математический аппарат анализа сигналов весьма обширен и широко применяется на практике во всех без исключения областях науки и техники.

С понятием сигнала неразрывно связан термин регистрации сигналов. Под этим термином будем понимать регистрацию данных (data logging) которые определенным образом фиксируются (записываются) на каком-либо материальном носителе или в памяти компьютера. Для операций измерений и преобразования каких-либо физических параметров в сигналы будем применять, в основном, термин детектирования сигналов.

Шумы и помехи (noise). При детектировании сигналов, несущих целевую для данного вида измерений информацию, в сумме с основным сигналом одновременно регистрируются и мешающие сигналы - шумы и помехи самой различной природы (рис. 1.3.2). К помехам относят также искажения полезных сигналов при влиянии различных дестабилизирующих факторов на процессы измерений, как, например, влияние микрокаверн в стенках трубопроводов при измерении рентгенорадиометрическими методами их толщины и т.п. Выделение полезных составляющих из общей суммы зарегистрированных сигналов или максимальное подавление шумов и помех в информационном сигнале при сохранении его полезных составляющих является одной из основных задач первичной обработки сигналов (результатов наблюдений).

Рис. 1.3.2. Сигнал с помехами.

Рис. 1.3.3. Двумерный сигнал.

1.3.2. Классификация сигналов осуществляется на основании существенных признаков соответствующих математических моделей сигналов. Все сигналы разделяют на две крупных группы: детерминированные и случайные (рис. 1.1.4).

Рис. 1.3.4. Классификация сигналов.

К периодическим относят гармонические и полигармонические сигналы. Для периодических сигналов выполняется общее условие s(t) = s(t + kT), где k = 1,2,3,... - любое целое число, Т - период, являющийся конечным отрезком времени.

Рис. 1.3.5. Гармонический сигнал и его амплитудный спектр.

s(t) = Asin(2f_оt+) = Asin(_оt+),

или:

s(t) = Acos(_оt+),

где А, f_o, _o, ,  - постоянные величины: А - амплитуда сигнала, f_о - циклическая частота в герцах, _о = 2f_о - угловая частота в радианах, и - начальные фазовые углы в радианах. Период одного колебания T = 1/f_о = 2/_о . При  = -/2 синусные и косинусные функции описывают один и тот же сигнал. Частотный спектр сигнала представлен амплитудным и начальным фазовым значением одной частоты f_о (при t = 0).

Полигармонические сигналы составляют наиболее широко распространенную группу периодических сигналов и описываются суммой гармонических колебаний:

Рис. 1.3.6. Полигармонический сигнал и спектр его амплитуд.

или непосредственно функцией s(t) = y(t  kT_p), k = 1,2,3,..., где Т_p - период одного полного колебания сигнала y(t). Значение f_p =1/T_p называют фундаментальной частотой колебаний.

В общем случае полигармонические сигналы представляют собой сумму определенной постоянной составляющей (f_о = 0) и произвольного (в пределе - бесконечного) числа гармонических составляющих с частотами, кратными фундаментальной частоте f_p, и с произвольными значениями амплитуд A_n и фаз _n (см. рис. 1.3.5 и 1.3.6). Другими словами, частотный спектр полигармонических сигналов дискретен, в связи с чем, второе распространенное математическое представление сигналов - в виде спектров (рядов Фурье).

Любой сложный периодический сигнал может быть представлен в виде суммы гармонических колебаний с частотами, кратными основной частоте _р= 2/T_р.

К непериодическим сигналам относят почти периодические и апериодические или переходные сигналы.

Почти периодические сигналы близки по своей форме к полигармоническим. Они также представляют собой сумму двух и более гармонических сигналов, но не с кратными, а с произвольными частотами, отношения которых (хотя бы двух частот минимум) не относятся к рациональным числам, вследствие чего фундаментальный период суммарных колебаний бесконечно велик. Как правило, почти периодические сигналы порождаются физическими процессами, не связанными между собой. Математическое отображение сигналов тождественно полигармоническим сигналам (сумма гармоник), а частотный спектр также дискретен.

Рис. 1.3.7. Апериодический сигнал и модуль его спектра.

s(t) = exp(-at) - exp(-bt),

где a и b – константы, в данном случае a = 0.15, b = 0.17. Частотный спектр апериодических сигналов непрерывен. Для их представления в частотной области используется интегральное преобразование Фурье, которым отображается спектральная плотность сигнала.

Рис. 1.3.8. Импульсный сигнал и модуль его спектра.

В классе импульсных сигналов выделяют подкласс радиоимпульсов. Пример радиоимпульса приведен на рис. 1.3.9. Уравнение радиоимпульса имеет вид

s(t) = u(t) cos(2f_ot+_o).

где cos(2f_ot+_o) – гармоническое колебание заполнения радиоимпульса, u(t) – огибающая радиоимпульса.

Рис. 1.3.9. Радиоимпульс и модуль его спектра.

Для сигналов с ограниченной энергией (иначе – сигналов с интегрируемым квадратом) должно выполняться соотношение:

|s(t)|²dt < ∞.

Как правило, к этому классу сигналов относятся апериодические и импульсные сигналы, не имеющие разрывов 2-го рода и особых точек, уходящих в бесконечность, при ограниченном количестве разрывов 1-го рода. Любые периодические, полигармонические и почти периодические сигналы, а также сигналы с разрывами и особыми точками 2-го рода, относятся к сигналам с бесконечной энергией. Для их анализа применяются специальные методы.

Иногда в отдельный класс выделяют сигналы конечной длительности, отличные от нуля только на ограниченном интервале аргументов (независимых переменных). Такие сигналы обычно называют финитными.

Классификация случайных сигналов. Случайным сигналом называют функцию времени, значения которой заранее неизвестны и могут быть предсказаны лишь с некоторой вероятностью. Случайный сигнал отображает случайное физическое явление или физический процесс, причем зарегистрированный в единичном наблюдении сигнал не воспроизводится при повторных наблюдениях и не может быть описан явной математической зависимостью. При регистрации случайного сигнала реализуется только один из возможных вариантов (исходов) случайного процесса, а достаточно полное и точное описание процесса в целом можно произвести только после многократного повторения наблюдений и вычисления определенных статистических характеристик ансамбля реализаций сигнала. В качестве основных статистических характеристик случайных сигналов принимают:

а) закон распределения вероятности пребывания величины сигнала в определенном интервале значений;

б) спектральное распределение мощности сигнала.

Случайные сигналы подразделяют на стационарные и нестационарные. Случайные стационарные сигналы сохраняют свои статистические характеристики в последовательных реализациях случайного процесса. Что касается случайных нестационарных сигналов, то их общепринятой классификации не существует. Как правило, из них выделяют различные группы сигналов по особенностям их нестационарности.

Тестовые сигналы (test signal). В качестве тестовых сигналов, которые применяются при моделировании и исследовании систем обработки данных, обычно используются сигналы простейшего типа: гармонические синус-косинусные функции, дельта-функция и функция единичного скачка.

Дельта-функция или функция Дирака. По определению, дельта-функция описывается следующими математическими выражениями (в совокупности):

(t-) = 0 при t  ,

(t-) dt = 1.

Функция  (t-) не является дифференцируемой и имеет размерность, обратную размерности ее аргумента, что непосредственно следует из безразмерности результата интегрирования. Значение дельта-функции равно нулю везде за исключением точки , где она представляет собой бесконечно узкий импульс с бесконечно большой амплитудой, при этом площадь импульса равна 1.

Дельта-функция является полезной математической абстракцией. На практике такие функции не могут быть реализованы с абсолютной точностью, так как невозможно реализовать значение, равное бесконечности.

При всей своей абстрактности дельта - функция имеет вполне определенный физический смысл. Представим себе импульсный сигнал прямоугольной формы П(t-) длительностью , амплитуда которого равна 1/, а площадь соответственно равна 1. При уменьшении значения длительности  импульс, сокращаясь по длительности, сохраняет свою площадь, равную 1, и возрастает по амплитуде. Предел такой операции при   0 и носит название дельта - импульса. Этот сигнал (t-) сосредоточен в одной координатной точке t = , конкретное амплитудное значение сигнала не определено, но площадь (интеграл) остается равной 1. Это не мгновенное значение функции в точке t = , а именно импульс (импульс силы в механике, импульс тока в электротехнике и т.п.) – математическая модель короткого действия, значение которого равно 1.

Дельта-функция обладает фильтрующим свойством. Суть его заключается в том, что если дельта-функция (t-) входит под интеграл в качестве множителя, то результат интегрирования равен значению остального подынтегрального выражения в точке  расположения дельта-импульса, т.е.:

f(t)  (t-) dt = f().

Интегрирование в этом выражении может ограничиваться ближайшими окрестностями точки .

Рассмотрим линейную систему, т. е. такую, которую можно представить в виде действия линейного оператора L на исходный сигнал f

Здесь F – функция отклика. В линейной системе действует принцип суперпозиции – при сложении внешних воздействий их результаты также складываются

Линейная система обладает также свойством однородности

Обозначим G(x; ) результат действия линейного оператора на дельта-функцию с особенностью в некоторой фиксированной точке 

Функция G(x; ) называется функцией (влияния) Грина оператора L. С помощью этой функции можно выразить результат преобразования любой заданной функции f(x)

Функция единичного скачка или функция Хевисайда иногда называется также функцией включения. Полное математическое выражение функции:

При моделировании сигналов и систем значение функции скачка в точке t=0 очень часто принимают равным 1, если это не имеет принципиального значения.

Функция единичного скачка используется также при создании математических моделей сигналов конечной длительности. При умножении любой произвольной функции, в том числе периодической, на прямоугольный импульс, сформированный из двух последовательных функций единичного скачка

s(t) = (t) - (t-T),

из нее вырезается участок на интервале 0-Т, и обнуляются значения функции за пределами этого интервала. С дельта-функцией функция единичного скачка связана соотношением

Функция Кронекера. Для дискретных и цифровых систем разрешающая способность по аргументу сигнала определяется интервалом его дискретизации t. Это позволяет в качестве единичного импульса использовать дискретный интегральный аналог дельта-функции - функцию единичного отсчета  (kt-nt), которая равна 1 в координатной точке k = n, и нулю во всех остальных точках. Функция (kt-nt) может быть определена для любых значений t = const, но только для целых значений координат k и n, поскольку других номеров отсчетов в дискретных функциях не существует.

Математические выражения  (t-) и  (kt-nt) называют также импульсами Дирака и Кронекера. Однако, применяя такую терминологию, не будем забывать, что это не просто единичные импульсы в координатных точках  и nt, а импульсные функции, определяющие как значения импульсов в определенных координатных точках, так и нулевые значения по всем остальным координатам, в пределе от - до .