سیگنال (مهندسی برق)

سیگنال در رشته ارتباطات، پردازش سیگنال یا به‌طور مشابه و کلی‌تر در رشته مهندسی برق، هر کمیت متغیر نسبت به زمان است. سیگنال‌ها اغلب توابع سطری از زمان هستند (سهمی شکل)، ولی ممکن است به صورت توابع ستونی نیز یافت شوند و نیز ممکن است توابعی از هر متغیر مستقل مربوطه دیگری باشند.
این مفهوم بسیار گسترده و تعریف دقیق آن بسیار دشوار است. مفاهیم مربوط به رشته‌های زیر مجموعه، مشترک هستند برای مثال در تئوری اطلاعات یک سیگنال پیغام کد شده‌ای‌است که این همان ترتیب حالت‌ها در یک کانال ارتباطی است که پیغام را دربر می‌گیرد. در یک سیستم ارتباطی یک منتقل‌کننده پیغام را به سیگنال تبدیل می‌کند که این پیغام از طریق کانال ارتباطی به گیرنده می‌رسد. برای مثال کلمات جمله «ماری یک گوسفند کوچک دارد» ممکن است پیغامی باشد که پشت تلفن گفته می‌شود، منتقل‌کننده تلفنی صداها را به سیگنال ولتاژ الکتریکی تبدیل کرده‌است. این سیگنال از طریق سیم‌ها به تلفن گیرنده منتقل می‌شود و در آنجا به صداها تبدیل می‌شود.
سیگنال‌ها را می‌توان به روش‌های گوناگون دسته‌بندی کرد. عمده‌ترین تفاوت بین فضاهای گسسته و پیوسته این است که توابع بر روی آن‌ها تعریف می‌شوند. به عنوان مثال بازه زمانی گسسته و پیوسته. سیگنال‌های دارای زمان پیوسته را نیز اغلب حتی زمانی که توابع سیگنال پیوسته نیستند سیگنال‌های پیوسته می‌نامند و مثال آن سیگنال موج مربعی است.
تفاوت عمده دیگر بین سیگنال‌ها از لحاظ ارزش گسسته یا پوسته آنهااست. سیگنال‌های دیجیتال دارای ارزش گسسته‌اند ولی به‌طور نامشهودی از روند فیزیکی دارای ارزش پیوسته‌ای به‌دست می‌آیند.
سیگنال‌های گسسته و پیوسته
اگر در یک سیگنال کمیت‌ها در طول زمان‌های گسسته تعریف شوند آن را سیگنال گسسته می‌نامیم به بیان دیگر یک سیگنال گسسته به عنوان تابعی از نسبت یک سری از اعداد صحیح به یک سری از اعداد حقیقی شناخته می‌شود.
یک سیگنال پیوسته به عنوان هر تابع دارای ارزش حقیقی شناخته می‌شود که برای تمام زمان‌ها در فرجه زمانی که غالبا فرجه‌ای محدود است تعریف می‌شود.
سیگنال‌های دیجیتال و آنالوگ
سیگنال نمونه‌برداری شده گسسته
سیگنال دیجیتال
به‌طور غیررسمی‌تر از تفاوت‌های تئوری که در بالا به آن اشاره شد و به‌طور عملی به دو نوع سیگنال برمی‌خوریم که یکی دیجیتال و دیگری آنالوگ نام دارد. به‌طور مختصر تفاوت آن‌ها این است که سیگنال‌های دیجیتال گسسته و کمیت‌گذاری شده هستند در حالی که سیگنال‌های آنالوگ هیچ‌یک از این دو خصوصیت را ندارند.
گسسته‌سازی
یکی از تفاوت‌های اصلی بین انواع مختلف سیگنال مابین زمان‌بندی گسسته یا پیوسته آنهاست. از لحاظ ریاضی بازه سیگنال دارای زمان پیوسته بازه اعداد حقیقی‌است در حالی که بازه سیگنال‌های گسسته بازه اعداد صحیح است؛ این که این اعداد صحیح چه چیزی را نشان می‌دهند بستگی به طبیعت سیگنال دارد.
سیگنال‌های DT غالبا از نمونه برداری از سیگنال‌های CT بدست می‌آیند. برای مثال حس‌گرها اطلاعات را به‌طور مداوم مخابره می‌کنند ولی از آنجایی که یک جریان مستقیم به سختی قابل ثبت است، یک سیگنال گسسته غالبا به صورت تخمینی مورد استفاده قرار می‌گیرد. کامپیوترها و وسایل ابزار دیجیتال تنها به زمان‌های گسسته محدود هستند.
کمیت‌گذاری
اگر قرار باشد سیگنالی به صورت ترتیبی از اعداد نشان داده شود غیرممکن است بتوان به‌طور غیرطبیعی سطح دقت را بالا نگه داشت. هر عدد موجود در این ترتیب از اعداد باید دارای تعدادی محدود از ارقام باشد. در نتیجه ارزش‌های چنین سیگنالی محدود می‌شوند که به این ترتیب باید به سری محدودی متعلق باشند و به بیان دیگر ارزش‌گذاری شده باشند (دارای ارزش مشخص باشند).
مثال‌هایی از سیگنال‌ها
حرکت . – حرکت جزئی در میان قسمتی از فضا را می‌توان یک سیگنال در نظر گرفت یا می‌توان آن را به کمک یک سیگنال نشان داد.
محدوده یک سیگنال حرکتی یک بعدی است (زمان)، و بازه آن عموما سه بعدی است؛ بنابراین موقعیت آن به صورت یک سیگنال سه ستونی است به‌همین ترتیب موقعیت و جای‌گیری آن در کنار هم به صورت یک سیگنال ۶ ستونی است.
صوت . -از آنجایی که صدا ناشی از لرزش یک واسطه‌است (مانند هوا) یک سیگنال صوتی و به هر ارزشی از زمان و سه بعد مکان یک ارزش فشار نیز می‌افزاید. یک میکروفن فشار صوت را در یک مکان تنها به تابعی از زمان تبدیل می‌کند. این کار با استفاده از یک سیگنال ولتاژ به عنوان آنالوگی از سیگنال صوتی انجام می‌شود.
لوح‌های فشرده . cdها شامل سیگنالهای منقطعی هستند که نشان دهنده صوت اند و در هر ثانیه ۴۴ هزار و صد نمونه از آن‌ها ضبط می‌شود هر نمونه شامل اطلاعاتی برای کانال‌های چپ و راست است که می‌توان آن را به‌عنوان سیگنال ۲ ستونی در نظر گرفت (از آنجایی که CDها به صورت استریو ضبط می‌شوند).
تصاویر . تصاویر یک تصویر به علاوه تمام ارزش‌های ذکر شده دارای یک ارزش رنگی نیز می‌باشد ازآنجایی که نقاط مربوط به این ارزش‌ها بر روی یک صفحه قرار می‌گیرند محدوده آن دو بعدی است، اگر تصویر یک جسم فیزیکی باشد برای مثال یک نقاشی سیگنالی پیوسته به حساب می‌آید اگر تصویر یک عکس دیجیتال باشد یک سیگنال منقطع به‌شمار می‌آید. غالبا راحت‌تر است که یک رنگ را به صورت جمعی از شدت‌های سه رنگ اصلی در نظر بگیریم تا سیگنال دارای ارزش ستونی و بعد سه‌گانه شود.
ویدئو . ویدئوها (فیلم‌ها) یک سیگنال ویدئویی ترکیبی از تصاویر است یک نقطه از یک ویدئو براساس موقعیتش و زمانی که در آن واقع شده مشخص می‌شود. (۲ بعدی) بنابراین یک سیگنال ویدئویی دارای محدوده سه بعدی است. ویدئوی آنالوگ دارای محدوده بعدی پیوسته‌است (در طول خط اسکن) و دارای دو بعد ناپیوسته یا منقطع است (۴ چوب و خط).
زیست شناختی پتانسیل‌های غشایی . ارزش این سیگنال یک پتانسیل الکتریکی مستقل است (ولتاژ) تعیین محدوده این سیگنال بسیار دشواراست. برخی سلول‌ها یا اجزاء به‌طور کلی دارای پتانسیل غشایی یکسانی هستند، نورون‌ها عموما در نقاط مختلف پتانسیل‌های مختلف دارند این سیگنال‌ها دارای انرژی‌های بسیار کمی هستند ولی برای راه‌اندازی سیستم عصبی کافی هستند ولی می‌توان میزان آن‌ها را به کمک تکنیک‌های الکتروفیزیولوژی اندازه‌گیری کرد.
تجزیه و تحلیل فرکانس
موضوع اصلی: محدوده فرکانس
سیگنال‌ها غالبا از لحاظ فرکانس طیفشان تجزیه و تحلیل و مدل سازی می‌شوند تکنیک‌های محدوده فرکانس در همه سیگنال‌ها قابل استفاده می‌باشند چه سیگنال‌های دارای زمان پیوسته و چه سیگنال‌های دارای زمان منقطع. اگر سیگنالی از یک سیستم LTI عبور داده شود طیف فرکانس سیگنال خروجی محصول طیف فرکانس سیگنال ورودی اصلی و پاسخ فرکانس سیستم است.
تابع دلتای دیراک
نویز (الکترونیک)
نسبت سیگنال به نویز
پردازش سیگنال
پردازش سیگنال دیجیتال
پردازش تصویر
پردازش تصویر دیجیتال