Co je signál? Definice a použití v komunikacích, zpracování a elektrotechnice
Co je signál? Přehledná definice a praktické použití v komunikacích, zpracování signálů a elektrotechnice — principy, příklady a aplikace.
V oblasti komunikací, zpracování signálů a obecněji v elektrotechnice se signálem rozumí jakákoli časově proměnná veličina. Jinými slovy jde o libovolnou veličinu, jejíž hodnota se mění v čase (může se ale měnit i v prostoru nebo jiných dimenzích), a která nese informaci nebo stav systému — např. elektrické napětí, proud, světelná intenzita, tlak nebo posloupnost binárních hodnot.
Tento pojem je široký a těžko se přesně definuje. Časté jsou definice specifické pro dílčí obory. Například v teorii informace je signál kódovaná zpráva, tj. posloupnost stavů v komunikačním kanálu, která kóduje zprávu. V komunikačním systému vysílač kóduje zprávu do signálu, který je komunikačním kanálem přenášen k přijímači. Například slova "Marie měla malou ovečku" mohou být zprávou vyslovenou do telefonu. Telefonní vysílač převádí zvuky na signál elektrického napětí. Signál se po drátech přenáší do přijímacího telefonu a v přijímači se znovu převádí na zvuky.
Typy signálů
- Analogový vs. digitální: Analogový signál má spojitou množinu hodnot (např. kontinuitní průběh napětí), digitální signál má diskrétní úrovně (např. 0 a 1 v počítačích).
- Spojité (continuous) vs. diskrétní (discrete): Spojitý signál je definován pro libovolné časové okamžiky; diskrétní je definován jen v samplovaných okamžicích (vzorkování).
- Deterministický vs. stochastický: Deterministický průběh lze přesně popsat matematicky; stochastický (náhodný) obsahuje šum a statistické vlastnosti.
- Periodický vs. neperiodický: Periodický signál se opakuje po určitém čase (např. sinusová vlna), neperiodický signál ne.
- Energetický vs. výkonový signál: rozlišení podle celkové energie či středního výkonu signálu (důležité v teorii signálů).
Reprezentace a základní vlastnosti
Signál lze popsat v časové doméně (průběh hodnot v čase) nebo ve frekvenční doméně (spektrum — jaké frekvence a s jakými amplitudami signál obsahuje). K transformacím mezi doménami se používají nástroje jako Fourierova transformace, Laplaceova transformace či z‑transformace u diskrétních signálů.
Mezi klíčové veličiny patří amplituda (velikost), fáze (posun v čase), frekvence (rychlost opakování) a spektrální hustota. U reálných systémů hraje roli i šum — náhodné rušení, a poměr signál/šum (SNR), který ovlivňuje kvalitu přenosu nebo měření.
Základní operace se signály
- Vzorkování a kvantizace: převod analogového signálu na diskrétní časové body (vzorky) a pak na diskrétní úrovně (digitální hodnoty). Při vzorkování platí Nyquist‑Shannonův teorém: pro bezeztrátový převod je nutné vzorkovat rychleji než dvojnásobek maximální frekvence signálu.
- Filtrace: odstraňování nebo zesílení určitých frekvencí (např. dolní propust k odstranění vysokofrekvenčního šumu).
- Modulace a demodulace: přenášení informace změnou nosné vlny (AM, FM, PSK atd.) v komunikačních systémech.
- Konvoluce a korelace: matematické operace pro popis reakce lineárních systémů (konvoluce) a podobnosti dvou signálů (korelace).
- Komprese a kódování: snížení datové náročnosti signálu (MP3, JPEG) nebo kódování pro spolehlivý přenos (korektivní kódy).
Příklady použití
- Komunikace: přenos hlasu, dat a videa po telefonu, internetu nebo bezdrátových sítích. Zde signál nese informaci a musí být odolný proti rušení a ztrátám.
- Zpracování signálů: analýza a úprava signálů v audio nebo obrazovém zpracování — od potlačení šumu po rozpoznávání řeči či obrazu.
- Elektrotechnika a elektronika: návrh zesilovačů, filtrů, převodníků (A/D, D/A) a měřicích přístrojů, kde se pracuje s elektrickými signály (napětí, proud).
- Řídicí a měřicí systémy: signály ze senzorů (teplota, tlak, akcelerace) se zpracovávají pro řízení strojů nebo pro monitoring.
- Digitální systémy: hodinové signály (clock), logické úrovně v digitální elektronice, signály řízení v procesorech a sběrnicích.
Praktické poznámky
Při práci se signály je třeba brát v úvahu reálná omezení: šum, zkreslení, omezená šířka pásma kanálů, kvantizační chyby při převodu na digitální podobu a časové zpoždění systémů. Návrh systémů často zahrnuje kompromisy mezi přesností, rychlostí, spotřebou energie a náklady.
Stručně řečeno: signál je obecný pojem pro libovolnou veličinu měnící se v čase, která nese informaci nebo stav systému. V různých oborech se používají specifické definice a nástroje pro analýzu a zpracování signálů, ale společným cílem je extrahovat, přenášet nebo upravit informaci co nejefektivněji a nejspolehlivěji.
Příklady signálů
- Návrh. Pohyb částice v prostoru lze považovat za signál nebo jej lze signálem reprezentovat. Oblast signálu pohybu je jednorozměrná (čas) a rozsah je zpravidla trojrozměrný. Poloha je tedy třívektorový signál; poloha a orientace je šestivektorový signál.
- Zvuk. Protože zvuk je vibrace média (např. vzduchu), přiřazuje zvukový signál hodnotu tlaku ke každé hodnotě času a třem prostorovým souřadnicím. Mikrofon převádí tlak zvuku v určitém místě na pouhou funkci času, přičemž jako analog zvukového signálu používá napěťový signál.
- Kompaktní disky (CD). Disky CD obsahují diskrétní bity představující zvukový signál zaznamenaný rychlostí 44 100 vzorků za sekundu. Každý vzorek obsahuje data pro levý a pravý kanál, což lze považovat za dvouvektor (protože disky CD jsou nahrány ve stereu).
- Hluk je obvykle nežádoucí, ale ne vždy.
Otázky a odpovědi
Otázka: Co je to signál?
Odpověď: Signál je jakákoli veličina, která se mění v čase.
Otázka: Jak byste definovali signál konkrétně v teorii informace?
Odpověď: V teorii informace je signál kódovaná zpráva, tj. posloupnost stavů v komunikačním kanálu, která kóduje zprávu.
Otázka: Co se děje v komunikačním systému?
Odpověď: V komunikačním systému vysílač zakóduje zprávu do signálu, který je komunikačním kanálem přenášen k přijímači.
Otázka: Můžete uvést příklad, jak může být zpráva přenášena v komunikačním systému?
Odpověď: Například slova "Marie měla malou ovečku" mohou být zprávou vyslovenou do telefonu. Telefonní vysílač převádí zvuky na signál elektrického napětí. Signál je po drátech přenášen do přijímacího telefonu a v přijímači je znovu převeden na zvuky.
Otázka: Je snadné přesně definovat pojem signál?
Odpověď: Ne, pojem signálu je široký a těžko se přesně definuje.
Otázka: Jaká je běžná praxe při definování pojmu signál v dílčích oborech?
Odpověď: Definice specifické pro dílčí obory jsou běžné.
Otázka: Ve kterých oborech se pojem signál používá?
Odpověď: Pojem signál se používá v oborech komunikace, zpracování signálů a obecněji v elektrotechnice.
Vyhledávání