Разновидности преобразований сигналов

Регистрация сигналов производится с целью получения информации о состоянии объекта, либо для управления им. В первом случае для анализа состояния организма необходимо получить "копию", максимально близкую к оригиналу. На настоящем этапе развития науки и техники такой копией является голограмма. Кроме того, наиболее полные "изображения" объекта и его элементов получают методами компьютерной томографии и ядерно-магнитного резонанса.

Схема преобразований сигнала представлена на рис.1.1. Сигнал, исходящий от объекта исследования или от источника внешнего воздействия и преобразуемый объектом, поступает в преобразователь физической природы сигнала. Функция этого звена – изменить физическую природу сигнала так, чтобы измененный сигнал легко подвергался дальнейшей обработке. Как правило, легко обрабатываемыми являются электрические сигналы, поэтому наиболее часто в роли преобразователя физической природы сигнала выступают элементы, преобразующие различные физические величины (температуру, магнитную индукцию и т. д.) в электрический сигнал. В этом преобразователе физическая природа аргумента может сохраняться либо изменяться.

Например, изменение температуры в определенной точке во времени может быть преобразовано в изменение тока во времени. В то же время для записи термограммы (распределения температуры в плоскости) на ЭВМ используются преобразователи, превращающие пространственное распределение в изменение электрического параметра во времени. Необходимость в преобразователе физической природы сигнала отпадает, если сигнал имеет удобную для дальнейших преобразований природу, в частности, является электрическим. Например, в электрокардиографии для измерения разности потенциалов тела человека к телу присоединяется не датчик, а электрод (сопротивление).

В преобразователе формы сигнала производится его обработка с целью привести параметры сигнала к виду, удобному для дальнейшего использования (воспроизведение, хранение, управление). Эти преобразования могут осуществляться как в аналоговой, так и в цифровой форме. Аналоговый способ часто требует сложной аппаратной реализации и обладает свойством накапливать необратимые изменения сигнала, цифровой имеет высокую помехозащищенность и может быть реализован на компьютерной основе.

Преобразование формы сигнала (рис. 1.1) включает в себя следующие операции: модуляция, демодуляция, интегрирование и дифференцирование, спектральные преобразования, фильтрация, дискретизация, квантование, логические операции и другие операции.

Перевод непрерывного сигнала в цифровую форму осуществляется посредством проведения трех операций: дискретизации, квантования, кодирования. Дискретизация, кроме того, может иметь место при записи сигнала на носитель, если число аргументов сигнала превышает число измерений носителя. Например, при записи двумерного движущегося плоского изображения (функция – яркость, число аргументов сигнала – три: две пространственные координаты и время) на кинопленку (двумерный носитель) приходится производить дискретизацию по одному из аргументов. Поэтому либо на прерывисто перемещающейся кинопленке получают ряд подвижных фотографий (дискретизация по времени), либо записывают изображение через ряд щелей, перпендикулярных непрерывно движущейся кинопленке (дискретизация по пространственной координате). Дискретизация сигнала является возможным источником его искажений.

Рис.1.1. Схема преобразований медико-биологического сигнала

Одним из важнейших преобразований сигнала является его превращение в спектральную форму (зависимости амплитуды и фазы составляющей сигнала от ее частоты). Спектральные преобразования сигнала используются в таких методах исследований, как ядерный магнитный резонанс, рентгеновская компьютерная томография. Кроме того, для повышения экономности кодирования, его производят не для отсчетов сигнала, а для отсчетов его спектрального преобразования [2]. При этом могут использоваться как преобразования Фурье (им соответствуют многоуровневые базисные функции при блочном кодировании), так и преобразования Хаара (трехуровневые функции) и Адамара (двухуровневые).

Фильтрация в системах преобразования сигнала помогает очистить сигнал от шума, сохранить необходимые частотные составляющие сигнала и удалить ненужные. Фильтрация является неотъемлемым, не всегда полезным свойством звеньев, преобразующих сигнал. Например, объектив вследствие законов физики является фильтром пространственных частот, обрезающим высокочастотную область.

Модуляция и демодуляция сигналов особенно актуальны в телеметрии (при передаче сигналов посредством электромагнитных волн).

Интегрирование (суммация) производится, например, для идентификации экстремумов по их энергии.

Дифференцирование сигнала позволяет "подчеркнуть" границы объекта, выделить его контуры, иногда интерес представляют непосредственно производные сигнала.

Логические операции являются неотъемлемой частью любой обработки сигнала. Они необходимы, например, при выделении экстремумов. Логические операции используются при обработке сигналов в цифровой форме, реализуются с помощью электрических схем.

В устройствах воспроизведения сигнал преобразуется в форму, удобную для зрительного и слухового восприятия. Представляет интерес возможность использования других органов чувств человека для восприятия сигналов, например, рецепторов, реагирующих на холод, тепло, характер поверхности, вибрации и т. д. В любом случае характеристики сигнала на выходе устройства воспроизведения должны быть согласованы с соответствующими характеристиками органов чувств. Например, требования к параметрам визуальных сигналов должны выбираться с учетом пороговых кривых зрительного анализатора человека в области пространственных и временных частот, с учетом особенностей цветового восприятия.

Хранение переносимой сигналами информации осуществляется на носителях. В соответствии с ГОСТ 13699 носитель записи – физическое тело, используемое в процессе записи для сохранения в нем или на его поверхности сигналов информации, а процесс записи – преобразование сигналов информации в пространственное изменение состояния или формы носителя записи с целью последующего воспроизведения [3]. К носителям записи предъявляются следующие требования: высокие плотность и качество записи, большая скорость поиска и воспроизведения необходимой информации, надежность и долговечность.

В настоящее время известны одно- двух- и трехмерные носители. К одномерным относятся магнитная лента, к двумерным – светочувствительные материалы (пленки, пластины), к трехмерным – светочувствительные материалы для голографии, интегральной фотографии Липмана. В настоящее время информация преимущественно записывается на носители в цифровой форме, практически в виде отдельных импульсов. Такую информацию можно записать на любой из перечисленных носителей, либо на носители, созданные специально для записи таких 0-мерных сигналов (дискета, оптический, магнитооптический диски, флэш-карты и т.д.).

Функцией устройства управления (см. рис. 1.1) является изменение параметров в преобразователе формы сигнала или (и) в источнике внешнего воздействия с целью достижения необходимого уровня качества воспроизведения и хранения информации. Кроме того, устройство управления позволяет регулировать параметры источника внешнего воздействия в соответствии с показателями состояния объекта. Устройство управления можно рассматривать как преобразователь физической природы сигнала, только в данном случае целью преобразования является превращение электрического или другого сигнала "удобной" для управления формы в требуемый процесс (механическое перемещение, изменение давления и т.д.) Преобразователи физической природы сигнала (первичные преобразователи) подробно рассматриваются в других дисциплинах. Поэтому при дальнейшем изложении материала основное внимание будет уделено преобразованиям формы сигнала, воспроизведению и хранению информации.