1. Общие принципы преобразования детерминированных сигналов

1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДЕТЕРМИНИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ

1. 1. Классификация сигналов

Понятие « сигнал » определено как подлежащая обнаружению зависимость одной физической величины от другой или группы других. Иногда сигнал рассматривают как физический процесс, несущий информацию (совокупность сведений, являющихся объектами передачи, хранения или непосредственного использования). В общем случае сигнал представляет собой n-мерную функцию. Ее аргументами могут являться пространственные координаты, время, длина волны оптического излучения и т. д. В качестве самой функции могут выступать электрические (напряжение и т. д. ), магнитные (магнитная индукция и т. д. ) оптические (освещенность, коэффициент пропускания и т. д. ) и другие физические величины.

В [1] все сигналы независимо от физической природы предлагается разделить на две большие группы: детерминированные и случайные. Под детерминированным понимают такой сигнал, значение которого можно предсказать с единичной вероятностью при любом значении аргументов (в определенный момент времени, в определенной точке пространства, при определенной длине волны оптического излучения и т. д. ). Детерминированных сигналов в строгом смысле не существует, можно лишь моделировать их с определенной степенью точности. Введение понятия " детерминированный сигнал" позволяет упростить математическое описание процессов преобразования сигналов. Случайными принято называть сигналы, мгновенные значения которых неизвестны заранее, вероятность их предсказания меньше 1 [1]. Очевидно, что все сигналы являются случайными в большей или меньшей степени.

С точки зрения " потребителя сигналов" все случайные сигналы рассматриваются как полезные (источник информации) и вредные (помехи или шумы). Одной из серьезнейших проблем обработки медико-биологических сигналов является выделение полезного сигнала из совокупности " сигнал плюс шум", т. к. их значения часто соизмеримы.

Другим классификационным признаком для сигналов является непрерывность или дискретность. Так как сигнал – это функция одного или нескольких аргументов, то вполне очевидно, что как аргументы, так и сама функция могут быть либо непрерывными либо дискретными. Непрерывной является величина, которая может принимать любое значение в пределах заданного диапазона. Дискретная величина внутри указанного диапазона может принимать значения только из заданной группы значений. Чаще всего дискретизация осуществляется с постоянным периодом, в этом случае значения (дискретные отсчеты), в заданной группе находятся на равном расстоянии. Если в сигнале дискретизирован аргумент или аргументы (например, время, пространственная координата и т. д. ), то сигнал называется дискретным по этому аргументу или аргументам. Если в сигнале дискретизирована функция (например, напряжение, ток, освещенность и т. д. ), то сигнал называется квантованным. Сигнал может быть только дискретным, только квантованным, а также дискретным и квантованным одновременно. Дискретизация и квантование необходимы, в частности, для перевода сигналов в цифровую форму, имеющую ряд преимуществ перед непрерывной формой при передаче сигнала.

Еще одним классификационным признаком всех сигналов можно считать физическую природу функции и аргументов. Как уже ранее упоминалось, сигнал может изменяться во времени, в пространстве, в спектральной области, являющихся в данном случае аргументами. Иногда в качестве аргумента выступает и частотная область, например, при исследованиях методом ядерного магнитного резонанса. В качестве функции выступают электрические величины (ток, напряжение, потенциал, сопротивление или импеданс), магнитные (индукция, ее градиент, поток), весь диапазон электромагнитного излучения (инфракрасное или тепловое, оптическое, ультрафиолетовое, рентгеновское и т. д. ), механические величины (сила, давление и т. д. ).

Функциями могут являться также и те физические величины, которые обычно используются в качестве аргументов (время, пространство, спектральный диапазон).

Все сигналы, и медико-биологические, в частности, можно разделить еще на две группы: по наличию или отсутствию необходимости внешнего воздействия для получения сигнала. Техническая система является источником ряда сигналов: электрических, магнитных, тепловых, и т. д. Одни из них имеют уровень значений, который может быть зарегистрирован без особых затруднений. Уровень других сигналов может быть на порядок ниже окружающего фона. Магнитное поле Земли не превышает 50 мкТл. Регистрация сигналов такого низкого уровня требует создания специальных экранирующих устройств, специфической обработки сигнала и т. д.

К группе сигналов, формирующихся при внешнем воздействии (табл. 1. 1), относятся разные по физической природе сигналы: прошедшее через объект рентгеновское излучение, отраженное ультразвуковое поле, кожно-гальванические реакции при использовании внешнего источника тока и т. д. Сигналы, формирующиеся при внешнем воздействии, в свою очередь, отличаются по способу их регистрации. При достаточно высоком уровне сигнала регистрация осуществляется прибором. Если регистрация отклика на внешнее воздействие невозможна из-за его низкого уровня, либо исключается из-за недопустимости вмешательства в живой организм, то для оценки уровня откликов используют психофизические эксперименты. Суть их сводится к определению параметров внешнего воздействия, вызывающего в организме отклик определенного уровня, чаще всего порогового, причем о наличии и отсутствии этого отклика сообщают подвергаемые испытанию эксперты.

Предложенная классификация сигналов далека от совершенства и может представлять лишь предпосылку для создания более стройной классификационной системы.

Таблица 1. 1