سیگنال دیجیتال در MATLAB

در این مقاله سعی داریم با سیگنال دیجیتال بیشتر آشنا بشویم. اما قبل از آن باید با مفهوم سیگنال آشنا بشویم و انواع آن را بدانیم. بعد از شناخت سیگنال به نوع به خصوص آن یعنی سیگنال دیجیتال می پردازیم و سپس با کاربردهای آن و پردازش آن در نرم افزار متلب آشنا خواهیم شد.

 سیگنال به طور کلی به عنوان تابعی از یک یا چند متغیر تعریف می شود که اطلاعاتی را در مورد ماهیت یک پدیده فیزیکی منتقل می کند. به زبان ساده، می‌توانیم سیگنال را برای هرکمیت فیزیکی تعریف کنیم که با زمان، مسافت، سرعت، موقعیت، فشار، دما یا مقدار های دیگری تغییر می‌کند. سیگنال ها از امواج سینوسی بسیاری با دامنه ها و فرکانس های مختلف تشکیل شده اند.

در واقع سیگنال ها نوعی از اطلاعات را منتقل یا حمل می کنند. هر چیزی که با کمک یک ماشین قابل مشاهده، شنیدنی و یا اندازه گیری باشد را میتوان به عنوان یک سیگنال در نظر گرفت.  به عنوان مثال می توان به گفتار، صدا، نور، رادیو، تلویزیون، رادار، مافوق صوت، دما، ECG، EEG و غیره اشاره کرد. به طور کلی سیگنال ها به دو دسته آنالوگ و دیجیتال تقسیم بندی میشوند که در ادامه به توضیح هر کدام از این دو مورد و تفاوت های آنها پرداخته میشود و هم چنین سیگنال دیجیتال در متلب هم توضیح داده خواهد شد.

سیگنال دیجیتال

همانطور که بالاتر گفته شد سیگنال دیجیتال سیگنالی است که داده ها را به صورت دنباله ای از مقادیر گسسته نشان می دهد. در هر زمان معین فقط می تواند حداکثر یکی از مقادیر محدود را بگیرد. این نوع از سیگنال راهی برای انتقال داده است که داده ها را به مقادیر گسسته تبدیل می کند، معمولاً بر اساس کد باینری که سیستم های رایانه ای روی آن کار می کنند، که شامل بسته هایی از اطلاعات است که به صورت رشته های یک و صفر کدگذاری شده اند. استفاده از سیگنال دیجیتال امکان کپی دقیق و تقریباً یکسان از انواع خاصی از اطلاعات مانند اعداد، حروف یا رنگ‌های پیکسلی را که تصاویر را تشکیل می‌دهند، می‌دهد و این اطلاعات را می‌توان بدون کاهش کیفیت آن ذخیره کرد. پردازش سیگنال دیجیتال در متلب بیشتر اتفاق می افتد که در مورد آن توضیح داده خواهد شد.

سیگنال آنالوگ شکلی از انرژی الکتریکی (ولتاژ، جریان یا توان الکترومغناطیسی) است که برای آن یک رابطه خطی بین کمیت الکتریکی و مقداری که سیگنال نشان می‌دهد وجود دارد. سیگنالی که دامنه آن در یک محدوده پیوسته قرار بگیرد، سیگنال آنالوگ نامیده می شود. سیگنال های آنالوگ ماهیت پیوسته دارند که با توجه به زمان متفاوت هستند. آنها می توانند پریودیک یا غیر پریودیک باشند. ولتاژ، جریان، فرکانس، فشار، صدا، نور، دما متغیرهای فیزیکی هستند که با توجه به تغییرات آنها نسبت به زمان برای به دست آوردن اطلاعات اندازه گیری می شوند.

هنگامی که نمودار ولتاژ در مقابل زمان رسم می شود، منحنی را با مقادیر پیوسته مانند امواج سینوسی می بینیم. این سیگنال ها در هنگام حرکت از طریق وسیله بیشتر در معرض نویز قرار می گیرند، این نویزها منجر به از دست دادن اطلاعات در سیگنال می شوند. فرستنده های معمولی (قدیمی) و مبدل ها داده ها را در حالت آنالوگ منتقل می کنند. این سیگنال‌ها شامل سیگنال‌های صوتی منتقل شده از طریق سیم، سیگنال‌های ویدیویی پخش‌شده با استفاده از فناوری قدیمی‌تر، سیگنال‌های رادیویی و ساعت‌های آنالوگ هستند.

سیگنالی که دامنه آن فقط مقادیر محدودی می گیرد، سیگنال دیجیتال نامیده می شود. سیگنال های دیجیتال گسسته و حاوی مقادیر متمایز هستند. سیگنال های دیجیتال در مقایسه با سیگنال های آنالوگ کمتر در معرض نویز قرار می گیرند. به هین دلیل امروزه از سیگنال های دیجیتال بسیار استفاده میشود. به طور کلی کار با سیگنال دیجیتال خیلی راحت تر است به همین دلیل این سیگنال به جای آنالوگ خیلی بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد. از جمله کارهایی که روی سیگنال های دیجیتال راحت تر است پردازش ان است و عمدتا پردازش سیگنال دیجیتال در متلب صورت میگیرد.

پردازش سیگنال دیجیتال

پردازش سیگنال های دیجیتال به پردازش دیجیتالی سیگنال‌های گسسته در زمان گفته می‌شود. این کار به وسیله کامپیوتر یا پردازنده‌های سیگنال دیجیتال انجام می‌شود. پردازش سیگنال دیجیتال (گسسته) و پردازش سیگنال پیوسته، زیرمجموعه‌هایی از پردازش سیگنال هستند. از کاربردهای DSP می‌توان به پردازش صوت (Audio processing)، پردازش سیگنال صحبت (Speech processing)، پردازش سیگنال‌های سونار و رادار، پردازش سیگنال آرایه‌های حسگر، پردازش تصویر دیجیتال، پردازش سیگنال‌های مخابراتی، کنترل سیستم، پردازش سیگنال‌های بیولوژیک اشاره کرد.

پردازش سیگنال‌های دیجیتال (Digital Signal Processing)، به فرایند اعمال تکنیک‌های ریاضی به سیگنال‌های دیجیتال به منظور آنالیز مشخصه‌ها و تغییر کیفیت آن گفته می‌شود. برای آشنایی با اهمیت پردازش سیگنال‌های دیجیتال می‌توان به کاربرد آن در سیستم‌های کنترل فعال نویز اشاره کرد که در هدفون‌های امروزی از این تکنولوژی برای افزایش کیفیت صوت استفاده می‌شود.

از نرم افزار هایی که برای پردازش سیگنال های دیجیتال از آن ها استفاده میشود متلب و پایتون میباشد. به طور کلی می توان گفت پردازش سیگنال های دیجیتال با متلب هم به طور مجزا حائز اهمیت بوده و هم پیش نیاز تمامی دیگر عرصه های مرتبط با داده می باشد. از این رو تسلط در این زمینه می تواند علاوه بر افزایش توانایی های پردازشی کاربر، دید او را در تمامی زمینه های مرتبط بهبود بخشد.

همانطور که می دانید، زبان برنامه نویسی متلب بدون شک رایج ترین زبان برنامه نویسی در بین جامعه مهندسان و علوم مرتبط بوده و علاوه بر این در رشته های مهندسی برق، مهندسی مکانیک، مهندسی شیمی، مهندسی پزشکی و ریاضی دارای اهمیت ویژه ای می باشد. با توجه به جعبه ابزارهای قوی با تنوع بسیار بالا، امروزه نرم افزار متلب توانسته در عموم موارد، به ویژه انعطاف پذیری برای انجام طیف وسیعی از پردازش ها، به عنوان اولین انتخاب متخصصان شناخته شود.

با توجه به این که تمامی اطلاعات موجود در رایانه به صورت گسسته یا همان دیجیتال ذخیره می شود، از این رو از نرم افزار متلب برای پردازش سیگنال ها استفاده می شود لذا تسلط به پردازش سیگنال دیجیتال در متلب بسیار حائز اهمیت است.

جمع بندی

پردازش سیگنال دیجیتال در متلب در رشته های برق ، مهندسی پزشکی ، مهندسی مکانیک بسیار کاربرد دارد به همین دلیل این مهارت برای دانشجویان و محققان در این رشته ها بسیار کاربرد دارد و ضروری می باشد.

نویسنده: سمانه خان بیگی، کارشناس دپارتمان مهندسی پزشکی گروه آموزشی پارس پژوهان