معالجة الإشارات

الموسوعة الحرة
نقل الإشارات باستخدام معالجة الإشارات الإلكترونية. تقوم المحولات بتحويل الإشارات من أشكال موجية فيزيائية أخرى إلى أشكال موجية للتيار الكهربائي أو الجهد ، والتي تتم معالجتها بعد ذلك، ونقلها كموجات كهرومغناطيسية ، واستقبالها وتحويلها بواسطة محول آخر إلى شكلها النهائي.
تبدو الإشارة الموجودة على اليسار وكأنها ضوضاء، لكن تقنية معالجة الإشارات المعروفة باسم تقدير الكثافة الطيفية (على اليمين) تُظهر أنها تحتوي على خمسة مكونات ترددية محددة جيدًا.

معالجة الإشارات هي فرع من فروع الهندسة الكهربائية يركز على تحليل الإشارات وتعديلها وتوليفها ، مثل الصوت والصور والمجالات الكامنة والإشارات الزلزالية ومعالجة بيانات قياس الارتفاع والقياسات العلمية . [ 1 ] تُستخدم تقنيات معالجة الإشارات لتحسين عمليات الإرسال، وكفاءة التخزين الرقمي ، وتصحيح الإشارات المشوهة، وتحسين جودة الفيديو ، والكشف عن المكونات المهمة في الإشارة المقاسة أو تحديدها بدقة . [ 2 ]

تاريخ

بحسب آلان ف. أوبنهايم ورونالد و. شيفر ، يمكن إيجاد مبادئ معالجة الإشارات في تقنيات التحليل العددي الكلاسيكية للقرن السابع عشر. ويضيفان أن التحسين الرقمي لهذه التقنيات يمكن إيجاده في أنظمة التحكم الرقمية في أربعينيات وخمسينيات القرن العشرين. [ 3 ]

في عام 1948، كتب كلود شانون بحثًا مؤثرًا بعنوان " نظرية رياضية للاتصالات " نُشر في مجلة بيل سيستم التقنية . [ 4 ] وقد أرست هذه الورقة البحثية الأساس لتطوير أنظمة الاتصالات المعلوماتية ومعالجة الإشارات لأغراض الإرسال لاحقًا. [ 5 ]

نضجت معالجة الإشارات وازدهرت في الستينيات والسبعينيات من القرن العشرين، وأصبحت معالجة الإشارات الرقمية تستخدم على نطاق واسع مع رقائق معالجة الإشارات الرقمية المتخصصة في الثمانينيات. [ 5 ]

تعريف الإشارة

في معالجة الإشارات، يتم تمثيل الإشارة كدالة للزمن :x(ت){\displaystyle x(t)}، حيث تكون هذه الوظيفة إما [ 6 ]

  • حتمية (عندها يُقال إشارة حتمية) أو
  • مسار(xت)ت∈تي{\displaystyle (x_{t})_{t\in T}}، تحقيق لعملية عشوائية(Xت)ت∈تي{\displaystyle (X_{t})_{t\in T}}

فئات

تناظري

تُستخدم معالجة الإشارات التناظرية للإشارات التي لم تُحوّل إلى إشارات رقمية، كما هو الحال في معظم أنظمة الراديو والهاتف والتلفزيون في القرن العشرين. ويشمل ذلك الدوائر الإلكترونية الخطية وغير الخطية. ومن أمثلة الدوائر الخطية: المرشحات السلبية ، والمرشحات النشطة ، والخلاطات الجمعية ، والمكاملات ، وخطوط التأخير . أما الدوائر غير الخطية فتشمل: أجهزة الضاغط والموسع ، والمضاعفات ( خلاطات التردد ، ومضخمات التحكم بالجهد )، والمرشحات التي يتم التحكم بها بالجهد ، والمذبذبات التي يتم التحكم بها بالجهد ، وحلقات التزامن الطوري .

الزمن المستمر

معالجة الإشارات ذات الوقت المستمر مخصصة للإشارات التي تتغير باستمرار مع مرور الوقت ولا يتم تقسيمها إلى نقاط متقطعة فردية، أي عينات .

تشمل طرق معالجة الإشارات مجال الزمن ، ومجال التردد ، ومجال التردد المركب . تتناول هذه التقنية بشكل أساسي نمذجة نظام خطي ثابت مع الزمن ، وتكامل استجابة النظام عند الحالة الصفرية، وتحديد دالة النظام، والترشيح الزمني المستمر للإشارات الحتمية. على سبيل المثال، في مجال الزمن، إشارة زمنية مستمرةx(ت){\displaystyle x(t)}يمر عبر مرشح/نظام خطي ثابت مع الزمن يُشار إليه بـح(ت){\displaystyle h(t)}ويمكن التعبير عن ذلك في المخرجات على النحو التالي:

y(ت)=∫-∞∞ح(τ)x(ت-τ)دτ{\displaystyle y(t)=\int _{-\infty }^{\infty} h(\tau )x(t-\tau )\,d\tau }

في بعض السياقات،ح(ت){\displaystyle h(t)}يُشار إلى ذلك باسم استجابة النظام النبضية. وتُجرى عملية الالتفاف المذكورة أعلاه بين المدخل والنظام.

الزمن المنفصل

معالجة الإشارات المنفصلة الزمنية مخصصة للإشارات المأخوذة عينات منها، والتي يتم تعريفها فقط عند نقاط منفصلة في الوقت، وعلى هذا النحو يتم تكميمها في الوقت، ولكن ليس في المقدار.

تُعدّ معالجة الإشارات التناظرية المنفصلة تقنيةً تعتمد على أجهزة إلكترونية مثل دوائر أخذ العينات والاحتفاظ بها ، ومضاعفات تقسيم الوقت التناظرية ، وخطوط التأخير التناظرية ، ومسجلات الإزاحة التناظرية ذات التغذية الراجعة . وكانت هذه التقنية سلفًا لمعالجة الإشارات الرقمية (انظر أدناه)، ولا تزال تُستخدم في المعالجة المتقدمة لإشارات الجيجاهرتز. [ 7 ]

يشير مفهوم معالجة الإشارات المنفصلة زمنيًا أيضًا إلى تخصص نظري يضع أساسًا رياضيًا لمعالجة الإشارات الرقمية، دون مراعاة خطأ التكميم .

رقمي

معالجة الإشارات الرقمية هي معالجة الإشارات الرقمية المتقطعة المأخوذة عينات منها. تتم هذه المعالجة بواسطة حواسيب عامة الأغراض أو دوائر رقمية مثل الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASICs) ، ومصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة الميدانية (FPGAs) ، أو معالجات الإشارات الرقمية المتخصصة . تشمل العمليات الحسابية الشائعة العمليات ذات الفاصلة الثابتة والعائمة ، والأعداد الحقيقية والمركبة، والضرب والجمع. ومن العمليات الشائعة الأخرى التي يدعمها الجهاز المخازن المؤقتة الدائرية وجداول البحث . ومن أمثلة الخوارزميات: تحويل فورييه السريع (FFT)، ومرشح الاستجابة النبضية المحدودة (FIR)، ومرشح الاستجابة النبضية اللانهائية (IIR)، والمرشحات التكيفية مثل مرشح وينر ومرشح كالمان .

غير خطي

تتضمن معالجة الإشارات غير الخطية تحليل ومعالجة الإشارات الناتجة عن الأنظمة غير الخطية ، ويمكن أن تكون في مجالات الزمن أو التردد أو المجال المكاني الزمني. [ 8 ] [ 9 ] يمكن للأنظمة غير الخطية أن تُنتج سلوكيات بالغة التعقيد ، بما في ذلك التشعبات والفوضى والتوافقيات والتوافقيات الفرعية ، والتي لا يمكن إنتاجها أو تحليلها باستخدام الطرق الخطية.

تُعد معالجة الإشارات متعددة الحدود نوعًا من معالجة الإشارات غير الخطية، حيث يمكن تفسير الأنظمة متعددة الحدود على أنها امتدادات مباشرة من الناحية المفاهيمية للأنظمة الخطية إلى الحالة غير الخطية. [ 10 ]

إحصائي

تُعدّ معالجة الإشارات الإحصائية منهجًا يتعامل مع الإشارات كعمليات عشوائية ، مستفيدًا من خصائصها الإحصائية لأداء مهام معالجة الإشارات. [ 11 ] تُستخدم التقنيات الإحصائية على نطاق واسع في تطبيقات معالجة الإشارات. على سبيل المثال، يمكن نمذجة التوزيع الاحتمالي للضوضاء الناتجة عن تصوير صورة، وبناء تقنيات استنادًا إلى هذا النموذج لتقليل الضوضاء في الصورة الناتجة.

الرسم البياني

تعمم معالجة الإشارات البيانية مهام معالجة الإشارات لتشمل الإشارات الموجودة في نطاقات غير إقليدية، والتي يمكن تمثيل بنيتها بواسطة رسم بياني مُثقَّل. [ 12 ] وتُقدم معالجة الإشارات البيانية عدة نقاط رئيسية، مثل تقنيات أخذ عينات الإشارة، [ 13 ] وتقنيات الاستعادة ، [ 14 ] والتقنيات المتغيرة مع الزمن. [ 15 ] وقد طُبقت معالجة الإشارات البيانية بنجاح في مجال معالجة الصور، ورؤية الحاسوب ، [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] واكتشاف الشذوذ الصوتي. [ 19 ]

مجالات التطبيق

معالجة الإشارات الزلزالية

في أنظمة الاتصالات، قد تتم معالجة الإشارات عند:

الأجهزة النموذجية

الأساليب الرياضية المطبقة

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ سينغوبتا، نانديني؛ شهيد الله، محمد؛ ساها، غوتام (أغسطس 2016). "تصنيف أصوات الرئة باستخدام السمات الإحصائية القائمة على السيبسترال". الحوسبة في علم الأحياء والطب . 75 (1): 118-129 . doi : 10.1016/j.compbiomed.2016.05.013 . PMID 27286184 . 
  2. ↑ آلان ف. أوبنهايم ورونالد و. شيفر (1989). معالجة الإشارات الزمنية المنفصلة . برنتيس هول. ص 1. ISBN  0-13-216771-9.
  3. ↑ أوبنهايم، آلان ف.؛ شيفر، رونالد و. (1975). معالجة الإشارات الرقمية . برنتيس هول . ص 5. ISBN  0-13-214635-5.
  4. ↑ "نظرية رياضية للاتصالات - ثورة إدارة الذاكرة الحاسوبية" . تاريخ الحاسوب . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13-05-2019 .
  5. 1 2 خمسون عامًا من معالجة الإشارات: جمعية معالجة الإشارات التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات وتقنياتها، 1948-1998 (ملف PDF) . جمعية معالجة الإشارات التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. 1998. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 4 مارس 2016.
  6. ↑ بربر، س. (2021). أنظمة الاتصالات المنفصلة. المملكة المتحدة: مطبعة جامعة أكسفورد، صفحة 9، https://books.google.com/books?id=CCs0EAAAQBAJ&pg=PA9
  7. ↑ "دوائر وأنظمة الموجات الميكروية والموجات المليمترية" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 29-10-2020 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 20-10-2024 .
  8. 1 2 بيلينغز، إس إيه (2013). تحديد الأنظمة غير الخطية: طرق نارماكس في مجالات الزمن والتردد والمكان والزمان . وايلي. ISBN 978-1-119-94359-4.
  9. ^ سلاوينسكا، جيه. أورمازد، أ. جياناكيس، د. (2018). “نهج جديد لمعالجة الإشارات للبيانات الزمانية المكانية”. ورشة عمل IEEE لمعالجة الإشارات الإحصائية (SSP) لعام 2018 . آي إي إي إكسبلور. الصفحات من 338 إلى 342. دوى : 10.1109/SSP.2018.8450704 . رقم ISBN  978-1-5386-1571-3. S2CID 52153144 . 
  10. ↑ في. جون ماثيوز؛ جيوفاني ل. سيكورانزا (مايو 2000). معالجة الإشارات متعددة الحدود . وايلي. ISBN 978-0-471-03414-8.
  11. 1 2 شارف، لويس ل. (1991). معالجة الإشارات الإحصائية: الكشف والتقدير وتحليل السلاسل الزمنية . بوسطن : أديسون-ويسلي . ISBN 0-201-19038-9. OCLC 61160161 . 
  12. ↑ أورتيغا، أ. (2022). مقدمة في معالجة إشارات الرسوم البيانية . كامبريدج : مطبعة جامعة كامبريدج . ISBN 9781108552349.
  13. ↑ تاناكا، ي.؛ إيلدار، ي. (2020). "أخذ العينات المعمم على الرسوم البيانية مع الفضاء الجزئي ومعلومات مسبقة عن النعومة". معاملات IEEE في معالجة الإشارات . 68 : 2272-2286 . arXiv : 1905.04441 . Bibcode : 2020ITSP...68.2272T . doi : 10.1109/TSP.2020.2982325 .
  14. ↑ فاسيستا، أ.؛ كولوتشيا، أ.؛ رافاتزي، س. (2024). "إعادة بناء إشارة الرسم البياني في ظل ضوضاء غير متجانسة عبر أخذ عينات تكيفي مراعٍ لعدم اليقين والتصنيف المرن". معاملات IEEE في معالجة الإشارات والمعلومات عبر الشبكات . 10 : 277-293 . Bibcode : 2024ITSIP..10..277F . doi : 10.1109/TSIPN.2024.3375593 .
  15. ↑ جيرالدو، ج.؛ محمود، أ.؛ غارسيا-غارسيا، ب.؛ ثانو، د.؛ بوومانز، ت. (مارس 2022). "إعادة بناء إشارات الرسم البياني المتغيرة مع الزمن باستخدام سلاسة سوبوليف". معاملات IEEE في معالجة الإشارات والمعلومات عبر الشبكات . 8 : 201-214 . arXiv : 2207.06439 . Bibcode : 2022ITSIP...8..201G . doi : 10.1109/TSIPN.2022.3156886 .
  16. ↑ جيرالدو، ج.؛ بوومانز، ت. (أكتوبر 2020). "طرح الخلفية شبه الخاضع للإشراف من مقاطع فيديو غير مرئية: تقليل التباين الكلي لإشارات الرسم البياني". المؤتمر الدولي لمعالجة الصور IEEE لعام 2020 (ICIP) . الصفحات 3224-3228 . doi : 10.1109/ICIP40778.2020.9190887 . ISBN  978-1-7281-6395-6.
  17. ↑ جيرالدو، ج.؛ بوومانز، ت. (2020). "GraphBGS: طرح الخلفية عبر استعادة إشارات الرسم البياني". المؤتمر الدولي الخامس والعشرون للتعرف على الأنماط (ICPR) لعام 2020. الصفحات 6881-6888 . arXiv : 2001.06404 . doi : 10.1109/ICPR48806.2021.9412999 . ISBN  978-1-7281-8808-9.
  18. ↑ جيرالدو، ج.؛ جافيد، س.؛ سلطانة، م.؛ جونغ، س.؛ بوومانز، ت. (فبراير 2021). "المجال الناشئ لمعالجة إشارات الرسوم البيانية لتجزئة الأجسام المتحركة" . آفاق رؤية الحاسوب . سلسلة اتصالات في علوم الحاسوب والمعلومات. المجلد 1405. الصفحات 31-45 . doi : 10.1007/978-3-030-81638-4_3 . ISBN   978-3-030-81637-7.
  19. ↑ مناصري، زياد؛ جيرالدو، جوني هـ؛ بوومانز، تييري (2024). "الكشف عن الأصوات الشاذة لمراقبة الطرق باستخدام معالجة الإشارات البيانية" . المؤتمر الأوروبي الثاني والثلاثون لمعالجة الإشارات (EUSIPCO) لعام 2024. الصفحات 161-165 . doi : 10.23919/EUSIPCO63174.2024.10715291 . ISBN  978-9-4645-9361-7.
  20. ↑ سارانجي، سوسانتا؛ شهيد الله، محمد؛ ساها، غوتام (سبتمبر 2020). "تحسين بنك المرشحات القائم على البيانات للتحقق التلقائي من المتحدث". معالجة الإشارات الرقمية . 104 102795. arXiv : 2007.10729 . Bibcode : 2020DSP...10402795S . doi : 10.1016/j.dsp.2020.102795 . S2CID 220665533 . 
  21. ↑ أناستاسيو، د. (2001). "معالجة الإشارات الجينومية". مجلة معالجة الإشارات IEEE . 18 (4). IEEE: 8-20 . Bibcode : 2001ISPM...18....8A . doi : 10.1109/79.939833 .
  22. ↑ تيلفورد، ويليام موراي؛ جيلدارت، إل بي؛ شريف، روبرت إي. (1990). الجيوفيزياء التطبيقية . مطبعة جامعة كامبريدج . ISBN 978-0-521-33938-4.
  23. ↑ رينولدز، جون م. (2011). مقدمة في الجيوفيزياء التطبيقية والبيئية . وايلي-بلاك ويل . ISBN 978-0-471-48535-3.
  24. ↑ باتريك جايديكي (2004). أسس معالجة الإشارات الرقمية: النظرية والخوارزميات وتصميم الأجهزة . معهد الهندسة والتكنولوجيا. ص 40 وما يليها. ISBN  978-0-85296-431-6.
  25. ↑ شلومو إنجلبرغ (8 يناير 2008). معالجة الإشارات الرقمية: منهج تجريبي . سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا. ISBN 978-1-84800-119-0.
  26. ↑ بوشاش، بوعلام، محرر (2003). تحليل ومعالجة إشارات التردد الزمني: مرجع شامل ( الطبعة الأولى). أمستردام: إلسيفير. ISBN  0-08-044335-4.
  27. ↑ ستويكا، بيتر؛ موسى، راندولف (2005). التحليل الطيفي للإشارات (ملف PDF) . نيوجيرسي: برنتيس هول.
  28. ↑ بيتر ج. شراير؛ لويس ل. شارف (4 فبراير 2010). المعالجة الإحصائية للإشارات للبيانات ذات القيم المركبة: نظرية الإشارات غير الصحيحة وغير الدائرية . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-1-139-48762-7.
  29. ↑ ماكس أ. ليتل (13 أغسطس 2019). التعلم الآلي لمعالجة الإشارات: علم البيانات، والخوارزميات، والإحصاءات الحاسوبية . مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 978-0-19-102431-3.
  30. ↑ ستيفن ب. داميلين؛ ويلارد ميلر الابن (2012). رياضيات معالجة الإشارات . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-1-107-01322-3.
  31. ↑ دانيال ب. بالومار؛ يونينا س. إيلدار (2010). التحسين المحدب في معالجة الإشارات والاتصالات . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-0-521-76222-9.

للمزيد من القراءة