Informations- und Kommunikationstechnik

Elektrische Signale

In der Kommunikationstechnik liegen Nachrichten und Daten zur Weiterleitung und Verarbeitung verschlüsselt in bestimmten Signalen vor. Die DIN 44300 definiert Signale als physikalische Träger für Daten. Die kleinste Informationseinheit ist das Zeichen. Daten sind eine Zeichenfolge mit einer bestimmten Information, die bei ihrer Übertragung zur Nachricht werden. Ein elektrisches Signal ist die Darstellung einer Nachricht durch physikalische Größen wie zum Beispiel Spannung, Strom, Frequenz, Phasenlage, magnetische Feldstärke. Die Signale zur Nachrichtenübertragung lassen sich fast immer durch Zeitfunktionen beschreiben. Die Information ist in der Änderung einer oder mehrerer physikalischer Größen codiert.

Signalarten

Deterministische Signale lassen sich mittels Funktionen beschreiben. Ihre Funktionswerte werden durch mathematische Ausdrücke und Rechenfolgen bestimmt und sind somit determiniert. Die Amplitudenwerte stochastischer Signale sind zufallsbedingt und daher nicht exakt zu berechnen. Eine Beschreibung kann nur nach mathematisch statistischen Regeln erfolgen. Oftmals kann ein Mittelwert oder eine Autokorrelationsfunktion bestimmt werden. Sie ist der zeitliche Mittelwert des Produkts aus einer Funktion f(t) mit der um die Zeit τ verschobenen gleichen Funktion f(t + τ).

Nutzsignale, wie Sprach-, Musik- und Bildsignale, sind stochastische Signale mit sinnvollem Informationsgehalt. Rauschen und andere Störsignale sind ebenfalls stochastisch und fast immer Bestandteil jedes Signals. Solange die als Störfaktoren empfundenen Signale vernachlässigbar klein bleiben, ist man bestrebt stochastische Signale durch idealisierte, deterministische Signale zu ersetzt, da sie mathematisch leichter beschreibbar sind.

Die wichtigsten mit den Informationen verbundenen Signalparameter sind die Amplitude, der lineare und quadratische Mittelwert, der Effektivwert, die Frequenz, der Tastgrad, die Phasenlage, die Varianz der Rauschamplitude und die spektrale Zusammensetzung eines Signals. Sowohl der Wert als auch die zeitliche Änderung der informationstragenden Signalgröße kann kontinuierlich oder diskontinuierlich, diskret erfolgen. Damit ergeben sich vier Kombinationen, für die es eigene Bezeichnungen gibt:

Zeitdiagramme zu einzelnen Signalne

Bei zeitdiskreten Signalen ist der Funktionswert in den Tastpausen nicht null. Er ist dort nicht definiert. Die Umwandlung eines Analogsignals in ein zeitkontinuierliches, wertdiskretes Signal wird auch als Quantisierung bezeichnet. Die Umkehrung des Vorgangs oder Rückwandlung heißt Glättung und kann nicht fehlerfrei erfolgen. Lassen sich beide Signale miteinander vergleichen, so ist das Fehlersignal als Quantisierungsrauschen darstellbar. Die Umwandlung eines Analogsignals in ein Abtastsignal wird als Abtastung bezeichnet. Die Rückwandlung heißt Interpolation und kann bei kleiner Schrittweite relativ fehlerfrei erfolgen.

Analoges Signal

Die informationstragende Größe des Analogsignals ist sowohl wert- als auch zeitkontinuierlich. Die Information ist im übertragenen Amplitudenwert enthalten. Informations- und Signalgrößen sind eindeutig umkehrbar miteinander verbunden.

Digitalisierte Werte

Die informationstragende Größe digitalisierter Werte ist wertdiskret aber zeitkontinuierlich. Der Abtastzeitpunkt ist beliebig und nicht festgelegt. Die Bezeichnung digital beschreibt hier nur gleichbleibende Amplitudensprünge. Signalzwischenwerte werden im Moment der Abtastung nicht erfasst.

Abtastsignal

Die informationstragende Größe des Abtastsignals ist wertkontinuierlich aber zeitdiskret. Die Messwerterfassung erfolgt mit einem festen Zeittakt. Innerhalb der Impulsdauer ändert sich der Amplitudenwert kontinuierlich.

Digitalsignal

Die informationstragende Größe des Digitalsignals ist sowohl wert- als auch zeitdiskret. Vielfach wird ein symmetrischer, äquidistanter Zeittakt benutzt. Diese digitalen Signale können anschließend weiter zu Binärsignalen codiert werden. Die Signalfolge besteht dann aus High- und Low- Zuständen.

Abschließend die wichtigsten Eigenschaften elektrischer Signale in einer Zusammenfassung:

Analoge Signale sind immer zeit- und wertekontinuierlich.
Periodische Signale lassen sich mittels Fourierreihen darstellen.
Digitale Signale sind immer zeit- und wertediskret.
Determinierte Signale:
Die Signalgrößen sind eindeutig reproduzierbar. Der Signalverlauf ist für alle Zeitpunkte bekannt.
Stochastische Signale:
Die Signalgrößen sind nicht eindeutig reproduzierbar. Der Signalverlauf ist durch statistische Eigenschaften beschreibbar.