معرفی کامل درس: سیگنال ها و سیستم ها

مباحث مربوط به سیگنال ها و سیستم ها یا به عبارتی تجزیه و تحلیل سیگنال‌ها و سیستم‌های مرتبط با آن‌ها، یکی از دروس مهم و کاربردی رشته‌های مهندسی برق و کامپیوتر است. این مبحث در تمامی حوزه‌های فناوری چون الکترونیک، مهندسی برق و رایانه استفاده می‌شوند. این بخش را به معرفی خصوصیات این درس کاربردی در علوم کامپیوتر اختصاص داده‌ایم.

سیگنال و سیستم چیست؟

همانطور که می‌دانید ابزارهای پیشرفته فناوری‌های امروزی چون رایانه‌ها، رادیوها، دستگاه‌های ویدیویی، تلفن‌های همراه، دستگاه‌های متصل هوشمند و.. بر پردازش سیگنال متکی هستند، به عبارتی پردازش سیگنال در قلب دنیای مدرن امروزی قرار دارد. مطالعه سیگنال ها و سیستم ها شامل دو مبحث کلی، اطلاعات و نحوه تأثیر آن اطلاعات بر چیزها است که اغلب بدون دانستن پارامترهای دقیق و با استفاده از x و y مورد بحث قرار می‌گیرند. مفهوم سیگنال و سیستم با اختصار عبارت است از:

سیگنال

سیگنال یک رویداد متغیر با زمان است که اطلاعات را منتقل می‌کند و بر اساس توابع ریاضی مدل‌سازی می‌شود. سیگنال‌ها از نظر پیوستگی در زمان به انواع سیگنال‌های زمان پیوسته و سیگنال‌های زمان گسسته تقسیم می‌شوند. سیگنال توصیفی از نحوه تغییر یک پارامتر با پارامتر دیگر است. به عنوان مثال، تغییر ولتاژ در طول زمان در یک مدار الکترونیکی، یا تغییر روشنایی با فاصله در یک تصویر.

سیستم

سیستم ها مجموعه‌ای از ماژول‌ها هستند که سیگنال‌ها را دریافت و نوعی پاسخ ایجاد می‌کنند. به عبارتی یک سیستم مجموعه‌ای از عناصری است که ورودی را می‌گیرد و با خروجی پاسخ می‌دهد. سیستم‌های پیوسته، سیگنال‌های پیوسته و سیستم‌های گسسته، سیگنال‌های گسسته را دریافت و ارسال می‌کنند. انواع مختلفی از سیستم و روش‌هایی برای کنترل آن‌ها وجود دارد که همگی کاربردهای مهمی دارند.

اهمیت و کاربرد درس سیگنال و سیستم در علوم کامپیوتر

سیگنال‌ ها و سیستم ‌ها پایه و اساس پردازش سیگنال آنالوگ و دیجیتال است. موضوعی که بخشی جدایی‌ناپذیر از سیستم‌های مهندسی در بسیاری از زمینه‌های مختلف چون پردازش صدا و تصویر، پردازش داده‌های لرزه‌ای، ارتباطات، کنترل دیجیتال و تجزیه و تحلیل داده‌ها را تشکیل می‌دهند. این درس در حوزه‌های مختلف مهندسی کاربرد دارد. یادگیری مباحث آنالیز سیگنال‌ها و سیستم‌ها زمینه شناخت، طراحی، شبیه‌سازی و بهینه‌سازی تجهیزات و سیستم‌های الکترونیکی پیچیده را فراهم می‌کنند. سیگنال‌ها در سیستم‌هایی مانند رایانه شما نیز استفاده می‌شوند. در واقع همین سیگنال‌ها هستند که بین اجزای کوچک کامپیوتر شما قرار می‌گیرند و اشتراک‌گذاری اطلاعات و عملکرد نرم‌افزارها را ممکن می‌سازند.

پیش نیاز درس سیگنال ها و سیستم ها

مهم‌ترین پیش نیاز برای آموزش و یادگیری این درس در دوره کارشناسی کامپیوتر، معادلات دیفرانسیل و تسلط بر ریاضیات مهندسی به خصوص مبحث مربوط به اعداد مختلط است. درک برخی از بخش‌های این درس مستلزم آشنایی با روش‌های نمایش و محاسبه اندازه و فاز یک سیگنال مختلط، قسمت حقیقی و موهومی و همچنین نحوه اعمال چهار عمل اصلی بر روی آن‌ها است. ابزارهای ریاضی چون کانولوشن، تبدیل و سری فوریه، تبدیل لاپلاس، تبدیل z و شیوه استفاده از آن‌ها نیز از دیگر مباحث لازم برای درک این درس هستند.

درس سیگنال ها و سیستم ها

این درس یکی از دروس اصلی رشته‎ مهندسی برق و مهندسی کامپیوتر در دوره‌های کارشناسی و یکی از مهم‌ترین دروس کنکور ارشد کامپیوتر است که در 3 واحد درسی ارائه می‌شود. سیگنال ها و سیستم ها از سال 1396 جزء دروس گرایش‌های معماری سیستم‌های کامپیوتری و هوش مصنوعی در آزمون کارشناسی ارشد رشته مهندسی کامپیوتر قرار گرفت. در سال 1399 از لیست دروس ارشد کامپیوتر حذف و سال بعد مجددا اضافه شد. از این درس حدود 5 سوال در کنکور ارشد ارائه می‌‌شود که در گرایش‌های قرآن کاوی رایانشی و هوش مصنوعی دارای ضریب 3 و در دیگر گرایش‌ها دارای ضریب 2 است.

کتاب سیگنال ها و سیستم ها اثر آلن اپنهایم و آلن و کتاب سیگنال ها و سیستم ها اثر سیمون هایکین و باری وان وین از مراجع اصلی دانشگاهی این درس محسوب می‌شود. از سرفصل‌ها اصلی این درس می‌توان به این موارد اشاره کرد:

• سیگنال‌ ها
• سیستم ها
• سیستم‌های خطی تغییرناپذیر با زمان
• سری فوریه پیوسته
• سری فوریه گسسته
• تبدیل فوریه پیوسته
• تبدیل فوریه گسسته
• تبدیل لاپلاس
• تبدیل Z
• نمونه برداری

کلام آخر

درس سیگنال ‌ها و سیستم ‌ها به نمایش سیگنال‌ها و بررسی تغییراتی که هنگام عبور از سیستم‌ها برای آن‌ها رخ می‌دهد، مربوط می‌شود. این درس کاربردهای زیادی در طیف متنوعی از رشته‌ها به خصوص رشته‌های برق و کامپیوتر دارد و به همین سبب به عنوان یک درس اختصاصی به دانشجویان کارشناسی این رشته‌ها ارائه می‌شود. مطالعه و درک این درس مستلزم تسلط و داشتن پایه قوی در ریاضیات به خصوص ریاضی مهندسی است.