Ako funguje spracovanie signálu

čo je signál?

Signál je akákoľvek fyzikálna premenná, ktorej hodnota alebo jej zmena v čase obsahuje informáciu. Tieto informácie sa môžu týkať reči a hudby alebo fyzikálnych veličín, ako je teplota vzduchu alebo svetlo v miestnosti. Fyzikálne premenné, ktoré môžu prenášať informácie v elektrických systémoch, sú napätie a prúd.

V tomto článku pod „signálmi“ rozumieme predovšetkým napätie alebo prúd. Väčšina tu diskutovaných konceptov však zostáva platná pre systémy, v ktorých môžu byť nosičmi informácií iné premenné. Takže správanie mechanického systému (premenné – sila a rýchlosť) alebo hydraulického systému (premenné – tlak a prietok) môže byť často reprezentované ekvivalentným elektrickým systémom, alebo ako sa hovorí, simulované. Preto pochopenie správania elektrických systémov poskytuje základ pre pochopenie oveľa širšieho spektra javov.

Analógové a digitálne signály

Signál môže prenášať informácie v dvoch formách. Analógový signál nesie informáciu vo forme nepretržitej zmeny v čase napätia alebo prúdu. Príkladom analógového signálu je napätie generované na križovatke termočlánkovpri rôznych teplotách. Keď sa zmení teplotný rozdiel medzi prechodmi, zmení sa napätie na termočlánkoch. Napätie teda poskytuje analógovú reprezentáciu teplotného rozdielu.

Termočlánok — zlúčenina dvoch odlišných kovov, ako je meď a konštantán. Napätie generované týmito dvoma prechodmi sa používa na meranie teplotného rozdielu medzi nimi.

Je to iný druh signálu digitálny signál… Môže nadobúdať hodnoty v dvoch samostatných poliach. Takéto signály sa používajú na reprezentáciu informácií zapnuté/vypnuté alebo áno-nie.

Napríklad domáci termostat generuje digitálny signál na ovládanie ohrievača. Keď teplota v miestnosti klesne pod prednastavenú hodnotu, spínač termostatu zopne kontakty a zapne ohrievač. Keď je teplota v miestnosti dostatočne vysoká, vypínač vypne ohrievač. Prúd cez spínač poskytuje digitálnu reprezentáciu zmeny teploty: zapnutý je príliš studený a vypnutý je príliš teplý.

Ryža. 1. Analógové a digitálne signály

Systém spracovania signálu

Systém spracovania signálu je súbor vzájomne prepojených komponentov a zariadení, ktoré môžu prijímať vstupný signál (alebo skupinu vstupných signálov), pôsobiť na signály špecifickým spôsobom s cieľom extrahovať informácie alebo zlepšiť ich kvalitu a prezentovať informácie na výstupe v vo vhodnej forme a vo vhodnom čase.

Mnohé elektrické signály vo fyzických systémoch generujú zariadenia tzv senzory… Už sme opísali príklad analógového snímača — termočlánku. Prevádza teplotný rozdiel (fyzikálnu premennú) na napätie (elektrickú premennú). Vo všeobecnosti senzor — zariadenie, ktoré premieňa fyzikálnu alebo mechanickú veličinu na ekvivalentný napäťový alebo prúdový signál. Na rozdiel od termočlánku však väčšina senzorov vyžaduje na svoju činnosť určitú formu elektrického budenia.

Výber signálov na výstupe systému môže byť vykonaný v rôznych formách v závislosti od toho, ako budú použité informácie obsiahnuté vo vstupných signáloch. Informácie môžu byť zobrazené buď v analógovej forme (pomocou napr. zariadenia, v ktorom poloha šípky ukazuje hodnotu sledovanej premennej) alebo v digitálnej forme (pomocou systému digitálnych prvkov na displeji, ktorý zobrazuje číslo zodpovedajúce hodnote úroku pre nás).

Ďalšie možnosti sú premeniť výstupné signály na zvukovú energiu (reproduktor), použiť ich ako vstupné signály pre iný systém alebo ich použiť na ovládanie. Pozrime sa na niekoľko príkladov na ilustráciu niektorých z týchto prípadov.

Komunikačný systém

Zvážte komunikačný systém, ktorého vstupnými signálmi môže byť reč, hudba alebo nejaký druh údajov, ktoré sa vytvárajú na jednom mieste a sú spoľahlivo prenášané na veľké vzdialenosti, aby sa tam presne obnovil pôvodný vstupný signál.

Ako príklad je na obr. 2 je schematický diagram konvenčného vysielacieho systému s amplitúdovou moduláciou (AM).Pri modulácii AM sa amplitúda (od špičky po špičku) vysokofrekvenčného signálu mení v súlade s veľkosťou nízkofrekvenčného signálu (zvukový signál zodpovedajúci zvukovým frekvenciám).

Ryža. 2. Vysielací komunikačný systém s amplitúdovou moduláciou

Vysielač AM rozhlasového vysielacieho systému zachytáva vstupný signál zo vstupného zariadenia (mikrofón), používa tento signál na ovládanie amplitúdy vysokofrekvenčného signálu (každá rádiová stanica má svoju vlastnú špecifickú rádiovú frekvenciu) a prúd rádiovej frekvencie poháňa výstupné zariadenie (anténu), ktoré produkuje elektromagnetické vlny, ktoré sú vysielané do priestoru.

Prijímací systém sa skladá zo vstupného zariadenia (anténa), procesora (prijímača) a výstupného zariadenia (reproduktor). Prijímač zosilňuje (zosilňuje) relatívne slabý signál prijímaný z antény, vyberá signál požadovanej rádiovej frekvencie zo signálov všetkých ostatných vysielačov, rekonštruuje zvukový signál na základe zmeny amplitúdy rádiového signálu a vybudí reproduktor týmto zvukovým signálom.

Systém merania

Úlohou meracieho systému je prijímať informácie z príslušných senzorov o správaní určitého fyzikálneho systému a tieto informácie registrovať. Príkladom takéhoto systému je digitálny teplomer (obr. 3).

Ryža. 3. Funkčná schéma digitálneho teplomera

Dve termočlánkové spojenia – jedno v tepelnom kontakte s telom, ktorého teplota sa má merať, druhé ponorené do nádoby s ľadom (na získanie stabilného referenčného bodu) – vytvárajú napätie, ktoré závisí od teplotného rozdielu medzi telom a ľadom. . Toto napätie sa privádza do procesora.

Pretože napätie termočlánku nie je presne úmerné teplotnému rozdielu, je potrebná malá korekcia na dosiahnutie prísnej proporcionality. Prebieha oprava linearizačné zariadenie… Analógové napätie z termočlánku sa najskôr zosilní (tj vytvorí viac), potom sa linearizuje a digitalizuje. Nakoniec sa objaví v registri digitálneho displeja, ktorý sa používa ako výstupné zariadenie teplomera.

Ak je hlavnou úlohou komunikačného systému prenášať správnu kópiu zdrojového signálu, potom hlavnou úlohou meracieho systému je získavanie numericky správnych údajov. Preto treba očakávať, že detekcia a eliminácia aj malých chýb, ktoré môžu skresliť signál v ktorejkoľvek fáze jeho spracovania, bude mať pre meracie systémy osobitný význam.

Systém kontroly spätnej väzby

Uvažujme teraz o systéme riadenia spätnej väzby, v ktorom informácie na výstupe menia signály, ktoré riadia systém.

Obr. 4 znázorňuje schému termostatu používaného na udržiavanie izbovej teploty. Systém obsahuje vstupné zariadenie na určenie izbovej teploty (zvyčajne toto bimetalový pásikktorý sa ohýba pri zmene teploty), mechanizmus na nastavenie požadovanej teploty (hlavný číselník) a mechanické spínače ovládané bimetalovým relé a ovládanie ohrievača.

Ryža. 4. Príklad systému riadenia s uzavretou slučkou

Zvážte použitie tohto jednoduchého systému ako príkladu, ktorý v skutočnosti neobsahuje žiadne iné elektrické prvky okrem spínača koncept spätnej väzby… Predpokladajme, že čiara spätnej väzby na obr.3 je zlomený, to znamená, že neexistujú žiadne mechanizmy na zapnutie a vypnutie ohrievača. Potom teplota v miestnosti stúpne buď na určité maximum (zodpovedajúce neustálemu zapojeniu ohrievača) alebo klesne na určité minimum (zodpovedajúce tomu, že ohrievač je neustále vypnutý).

Predpokladajme, že je príliš horúco pri maximálnej teplote a príliš chladno pri minimálnej teplote. V tomto prípade musí byť k dispozícii nejaké «ovládacie zariadenie» na zapnutie a vypnutie ohrievača.

Takýmto «ovládacím zariadením» by mohla byť osoba, ktorá zapne ohrievač, keď sa ochladí, a vypne ho, keď sa zahreje. Už na tejto úrovni je systém (spolu s čelom) uzavretým riadiacim systémom, pretože informácie o výstupnom signáli (izbová teplota) sa používajú na zmenu riadiacich signálov (zapnutie a vypnutie ohrievača).

Termostat automaticky robí to, čo by urobil človek, teda že zapne ohrievač, keď teplota klesne pod nastavenú hodnotu, a v opačnom prípade ho vypne. Existuje mnoho ďalších systémov spätnej väzby, vrátane tých, v ktorých sa vykonáva spracovanie signálu používanie elektronických zariadení.