Kako deluje obdelava signala

Kaj je signal?

Signal je vsaka fizična spremenljivka, katere vrednost ali njena sprememba skozi čas vsebuje informacijo. Te informacije se lahko nanašajo na govor in glasbo ali na fizične količine, kot sta temperatura zraka ali svetloba v prostoru. Fizične spremenljivke, ki lahko prenašajo informacije v električnih sistemih, so napetost in tok.

V tem članku s "signali" mislimo predvsem napetost ali tok. Vendar pa večina tukaj obravnavanih konceptov ostaja veljavnih za sisteme, v katerih so lahko nosilci informacij druge spremenljivke. Tako lahko obnašanje mehanskega sistema (spremenljivke — sila in hitrost) ali hidravličnega sistema (spremenljivke — tlak in pretok) pogosto predstavimo z enakovrednim električnim sistemom ali, kot rečeno, simuliramo. Zato je razumevanje obnašanja električnih sistemov podlaga za razumevanje veliko širšega spektra pojavov.

Analogni in digitalni signali

Signal lahko prenaša informacije v dveh oblikah. Analogni signal prenaša informacije v obliki neprekinjene spremembe v času napetosti ali toka. Primer analognega signala je napetost, ki jo ustvari na stičišču termočlenapri različnih temperaturah. Ko se temperaturna razlika med spoji spremeni, se spremeni napetost na termočlenih. Tako napetost daje analogno predstavitev temperaturne razlike.

Termočlen — spojina dveh različnih kovin, kot sta baker in konstantan. Napetost, ki jo ustvarita dva spoja, se uporablja za merjenje temperaturne razlike med njima.

To je druga vrsta signala digitalni signal… Lahko sprejme vrednosti v dveh ločenih poljih. Takšni signali se uporabljajo za predstavitev informacij o vklopu/izklopu ali da-ne.

Domači termostat na primer ustvari digitalni signal za krmiljenje grelnika. Ko sobna temperatura pade pod nastavljeno vrednost, stikalo termostata zapre kontakte in vklopi grelec. Ko je sobna temperatura dovolj visoka, stikalo izklopi grelec. Tok skozi stikalo daje digitalno predstavitev spremembe temperature: vklopljeno je prehladno in izklopljeno je pretoplo.

riž. 1. Analogni in digitalni signali

Sistem za obdelavo signalov

Sistem za obdelavo signalov je niz medsebojno povezanih komponent in naprav, ki lahko sprejmejo vhodni signal (ali skupino vhodnih signalov), delujejo na signale na določen način, da izločijo informacije ali izboljšajo njihovo kakovost, in predstavijo informacije na izhodu v primerni obliki in ob primernem času.

Veliko električnih signalov v fizičnih sistemih generirajo naprave, imenovane senzorji… Opisali smo že primer analognega senzorja — termoelement. Temperaturno razliko (fizikalno spremenljivko) pretvori v napetost (električno spremenljivko). Na splošno senzor — naprava, ki pretvarja fizično ali mehansko količino v enakovreden napetostni ali tokovni signal. Vendar pa za razliko od termočlena večina senzorjev za delovanje potrebuje določeno obliko električnega vzbujanja.

Izbor signalov na izhodu sistema se lahko izvede v različnih oblikah, odvisno od tega, kako bodo uporabljene informacije, ki jih vsebujejo vhodni signali. Informacije so lahko prikazane v analogni obliki (z uporabo, na primer, naprave, v kateri položaj puščice označuje vrednost spremenljivke, ki nas zanima) ali v digitalni obliki (z uporabo sistema digitalnih elementov na zaslonu, ki prikazuje številko ustreza vrednosti obresti za nas).

Druge možnosti so, da izhodne signale pretvorite v zvočno energijo (zvočnik), jih uporabite kot vhodne signale za drug sistem ali jih uporabite za krmiljenje. Oglejmo si nekaj primerov za ponazoritev nekaterih od teh primerov.

Komunikacijski sistem

Razmislite o komunikacijskem sistemu, katerega vhodni signali so lahko govor, glasba ali nekakšni podatki, ki so proizvedeni na eni lokaciji in se zanesljivo prenašajo na velike razdalje, da tam natančno obnovijo prvotni vhodni signal.

Kot primer sl. 2 je shematski diagram običajnega oddajnega sistema z amplitudno modulacijo (AM).Pri modulaciji AM se amplituda (od vrha do vrha) radiofrekvenčnega signala spreminja v skladu z velikostjo nizkofrekvenčnega signala (zvočni signal, ki ustreza zvočnim frekvencam).

riž. 2. Oddajni komunikacijski sistem z amplitudno modulacijo

Oddajnik radijskega sistema AM zajame vhodni signal iz vhodne naprave (mikrofona), s tem signalom nadzoruje amplitudo radiofrekvenčnega signala (vsaka radijska postaja ima svojo specifično radijsko frekvenco) in radiofrekvenčni tok poganja izhodno napravo (anteno), ki proizvaja elektromagnetne valove, ki se oddajajo v prostor.

Sprejemni sistem sestavljajo vhodna naprava (antena), procesor (sprejemnik) in izhodna naprava (zvočnik). Sprejemnik ojača (ojači) razmeroma šibek signal, ki ga sprejme antena, izbere signal želene radijske frekvence izmed signalov vseh drugih oddajnikov, rekonstruira zvočni signal glede na spremembo amplitude radiofrekvenčnega signala in s tem zvočnim signalom vznemiri govorca.

Merilni sistem

Naloga merilnega sistema je, da od ustreznih senzorjev sprejema informacije o obnašanju določenega fizičnega sistema in te informacije registrira. Primer takega sistema je digitalni termometer (slika 3).

riž. 3. Funkcionalna shema digitalnega termometra

Dve povezavi termoelementa - ena je v toplotnem stiku s telesom, katerega temperaturo je treba izmeriti, druga pa je potopljena v posodo z ledom (za pridobitev stabilne referenčne točke) - ustvarjata napetost, ki je odvisna od temperaturne razlike med telesom in ledom. . Ta napetost se napaja v procesor.

Ker napetost termočlena ni natančno sorazmerna temperaturni razliki, je za dosego stroge sorazmernosti potreben majhen popravek. Popravek v teku naprava za linearizacijo… Analogna napetost iz termočlena se najprej ojača (tj. naredi več), nato linearizira in digitalizira. Na koncu se prikaže v registru digitalnega zaslona, ​​ki se uporablja kot izhodna naprava termometra.

Če je glavna naloga komunikacijskega sistema prenos pravilne kopije izvornega signala, potem je glavna naloga merilnega sistema pridobivanje numerično pravilnih podatkov. Zato je pričakovati, da bo odkrivanje in odpravljanje tudi majhnih napak, ki lahko popačijo signal v kateri koli fazi njegove obdelave, še posebej pomembno za merilne sisteme.

Sistem za nadzor povratnih informacij

Razmislite zdaj o povratnem krmilnem sistemu, v katerem informacije na izhodu spremenijo signale, ki nadzorujejo sistem.

Slika 4 prikazuje diagram termostata, ki se uporablja za vzdrževanje sobne temperature. Sistem vsebuje vhodno napravo za določanje sobne temperature (običajno to bimetalni trakki se ob spremembi temperature upogiba), mehanizem za nastavitev želene temperature (glavna številčnica) in mehanska stikala, ki se aktivirajo z bimetalnim relejem in krmilijo grelec.

riž. 4. Primer zaprtozančnega krmilnega sistema

Razmislite o tem preprostem sistemu kot primeru, ki dejansko ne vsebuje nobenih električnih elementov razen stikala koncept povratne informacije… Recimo, da povratna linija na sl.3 je pokvarjen, to pomeni, da ni mehanizmov za vklop in izklop grelnika. Takrat se bo temperatura v prostoru dvignila do določenega maksimuma (kar ustreza stalnemu vklopu grelnika) ali padla na določen minimum (kar ustreza dejstvu, da je grelec ves čas izklopljen).

Recimo, da je pri najvišji temperaturi prevroče in pri najnižji prehladno. V tem primeru je treba zagotoviti nekaj »nadzorne naprave« za vklop in izklop grelnika.

Takšna »nadzorna naprava« je lahko oseba, ki prižge grelec, ko se ohladi, in ga izklopi, ko se segreje. Že na tem nivoju je sistem (skupaj z obrazom) zaprtozančni krmilni sistem, saj se informacija o izhodnem signalu (temperatura prostora) uporablja za spreminjanje krmilnih signalov (vklop in izklop grelnika).

Termostat samodejno naredi to, kar bi naredil človek, to je, da vklopi grelec, ko temperatura pade pod nastavljeno točko, in ga v nasprotnem primeru izklopi. Obstaja veliko drugih povratnih sistemov, vključno s tistimi, v katerih se izvaja obdelava signala uporaba elektronskih naprav.