Jak funguje zpracování signálu

co je to signál?

Signál je jakákoli fyzická proměnná, jejíž hodnota nebo její změna v čase obsahuje informaci. Tyto informace se mohou týkat řeči a hudby nebo fyzikálních veličin, jako je teplota vzduchu nebo světlo v místnosti. Fyzikální proměnné, které mohou přenášet informace v elektrických systémech, jsou napětí a proudu.

V tomto článku „signály“ rozumíme především napětí nebo proud. Většina zde diskutovaných konceptů však zůstává platná pro systémy, ve kterých mohou být nosiče informací jiné proměnné. Chování mechanického systému (proměnné – síla a rychlost) nebo hydraulického systému (proměnné – tlak a průtok) lze tedy často reprezentovat ekvivalentním elektrickým systémem, nebo jak se říká, simulovat. Proto pochopení chování elektrických systémů poskytuje základ pro pochopení mnohem širšího spektra jevů.

Analogové a digitální signály

Signál může nést informaci ve dvou formách. Analogový signál nese informaci ve formě plynulé změny v čase napětí nebo proudu. Příkladem analogového signálu je napětí generované na přechodu termočlánkupři různých teplotách. Když se změní teplotní rozdíl mezi přechody, změní se napětí na termočláncích. Napětí tedy poskytuje analogovou reprezentaci teplotního rozdílu.

Termočlánek — sloučenina dvou nepodobných kovů, jako je měď a konstantan. Napětí generované dvěma přechody se používá k měření rozdílu teplot mezi nimi.

Je to jiný druh signálu digitální signál… Může nabývat hodnot ve dvou samostatných polích. Tyto signály se používají k reprezentaci informací zapnuto/vypnuto nebo ano-ne.

Například domácí termostat generuje digitální signál pro ovládání topení. Když teplota v místnosti klesne pod přednastavenou hodnotu, spínač termostatu sepne kontakty a zapne topení. Jakmile je pokojová teplota dostatečně vysoká, vypínač vypne topení. Proud procházející spínačem poskytuje digitální reprezentaci změny teploty: zapnuto je příliš studené a vypnuto je příliš teplo.

Rýže. 1. Analogové a digitální signály

Systém zpracování signálu

Systém zpracování signálu je soubor vzájemně propojených součástí a zařízení, které mohou přijímat vstupní signál (nebo skupinu vstupních signálů), působit na signály specifickým způsobem, získávat informace nebo zlepšovat jejich kvalitu, a prezentovat informace na výstupu v vhodnou formou a ve vhodnou dobu.

Mnoho elektrických signálů ve fyzických systémech je generováno zařízeními tzv senzory… Již jsme popsali příklad analogového senzoru — termočlánku. Převádí teplotní rozdíl (fyzickou proměnnou) na napětí (elektrickou proměnnou). Obvykle senzor — zařízení, které převádí fyzikální nebo mechanickou veličinu na ekvivalentní napěťový nebo proudový signál. Na rozdíl od termočlánku však většina senzorů vyžaduje k provozu nějakou formu elektrického buzení.

Výběr signálů na výstupu systému lze provádět různými formami v závislosti na tom, jak budou použity informace obsažené ve vstupních signálech. Informace mohou být zobrazeny buď v analogové podobě (pomocí např. zařízení, na kterém poloha šipky ukazuje hodnotu sledované proměnné), nebo v digitální formě (pomocí systému digitálních prvků na displeji, který zobrazuje číslo odpovídající hodnotě úroku pro nás).

Další možností je převést výstupní signály na zvukovou energii (reproduktor), použít je jako vstupní signály pro jiný systém nebo je použít pro ovládání. Podívejme se na několik příkladů, které některé z těchto případů ilustrují.

Komunikační systém

Uvažujme komunikační systém, jehož vstupními signály mohou být řeč, hudba nebo nějaký druh dat, která jsou vytvářena na jednom místě a spolehlivě přenášena na velké vzdálenosti, aby se tam přesně obnovil původní vstupní signál.

Jako příklad Obr. 2 je schematický diagram běžného vysílacího systému s amplitudovou modulací (AM).Při AM modulaci se amplituda (peak-to-peak) vysokofrekvenčního signálu mění v souladu s velikostí nízkofrekvenčního signálu (zvukový signál odpovídající zvukovým frekvencím).

Rýže. 2. Vysílací komunikační systém s amplitudovou modulací

Vysílač AM rozhlasového vysílacího systému snímá vstupní signál ze vstupního zařízení (mikrofonu), používá tento signál k ovládání amplitudy vysokofrekvenčního signálu (každá rádiová stanice má svou vlastní specifickou rádiovou frekvenci) a vysokofrekvenčního proudu pohání výstupní zařízení (anténu), které produkuje elektromagnetické vlny, které jsou vysílány do prostoru.

Přijímací systém se skládá ze vstupního zařízení (antény), procesoru (přijímače) a výstupního zařízení (reproduktoru). Přijímač zesiluje (zesiluje) relativně slabý signál přijímaný z antény, vybírá signál požadované rádiové frekvence ze signálů všech ostatních vysílačů, rekonstruuje zvukový signál na základě změny amplitudy rádiového signálu a vybudí reproduktor tímto zvukovým signálem.

Měřící systém

Úkolem měřicího systému je přijímat informace od příslušných senzorů o chování určitého fyzikálního systému a tyto informace registrovat. Příkladem takového systému je digitální teploměr (obr. 3).

Rýže. 3. Funkční schéma digitálního teploměru

Dvě termočlánková spojení – jedno v tepelném kontaktu s tělem, jehož teplota má být měřena, druhé ponořené do nádoby s ledem (pro získání stabilního referenčního bodu) – generují napětí, které závisí na teplotním rozdílu mezi tělem a ledem. . Toto napětí je přivedeno do procesoru.

Protože napětí termočlánku není přesně úměrné teplotnímu rozdílu, je zapotřebí malá korekce pro dosažení přísné úměrnosti. Probíhá oprava linearizační zařízení… Analogové napětí z termočlánku je nejprve zesíleno (tj. dělá více), poté linearizováno a digitalizováno. Nakonec se objeví v registru digitálního displeje používaného jako výstupní zařízení teploměru.

Pokud je hlavním úkolem komunikačního systému přenášet správnou kopii zdrojového signálu, pak je hlavním úkolem měřicího systému získat numericky správná data. Proto je třeba očekávat, že pro systémy měření bude mít zvláštní význam detekce a eliminace i malých chyb, které mohou zkreslit signál v jakékoli fázi jeho zpracování.

Systém kontroly zpětné vazby

Uvažujme nyní zpětnovazební řídicí systém, ve kterém informace na výstupu mění signály, které řídí systém.

Obr. 4 ukazuje schéma termostatu používaného k udržování pokojové teploty. Systém obsahuje vstupní zařízení pro stanovení pokojové teploty (obvykle toto bimetalový pásekkterý se ohýbá při změně teploty), mechanismus pro nastavení požadované teploty (hlavní volič) a mechanické spínače ovládané bimetalovým relé a ovládání ohřívače.

Rýže. 4. Příklad systému řízení s uzavřenou smyčkou

Zvažte použití tohoto jednoduchého systému jako příkladu, který ve skutečnosti neobsahuje žádné jiné elektrické prvky než spínač koncept zpětné vazby… Předpokládejme, že čára zpětné vazby na Obr.3 je rozbitý, to znamená, že neexistují žádné mechanismy pro zapínání a vypínání ohřívače. Potom teplota v místnosti buď stoupne na určité maximum (odpovídající neustálému zapojování topidla), nebo klesne na určité minimum (odpovídající tomu, že je topidlo neustále vypnuté).

Předpokládejme, že je příliš horká při maximální teplotě a příliš studená při minimální teplotě. V tomto případě musí být k dispozici nějaké «ovládací zařízení» pro zapínání a vypínání ohřívače.

Takovým „ovládacím zařízením“ by mohla být osoba, která zapíná topení, když se ochladí, a vypíná ho, když se zahřeje. Již na této úrovni je systém (spolu s čelem) regulačním systémem s uzavřenou smyčkou, protože informace o výstupním signálu (teplota místnosti) slouží ke změně řídicích signálů (zapínání a vypínání ohřívače).

Termostat automaticky dělá to, co by udělal člověk, tedy že zapne ohřívač, když teplota klesne pod nastavenou hodnotu, a v opačném případě ho vypne. Existuje mnoho dalších zpětnovazebních systémů, včetně těch, ve kterých se provádí zpracování signálu používání elektronických zařízení.