Jak działa przetwarzanie sygnału

Co to jest sygnał?

Sygnał to dowolna zmienna fizyczna, której wartość lub jej zmiana w czasie zawiera informację. Informacje te mogą dotyczyć mowy i muzyki lub wielkości fizycznych, takich jak temperatura powietrza lub światło w pomieszczeniu. Zmienne fizyczne, które mogą przenosić informacje w systemach elektrycznych to: napięcie i prąd.

W tym artykule przez „sygnały” rozumiemy przede wszystkim napięcie lub prąd. Jednak większość omówionych tutaj koncepcji pozostaje aktualna dla systemów, w których inne zmienne mogą być nośnikami informacji. Tak więc zachowanie układu mechanicznego (zmienne — siła i prędkość) lub układu hydraulicznego (zmienne — ciśnienie i przepływ) można często przedstawić za pomocą równoważnego układu elektrycznego lub, jak to się mówi, zasymulować. Dlatego zrozumienie zachowania systemów elektrycznych stanowi podstawę do zrozumienia znacznie szerszego zakresu zjawisk.

Sygnały analogowe i cyfrowe

Sygnał może przenosić informacje w dwóch postaciach. Sygnał analogowy niesie informację w postaci ciągłej zmiany napięcia lub prądu w czasie. Przykładem sygnału analogowego jest napięcie generowane przez na złączu termoparyw różnych temperaturach. Kiedy zmienia się różnica temperatur między złączami, zmienia się napięcie na termoparach. Zatem napięcie daje analogową reprezentację różnicy temperatur.

Termoelement — związek dwóch różnych metali, takich jak miedź i konstantan. Napięcie generowane przez dwa złącza służy do pomiaru różnicy temperatur między nimi.

To inny rodzaj sygnału sygnał cyfrowy… Może przyjmować wartości w dwóch osobnych polach. Takie sygnały są używane do przedstawiania informacji wł./wył. lub tak-nie.

Na przykład termostat domowy generuje sygnał cyfrowy do sterowania grzejnikiem. Gdy temperatura w pomieszczeniu spadnie poniżej zadanej wartości, wyłącznik termostatu zwiera styki i włącza grzałkę. Gdy temperatura w pomieszczeniu jest wystarczająco wysoka, wyłącznik wyłącza grzałkę. Prąd przepływający przez przełącznik daje cyfrową reprezentację zmiany temperatury: włączony jest za zimny, a wyłączony za ciepły.

Ryż. 1. Sygnały analogowe i cyfrowe

Układ przetwarzania sygnału

System przetwarzania sygnału to zestaw wzajemnie połączonych komponentów i urządzeń, które mogą przyjmować sygnał wejściowy (lub grupę sygnałów wejściowych), działać na sygnałach w określony sposób w celu wydobycia informacji lub poprawy ich jakości oraz przedstawiać informacje na wyjściu w odpowiedniej formie i we właściwym czasie.

Wiele sygnałów elektrycznych w układach fizycznych jest generowanych przez urządzenia tzw czujniki… Opisaliśmy już przykład czujnika analogowego — termopary. Przekształca różnicę temperatur (zmienną fizyczną) w napięcie (zmienną elektryczną). Ogólnie czujnik — urządzenie przetwarzające wielkość fizyczną lub mechaniczną na równoważny sygnał napięciowy lub prądowy. Jednak w przeciwieństwie do termopary, większość czujników wymaga do działania jakiejś formy wzbudzenia elektrycznego.

Selekcja sygnałów na wyjściu układu może odbywać się w różnych formach, w zależności od tego, w jaki sposób zostaną wykorzystane informacje zawarte w sygnałach wejściowych. Informacje mogą być wyświetlane albo w formie analogowej (za pomocą np. odpowiadającej wartości interesującego nas interesu).

Inne możliwości to konwersja sygnałów wyjściowych na energię dźwiękową (głośnik), wykorzystanie ich jako sygnałów wejściowych do innego systemu lub wykorzystanie ich do sterowania. Spójrzmy na kilka przykładów ilustrujących niektóre z tych przypadków.

System komunikacji

Rozważmy system komunikacyjny, którego sygnałami wejściowymi mogą być mowa, muzyka lub inny rodzaj danych, które są wytwarzane w jednym miejscu i niezawodnie przesyłane na duże odległości, aby dokładnie odtworzyć tam oryginalny sygnał wejściowy.

Jako przykład, FIG. 2 przedstawia schematyczny diagram konwencjonalnego systemu transmisji z modulacją amplitudy (AM).W modulacji AM amplituda (międzyszczytowa) sygnału o częstotliwości radiowej zmienia się zgodnie z wielkością sygnału o niskiej częstotliwości (sygnału audio odpowiadającego częstotliwościom dźwięku).

Ryż. 2. System łączności rozgłoszeniowej z modulacją amplitudy

Nadajnik systemu radiofonicznego AM odbiera sygnał wejściowy z urządzenia wejściowego (mikrofonu), wykorzystuje ten sygnał do sterowania amplitudą sygnału o częstotliwości radiowej (każda stacja radiowa ma swoją określoną częstotliwość radiową) oraz prądem o częstotliwości radiowej napędza urządzenie wyjściowe (antenę), które wytwarza fale elektromagnetyczne emitowane w przestrzeń kosmiczną.

System odbiorczy składa się z urządzenia wejściowego (anteny), procesora (odbiornika) i urządzenia wyjściowego (głośnika). Odbiornik wzmacnia (wzmacnia) stosunkowo słaby sygnał odbierany z anteny, wybiera sygnał o żądanej częstotliwości radiowej spośród sygnałów wszystkich innych nadajników, rekonstruuje sygnał audio na podstawie zmiany amplitudy sygnału o częstotliwości radiowej i pobudza głośnik tym sygnałem dźwiękowym.

System miar

Zadaniem układu pomiarowego jest odbieranie informacji z odpowiednich czujników o zachowaniu się określonego układu fizycznego i rejestracja tych informacji. Przykładem takiego układu jest termometr cyfrowy (ryc. 3).

Ryż. 3. Schemat funkcjonalny termometru cyfrowego

Dwa połączenia termopar – jedno w kontakcie termicznym z ciałem, którego temperatura ma być mierzona, drugie zanurzone w pojemniku z lodem (w celu uzyskania stabilnego punktu odniesienia) – generują napięcie zależne od różnicy temperatur między ciałem a lodem . To napięcie jest podawane do procesora.

Ponieważ napięcie termopary nie jest dokładnie proporcjonalne do różnicy temperatur, potrzebna jest niewielka poprawka, aby uzyskać ścisłą proporcjonalność. Korekta w toku urządzenie linearyzujące… Napięcie analogowe z termopary jest najpierw wzmacniane (tj. wytwarza więcej), następnie linearyzowane i digitalizowane. Wreszcie pojawia się w cyfrowym rejestrze wyświetlacza używanym jako urządzenie wyjściowe termometru.

Jeżeli głównym zadaniem systemu łączności jest przesłanie poprawnej kopii sygnału źródłowego, to głównym zadaniem systemu pomiarowego jest uzyskanie danych liczbowo poprawnych. Dlatego należy się spodziewać, że wykrywanie i eliminowanie nawet niewielkich błędów, które mogą zniekształcić sygnał na dowolnym etapie jego przetwarzania, będzie miało szczególne znaczenie dla systemów pomiarowych.

System kontroli sprzężenia zwrotnego

Rozważmy teraz system sterowania ze sprzężeniem zwrotnym, w którym informacja na wyjściu zmienia sygnały sterujące systemem.

Na rys. 4 przedstawiono schemat działania termostatu służącego do utrzymywania temperatury pokojowej. System zawiera urządzenie wejściowe do określania temperatury w pomieszczeniu (zwykle to bimetaliczny pasekktóry ugina się wraz ze zmianą temperatury), mechanizm ustawiania żądanej temperatury (pokrętło główne) oraz mechaniczne przełączniki uruchamiane przekaźnikiem bimetalowym i sterujące grzałką.

Ryż. 4. Przykład układu sterowania w pętli zamkniętej

Rozważmy ten prosty system jako przykład, który w rzeczywistości nie zawiera żadnych elementów elektrycznych poza przełącznikiem koncepcja informacji zwrotnej… Załóżmy, że linia sprzężenia zwrotnego na ryc.3 jest zepsuty, to znaczy nie ma mechanizmów włączania i wyłączania grzałki. Wtedy temperatura w pomieszczeniu albo wzrośnie do pewnego maksimum (co odpowiada stałemu włączeniu grzałki) albo spadnie do pewnego minimum (co odpowiada temu, że grzałka jest cały czas wyłączona).

Załóżmy, że jest za gorąco przy maksymalnej temperaturze i za zimno przy minimalnej temperaturze. W takim przypadku należy przewidzieć jakieś „urządzenie sterujące” do włączania i wyłączania grzejnika.

Takim „urządzeniem sterującym” może być osoba, która włącza grzejnik, gdy robi się zimno i wyłącza, gdy robi się gorąco. Już na tym poziomie układ (wraz z twarzą) jest układem sterowania w pętli zamkniętej, gdyż informacja o sygnale wyjściowym (temperatura pokojowa) wykorzystywana jest do zmiany sygnałów sterujących (włączanie i wyłączanie grzałki).

Termostat automatycznie robi to, co zrobiłby człowiek, czyli włącza grzejnik, gdy temperatura spadnie poniżej ustawionej wartości i wyłącza go w przeciwnym razie. Istnieje wiele innych systemów sprzężenia zwrotnego, w tym takie, w których odbywa się przetwarzanie sygnału korzystanie z urządzeń elektronicznych.