Kaip veikia signalų apdorojimas

Kas yra signalas?

Signalas yra bet koks fizinis kintamasis, kurio reikšmė arba jo pokytis laikui bėgant turi informacijos. Ši informacija gali būti susijusi su kalba ir muzika arba su fiziniais dydžiais, tokiais kaip oro temperatūra ar kambario šviesa. Fiziniai kintamieji, galintys perduoti informaciją elektros sistemose, yra įtampa ir srovė.

Šiame straipsnyje „signalais“ pirmiausia turime omenyje įtampą arba srovę. Tačiau dauguma čia aptartų sąvokų galioja sistemoms, kuriose kiti kintamieji gali būti informacijos nešėjai. Taigi mechaninės sistemos (kintamieji – jėga ir greitis) arba hidraulinės sistemos (kintamieji – slėgis ir srautas) elgseną dažnai galima pavaizduoti lygiaverte elektros sistema arba, kaip sakoma, imituoti. Todėl elektros sistemų elgesio supratimas suteikia pagrindą suprasti daug platesnį reiškinių spektrą.

Analoginiai ir skaitmeniniai signalai

Signalas gali perduoti informaciją dviem formomis. Analoginis signalas neša informaciją nuolatinio įtampos ar srovės laiko pasikeitimo forma. Analoginio signalo pavyzdys yra įtampa, kurią sukuria termoporos sandūrojeesant skirtingoms temperatūroms. Pasikeitus temperatūrų skirtumui tarp sandūrų, pasikeičia įtampa per termoporas. Taigi, įtampa suteikia analogišką temperatūros skirtumo vaizdą.

Termopora — dviejų skirtingų metalų, tokių kaip varis ir konstantanas, junginys. Dviejų sandūrų generuojama įtampa naudojama temperatūrų skirtumui tarp jų matuoti.

Tai kitokio pobūdžio signalas skaitmeninis signalas... Jis gali turėti reikšmes dviejuose atskiruose laukuose. Tokie signalai naudojami įjungimo/išjungimo arba taip-ne informacijai pavaizduoti.

Pavyzdžiui, namų termostatas generuoja skaitmeninį signalą šildytuvui valdyti. Kai kambario temperatūra nukrenta žemiau nustatytos vertės, termostato jungiklis uždaro kontaktus ir įjungia šildytuvą. Kai kambario temperatūra yra pakankamai aukšta, jungiklis išjungia šildytuvą. Srovė per jungiklį skaitmeniniu būdu parodo temperatūros pokytį: įjungta per šalta, o išjungta – per šilta.

Ryžiai. 1. Analoginiai ir skaitmeniniai signalai

Signalų apdorojimo sistema

Signalų apdorojimo sistema yra tarpusavyje sujungtų komponentų ir įrenginių rinkinys, galintis priimti įvesties signalą (arba įvesties signalų grupę), veikti signalus tam tikru būdu, kad gautų informaciją arba pagerintų jos kokybę, ir pateikia informaciją išvestyje tinkama forma ir tinkamu laiku.

Daugelį elektrinių signalų fizinėse sistemose generuoja įrenginiai, vadinami jutikliai… Jau aprašėme analoginio jutiklio pavyzdį – termoporą. Jis paverčia temperatūros skirtumą (fizinį kintamąjį) į įtampą (elektrinį kintamąjį). Apskritai jutiklis – įtaisas, paverčiantis fizinį ar mechaninį dydį į lygiavertį įtampos arba srovės signalą. Tačiau, skirtingai nei termopora, daugumai jutiklių reikalingas tam tikras elektrinis sužadinimas.

Signalų pasirinkimas sistemos išėjime gali būti atliekamas įvairiomis formomis, priklausomai nuo to, kaip bus naudojama įvesties signaluose esanti informacija. Informacija gali būti rodoma arba analogine forma (naudojant, pavyzdžiui, įrenginį, kuriame rodyklės padėtis rodo dominančio kintamojo reikšmę) arba skaitmenine (naudojant skaitmeninių elementų sistemą ekrane, kuri rodo skaičių atitinkančių interesų vertę mums).

Kitos galimybės yra konvertuoti išvesties signalus į garso energiją (garsiakalbis), naudoti juos kaip įvesties signalus kitai sistemai arba naudoti valdymui. Pažvelkime į keletą pavyzdžių, iliustruojančių kai kuriuos iš šių atvejų.

Ryšio sistema

Apsvarstykite ryšio sistemą, kurios įvesties signalai gali būti kalba, muzika ar tam tikri duomenys, sukuriami vienoje vietoje ir patikimai perduodami dideliais atstumais, kad ten būtų tiksliai atkurtas pradinis įvesties signalas.

Pavyzdžiui, Fig. 2 yra įprastinės amplitudės moduliacijos (AM) transliacijos sistemos schema.Taikant AM moduliaciją, radijo dažnio signalo amplitudė (nuo viršūnės iki maksimumo) kinta pagal žemo dažnio signalo (garso dažnius atitinkančio garso signalo) dydį.

Ryžiai. 2. Transliavimo ryšio sistema su amplitudine moduliacija

AM radijo transliavimo sistemos siųstuvas paima įvesties signalą iš įvesties įrenginio (mikrofono), šiuo signalu valdo radijo dažnio signalo amplitudę (kiekviena radijo stotis turi savo specifinį radijo dažnį) ir radijo dažnio srovę. varo išvesties įrenginį (anteną), kuris gamina elektromagnetines bangas, kurios skleidžiamos į erdvę.

Priėmimo sistema susideda iš įvesties įrenginio (antenos), procesoriaus (imtuvo) ir išvesties įrenginio (garsiakalbio). Imtuvas sustiprina (sustiprina) santykinai silpną iš antenos gaunamą signalą, parenka norimo radijo dažnio signalą iš visų kitų siųstuvų signalų, atkuria garso signalą pagal radijo dažnio signalo amplitudės pokytį ir sužadina garsiakalbį šiuo garso signalu.

Matavimo sistema

Matavimo sistemos užduotis – gauti informaciją iš atitinkamų jutiklių apie tam tikros fizinės sistemos elgseną ir šią informaciją registruoti. Tokios sistemos pavyzdys yra skaitmeninis termometras (3 pav.).

Ryžiai. 3. Skaitmeninio termometro funkcinė schema

Dvi termoporos jungtys – viena turintis šiluminį kontaktą su kūnu, kurio temperatūra turi būti matuojama, o kita panardinta į ledo indą (siekiant gauti stabilų atskaitos tašką) – sukuria įtampą, kuri priklauso nuo kūno ir ledo temperatūrų skirtumo. . Ši įtampa tiekiama į procesorių.

Kadangi termoporos įtampa nėra tiksliai proporcinga temperatūros skirtumui, norint gauti griežtą proporcingumą, reikia atlikti nedidelę pataisą. Korekcija vykdoma tiesinis įtaisas… Analoginė įtampa iš termoporos pirmiausia sustiprinama (ty padidinama), tada tiesinė ir skaitmeninama. Galiausiai jis pasirodo skaitmeniniame ekrano registre, kuris naudojamas kaip termometro išvesties įtaisas.

Jei pagrindinė ryšio sistemos užduotis yra perduoti teisingą šaltinio signalo kopiją, tai pagrindinė matavimo sistemos užduotis yra gauti skaitiniu požiūriu teisingus duomenis. Todėl reikėtų tikėtis, kad matavimo sistemoms bus ypač svarbu aptikti ir pašalinti net mažas klaidas, kurios gali iškraipyti signalą bet kuriame jo apdorojimo etape.

Grįžtamojo ryšio valdymo sistema

Dabar apsvarstykite grįžtamojo ryšio valdymo sistemą, kurioje informacija išėjime keičia signalus, kurie valdo sistemą.

4 pav. parodyta termostato, naudojamo kambario temperatūrai palaikyti, schema. Sistemoje yra įvesties įrenginys, skirtas kambario temperatūrai nustatyti (dažniausiai tai bimetalinė juostelėkuri lankstosi kintant temperatūrai), norimos temperatūros nustatymo mechanizmas (pagrindinis ciferblatas) ir mechaniniai jungikliai, valdomi bimetaline rele ir valdantys šildytuvą.

Ryžiai. 4. Uždarojo ciklo valdymo sistemos pavyzdys

Apsvarstykite galimybę kaip pavyzdį naudoti šią paprastą sistemą, kurioje iš tikrųjų nėra jokių elektrinių elementų, išskyrus jungiklį grįžtamojo ryšio koncepcija… Tarkime, kad grįžtamojo ryšio linija Fig.3 yra sugedęs, tai yra, nėra šildytuvo įjungimo ir išjungimo mechanizmų. Tada temperatūra patalpoje arba pakils iki tam tikro maksimumo (atitinka nuolatinį šildytuvo įtraukimą), arba nukris iki tam tikro minimumo (atitinka tai, kad šildytuvas visą laiką išjungtas).

Tarkime, per karšta esant maksimaliai temperatūrai ir per šalta esant minimaliai. Šiuo atveju šildytuvui įjungti ir išjungti turi būti įrengtas koks nors „valdymo įtaisas“.

Tokiu „valdymo įrenginiu“ galėtų būti žmogus, kuris atšalus įjungia šildytuvą, o kai įkaista – išjungia. Jau šiame lygyje sistema (kartu su veidu) yra uždaro ciklo valdymo sistema, nes informacija apie išėjimo signalą (kambario temperatūra) naudojama valdymo signalams keisti (šildytuvo įjungimui ir išjungimui).

Termostatas automatiškai daro tai, ką darytų žmogus, ty įjungia šildytuvą, kai temperatūra nukrenta žemiau nustatytos vertės, o kitu atveju jį išjungia. Yra daug kitų grįžtamojo ryšio sistemų, įskaitant tas, kuriose apdorojamas signalas elektroninių prietaisų naudojimas.