Cum funcționează procesarea semnalului

Ce este un semnal?

Un semnal este orice variabilă fizică a cărei valoare sau modificarea acesteia în timp conține informații. Aceste informații se pot referi la vorbire și muzică sau la cantități fizice, cum ar fi temperatura aerului sau lumina camerei. Variabilele fizice care pot transporta informații în sistemele electrice sunt tensiune si curent.

În acest articol, prin „semnale” înțelegem în primul rând tensiunea sau curentul. Cu toate acestea, majoritatea conceptelor discutate aici rămân valabile pentru sistemele în care alte variabile pot fi purtătoare de informații. Astfel, comportamentul unui sistem mecanic (variabile - forță și viteză) sau al unui sistem hidraulic (variabile - presiune și debit) poate fi adesea reprezentat printr-un sistem electric echivalent sau, după cum se spune, simulat. Prin urmare, înțelegerea comportamentului sistemelor electrice oferă o bază pentru înțelegerea unei game mult mai largi de fenomene.

Semnale analogice și digitale

Un semnal poate transporta informații în două forme. Semnal analog transportă informații sub forma unei schimbări continue a timpului de tensiune sau curent. Un exemplu de semnal analogic este tensiunea generată de la joncțiunea termocupluluila temperaturi diferite. Când diferența de temperatură dintre joncțiuni se modifică, tensiunea la termocupluri se modifică. Astfel, tensiunea oferă o reprezentare analogică a diferenței de temperatură.

Termocuplu — un compus din două metale diferite, cum ar fi cuprul și constantanul. Tensiunea generată de cele două joncțiuni este utilizată pentru a măsura diferența de temperatură dintre ele.

Este un alt tip de semnal semnal digital… Poate lua valori în două câmpuri separate. Astfel de semnale sunt folosite pentru a reprezenta informații pornit/oprit sau da-nu.

De exemplu, un termostat de acasă generează un semnal digital pentru a controla un încălzitor. Când temperatura camerei scade sub o valoare prestabilită, comutatorul termostatului închide contactele și pornește încălzitorul. Odată ce temperatura camerei este suficient de ridicată, întrerupătorul oprește încălzitorul. Curentul prin comutator oferă o reprezentare digitală a schimbării temperaturii: pornit este prea rece și oprit este prea cald.

Orez. 1. Semnale analogice și digitale

Sistem de procesare a semnalului

Un sistem de procesare a semnalului este un set de componente și dispozitive interconectate care pot accepta un semnal de intrare (sau un grup de semnale de intrare), pot acționa asupra semnalelor într-un mod specific pentru a extrage informații sau a îmbunătăți calitatea acesteia și pot prezenta informații la ieșire în forma adecvată și la momentul potrivit.

Multe semnale electrice din sistemele fizice sunt generate de dispozitive numite senzori… Am descris deja un exemplu de senzor analogic - un termocuplu. Convertește diferența de temperatură (o variabilă fizică) într-o tensiune (o variabilă electrică). În general senzor — un dispozitiv care convertește o cantitate fizică sau mecanică într-un semnal echivalent de tensiune sau curent. Cu toate acestea, spre deosebire de un termocuplu, majoritatea senzorilor necesită o anumită formă de excitație electrică pentru a funcționa.

Selectarea semnalelor la ieșirea sistemului se poate face sub diferite forme, în funcție de modul în care vor fi utilizate informațiile conținute în semnalele de intrare. Informațiile pot fi afișate fie în formă analogică (folosind, de exemplu, un dispozitiv în care poziția săgeții indică valoarea variabilei de interes), fie în formă digitală (folosind un sistem de elemente digitale pe afișaj care arată un număr corespunzătoare valorii dobânzii pentru noi).

Alte posibilități sunt de a converti semnalele de ieșire în energie sonoră (difuzor), de a le folosi ca semnale de intrare pentru un alt sistem sau de a le folosi pentru control. Să ne uităm la câteva exemple pentru a ilustra unele dintre aceste cazuri.

Sistem de comunicatii

Luați în considerare un sistem de comunicații ale cărui semnale de intrare pot fi vorbire, muzică sau un fel de date care sunt produse într-o singură locație și transmise în mod fiabil pe distanțe lungi pentru a recupera cu acuratețe semnalul de intrare original acolo.

Ca exemplu, FIG. 2 este o diagramă schematică a unui sistem convențional de difuzare cu modulație de amplitudine (AM).În modulația AM, amplitudinea (de la vârf la vârf) a semnalului de frecvență radio se modifică în funcție de mărimea semnalului de frecvență joasă (semnalul audio corespunzător frecvențelor sonore).

Orez. 2. Sistem de comunicare broadcast cu modulație de amplitudine

Emițătorul unui sistem de radiodifuziune radio AM preia semnalul de intrare de la un dispozitiv de intrare (microfon), utilizează acest semnal pentru a controla amplitudinea semnalului de frecvență radio (fiecare post de radio are propria frecvență radio specifică) și curentul de frecvență radio. conduce dispozitivul de ieșire (antena) care produce unde electromagnetice care sunt emise în spațiu.

Sistemul de recepție este format dintr-un dispozitiv de intrare (antenă), un procesor (receptor) și un dispozitiv de ieșire (difuzor). Receptorul amplifică (face mai puternic) semnalul relativ slab primit de la antenă, selectează semnalul frecvenței radio dorite din semnalele tuturor celorlalte emițătoare, reconstruiește semnalul audio pe baza modificării amplitudinii semnalului de radiofrecvență și excită difuzorul cu acest semnal audio.

Sistem de măsurare

Sarcina sistemului de măsurare este să primească informații de la senzorii relevanți despre comportamentul unui anumit sistem fizic și să înregistreze aceste informații. Un exemplu de astfel de sistem este un termometru digital (Fig. 3).

Orez. 3. Schema funcțională a unui termometru digital

Două conexiuni de termocuplu – una în contact termic cu corpul a cărui temperatură urmează să fie măsurată, cealaltă scufundată într-un recipient cu gheață (pentru a obține un punct de referință stabil) – generează o tensiune care depinde de diferența de temperatură dintre corp și gheață. . Această tensiune este introdusă în procesor.

Deoarece tensiunea termocuplului nu este tocmai proporțională cu diferența de temperatură, este necesară o mică corecție pentru a obține o proporționalitate strictă. Corectare în curs dispozitiv de liniarizare… Tensiunea analogică de la termocuplu este mai întâi amplificată (adică face mai mult), apoi liniarizată și digitalizată. În cele din urmă, apare în registrul de afișare digital folosit ca dispozitiv de ieșire al termometrului.

Dacă sarcina principală a sistemului de comunicații este de a transmite o copie corectă a semnalului sursă, atunci sarcina principală a sistemului de măsurare este de a obține date corecte numeric. Prin urmare, ar trebui de așteptat ca detectarea și eliminarea chiar și a erorilor mici care pot distorsiona semnalul în orice etapă a prelucrării acestuia să fie de o importanță deosebită pentru sistemele de măsurare.

Sistem de control al feedback-ului

Luați în considerare acum un sistem de control cu ​​feedback în care informațiile de la ieșire schimbă semnalele care controlează sistemul.

Fig.4 prezintă o diagramă a unui termostat utilizat pentru menținerea temperaturii camerei. Sistemul conține un dispozitiv de intrare pentru determinarea temperaturii camerei (de obicei aceasta banda bimetalicacare se flexează atunci când temperatura se schimbă), un mecanism de setare a temperaturii dorite (cadranul principal) și întrerupătoare mecanice acționate de un releu bimetalic și de control al încălzitorului.

Orez. 4. Exemplu de sistem de control în buclă închisă

Folosind acest sistem simplu ca exemplu, care de fapt nu conține alte elemente electrice decât un comutator, luați în considerare conceptul de feedback… Să presupunem că linia de feedback din Fig.3 este stricat, adică nu există mecanisme pentru pornirea și oprirea încălzitorului. Apoi temperatura din cameră fie va crește la un anumit maxim (corespunzător includerii constante a încălzitorului) fie va scădea la un anumit minim (corespunzător faptului că încălzitorul este oprit tot timpul).

Să presupunem că este prea cald la temperatura maximă și prea rece la temperatura minimă. În acest caz, trebuie prevăzut un „dispozitiv de control” pentru a porni și opri încălzitorul.

Un astfel de „dispozitiv de control” ar putea fi o persoană care pornește încălzitorul când se răcește și îl oprește când se încălzește. Deja la acest nivel, sistemul (împreună cu fața) este un sistem de control în buclă închisă, deoarece informațiile despre semnalul de ieșire (temperatura camerei) sunt folosite pentru a schimba semnalele de control (pornirea și oprirea încălzitorului).

Termostatul face automat ceea ce ar face un om, adică să pornească încălzitorul atunci când temperatura scade sub punctul de referință și să îl oprească în caz contrar. Există multe alte sisteme de feedback, inclusiv cele în care se realizează procesarea semnalului utilizarea dispozitivelor electronice.