Как работи обработката на сигнали

Какво е сигнал?

Сигналът е всяка физическа променлива, чиято стойност или нейната промяна във времето съдържа информация. Тази информация може да се отнася до говор и музика, или до физически величини като температура на въздуха или светлина в помещението. Физическите променливи, които могат да носят информация в електрическите системи, са напрежение и ток.

В тази статия под „сигнали“ имаме предвид преди всичко напрежение или ток. Повечето от разглежданите тук концепции обаче остават валидни за системи, в които други променливи могат да бъдат носители на информация. По този начин поведението на механична система (променливи — сила и скорост) или хидравлична система (променливи — налягане и дебит) често може да бъде представено от еквивалентна електрическа система или, както се казва, да се симулира. Следователно разбирането на поведението на електрическите системи създава основа за разбиране на много по -широк кръг от явления.

Аналогови и цифрови сигнали

Сигналът може да носи информация в две форми. Аналогов сигнал носи информация под формата на непрекъсната промяна във времето на напрежение или ток. Пример за аналогов сигнал е напрежението, генерирано от на кръстовището на термодвойкатапри различни температури. Когато температурната разлика между кръстовищата се промени, напрежението в краищата на термодвойките се променя. По този начин напрежението дава аналогово представяне на температурната разлика.

Термодвойка — съединение на два различни метала, като мед и константан. Напрежението, генерирано от двете кръстовища, се използва за измерване на температурната разлика между тях.

Друг вид сигнал е цифров сигнал… Той може да приема стойности в две отделни области. Такива сигнали се използват за представяне на информация за включване / изключване или да-не.

Например, домашен термостат генерира цифров сигнал за управление на нагревател. Когато стайната температура падне под предварително зададена стойност, превключвателят на термостата затваря контактите и включва нагревателя. Щом температурата в помещението стане достатъчно висока, превключвателят изключва нагревателя. Токът през превключвателя дава цифрово представяне на промяната в температурата: включено е твърде студено, а изключено е твърде топло.

Ориз. 1. Аналогови и цифрови сигнали

Система за обработка на сигнали

Системата за обработка на сигнал е съвкупност от взаимосвързани компоненти и устройства, които могат да приемат входен сигнал (или група от входни сигнали), да въздействат по сигнали по определен начин, за да извличат информация или да подобрят нейното качество и да представят информация на изхода в подходяща форма и в необходимото време.

Много електрически сигнали във физическите системи се генерират от устройства, наречени сензори… Вече описахме пример за аналогов сензор — термодвойка. Той преобразува температурната разлика (физическа променлива) в напрежение (електрическа променлива). Общо взето сензор — устройство, което преобразува физическо или механично количество в еквивалентен сигнал за напрежение или ток. Въпреки това, за разлика от термодвойката, повечето сензори изискват някаква форма на електрическо възбуждане, за да работят.

Изборът на сигнали на изхода на системата може да се извърши в различни форми, в зависимост от това как ще се използва информацията, съдържаща се във входните сигнали. Информацията може да се показва или в аналогова форма (като се използва например устройство, в което позицията на стрелката показва стойността на променливата, която ни интересува), или в цифров вид (използвайки система от цифрови елементи на дисплея, която показва номер, съответстващ на стойността на интереса за нас).

Други възможности са да преобразувате изходните сигнали в звукова енергия (високоговорител), да ги използвате като входни сигнали за друга система или да ги използвате за управление. Нека да разгледаме някои примери, за да илюстрираме някои от тези случаи.

Комуникационна система

Помислете за комуникационна система, чиито входни сигнали могат да бъдат реч, музика или някакъв вид данни, които се произвеждат на едно място и се предават надеждно на дълги разстояния, за да се възстанови точно оригиналния входен сигнал там.

Като пример, фиг. 2 е схематична диаграма на конвенционална система за излъчване с амплитудна модулация (AM). При AM модулация амплитудата (от пик до пик) на радиочестотния сигнал се променя в съответствие с величината на нискочестотния сигнал (аудио сигналът, съответстващ на звуковите честоти).

 Ориз. 2. Излъчваща комуникационна система с амплитудна модулация

Предавателят на AM радиоразпръсквателна система улавя входния сигнал от входно устройство (микрофон), използва този сигнал за управление на амплитудата на радиочестотния сигнал (всяка радиостанция има определена своя собствена радиочестота) и радиочестотният ток задвижва изходното устройство (антена), която произвежда електромагнитни вълни, които се излъчват в космоса.

Приемната система се състои от входно устройство (антена), процесор (приемник) и изходно устройство (високоговорител). Приемникът усилва (прави по -мощен) относително слабия сигнал, получен от антената, избира сигнала на желаната радиочестота от сигналите на всички други предаватели, възстановява звуковия сигнал въз основа на промяната в амплитудата на радиочестотния сигнал, и възбужда високоговорителя с този звуков сигнал.

Измервателна система

Задачата на измервателната система е да получи информация от съответните сензори за поведението на определена физическа система и да регистрира тази информация. Пример за такава система е цифров термометър (фиг. 3).

 Ориз. 3. Функционална диаграма на цифров термометър

Две връзки на термодвойки — едната в термичен контакт с тялото, чиято температура трябва да бъде измерена, другата потопена в съд с лед (за получаване на стабилна референтна точка) — генерира напрежение, което зависи от температурната разлика между тялото и леда . Това напрежение се подава в процесора.

Тъй като напрежението на термодвойката не е точно пропорционално на температурната разлика, е необходима малка корекция, за да се получи строга пропорционалност. Извършва се корекция линеаризиращо устройство… Аналоговото напрежение от термодвойката първо се усилва (т.е. прави повече), след което се линеаризира и дигитализира. И накрая, той се появява в регистъра на цифровия индикатор, използван като изходно устройство на термометъра.

Ако основната задача на комуникационната система е да предаде правилно копие на сигнала на източника, тогава основната задача на измервателната система е да получи численно верни данни. Следователно трябва да се очаква, че откриването и елиминирането дори на малки грешки, които могат да изкривят сигнала на всеки етап от неговата обработка, ще бъдат от особено значение за измервателните системи.

Система за контрол на обратната връзка

Помислете сега за система за управление с обратна връзка, в която информацията на изхода променя сигналите, които управляват системата.

На фиг.4 показва диаграма на термостат, използван за поддържане на температурата в помещението. Системата съдържа входно устройство за определяне на температурата в помещението (обикновено това биметална лентакойто се огъва при промяна на температурата), механизъм за настройка на желаната температура (главен циферблат) и механични превключватели, задействани от биметално реле и управляващи нагревателя.

Ориз. 4. Пример за система за управление със затворен контур

Използвайки тази проста система като пример, която всъщност не съдържа електрически елементи, освен превключвател, помислете концепция за обратна връзка… Да предположим, че линията за обратна връзка на фиг. 3 е счупен, тоест няма механизми за включване и изключване на нагревателя. Тогава температурата в помещението или ще се повиши до определен максимум (съответстващ на постоянното включване на нагревателя), или ще падне до определен минимум (съответстващ на факта, че нагревателят е изключен през цялото време).

Да предположим, че е прекалено горещо при максимална температура и твърде студено при минимална температура. В този случай трябва да се осигури някакво «контролно устройство» за включване и изключване на нагревателя.

Такова «контролно устройство» може да бъде човек, който включва нагревателя, когато стане студено, и го изключва, когато стане горещо. Вече на това ниво системата (заедно с лицето) е система за управление със затворен контур, тъй като информация за изходния сигнал (стайна температура) се използва за промяна на управляващите сигнали (включване и изключване на нагревателя).

Термостатът автоматично прави същото, което човек би направил, а именно, включва нагревателя, когато температурата падне под зададената, и го изключва в противен случай. Има много други системи с обратна връзка, включително тези, в които се извършва обработка на сигнала използване на електронни устройства.