Sådan fungerer signalbehandling

Hvad er et signal?

Et signal er enhver fysisk variabel, hvis værdi eller dens ændring over tid indeholder information. Disse oplysninger kan relatere til tale og musik eller til fysiske størrelser såsom lufttemperatur eller rumlys. De fysiske variabler, der kan bære information i elektriske systemer er spænding og strøm.

I denne artikel mener vi med "signaler" primært spænding eller strøm. De fleste af de begreber, der diskuteres her, forbliver dog gyldige for systemer, hvor andre variabler kan være informationsbærere. Således kan opførselen af ​​et mekanisk system (variable-kraft og hastighed) eller et hydraulisk system (variable-tryk og flow) ofte repræsenteres af et tilsvarende elektrisk system, eller som det siges, simuleret. Derfor giver forståelsen af ​​elektriske systemers adfærd et grundlag for at forstå en meget bredere vifte af fænomener.

Analoge og digitale signaler

Et signal kan bære information i to former. Analogt signal bærer information i form af en kontinuerlig ændring i tidspunktet for spænding eller strøm. Et eksempel på et analogt signal er den spænding, der genereres af ved termoelementforbindelsenved forskellige temperaturer. Når temperaturforskellen mellem krydsene ændres, ændres spændingen over termoelementerne. Spændingen giver således en analog repræsentation af temperaturforskellen.

Termoelement — en forbindelse af to forskellige metaller, såsom kobber og konstantan. Spændingen genereret af de to junctions bruges til at måle temperaturforskellen mellem dem.

Det er en anden slags signal digitalt signal… Det kan tage værdier i to separate felter. Sådanne signaler bruges til at repræsentere on/off eller ja-nej information.

For eksempel genererer en hjemmetermostat et digitalt signal til at styre en varmelegeme. Når rumtemperaturen falder til under en forudindstillet værdi, lukker termostatkontakten kontakterne og tænder for varmeren. Når rumtemperaturen er høj nok, slukker kontakten for varmeren. Strømmen gennem kontakten giver en digital repræsentation af ændringen i temperatur: tændt er for koldt og slukket er for varmt.

Ris. 1. Analoge og digitale signaler

Signalbehandlingssystem

Et signalbehandlingssystem er et sæt af sammenkoblede komponenter og enheder, der kan acceptere et inputsignal (eller en gruppe af inputsignaler), virke på signalerne på en specifik måde for at udtrække information eller forbedre dens kvalitet og præsentere information ved outputtet i passende form og på det rette tidspunkt.

Mange elektriske signaler i fysiske systemer genereres af enheder kaldet sensorer… Vi har allerede beskrevet et eksempel på en analog sensor - et termoelement. Den konverterer temperaturforskellen (en fysisk variabel) til en spænding (en elektrisk variabel). Generelt sensor — en enhed, der konverterer en fysisk eller mekanisk størrelse til et tilsvarende spændings- eller strømsignal. Men i modsætning til et termoelement kræver de fleste sensorer en form for elektrisk excitation for at fungere.

Udvælgelsen af ​​signaler ved systemets output kan foretages i forskellige former, afhængigt af hvordan informationen indeholdt i inputsignalerne vil blive brugt. Information kan vises enten i analog form (ved hjælp af f.eks. en enhed, hvor pilens position angiver værdien af ​​den interessante variabel) eller i digital form (ved hjælp af et system af digitale elementer på displayet, der viser et tal svarende til værdien af ​​renten for os).

Andre muligheder er at konvertere udgangssignalerne til lydenergi (højttaler), bruge dem som indgangssignaler til et andet system eller bruge dem til styring. Lad os se på nogle eksempler for at illustrere nogle af disse tilfælde.

Kommunikationssystem

Overvej et kommunikationssystem, hvis inputsignaler kan være tale, musik eller en eller anden form for data, der er produceret på ét sted og transmitteret pålideligt over lange afstande for nøjagtigt at gendanne det originale inputsignal der.

Som et eksempel viser fig. 2 er et skematisk diagram af et konventionelt amplitudemodulationssystem (AM).Ved AM-modulation ændres amplituden (peak-to-peak) af radiofrekvenssignalet i overensstemmelse med størrelsen af ​​det lavfrekvente signal (lydsignalet svarende til lydfrekvenser).

Ris. 2. Broadcast-kommunikationssystem med amplitudemodulation

Senderen af ​​et AM-radioudsendelsessystem opfanger inputsignalet fra en inputenhed (mikrofon), bruger dette signal til at styre amplituden af ​​radiofrekvenssignalet (hver radiostation har sin egen specifikke radiofrekvens) og radiofrekvensstrømmen driver outputenheden (antennen), som producerer elektromagnetiske bølger, der udsendes i rummet.

Det modtagende system består af en inputenhed (antenne), en processor (receiver) og en outputenhed (højttaler). Modtageren forstærker (gør stærkere) det relativt svage signal modtaget fra antennen, vælger signalet for den ønskede radiofrekvens fra signalerne fra alle andre sendere, rekonstruerer lydsignalet baseret på ændringen i amplituden af ​​radiofrekvenssignalet, og ophidser højttaleren med dette lydsignal.

Målesystem

Målesystemets opgave er at modtage information fra de relevante sensorer om et bestemt fysisk systems adfærd og registrere denne information. Et eksempel på et sådant system er et digitalt termometer (fig. 3).

Ris. 3. Funktionsdiagram af et digitalt termometer

To termoelementforbindelser - den ene i termisk kontakt med kroppen, hvis temperatur skal måles, den anden nedsænket i en beholder med is (for at opnå et stabilt referencepunkt) - genererer en spænding, der afhænger af temperaturforskellen mellem kroppen og isen . Denne spænding føres ind i processoren.

Da termoelementspændingen ikke er nøjagtig proportional med temperaturforskellen, er en lille korrektion nødvendig for at opnå streng proportionalitet. Rettelse i gang lineariserende enhed… Den analoge spænding fra termoelementet forstærkes først (dvs. laver mere), derefter lineariseres og digitaliseres. Til sidst vises den i det digitale displayregister, der bruges som termometerets outputenhed.

Hvis kommunikationssystemets hovedopgave er at transmittere en korrekt kopi af kildesignalet, så er hovedopgaven for målesystemet at opnå numerisk korrekte data. Derfor bør det forventes, at detektion og eliminering af selv små fejl, der kan forvrænge signalet på et hvilket som helst trin af dets behandling, vil være af særlig betydning for målesystemer.

Feedback kontrolsystem

Overvej nu et feedback-kontrolsystem, hvor information ved udgangen ændrer de signaler, der styrer systemet.

Fig. 4 viser et diagram af en termostat, der bruges til at holde rumtemperaturen. Systemet indeholder en input-enhed til bestemmelse af rumtemperaturen (normalt denne bimetallisk strimmelsom bøjes, når temperaturen ændres), en mekanisme til indstilling af den ønskede temperatur (hovedvælger) og mekaniske kontakter aktiveret af et bimetallisk relæ og styring af varmeren.

Ris. 4. Eksempel på et lukket kredsløbsstyringssystem

Brug dette simple system som et eksempel, som faktisk ikke indeholder andre elektriske elementer end en kontakt, overvej feedback koncept… Antag, at feedbacklinjen i fig.3 er brudt, det vil sige, at der ikke er nogen mekanismer til at tænde og slukke for varmeren. Så vil temperaturen i rummet enten stige til et vist maksimum (svarende til den konstante inklusion af varmelegemet) eller falde til et vist minimum (svarende til at varmelegemet er slukket hele tiden).

Antag, at det er for varmt ved maksimumtemperaturen og for koldt ved minimumstemperaturen. I dette tilfælde skal der være en "kontrolanordning" til at tænde og slukke for varmeren.

Sådan en «kontrolenhed» kunne være en person, der tænder for varmelegemet, når det bliver koldt, og slukker det, når det bliver varmt. Allerede på dette niveau er systemet (sammen med ansigtet) et lukket kredsløbskontrolsystem, da information om udgangssignalet (rumtemperatur) bruges til at ændre styresignalerne (tænde og slukke for varmeren).

Termostaten gør automatisk, hvad et menneske ville gøre, som er at tænde for varmelegemet, når temperaturen falder til under indstillingspunktet, og ellers slukke for det. Der er mange andre feedback-systemer, inklusive dem, hvor signalbehandling udføres brug af elektronisk udstyr.