Kako radi obrada signala

Što je signal?

Signal je svaka fizička varijabla čija vrijednost ili njezina promjena tijekom vremena sadrži informaciju. Te se informacije mogu odnositi na govor i glazbu ili na fizičke veličine poput temperature zraka ili sobne svjetlosti. Fizičke varijable koje mogu nositi informacije u električnim sustavima su napona i struje.

U ovom članku pod "signalima" primarno mislimo na napon ili struju. Međutim, većina koncepata o kojima se ovdje raspravlja ostaje važeća za sustave u kojima druge varijable mogu biti nositelji informacija. Stoga se ponašanje mehaničkog sustava (varijable — sila i brzina) ili hidrauličkog sustava (varijable — tlak i protok) često može prikazati ekvivalentnim električnim sustavom ili, kako se to kaže, simulirati. Stoga razumijevanje ponašanja električnih sustava pruža osnovu za razumijevanje puno šireg spektra fenomena.

Analogni i digitalni signali

Signal može nositi informaciju u dva oblika. Analogni signal nosi informaciju u obliku kontinuirane promjene u vremenu napona ili struje. Primjer analognog signala je napon koji stvara na spoju termoparana različitim temperaturama. Kada se temperaturna razlika između spojeva promijeni, napon na termoparovima se mijenja. Dakle, napon daje analogni prikaz temperaturne razlike.

Termopar — spoj dva različita metala, kao što su bakar i konstantan. Napon koji stvaraju dva spoja koristi se za mjerenje temperaturne razlike između njih.

To je druga vrsta signala digitalni signal… Može uzeti vrijednosti u dva odvojena polja. Takvi se signali koriste za predstavljanje informacija uključeno/isključeno ili da-ne.

Na primjer, kućni termostat generira digitalni signal za kontrolu grijača. Kada sobna temperatura padne ispod zadane vrijednosti, termostatska sklopka zatvara kontakte i uključuje grijač. Nakon što je sobna temperatura dovoljno visoka, prekidač isključuje grijač. Struja kroz prekidač daje digitalni prikaz promjene temperature: uključeno je prehladno, a isključeno pretoplo.

Riža. 1. Analogni i digitalni signali

Sustav za obradu signala

Sustav za obradu signala skup je međusobno povezanih komponenti i uređaja koji mogu prihvatiti ulazni signal (ili skupinu ulaznih signala), djelovati na signale na određeni način kako bi izvukli informacije ili poboljšali njihovu kvalitetu i prezentirali informacije na izlazu u odgovarajućem obliku i u odgovarajuće vrijeme.

Mnoge električne signale u fizičkim sustavima generiraju uređaji tzv senzori… Već smo opisali primjer analognog senzora — termoelement. Pretvara temperaturnu razliku (fizičku varijablu) u napon (električnu varijablu). općenito senzor — uređaj koji fizikalnu ili mehaničku veličinu pretvara u ekvivalentni naponski ili strujni signal. Međutim, za razliku od termopara, većina senzora zahtijeva neki oblik električne pobude za rad.

Odabir signala na izlazu sustava može se vršiti u različitim oblicima, ovisno o tome kako će se koristiti informacije sadržane u ulaznim signalima. Informacije se mogu prikazati bilo u analognom obliku (pomoću, na primjer, uređaja u kojem položaj strelice pokazuje vrijednost varijable od interesa) ili u digitalnom obliku (pomoću sustava digitalnih elemenata na zaslonu koji prikazuje broj koja odgovara vrijednosti kamate za nas).

Ostale mogućnosti su pretvaranje izlaznih signala u zvučnu energiju (zvučnik), korištenje kao ulaznih signala za drugi sustav ili korištenje za kontrolu. Pogledajmo neke primjere za ilustraciju nekih od ovih slučajeva.

Komunikacijski sustav

Razmotrite komunikacijski sustav čiji ulazni signali mogu biti govor, glazba ili neka vrsta podataka koji se proizvode na jednom mjestu i pouzdano prenose na velike udaljenosti kako bi se tamo točno povratio originalni ulazni signal.

Kao primjer, Sl. Slika 2 je shematski dijagram konvencionalnog sustava emitiranja modulacije amplitude (AM).Kod AM modulacije, amplituda (od vrha do vrha) radiofrekvencijskog signala mijenja se u skladu s veličinom niskofrekventnog signala (audiosignal koji odgovara zvučnim frekvencijama).

Riža. 2. Radiodifuzni komunikacijski sustav s amplitudnom modulacijom

Odašiljač AM radiodifuzijskog sustava hvata ulazni signal s ulaznog uređaja (mikrofona), koristi taj signal za kontrolu amplitude radiofrekvencijskog signala (svaka radiostanica ima svoju specifičnu radiofrekvenciju), a radiofrekvencijska struja pokreće izlazni uređaj (antenu) koji proizvodi elektromagnetske valove koji se emitiraju u svemir.

Prijemni sustav sastoji se od ulaznog uređaja (antene), procesora (prijemnika) i izlaznog uređaja (zvučnika). Prijemnik pojačava (pojačava) relativno slab signal primljen od antene, odabire signal željene radiofrekvencije od signala svih ostalih odašiljača, rekonstruira audio signal na temelju promjene amplitude radiofrekvencijskog signala i pobuđuje govornika ovim audio signalom.

Sustav za mjerenje

Zadaća mjernog sustava je primiti informacije od relevantnih senzora o ponašanju određenog fizičkog sustava i registrirati te informacije. Primjer takvog sustava je digitalni termometar (slika 3).

Riža. 3. Funkcionalna shema digitalnog termometra

Dva spoja termopara - jedan u toplinskom kontaktu s tijelom čija se temperatura želi izmjeriti, drugi uronjen u posudu s ledom (kako bi se dobila stabilna referentna točka) - stvaraju napon koji ovisi o razlici temperature između tijela i leda. . Ovaj napon se dovodi u procesor.

Budući da napon termoelementa nije točno proporcionalan temperaturnoj razlici, potrebna je mala korekcija kako bi se dobila stroga proporcionalnost. Ispravak u tijeku uređaj za linearizaciju… Analogni napon iz termoelementa prvo se pojačava (tj. daje više), zatim se linearizira i digitalizira. Konačno, pojavljuje se u registru digitalnog zaslona koji se koristi kao izlazni uređaj termometra.

Ako je glavna zadaća komunikacijskog sustava prijenos ispravne kopije izvornog signala, onda je glavna zadaća mjernog sustava dobivanje numerički točnih podataka. Stoga treba očekivati ​​da će detekcija i eliminacija čak i malih grešaka koje mogu iskriviti signal u bilo kojoj fazi njegove obrade biti od posebne važnosti za mjerne sustave.

Sustav upravljanja povratnom spregom

Razmotrimo sada kontrolni sustav s povratnom spregom u kojem informacija na izlazu mijenja signale koji kontroliraju sustav.

Slika 4 prikazuje dijagram termostata koji se koristi za održavanje sobne temperature. Sustav sadrži ulazni uređaj za određivanje sobne temperature (obično ovo bimetalna trakakoji se savija pri promjeni temperature), mehanizam za podešavanje željene temperature (glavni kotačić) i mehaničke sklopke koje pokreće bimetalni relej i upravljaju grijačem.

Riža. 4. Primjer zatvorenog sustava upravljanja

Koristeći ovaj jednostavan sustav kao primjer, koji zapravo ne sadrži nikakve električne elemente osim prekidača, razmislite koncept povratne sprege… Pretpostavimo da povratna linija na sl.3 je pokvaren, odnosno nema mehanizama za paljenje i gašenje grijača. Tada će temperatura u prostoriji porasti do određenog maksimuma (što odgovara stalnom uključivanju grijača) ili pasti na određeni minimum (što odgovara činjenici da je grijač cijelo vrijeme isključen).

Pretpostavimo da je prevruće na maksimalnoj temperaturi i prehladno na minimalnoj temperaturi. U tom slučaju mora se osigurati neki «upravljački uređaj» za uključivanje i isključivanje grijača.

Takav «kontrolni uređaj» može biti osoba koja uključuje grijalicu kada zahladi i gasi je kada zagrije. Već na ovoj razini sustav (zajedno s licem) je sustav upravljanja zatvorene petlje, budući da se informacija o izlaznom signalu (temperatura prostorije) koristi za promjenu upravljačkih signala (uključivanje i isključivanje grijača).

Termostat automatski radi ono što bi i čovjek učinio, a to je uključiti grijač kada temperatura padne ispod zadane vrijednosti i isključiti ga u suprotnom. Postoje mnogi drugi sustavi povratne sprege, uključujući one u kojima se vrši obrada signala korištenje elektroničkih uređaja.