Kā darbojas signālu apstrāde

Kas ir signāls?

Signāls ir jebkurš fizisks mainīgais, kura vērtība vai tā izmaiņas laika gaitā satur informāciju. Šī informācija var attiekties uz runu un mūziku vai fiziskiem lielumiem, piemēram, gaisa temperatūru vai telpas apgaismojumu. Fiziskie mainīgie, kas var pārnest informāciju elektriskajās sistēmās, ir spriegums un strāva.

Šajā rakstā ar "signāliem" mēs galvenokārt domājam spriegumu vai strāvu. Tomēr lielākā daļa šeit apspriesto jēdzienu paliek spēkā sistēmām, kurās citi mainīgie var būt informācijas nesēji. Tādējādi mehāniskās sistēmas (mainīgie lielumi - spēks un ātrums) vai hidrauliskās sistēmas (mainīgie - spiediens un plūsma) uzvedību bieži var attēlot ar līdzvērtīgu elektrisko sistēmu vai, kā teikts, simulēt. Tāpēc elektrisko sistēmu uzvedības izpratne rada pamatu daudz plašāka parādību spektra izpratnei.

Analogie un digitālie signāli

Signāls var pārraidīt informāciju divos veidos. Analogais signāls nes informāciju nepārtrauktu sprieguma vai strāvas laika izmaiņu veidā. Analogā signāla piemērs ir spriegums, ko rada termopāra krustojumādažādās temperatūrās. Mainoties temperatūras starpībai starp krustojumiem, mainās spriegums pāri termopāriem. Tādējādi spriegums sniedz analogu temperatūras starpības attēlojumu.

Termopāris — divu atšķirīgu metālu, piemēram, vara un konstantāna, savienojums. Abu krustojumu radītais spriegums tiek izmantots, lai izmērītu temperatūras starpību starp tiem.

Tas ir cita veida signāls digitālais signāls… Tas var ņemt vērtības divos atsevišķos laukos. Šādi signāli tiek izmantoti, lai attēlotu ieslēgtu/izslēgtu vai jā-nē informāciju.

Piemēram, mājas termostats ģenerē digitālu signālu, lai vadītu sildītāju. Kad telpas temperatūra nokrītas zem iepriekš iestatītās vērtības, termostata slēdzis aizver kontaktus un ieslēdz sildītāju. Kad telpas temperatūra ir pietiekami augsta, slēdzis izslēdz sildītāju. Strāva caur slēdzi sniedz digitālu temperatūras izmaiņu attēlojumu: ieslēgts ir pārāk auksts un izslēgts ir pārāk silts.

Rīsi. 1. Analogie un digitālie signāli

Signālu apstrādes sistēma

Signālu apstrādes sistēma ir savstarpēji savienotu komponentu un ierīču kopums, kas var pieņemt ieejas signālu (vai ieejas signālu grupu), iedarboties uz signāliem noteiktā veidā, lai iegūtu informāciju vai uzlabotu tās kvalitāti, un parādīt informāciju izejā atbilstošā formā un atbilstošā laikā.

Daudzus elektriskos signālus fiziskajās sistēmās ģenerē ierīces, ko sauc sensori… Mēs jau esam aprakstījuši analogā sensora piemēru — termopāri. Tas pārvērš temperatūras starpību (fizisku mainīgo) par spriegumu (elektrisko mainīgo). Vispārīgi sensors — ierīce, kas fizisku vai mehānisku lielumu pārvērš līdzvērtīgā sprieguma vai strāvas signālā. Tomēr atšķirībā no termopāra lielākajai daļai sensoru darbībai ir nepieciešama kāda veida elektriskā ierosme.

Signālu atlasi sistēmas izejā var veikt dažādos veidos atkarībā no tā, kā tiks izmantota ievades signālos esošā informācija. Informāciju var attēlot vai nu analogā formā (izmantojot, piemēram, ierīci, kurā bultiņas pozīcija norāda interesējošā mainīgā vērtību), vai digitālā formā (izmantojot displejā digitālo elementu sistēmu, kas parāda skaitli kas atbilst procentu vērtībai mums).

Citas iespējas ir pārveidot izejas signālus skaņas enerģijā (skaļrunī), izmantot tos kā ieejas signālus citai sistēmai vai izmantot to kontrolei. Apskatīsim dažus piemērus, lai ilustrētu dažus no šiem gadījumiem.

Sakaru sistēma

Apsveriet sakaru sistēmu, kuras ievades signāli var būt runa, mūzika vai kāda veida dati, kas tiek ražoti vienā vietā un droši pārraidīti lielos attālumos, lai precīzi atgūtu sākotnējo ievades signālu.

Piemēram, Fig. 2 ir shematiska shēma parastajai amplitūdas modulācijas (AM) apraides sistēmai.AM modulācijā radiofrekvences signāla amplitūda (no maksimuma līdz maksimumam) mainās atbilstoši zemfrekvences signāla (skaņas frekvencēm atbilstoša audio signāla) lielumam.

Rīsi. 2. Apraides sakaru sistēma ar amplitūdas modulāciju

AM radio apraides sistēmas raidītājs uztver ievades signālu no ievades ierīces (mikrofona), izmanto šo signālu, lai kontrolētu radiofrekvences signāla amplitūdu (katrai radiostacijai ir sava specifiska radio frekvence) un radiofrekvences strāvu. vada izvadierīci (antenu), kas rada elektromagnētiskos viļņus, kas tiek izstaroti kosmosā.

Uztvērēja sistēma sastāv no ievades ierīces (antenas), procesora (uztvērēja) un izvadierīces (skaļruņa). Uztvērējs pastiprina (padara stiprāku) no antenas saņemto salīdzinoši vājo signālu, no visu pārējo raidītāju signāliem izvēlas vajadzīgās radio frekvences signālu, rekonstruē audio signālu, pamatojoties uz radiofrekvences signāla amplitūdas izmaiņām, uzbudina skaļruni ar šo audio signālu.

Mērīšanas sistēma

Mērīšanas sistēmas uzdevums ir saņemt informāciju no attiecīgajiem sensoriem par noteiktas fiziskās sistēmas uzvedību un reģistrēt šo informāciju. Šādas sistēmas piemērs ir digitālais termometrs (3. att.).

Rīsi. 3. Digitālā termometra funkcionālā diagramma

Divi termopāra savienojumi — viens termiskā kontaktā ar ķermeni, kura temperatūra ir jāmēra, otrs iegremdēts ledus traukā (lai iegūtu stabilu atskaites punktu) — rada spriegumu, kas ir atkarīgs no temperatūras starpības starp ķermeni un ledu. . Šis spriegums tiek ievadīts procesorā.

Tā kā termopāra spriegums nav precīzi proporcionāls temperatūras starpībai, ir nepieciešama neliela korekcija, lai iegūtu stingru proporcionalitāti. Notiek korekcija linearizēšanas ierīce… Analogais spriegums no termopāra vispirms tiek pastiprināts (ti, palielina), tad linearizē un digitalizē. Visbeidzot, tas parādās digitālā displeja reģistrā, ko izmanto kā termometra izvades ierīci.

Ja sakaru sistēmas galvenais uzdevums ir pārraidīt pareizu avota signāla kopiju, tad mērīšanas sistēmas galvenais uzdevums ir iegūt skaitliski pareizus datus. Tāpēc jārēķinās, ka mērījumu sistēmām īpaši svarīga būs pat nelielu kļūdu noteikšana un novēršana, kas var izkropļot signālu jebkurā tā apstrādes stadijā.

Atsauksmes kontroles sistēma

Apsveriet tagad atgriezeniskās saites vadības sistēmu, kurā informācija izejā maina signālus, kas kontrolē sistēmu.

4. attēlā parādīta termostata diagramma, ko izmanto telpas temperatūras uzturēšanai. Sistēmā ir ievades ierīce telpas temperatūras noteikšanai (parasti šī bimetāla sloksnekas lokās, mainoties temperatūrai), mehānisms vēlamās temperatūras iestatīšanai (galvenā skala) un mehāniskie slēdži, ko iedarbina bimetāla relejs un kontrolē sildītāju.

Rīsi. 4. Slēgta cikla vadības sistēmas piemērs

Izmantojiet šo vienkāršo sistēmu kā piemēru, kurā faktiski nav citu elektrisku elementu, izņemot slēdzi atgriezeniskās saites koncepcija… Pieņemsim, ka atgriezeniskās saites līnija attēlā.3 ir salauzts, tas ir, nav sildītāja ieslēgšanas un izslēgšanas mehānismu. Tad temperatūra telpā vai nu paaugstināsies līdz noteiktam maksimumam (atbilst sildītāja pastāvīgai iekļaušanai), vai pazemināsies līdz noteiktam minimumam (atbilstoši tam, ka sildītājs visu laiku ir izslēgts).

Pieņemsim, ka maksimālajā temperatūrā ir pārāk karsts un minimālajā temperatūrā pārāk auksts. Šajā gadījumā ir jānodrošina kāda "vadības ierīce", lai ieslēgtu un izslēgtu sildītāju.

Šāda «vadības ierīce» varētu būt cilvēks, kurš sildītāju ieslēdz, kad kļūst auksts, un izslēdz, kad kļūst karsts. Jau šajā līmenī sistēma (kopā ar seju) ir slēgta cikla vadības sistēma, jo informācija par izejas signālu (telpas temperatūru) tiek izmantota vadības signālu maiņai (sildītāja ieslēgšanai un izslēgšanai).

Termostats automātiski dara to, ko darītu cilvēks, proti, ieslēdz sildītāju, kad temperatūra nokrītas zem iestatītās vērtības, un izslēdz to pretējā gadījumā. Ir daudzas citas atgriezeniskās saites sistēmas, tostarp tās, kurās tiek veikta signālu apstrāde elektronisko ierīču izmantošana.