Hur signalbehandling fungerar

Vad är en signal?

En signal är varje fysisk variabel vars värde eller dess förändring över tiden innehåller information. Denna information kan relatera till tal och musik, eller till fysiska storheter som lufttemperatur eller rumsbelysning. De fysiska variablerna som kan bära information i elektriska system är spänning och ström.

I den här artikeln menar vi med "signaler" främst spänning eller ström. De flesta av de begrepp som diskuteras här förblir dock giltiga för system där andra variabler kan vara informationsbärare. Således kan beteendet hos ett mekaniskt system (variabler—kraft och hastighet) eller ett hydrauliskt system (variabler—tryck och flöde) ofta representeras av ett ekvivalent elektriskt system, eller som det sägs, simulerat. Därför ger förståelsen av beteendet hos elektriska system en grund för att förstå ett mycket bredare spektrum av fenomen.

Analoga och digitala signaler

En signal kan bära information i två former. Analog signal bär information i form av en kontinuerlig förändring i tid för spänning eller ström. Ett exempel på en analog signal är spänningen som genereras av vid termoelementövergångenvid olika temperaturer. När temperaturskillnaden mellan korsningarna ändras ändras spänningen över termoelementen. Spänningen ger således en analog representation av temperaturskillnaden.

Termoelement — en förening av två olika metaller, såsom koppar och konstantan. Spänningen som genereras av de två korsningarna används för att mäta temperaturskillnaden mellan dem.

Det är en annan sorts signal digital signal… Det kan ta värden i två separata fält. Sådana signaler används för att representera på/av eller ja-nej-information.

Till exempel genererar en hemtermostat en digital signal för att styra en värmare. När rumstemperaturen sjunker under ett förinställt värde stänger termostatbrytaren kontakterna och sätter på värmaren. När rumstemperaturen är tillräckligt hög stänger strömbrytaren av värmaren. Strömmen genom omkopplaren ger en digital representation av temperaturförändringen: på är för kallt och av är för varmt.

Ris. 1. Analoga och digitala signaler

Signalbehandlingssystem

Ett signalbehandlingssystem är en uppsättning sammankopplade komponenter och enheter som kan acceptera en insignal (eller grupp av insignaler), agera på signalerna på ett specifikt sätt för att extrahera information eller förbättra dess kvalitet och presentera information vid utgången i lämplig form och vid lämplig tidpunkt.

Många elektriska signaler i fysiska system genereras av enheter som kallas sensorer… Vi har redan beskrivit ett exempel på en analog sensor - ett termoelement. Den omvandlar temperaturskillnaden (en fysisk variabel) till en spänning (en elektrisk variabel). Allmänt sensor — en enhet som omvandlar en fysisk eller mekanisk storhet till en ekvivalent spännings- eller strömsignal. Men till skillnad från ett termoelement kräver de flesta sensorer någon form av elektrisk excitation för att fungera.

Valet av signaler vid systemets utgång kan göras i olika former, beroende på hur informationen i ingångssignalerna kommer att användas. Information kan visas antingen i analog form (med till exempel en enhet där pilens position indikerar värdet på variabeln av intresse) eller i digital form (med ett system av digitala element på displayen som visar ett nummer motsvarande värdet av intresset för oss).

Andra möjligheter är att omvandla utsignalerna till ljudenergi (högtalare), använda dem som insignaler för ett annat system, eller använda dem för styrning. Låt oss titta på några exempel för att illustrera några av dessa fall.

Kommunikationssystem

Tänk på ett kommunikationssystem vars ingångssignaler kan vara tal, musik eller någon form av data som produceras på en plats och överförs tillförlitligt över långa avstånd för att korrekt återställa den ursprungliga insignalen där.

Som ett exempel visar FIG. 2 är ett schematiskt diagram av ett konventionellt sändningssystem för amplitudmodulering (AM).Vid AM-modulering ändras amplituden (topp-till-topp) för radiofrekvenssignalen i enlighet med storleken på lågfrekvenssignalen (ljudsignalen som motsvarar ljudfrekvenserna).

Ris. 2. Broadcast-kommunikationssystem med amplitudmodulering

Sändaren i ett AM-radiosändningssystem tar upp insignalen från en ingångsenhet (mikrofon), använder denna signal för att styra amplituden på radiofrekvenssignalen (varje radiostation har sin egen specifika radiofrekvens) och radiofrekvensströmmen driver utgångsenheten (antennen) som producerar elektromagnetiska vågor som sänds ut i rymden.

Mottagningssystemet består av en ingångsenhet (antenn), en processor (mottagare) och en utgångsenhet (högtalare). Mottagaren förstärker (gör starkare) den relativt svaga signalen som tas emot från antennen, väljer signalen för den önskade radiofrekvensen från signalerna från alla andra sändare, rekonstruerar ljudsignalen baserat på förändringen i amplituden för radiofrekvenssignalen, och exciterar högtalaren med denna ljudsignal.

Måttsystem

Mätsystemets uppgift är att ta emot information från relevanta sensorer om beteendet hos ett visst fysiskt system och registrera denna information. Ett exempel på ett sådant system är en digital termometer (fig. 3).

Ris. 3. Funktionsdiagram för en digital termometer

Två termoelementanslutningar - en i termisk kontakt med kroppen vars temperatur ska mätas, den andra nedsänkt i en behållare med is (för att få en stabil referenspunkt) - genererar en spänning som beror på temperaturskillnaden mellan kroppen och isen . Denna spänning matas in i processorn.

Eftersom termoelementets spänning inte är exakt proportionell mot temperaturskillnaden krävs en liten korrigering för att få strikt proportionalitet. Rättelse pågår linjäriseringsanordning… Den analoga spänningen från termoelementet förstärks först (dvs gör mer), sedan linjäriseras och digitaliseras. Slutligen visas den i det digitala displayregistret som används som termometerns utgångsenhet.

Om kommunikationssystemets huvuduppgift är att sända en korrekt kopia av källsignalen, så är huvuduppgiften för mätsystemet att erhålla numeriskt korrekta data. Därför bör det förväntas att detektering och eliminering av även små fel som kan förvränga signalen i vilket skede av dess bearbetning kommer att vara av särskild betydelse för mätsystem.

Feedbackkontrollsystem

Betrakta nu ett återkopplingsstyrsystem där information vid utgången ändrar signalerna som styr systemet.

Fig. 4 visar ett diagram över en termostat som används för att upprätthålla rumstemperatur. Systemet innehåller en inmatningsenhet för bestämning av rumstemperaturen (vanligtvis denna bimetallremsasom böjs när temperaturen ändras), en mekanism för att ställa in önskad temperatur (huvudratt) och mekaniska omkopplare som aktiveras av ett bimetallrelä och styr värmaren.

Ris. 4. Exempel på ett slutet styrsystem

Använd detta enkla system som ett exempel, som faktiskt inte innehåller några andra elektriska element än en strömbrytare, överväg feedback koncept… Antag att återkopplingslinjen i fig.3 är trasig, det vill säga det finns inga mekanismer för att slå på och av värmaren. Då kommer temperaturen i rummet antingen att stiga till ett visst maximum (motsvarande det konstanta införandet av värmaren) eller sjunka till ett visst minimum (motsvarande det faktum att värmaren är avstängd hela tiden).

Anta att det är för varmt vid maxtemperaturen och för kallt vid lägsta temperatur. I detta fall måste någon "kontrollanordning" tillhandahållas för att slå på och stänga av värmaren.

En sådan "styrenhet" kan vara en person som sätter på värmaren när det blir kallt och stänger av det när det blir varmt. Redan på denna nivå är systemet (tillsammans med ansiktet) ett styrsystem med sluten slinga, eftersom information om utsignalen (rumstemperatur) används för att ändra styrsignalerna (slå på och av värmaren).

Termostaten gör automatiskt vad en människa skulle göra, vilket är att slå på värmaren när temperaturen sjunker under börvärdet och stänga av den annars. Det finns många andra återkopplingssystem, inklusive de där signalbehandling utförs användning av elektronisk utrustning.