Hvordan signalbehandling fungerer
Hva er et signal?
Et signal er enhver fysisk variabel hvis verdi eller endring over tid inneholder informasjon. Denne informasjonen kan relateres til tale og musikk, eller til fysiske mengder som lufttemperatur eller romlys. De fysiske variablene som kan bære informasjon i elektriske systemer er spenning og strøm.
I denne artikkelen mener vi med "signaler" først og fremst spenning eller strøm. Imidlertid forblir de fleste konseptene som diskuteres her gyldige for systemer der andre variabler kan være informasjonsbærere. Dermed kan oppførselen til et mekanisk system (variabler-kraft og hastighet) eller et hydraulisk system (variabler-trykk og strømning) ofte representeres av et ekvivalent elektrisk system, eller som det sies, simulert. Derfor gir forståelse av oppførselen til elektriske systemer et grunnlag for å forstå et mye bredere spekter av fenomener.
Analoge og digitale signaler
Et signal kan bære informasjon i to former. Analogt signal bærer informasjon i form av en kontinuerlig endring i tid for spenning eller strøm. Et eksempel på et analogt signal er spenningen som genereres av ved termoelementkryssetved forskjellige temperaturer. Når temperaturforskjellen mellom kryssene endres, endres spenningen over termoelementene. Dermed gir spenningen en analog representasjon av temperaturforskjellen.
Termoelement — en forbindelse av to forskjellige metaller, som kobber og konstantan. Spenningen som genereres av de to kryssene brukes til å måle temperaturforskjellen mellom dem.
Det er en annen type signal digitalt signal… Den kan ta verdier i to separate felt. Slike signaler brukes til å representere på/av eller ja-nei-informasjon.
For eksempel genererer en hjemmetermostat et digitalt signal for å kontrollere en varmeovn. Når romtemperaturen faller under en forhåndsinnstilt verdi, lukker termostatbryteren kontaktene og slår på varmeren. Når romtemperaturen er høy nok, slår bryteren av varmeren. Strømmen gjennom bryteren gir en digital representasjon av temperaturendringen: på er for kaldt og av er for varmt.
Ris. 1. Analoge og digitale signaler
Signalbehandlingssystem
Et signalbehandlingssystem er et sett med sammenkoblede komponenter og enheter som kan akseptere et inngangssignal (eller en gruppe av inngangssignaler), virke på signalene på en bestemt måte for å trekke ut informasjon eller forbedre kvaliteten, og presentere informasjon ved utgangen i passende form og til riktig tid.
Mange elektriske signaler i fysiske systemer genereres av enheter som kalles sensorer… Vi har allerede beskrevet et eksempel på en analog sensor - et termoelement. Den konverterer temperaturforskjellen (en fysisk variabel) til en spenning (en elektrisk variabel). Som regel sensor - en enhet som konverterer en fysisk eller mekanisk størrelse til et ekvivalent spennings- eller strømsignal. Imidlertid, i motsetning til et termoelement, krever de fleste sensorer en form for elektrisk eksitasjon for å fungere.
Valget av signaler ved utgangen av systemet kan gjøres i ulike former, avhengig av hvordan informasjonen i inngangssignalene vil bli brukt. Informasjon kan vises enten i analog form (ved å bruke for eksempel en enhet der posisjonen til pilen indikerer verdien av variabelen av interesse) eller i digital form (ved hjelp av et system av digitale elementer på skjermen som viser et tall tilsvarende verdien av interessen for oss).
Andre muligheter er å konvertere utgangssignalene til lydenergi (høyttaler), bruke dem som inngangssignaler for et annet system, eller bruke dem til styring. La oss se på noen eksempler for å illustrere noen av disse tilfellene.
Kommunikasjonssystem
Tenk på et kommunikasjonssystem hvis inngangssignaler kan være tale, musikk eller en slags data som produseres på ett sted og overføres pålitelig over lange avstander for nøyaktig å gjenopprette det originale inngangssignalet der.
Som et eksempel viser fig. 2 er et skjematisk diagram av et konvensjonelt amplitudemodulasjon (AM) kringkastingssystem.Ved AM-modulasjon endres amplituden (topp-til-topp) til radiofrekvenssignalet i samsvar med størrelsen på lavfrekvente signalet (lydsignalet som tilsvarer lydfrekvensene).
Ris. 2. Broadcast kommunikasjonssystem med amplitudemodulasjon
Senderen til et AM-radiokringkastingssystem fanger opp inngangssignalet fra en inngangsenhet (mikrofon), bruker dette signalet til å kontrollere amplituden til radiofrekvenssignalet (hver radiostasjon har sin egen spesifikke radiofrekvens), og radiofrekvensstrømmen driver utgangsenheten (antennen) som produserer elektromagnetiske bølger som sendes ut i verdensrommet.
Mottakssystemet består av en inngangsenhet (antenne), en prosessor (mottaker) og en utgangsenhet (høyttaler). Mottakeren forsterker (gjør sterkere) det relativt svake signalet som mottas fra antennen, velger signalet til ønsket radiofrekvens fra signalene til alle andre sendere, rekonstruerer lydsignalet basert på endringen i amplituden til radiofrekvenssignalet, og begeistrer høyttaleren med dette lydsignalet.
Målesystem
Målesystemets oppgave er å motta informasjon fra de aktuelle sensorene om oppførselen til et bestemt fysisk system og registrere denne informasjonen. Et eksempel på et slikt system er et digitalt termometer (fig. 3).
Ris. 3. Funksjonsdiagram av et digitalt termometer
To termoelementforbindelser - en i termisk kontakt med kroppen hvis temperatur skal måles, den andre nedsenket i en beholder med is (for å oppnå et stabilt referansepunkt) - genererer en spenning som avhenger av temperaturforskjellen mellom kroppen og isen . Denne spenningen mates inn i prosessoren.
Siden termoelementspenningen ikke er nøyaktig proporsjonal med temperaturforskjellen, er det nødvendig med en liten korreksjon for å oppnå streng proporsjonalitet. Retting pågår lineariserende enhet… Den analoge spenningen fra termoelementet blir først forsterket (dvs. lager mer), deretter linearisert og digitalisert. Til slutt vises den i det digitale displayregisteret som brukes som utgangsenhet for termometeret.
Hvis hovedoppgaven til kommunikasjonssystemet er å overføre en korrekt kopi av kildesignalet, så er hovedoppgaven til målesystemet å skaffe numerisk korrekte data. Derfor bør det forventes at deteksjon og eliminering av selv små feil som kan forvrenge signalet på et hvilket som helst stadium av behandlingen vil være av spesiell betydning for målesystemer.
Tilbakemeldingskontrollsystem
Tenk nå på et tilbakemeldingskontrollsystem der informasjon ved utgangen endrer signalene som styrer systemet.
Fig. 4 viser et diagram over en termostat som brukes til å opprettholde romtemperatur. Systemet inneholder en inngangsenhet for å bestemme romtemperaturen (vanligvis denne bimetall stripesom bøyer seg når temperaturen endres), en mekanisme for å stille inn ønsket temperatur (hovedhjul) og mekaniske brytere som aktiveres av et bimetallrelé og kontrollerer varmeren.
Ris. 4. Eksempel på et lukket sløyfekontrollsystem
Bruk dette enkle systemet som et eksempel, som faktisk ikke inneholder andre elektriske elementer enn en bryter, vurder tilbakemeldingskonsept… Anta at tilbakemeldingslinjen i fig.3 er ødelagt, det vil si at det ikke er noen mekanismer for å slå varmeren på og av. Da vil temperaturen i rommet enten stige til et visst maksimum (tilsvarende konstant inkludering av varmeren) eller falle til et visst minimum (tilsvarende at varmeren er av hele tiden).
Anta at det er for varmt ved maksimumstemperaturen og for kaldt ved minimumstemperaturen. I dette tilfellet må det finnes en «kontrollenhet» for å slå varmeren på og av.
Et slikt «kontrollapparat» kan være en person som slår på varmeren når det blir kaldt og slår det av når det blir varmt. Allerede på dette nivået er systemet (sammen med ansiktet) et kontrollsystem med lukket sløyfe, siden informasjon om utgangssignalet (romtemperatur) brukes til å endre kontrollsignalene (slå varmeren på og av).
Termostaten gjør automatisk det et menneske ville gjort, som er å slå på varmeren når temperaturen synker under settpunktet og slå den av ellers. Det finnes mange andre tilbakemeldingssystemer, inkludert de der signalbehandling utføres bruk av elektronisk utstyr.