Како функционише обрада сигнала

Шта је сигнал?

Сигнал је свака физичка променљива чија вредност или њена промена током времена садржи информацију. Ове информације се могу односити на говор и музику, или на физичке величине као што су температура ваздуха или светло у просторији. Физичке варијабле које могу да носе информације у електричним системима су напон и струја.

У овом чланку под "сигнали" подразумевамо првенствено напон или струју. Међутим, већина концепата о којима се овде говори и даље важи за системе у којима друге варијабле могу бити носиоци информација. Дакле, понашање механичког система (варијабле—сила и брзина) или хидрауличког система (варијабле—притисак и проток) често може бити представљено еквивалентним електричним системом, или како се каже, симулирано. Дакле, разумевање понашања електричних система даје основу за разумевање много ширег спектра појава.

Аналогни и дигитални сигнали

Сигнал може да носи информације у два облика. Аналогни сигнал носи информацију у виду континуиране промене времена напона или струје. Пример аналогног сигнала је напон који генерише на споју термоелементана различитим температурама. Када се температурна разлика између спојева промени, мења се напон на термопаровима. Дакле, напон даје аналогни приказ температурне разлике.

Тхермоцоупле — једињење два различита метала, као што су бакар и константан. Напон који стварају два споја се користи за мерење температурне разлике између њих.

То је друга врста сигнала дигитални сигнал… Може да узима вредности у два одвојена поља. Такви сигнали се користе за представљање укључено/искључено или да-не информација.

На пример, кућни термостат генерише дигитални сигнал за контролу грејача. Када собна температура падне испод унапред подешене вредности, прекидач термостата затвара контакте и укључује грејач. Када је собна температура довољно висока, прекидач искључује грејач. Струја кроз прекидач даје дигитални приказ промене температуре: укључено је превише хладно, а искључено је превише топло.

Пиринач. 1. Аналогни и дигитални сигнали

Систем за обраду сигнала

Систем за обраду сигнала је скуп међусобно повезаних компоненти и уређаја који могу да прихвате улазни сигнал (или групу улазних сигнала), да делују на сигнале на специфичан начин да би издвојили информације или побољшали њихов квалитет, и да представе информације на излазу у одговарајућем облику и у одговарајуће време.

Многи електрични сигнали у физичким системима се генеришу помоћу уређаја тзв сензори… Већ смо описали пример аналогног сензора — термопар. Он претвара температурну разлику (физичку променљиву) у напон (електричну променљиву). Обично сензор — уређај који претвара физичку или механичку величину у еквивалентан сигнал напона или струје. Међутим, за разлику од термоелемента, већина сензора захтева неки облик електричне побуде за рад.

Одабир сигнала на излазу система може се вршити у различитим облицима, у зависности од тога како ће се користити информације садржане у улазним сигналима. Информације се могу приказати или у аналогном облику (користећи, на пример, уређај у коме позиција стрелице означава вредност променљиве од интереса) или у дигиталном облику (користећи систем дигиталних елемената на дисплеју који приказује број која одговара вредности од интереса за нас).

Остале могућности су да се излазни сигнали конвертују у звучну енергију (звучник), да се користе као улазни сигнали за други систем или да се користе за контролу. Погледајмо неке примере да илуструјемо неке од ових случајева.

Комуникациони систем

Размислите о комуникационом систему чији улазни сигнали могу бити говор, музика или нека врста података који се производе на једној локацији и поуздано преносе на велике удаљености да би се тамо тачно повратио оригинални улазни сигнал.

Као пример, Сл. Слика 2 је шематски дијаграм конвенционалног система за емитовање са амплитудном модулацијом (АМ).У АМ модулацији, амплитуда (од врха до врха) радио фреквенцијског сигнала се мења у складу са величином нискофреквентног сигнала (аудио сигнал који одговара звучним фреквенцијама).

Пиринач. 2. Систем за радиодифузну комуникацију са амплитудном модулацијом

Предајник АМ радио-дифузног система преузима улазни сигнал са улазног уређаја (микрофона), користи овај сигнал за контролу амплитуде радио фреквенцијског сигнала (свака радио станица има своју специфичну радио фреквенцију) и струју радио фреквенције покреће излазни уређај (антена) који производи електромагнетне таласе који се емитују у свемир.

Пријемни систем се састоји од улазног уређаја (антене), процесора (пријемника) и излазног уређаја (звучника). Пријемник појачава (појачава) релативно слаб сигнал примљен са антене, бира сигнал жељене радио фреквенције од сигнала свих осталих предајника, реконструише аудио сигнал на основу промене амплитуде радио фреквенцијског сигнала и узбуђује звучник овим аудио сигналом.

Мерни систем

Задатак мерног система је да добије информације од релевантних сензора о понашању одређеног физичког система и региструје ове информације. Пример таквог система је дигитални термометар (сл. 3).

Пиринач. 3. Функционални дијаграм дигиталног термометра

Две везе термоелемента – једна у термичком контакту са телом чија температура треба да се мери, друга уроњена у посуду са ледом (да би се добила стабилна референтна тачка) – стварају напон који зависи од температурне разлике између тела и леда. . Овај напон се доводи у процесор.

Пошто напон термоелемента није баш пропорционалан температурној разлици, потребна је мала корекција да би се добила строга пропорционалност. Исправка је у току уређај за линеаризацију… Аналогни напон из термопара се прво појачава (тј. чини више), затим линеаризује и дигитализује. Коначно, појављује се у регистру дигиталног дисплеја који се користи као излазни уређај термометра.

Ако је главни задатак комуникационог система да пренесе исправну копију изворног сигнала, онда је главни задатак мерног система добијање нумерички тачних података. Стога треба очекивати да ће детекција и елиминисање чак и малих грешака које могу да изобличе сигнал у било којој фази његове обраде бити од посебног значаја за мерне системе.

Систем контроле повратних информација

Размотримо сада контролни систем са повратном спрегом у коме информација на излазу мења сигнале који контролишу систем.

Слика 4 приказује дијаграм термостата који се користи за одржавање собне температуре. Систем садржи улазни уређај за одређивање собне температуре (обично ово биметална тракакоји се савија када се температура мења), механизам за подешавање жељене температуре (главни точкић) и механички прекидачи који се активирају биметалним релејем и контролишу грејач.

Пиринач. 4. Пример управљачког система затворене петље

Узмите у обзир овај једноставан систем као пример, који заправо не садржи никакве електричне елементе осим прекидача концепт повратне спреге… Претпоставимо да је линија повратне спреге на сл.3 је покварен, односно нема механизама за укључивање и искључивање грејача. Тада ће температура у просторији или порасти до одређеног максимума (што одговара сталном укључивању грејача) или ће пасти на одређени минимум (што одговара чињеници да је грејач стално искључен).

Претпоставимо да је превруће на максималној температури и превише хладно на минималној температури. У овом случају мора бити обезбеђен неки «контролни уређај» за укључивање и искључивање грејача.

Такав „контролни уређај“ може бити особа која укључује грејач када се захлади и гаси када се загреје. Већ на овом нивоу, систем (заједно са лицем) је систем управљања затвореном петљом, пошто се информација о излазном сигналу (температура просторије) користи за промену контролних сигнала (укључивање и искључивање грејача).

Термостат аутоматски ради оно што би човек урадио, а то је да укључи грејач када температура падне испод задате тачке и да га у супротном искључи. Постоји много других система повратних информација, укључујући и оне у којима се врши обрада сигнала коришћење електронских уређаја.