Πώς λειτουργεί η επεξεργασία σήματος

Τι είναι ένα σήμα;

Σήμα είναι κάθε φυσική μεταβλητή της οποίας η τιμή ή η μεταβολή της με την πάροδο του χρόνου περιέχει πληροφορίες. Αυτές οι πληροφορίες μπορεί να σχετίζονται με την ομιλία και τη μουσική ή με φυσικές ποσότητες όπως η θερμοκρασία του αέρα ή το φως του δωματίου. Οι φυσικές μεταβλητές που μπορούν να μεταφέρουν πληροφορίες στα ηλεκτρικά συστήματα είναι τάση και ρεύμα.

Σε αυτό το άρθρο, με τον όρο "σήματα" εννοούμε κυρίως τάση ή ρεύμα. Ωστόσο, οι περισσότερες από τις έννοιες που συζητούνται εδώ παραμένουν έγκυρες για συστήματα στα οποία άλλες μεταβλητές μπορούν να είναι φορείς πληροφοριών. Έτσι, η συμπεριφορά ενός μηχανικού συστήματος (μεταβλητές-δύναμη και ταχύτητα) ή ενός υδραυλικού συστήματος (μεταβλητές-πίεση και ροή) μπορεί συχνά να αναπαρασταθεί από ένα ισοδύναμο ηλεκτρικό σύστημα, ή όπως λέγεται, προσομοιωμένο. Επομένως, η κατανόηση της συμπεριφοράς των ηλεκτρικών συστημάτων παρέχει τη βάση για την κατανόηση ενός πολύ ευρύτερου φάσματος φαινομένων.

Αναλογικά και ψηφιακά σήματα

Ένα σήμα μπορεί να μεταφέρει πληροφορίες σε δύο μορφές. Αναλογικό σήμα μεταφέρει πληροφορίες με τη μορφή μιας συνεχούς αλλαγής του χρόνου της τάσης ή του ρεύματος. Ένα παράδειγμα αναλογικού σήματος είναι η τάση που παράγεται από στη διασταύρωση θερμοστοιχείουσε διαφορετικές θερμοκρασίες. Όταν αλλάζει η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των συνδέσεων, αλλάζει η τάση στα θερμοστοιχεία. Έτσι, η τάση δίνει μια αναλογική αναπαράσταση της διαφοράς θερμοκρασίας.

Θερμοστοιχείο — ένωση δύο ανόμοιων μετάλλων, όπως ο χαλκός και η κονταντάνη. Η τάση που παράγεται από τις δύο διασταυρώσεις χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ τους.

Είναι ένα άλλο είδος σήματος ψηφιακό σήμα… Μπορεί να πάρει τιμές σε δύο ξεχωριστά πεδία. Τέτοια σήματα χρησιμοποιούνται για την αναπαράσταση πληροφοριών on/off ή ναι-όχι.

Για παράδειγμα, ένας οικιακός θερμοστάτης παράγει ένα ψηφιακό σήμα για τον έλεγχο ενός θερμαντήρα. Όταν η θερμοκρασία δωματίου πέσει κάτω από μια προκαθορισμένη τιμή, ο διακόπτης του θερμοστάτη κλείνει τις επαφές και ανάβει τη θερμάστρα. Μόλις η θερμοκρασία δωματίου είναι αρκετά υψηλή, ο διακόπτης κλείνει τη θερμάστρα. Το ρεύμα μέσω του διακόπτη δίνει μια ψηφιακή αναπαράσταση της αλλαγής της θερμοκρασίας: το on είναι πολύ κρύο και το off είναι πολύ ζεστό.

Ρύζι. 1. Αναλογικά και ψηφιακά σήματα

Σύστημα επεξεργασίας σήματος

Ένα σύστημα επεξεργασίας σήματος είναι ένα σύνολο διασυνδεδεμένων στοιχείων και συσκευών που μπορούν να δέχονται ένα σήμα εισόδου (ή ομάδα σημάτων εισόδου), να ενεργούν στα σήματα με συγκεκριμένο τρόπο για να εξάγουν πληροφορίες ή να βελτιώνουν την ποιότητά τους και να παρουσιάζουν πληροφορίες στην έξοδο του κατάλληλη μορφή και την κατάλληλη στιγμή.

Πολλά ηλεκτρικά σήματα σε φυσικά συστήματα παράγονται από συσκευές που ονομάζονται Αισθητήρες… Έχουμε ήδη περιγράψει ένα παράδειγμα αναλογικού αισθητήρα — θερμοστοιχείου. Μετατρέπει τη διαφορά θερμοκρασίας (φυσική μεταβλητή) σε τάση (ηλεκτρική μεταβλητή). Γενικά αισθητήρας — μια συσκευή που μετατρέπει μια φυσική ή μηχανική ποσότητα σε ισοδύναμο σήμα τάσης ή ρεύματος. Ωστόσο, σε αντίθεση με ένα θερμοστοιχείο, οι περισσότεροι αισθητήρες απαιτούν κάποια μορφή ηλεκτρικής διέγερσης για να λειτουργήσουν.

Η επιλογή των σημάτων στην έξοδο του συστήματος μπορεί να γίνει με διάφορες μορφές, ανάλογα με το πώς θα χρησιμοποιηθούν οι πληροφορίες που περιέχονται στα σήματα εισόδου. Οι πληροφορίες μπορούν να εμφανίζονται είτε σε αναλογική μορφή (χρησιμοποιώντας, για παράδειγμα, μια συσκευή στην οποία η θέση του βέλους υποδεικνύει την τιμή της μεταβλητής ενδιαφέροντος) είτε σε ψηφιακή μορφή (χρησιμοποιώντας ένα σύστημα ψηφιακών στοιχείων στην οθόνη που εμφανίζει έναν αριθμό που αντιστοιχεί στην αξία των τόκων για εμάς).

Άλλες δυνατότητες είναι η μετατροπή των σημάτων εξόδου σε ηχητική ενέργεια (μεγάφωνο), η χρήση τους ως σήματα εισόδου για άλλο σύστημα ή η χρήση τους για έλεγχο. Ας δούμε μερικά παραδείγματα για να επεξηγήσουμε ορισμένες από αυτές τις περιπτώσεις.

Σύστημα επικοινωνίας

Σκεφτείτε ένα σύστημα επικοινωνίας του οποίου τα σήματα εισόδου μπορεί να είναι ομιλία, μουσική ή κάποιο είδος δεδομένων που παράγονται σε μια τοποθεσία και μεταδίδονται αξιόπιστα σε μεγάλες αποστάσεις για την ακριβή ανάκτηση του αρχικού σήματος εισόδου εκεί.

Ως παράδειγμα, το ΣΧ. 2 είναι ένα σχηματικό διάγραμμα ενός συμβατικού συστήματος μετάδοσης διαμόρφωσης πλάτους (AM).Στη διαμόρφωση AM, το πλάτος (από κορυφή σε κορυφή) του σήματος ραδιοσυχνότητας αλλάζει ανάλογα με το μέγεθος του σήματος χαμηλής συχνότητας (το ηχητικό σήμα που αντιστοιχεί στις συχνότητες ήχου).

Ρύζι. 2. Σύστημα επικοινωνίας εκπομπής με διαμόρφωση πλάτους

Ο πομπός ενός συστήματος ραδιοφωνικής εκπομπής AM λαμβάνει το σήμα εισόδου από μια συσκευή εισόδου (μικρόφωνο), χρησιμοποιεί αυτό το σήμα για να ελέγξει το πλάτος του σήματος ραδιοσυχνότητας (κάθε ραδιοφωνικός σταθμός έχει τη δική του συγκεκριμένη ραδιοσυχνότητα) και το ρεύμα ραδιοσυχνότητας οδηγεί τη συσκευή εξόδου (κεραία) η οποία παράγει ηλεκτρομαγνητικά κύματα που εκπέμπονται στο διάστημα.

Το σύστημα λήψης αποτελείται από μια συσκευή εισόδου (κεραία), έναν επεξεργαστή (δέκτη) και μια συσκευή εξόδου (ηχείο). Ο δέκτης ενισχύει (ενισχύει) το σχετικά αδύναμο σήμα που λαμβάνεται από την κεραία, επιλέγει το σήμα της επιθυμητής ραδιοσυχνότητας από τα σήματα όλων των άλλων πομπών, αναδομεί το ηχητικό σήμα με βάση την αλλαγή στο πλάτος του σήματος ραδιοσυχνότητας και διεγείρει το ηχείο με αυτό το ηχητικό σήμα.

Σύστημα μέτρησης

Το καθήκον του συστήματος μέτρησης είναι να λαμβάνει πληροφορίες από τους σχετικούς αισθητήρες σχετικά με τη συμπεριφορά ενός συγκεκριμένου φυσικού συστήματος και να καταχωρεί αυτές τις πληροφορίες. Ένα παράδειγμα τέτοιου συστήματος είναι ένα ψηφιακό θερμόμετρο (Εικ. 3).

Ρύζι. 3. Λειτουργικό διάγραμμα ψηφιακού θερμομέτρου

Δύο συνδέσεις θερμοστοιχείου—η μία σε θερμική επαφή με το σώμα του οποίου η θερμοκρασία πρέπει να μετρηθεί, η άλλη βυθισμένη σε ένα δοχείο πάγου (για να ληφθεί ένα σταθερό σημείο αναφοράς)—παράγουν μια τάση που εξαρτάται από τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του σώματος και του πάγου . Αυτή η τάση τροφοδοτείται στον επεξεργαστή.

Δεδομένου ότι η τάση του θερμοστοιχείου δεν είναι ακριβώς ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας, απαιτείται μια μικρή διόρθωση για να επιτευχθεί αυστηρή αναλογικότητα. Διόρθωση σε εξέλιξη συσκευή γραμμοποίησης… Η αναλογική τάση από το θερμοστοιχείο πρώτα ενισχύεται (δηλαδή κάνει περισσότερα), μετά γραμμικοποιείται και ψηφιοποιείται. Τέλος, εμφανίζεται στον καταχωρητή ψηφιακής οθόνης που χρησιμοποιείται ως συσκευή εξόδου του θερμομέτρου.

Εάν το κύριο καθήκον του συστήματος επικοινωνίας είναι να μεταδώσει ένα σωστό αντίγραφο του σήματος πηγής, τότε το κύριο καθήκον του συστήματος μέτρησης είναι να αποκτήσει αριθμητικά σωστά δεδομένα. Επομένως, θα πρέπει να αναμένεται ότι η ανίχνευση και η εξάλειψη ακόμη και μικρών σφαλμάτων που μπορούν να παραμορφώσουν το σήμα σε οποιοδήποτε στάδιο της επεξεργασίας του θα έχει ιδιαίτερη σημασία για τα συστήματα μέτρησης.

Σύστημα ελέγχου ανάδρασης

Σκεφτείτε τώρα ένα σύστημα ελέγχου ανάδρασης στο οποίο οι πληροφορίες στην έξοδο αλλάζουν τα σήματα που ελέγχουν το σύστημα.

Το σχήμα 4 δείχνει ένα διάγραμμα ενός θερμοστάτη που χρησιμοποιείται για τη διατήρηση της θερμοκρασίας δωματίου. Το σύστημα περιέχει μια συσκευή εισόδου για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας δωματίου (συνήθως αυτό διμεταλλική λωρίδαπου κάμπτεται όταν αλλάζει η θερμοκρασία), μηχανισμός ρύθμισης της επιθυμητής θερμοκρασίας (κύριος επιλογέας) και μηχανικοί διακόπτες που ενεργοποιούνται από διμεταλλικό ρελέ και ελέγχουν το θερμαντήρα.

Ρύζι. 4. Παράδειγμα συστήματος ελέγχου κλειστού βρόχου

Χρησιμοποιώντας αυτό το απλό σύστημα ως παράδειγμα, το οποίο στην πραγματικότητα δεν περιέχει ηλεκτρικά στοιχεία εκτός από έναν διακόπτη, σκεφτείτε ανατροφοδότηση έννοια… Ας υποθέσουμε ότι η γραμμή ανάδρασης στο Σχ.Το 3 είναι σπασμένο, δηλαδή δεν υπάρχουν μηχανισμοί ενεργοποίησης και απενεργοποίησης της θερμάστρας. Στη συνέχεια, η θερμοκρασία στο δωμάτιο είτε θα ανέλθει σε ένα ορισμένο μέγιστο (που αντιστοιχεί στη σταθερή συμπερίληψη του θερμαντήρα) είτε θα πέσει σε ένα ορισμένο ελάχιστο (που αντιστοιχεί στο γεγονός ότι ο θερμαντήρας είναι συνεχώς απενεργοποιημένος).

Ας υποθέσουμε ότι είναι πολύ ζεστό στη μέγιστη θερμοκρασία και πολύ κρύο στην ελάχιστη θερμοκρασία. Σε αυτήν την περίπτωση πρέπει να παρέχεται κάποια «συσκευή ελέγχου» για την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση του θερμαντήρα.

Μια τέτοια «συσκευή ελέγχου» θα μπορούσε να είναι ένα άτομο που ανάβει τη θερμάστρα όταν κρυώνει και την σβήνει όταν ζεσταίνεται. Ήδη σε αυτό το επίπεδο, το σύστημα (μαζί με το πρόσωπο) είναι ένα σύστημα ελέγχου κλειστού βρόχου, καθώς οι πληροφορίες σχετικά με το σήμα εξόδου (θερμοκρασία δωματίου) χρησιμοποιούνται για την αλλαγή των σημάτων ελέγχου (άνοιγμα και απενεργοποίηση του θερμαντήρα).

Ο θερμοστάτης κάνει αυτόματα αυτό που θα έκανε ένας άνθρωπος, δηλαδή να ανάβει τη θερμάστρα όταν η θερμοκρασία πέσει κάτω από το σημείο ρύθμισης και να την απενεργοποιεί διαφορετικά. Υπάρχουν πολλά άλλα συστήματα ανάδρασης, συμπεριλαμβανομένων αυτών στα οποία εκτελείται η επεξεργασία σήματος χρήση ηλεκτρονικών συσκευών.