Paano gumagana ang pagpoproseso ng signal

Ano ang signal?

Ang signal ay anumang pisikal na variable na ang halaga o pagbabago nito sa paglipas ng panahon ay naglalaman ng impormasyon. Ang impormasyong ito ay maaaring nauugnay sa pagsasalita at musika, o sa mga pisikal na dami tulad ng temperatura ng hangin o liwanag ng silid. Ang mga pisikal na variable na maaaring magdala ng impormasyon sa mga electrical system ay boltahe at kasalukuyang.

Sa artikulong ito, sa pamamagitan ng "mga signal" ang ibig naming sabihin ay boltahe o kasalukuyang. Gayunpaman, karamihan sa mga konseptong tinalakay dito ay nananatiling wasto para sa mga system kung saan ang iba pang mga variable ay maaaring maging mga carrier ng impormasyon. Kaya, ang pag-uugali ng isang mekanikal na sistema (mga variable—force at velocity) o isang hydraulic system (mga variable—pressure at flow) ay madalas na kinakatawan ng isang katumbas na electrical system, o gaya ng sinasabi, simulate. Samakatuwid, ang pag-unawa sa pag-uugali ng mga electrical system ay nagbibigay ng batayan para sa pag-unawa sa isang mas malawak na hanay ng mga phenomena.

Analog at digital na signal

Ang isang signal ay maaaring magdala ng impormasyon sa dalawang anyo. Analog signal nagdadala ng impormasyon sa anyo ng patuloy na pagbabago sa oras ng boltahe o kasalukuyang. Ang isang halimbawa ng isang analog signal ay ang boltahe na nabuo ng sa thermocouple junctionsa iba't ibang temperatura. Kapag nagbabago ang pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng mga junction, nagbabago ang boltahe sa mga thermocouple. Kaya, ang boltahe ay nagbibigay ng isang analog na representasyon ng pagkakaiba sa temperatura.

Thermocouple — isang tambalan ng dalawang magkaibang metal, tulad ng tanso at constantan. Ang boltahe na nabuo ng dalawang junction ay ginagamit upang sukatin ang pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng mga ito.

Ito ay isa pang uri ng signal digital signal… Maaari itong kumuha ng mga halaga sa dalawang magkahiwalay na field. Ang mga naturang signal ay ginagamit upang kumatawan sa on/off o yes-no na impormasyon.

Halimbawa, ang isang home thermostat ay bumubuo ng isang digital na signal upang kontrolin ang isang heater. Kapag bumaba ang temperatura ng kuwarto sa ibaba ng isang preset na halaga, isasara ng switch ng thermostat ang mga contact at ino-on ang heater. Kapag ang temperatura ng silid ay sapat na mataas, pinapatay ng switch ang heater. Ang kasalukuyang sa pamamagitan ng switch ay nagbibigay ng digital na representasyon ng pagbabago sa temperatura: ang on ay masyadong malamig at ang off ay masyadong mainit.

kanin. 1. Analog at digital na signal

Sistema ng pagproseso ng signal

Ang sistema ng pagpoproseso ng signal ay isang hanay ng mga magkakaugnay na bahagi at aparato na maaaring tumanggap ng input signal (o grupo ng mga input signal), kumilos sa mga signal sa isang partikular na paraan upang kunin ang impormasyon o mapabuti ang kalidad nito, at ipakita ang impormasyon sa output sa angkop na anyo at sa angkop na panahon.

Maraming mga de-koryenteng signal sa mga pisikal na sistema ay nabuo ng mga aparato na tinatawag mga sensor… Nailarawan na namin ang isang halimbawa ng analog sensor — isang thermocouple. Kino-convert nito ang pagkakaiba sa temperatura (isang pisikal na variable) sa isang boltahe (isang electrical variable). Sa pangkalahatan sensor — isang aparato na nagko-convert ng pisikal o mekanikal na dami sa isang katumbas na boltahe o kasalukuyang signal. Gayunpaman, hindi tulad ng isang thermocouple, karamihan sa mga sensor ay nangangailangan ng ilang anyo ng electrical excitation upang gumana.

Ang pagpili ng mga signal sa output ng system ay maaaring gawin sa iba't ibang anyo, depende sa kung paano gagamitin ang impormasyong nakapaloob sa mga input signal. Maaaring ipakita ang impormasyon alinman sa analog form (gamit, halimbawa, isang device kung saan ang posisyon ng arrow ay nagpapahiwatig ng halaga ng variable ng interes) o sa digital form (gamit ang isang sistema ng mga digital na elemento sa display na nagpapakita ng isang numero naaayon sa halaga ng interes sa amin).

Ang iba pang mga posibilidad ay i-convert ang mga output signal sa sound energy (loudspeaker), gamitin ang mga ito bilang input signal para sa isa pang system, o gamitin ang mga ito para sa kontrol. Tingnan natin ang ilang halimbawa upang ilarawan ang ilan sa mga kasong ito.

Sistema ng komunikasyon

Isaalang-alang ang isang sistema ng komunikasyon na ang mga input signal ay maaaring pagsasalita, musika, o ilang uri ng data na ginawa sa isang lokasyon at mapagkakatiwalaan na ipinadala sa malalayong distansya upang tumpak na mabawi ang orihinal na input signal doon.

Bilang halimbawa, ang FIG. 2 ay isang schematic diagram ng isang conventional amplitude modulation (AM) broadcast system.Sa AM modulation, ang amplitude (peak-to-peak) ng radio frequency signal ay nagbabago alinsunod sa magnitude ng low-frequency signal (ang audio signal na naaayon sa sound frequency).

kanin. 2. Broadcast communication system na may amplitude modulation

Kinukuha ng transmitter ng isang AM radio broadcasting system ang input signal mula sa isang input device (mikropono), ginagamit ang signal na ito upang kontrolin ang amplitude ng signal ng frequency ng radyo (bawat istasyon ng radyo ay may sariling partikular na frequency ng radyo), at ang kasalukuyang frequency ng radyo. nagtutulak sa output device (antenna) na gumagawa ng mga electromagnetic wave na ibinubuga sa kalawakan.

Ang sistema ng pagtanggap ay binubuo ng isang input device (antenna), isang processor (receiver) at isang output device (loudspeaker). Ang receiver ay nagpapalakas (nagpapalakas) sa medyo mahinang signal na natanggap mula sa antenna, pinipili ang signal ng nais na frequency ng radyo mula sa mga signal ng lahat ng iba pang mga transmitters, muling itinatayo ang audio signal batay sa pagbabago sa amplitude ng signal ng frequency ng radyo, at nasasabik ang speaker gamit ang audio signal na ito.

Sistema ng pagsukat

Ang gawain ng sistema ng pagsukat ay tumanggap ng impormasyon mula sa mga nauugnay na sensor tungkol sa pag-uugali ng isang tiyak na pisikal na sistema at irehistro ang impormasyong ito. Ang isang halimbawa ng naturang sistema ay isang digital thermometer (Larawan 3).

kanin. 3. Functional na diagram ng isang digital thermometer

Dalawang koneksyon ng thermocouple—isa sa thermal contact sa katawan kung saan ang temperatura ay susukatin, ang isa ay inilubog sa isang lalagyan ng yelo (upang makakuha ng isang matatag na reference point)—bumubuo ng boltahe na nakadepende sa pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng katawan at ng yelo . Ang boltahe na ito ay pinapakain sa processor.

Dahil ang boltahe ng thermocouple ay hindi eksaktong proporsyonal sa pagkakaiba ng temperatura, kinakailangan ang isang maliit na pagwawasto upang makakuha ng mahigpit na proporsyonalidad. Kasalukuyang isinasagawa ang pagwawasto linearizing device… Ang analog na boltahe mula sa thermocouple ay unang pinalakas (ibig sabihin, gumagawa ng higit pa), pagkatapos ay linearized at digitized. Sa wakas, lumilitaw ito sa digital display register na ginamit bilang output device ng thermometer.

Kung ang pangunahing gawain ng sistema ng komunikasyon ay upang magpadala ng isang tamang kopya ng source signal, kung gayon ang pangunahing gawain ng sistema ng pagsukat ay upang makakuha ng wastong data ayon sa numero. Samakatuwid, dapat na asahan na ang pagtuklas at pag-aalis ng kahit na maliliit na error na maaaring makasira sa signal sa anumang yugto ng pagproseso nito ay magiging partikular na kahalagahan para sa mga sistema ng pagsukat.

Sistema ng kontrol ng feedback

Isaalang-alang ngayon ang isang feedback control system kung saan binabago ng impormasyon sa output ang mga signal na kumokontrol sa system.

Ang Fig.4 ay nagpapakita ng isang diagram ng isang termostat na ginagamit upang mapanatili ang temperatura ng silid. Ang system ay naglalaman ng isang input device para sa pagtukoy ng temperatura ng silid (karaniwan ay ito bimetallic stripna bumabaluktot kapag nagbabago ang temperatura), isang mekanismo para sa pagtatakda ng nais na temperatura (pangunahing dial) at mga mekanikal na switch na pinaandar ng isang bimetallic relay at pagkontrol sa heater.

kanin. 4. Halimbawa ng closed-loop control system

Gamit ang simpleng sistemang ito bilang isang halimbawa, na talagang walang mga elementong elektrikal maliban sa switch, isaalang-alang konsepto ng feedback… Ipagpalagay na ang linya ng feedback sa Fig.3 ay nasira, iyon ay, walang mga mekanismo para sa pag-on at off ng heater. Pagkatapos ang temperatura sa silid ay tataas sa isang tiyak na maximum (naaayon sa patuloy na pagsasama ng heater) o bababa sa isang tiyak na minimum (naaayon sa katotohanan na ang heater ay naka-off sa lahat ng oras).

Ipagpalagay na ito ay masyadong mainit sa pinakamataas na temperatura at masyadong malamig sa pinakamababang temperatura. Sa kasong ito, kailangang magbigay ng ilang «control device» para i-on at off ang heater.

Ang nasabing «control device» ay maaaring isang taong nag-o-on ng heater kapag lumalamig at pinapatay ito kapag uminit. Nasa antas na ito, ang system (kasama ang mukha) ay isang closed-loop na sistema ng kontrol, dahil ang impormasyon tungkol sa output signal (temperatura ng silid) ay ginagamit upang baguhin ang mga signal ng kontrol (pag-on at pag-off ng heater).

Awtomatikong ginagawa ng thermostat ang gagawin ng isang tao, na i-on ang heater kapag bumaba ang temperatura sa ibaba ng set point at patayin ito kung hindi man. Mayroong maraming iba pang mga sistema ng feedback, kabilang ang mga kung saan isinasagawa ang pagpoproseso ng signal paggamit ng mga elektronikong kagamitan.