Sinyal işleme nasıl çalışır?

sinyal nedir?

Sinyal, değeri veya zaman içindeki değişimi bilgi içeren herhangi bir fiziksel değişkendir. Bu bilgiler, konuşma ve müzikle veya hava sıcaklığı veya oda ışığı gibi fiziksel niceliklerle ilgili olabilir. Elektrik sistemlerinde bilgi taşıyabilen fiziksel değişkenler şunlardır: gerilim ve akım.

Bu yazıda, "sinyaller" derken öncelikle voltaj veya akımı kastediyoruz. Bununla birlikte, burada tartışılan kavramların çoğu, diğer değişkenlerin bilgi taşıyıcısı olabildiği sistemler için geçerliliğini koruyor. Bu nedenle, bir mekanik sistemin (değişkenler—kuvvet ve hız) veya bir hidrolik sistemin (değişkenler—basınç ve akış) davranışı genellikle eşdeğer bir elektrik sistemiyle temsil edilebilir veya söylendiği gibi simüle edilebilir. Bu nedenle, elektrik sistemlerinin davranışını anlamak, çok daha geniş bir fenomen yelpazesini anlamak için bir temel sağlar.

Analog ve dijital sinyaller

Bir sinyal bilgiyi iki biçimde taşıyabilir. analog sinyal bilgiyi gerilim veya akım zamanındaki sürekli değişim şeklinde taşır. Bir analog sinyalin bir örneği, tarafından üretilen voltajdır. termokupl bağlantısındafarklı sıcaklıklarda. Kavşaklar arasındaki sıcaklık farkı değiştiğinde, termokupllar arasındaki voltaj değişir. Böylece voltaj, sıcaklık farkının analog bir temsilini verir.

termokupl — bakır ve konstantan gibi iki farklı metalden oluşan bir bileşik. İki bağlantı tarafından üretilen voltaj, aralarındaki sıcaklık farkını ölçmek için kullanılır.

Bu başka bir tür sinyal dijital sinyal… İki ayrı alanda değer alabilir. Bu tür sinyaller, açık/kapalı veya evet-hayır bilgisini temsil etmek için kullanılır.

Örneğin, bir ev termostatı, bir ısıtıcıyı kontrol etmek için dijital bir sinyal üretir. Oda sıcaklığı önceden ayarlanmış bir değerin altına düştüğünde, termostat anahtarı kontakları kapatır ve ısıtıcıyı açar. Oda sıcaklığı yeterince yüksek olduğunda, anahtar ısıtıcıyı kapatır. Anahtardan geçen akım, sıcaklıktaki değişimin dijital bir temsilini verir: açık çok soğuk ve kapalı çok sıcak.

Pirinç. 1. Analog ve dijital sinyaller

Sinyal işleme sistemi

Bir sinyal işleme sistemi, bir giriş sinyalini (veya giriş sinyalleri grubunu) kabul edebilen, bilgiyi çıkarmak veya kalitesini iyileştirmek için sinyaller üzerinde belirli bir şekilde hareket edebilen ve çıktıda bilgi sunabilen, birbirine bağlı bileşenler ve cihazlar kümesidir. uygun biçimde ve uygun zamanda.

Fiziksel sistemlerdeki birçok elektrik sinyali, adı verilen cihazlar tarafından üretilir. sensörler… Bir analog sensör - bir termokupl - örneğini zaten tanımlamıştık. Sıcaklık farkını (fiziksel bir değişken) bir voltaja (elektriksel bir değişken) dönüştürür. Genel olarak sensör — fiziksel veya mekanik bir miktarı eşdeğer bir voltaj veya akım sinyaline dönüştüren bir cihaz. Bununla birlikte, bir termokupldan farklı olarak, çoğu sensörün çalışması için bir tür elektriksel uyarım gerekir.

Sistemin çıkışındaki sinyallerin seçimi, giriş sinyallerinde yer alan bilgilerin nasıl kullanılacağına bağlı olarak çeşitli şekillerde yapılabilmektedir. Bilgi, analog biçimde (örneğin, okun konumunun ilgili değişkenin değerini gösterdiği bir cihaz kullanılarak) veya dijital biçimde (ekranda bir sayı gösteren bir dijital öğeler sistemi kullanılarak) görüntülenebilir. Bize olan ilginin değerine karşılık gelen).

Diğer olasılıklar, çıkış sinyallerini ses enerjisine (hoparlör) dönüştürmek, başka bir sistem için giriş sinyali olarak kullanmak veya kontrol için kullanmaktır. Bu durumlardan bazılarını açıklamak için bazı örneklere bakalım.

İletişim sistemi

Giriş sinyalleri konuşma, müzik veya bir yerde üretilen ve oradaki orijinal giriş sinyalini doğru bir şekilde kurtarmak için uzun mesafeler boyunca güvenilir bir şekilde iletilen bir tür veri olabilen bir iletişim sistemi düşünün.

Örnek olarak, ŞEK. Şekil 2, geleneksel bir genlik modülasyonu (AM) yayın sisteminin şematik bir diyagramıdır.AM modülasyonunda, radyo frekansı sinyalinin genliği (tepeden tepeye), düşük frekanslı sinyalin (ses frekanslarına karşılık gelen ses sinyali) büyüklüğüne göre değişir.

Pirinç. 2. Genişlik modülasyonlu yayın iletişim sistemi

Bir AM radyo yayın sisteminin vericisi, bir giriş cihazından (mikrofon) giriş sinyalini alır, bu sinyali radyo frekansı sinyalinin genliğini (her radyo istasyonunun kendi özel radyo frekansı vardır) ve radyo frekansı akımının genliğini kontrol etmek için kullanır. uzaya yayılan elektromanyetik dalgalar üreten çıkış cihazını (anten) çalıştırır.

Alıcı sistem, bir giriş aygıtı (anten), bir işlemci (alıcı) ve bir çıkış aygıtından (hoparlör) oluşur. Alıcı, antenden alınan nispeten zayıf sinyali güçlendirir (güçlendirir), diğer tüm vericilerin sinyallerinden istenen radyo frekansının sinyalini seçer, radyo frekansı sinyalinin genliğindeki değişikliğe dayalı olarak ses sinyalini yeniden oluşturur ve bu ses sinyali ile konuşmacıyı heyecanlandırır.

Ölçüm sistemi

Ölçüm sisteminin görevi, ilgili sensörlerden belirli bir fiziksel sistemin davranışı hakkında bilgi almak ve bu bilgiyi kaydetmektir. Böyle bir sistemin bir örneği, dijital bir termometredir (Şekil 3).

Pirinç. 3. Dijital termometrenin işlevsel diyagramı

Biri sıcaklığı ölçülecek olan vücutla termal temas halinde olan, diğeri bir buz kabına daldırılmış (sabit bir referans noktası elde etmek için) iki termokupl bağlantısı, vücut ile buz arasındaki sıcaklık farkına bağlı bir voltaj üretir. . Bu voltaj işlemciye beslenir.

Termokupl voltajı sıcaklık farkıyla tam olarak orantılı olmadığından, kesin orantılılık elde etmek için küçük bir düzeltmeye ihtiyaç vardır. Düzeltme devam ediyor lineerleştirme cihazı… Termokupldan gelen analog voltaj önce yükseltilir (yani daha fazlasını üretir), ardından doğrusallaştırılır ve sayısallaştırılır. Son olarak, termometrenin çıkış cihazı olarak kullanılan dijital gösterge kaydında görünür.

İletişim sisteminin ana görevi kaynak sinyalinin doğru bir kopyasını iletmekse, ölçüm sisteminin ana görevi sayısal olarak doğru verileri elde etmektir. Bu nedenle, sinyali işlemenin herhangi bir aşamasında bozabilecek en küçük hataların bile tespit edilmesi ve ortadan kaldırılmasının ölçüm sistemleri için ayrı bir önem taşıması beklenmelidir.

Geri bildirim kontrol sistemi

Şimdi, çıkıştaki bilgilerin sistemi kontrol eden sinyalleri değiştirdiği bir geri beslemeli kontrol sistemi düşünün.

Şekil 4, oda sıcaklığını korumak için kullanılan bir termostatın diyagramını göstermektedir. Sistem, oda sıcaklığını belirlemek için bir giriş cihazı içerir (genellikle bu bimetal şeritsıcaklık değiştiğinde esneyen), istenen sıcaklığı ayarlamak için bir mekanizma (ana kadran) ve bimetalik bir röle tarafından çalıştırılan ve ısıtıcıyı kontrol eden mekanik anahtarlar.

Pirinç. 4. Kapalı döngü kontrol sistemi örneği

Aslında bir anahtardan başka hiçbir elektriksel eleman içermeyen bu basit sistemi örnek olarak alırsak, geri bildirim konsepti… Şekil 1'deki geri besleme hattının olduğunu varsayalım.3 kırık, yani ısıtıcıyı açıp kapatan mekanizmalar yok. Daha sonra odadaki sıcaklık ya belirli bir maksimuma (ısıtıcının sürekli dahil edilmesine karşılık gelir) yükselir ya da belirli bir minimuma düşer (ısıtıcının her zaman kapalı olmasına karşılık gelir).

Maksimum sıcaklıkta çok sıcak ve minimum sıcaklıkta çok soğuk olduğunu varsayalım. Bu durumda, ısıtıcıyı açıp kapatmak için bir "kontrol cihazı" sağlanmalıdır.

Böyle bir "kontrol cihazı", soğuduğunda ısıtıcıyı çalıştıran ve ısındığında kapatan bir kişi olabilir. Zaten bu seviyede, sistem (yüz ile birlikte) kapalı devre bir kontrol sistemidir, çünkü çıkış sinyali (oda sıcaklığı) hakkındaki bilgiler kontrol sinyallerini değiştirmek (ısıtıcıyı açıp kapatmak) için kullanılır.

Termostat, bir insanın yaptığı şeyi otomatik olarak yapar; bu, sıcaklık ayar noktasının altına düştüğünde ısıtıcıyı açmak ve aksi takdirde kapatmaktır. Sinyal işlemenin gerçekleştirildiği sistemler de dahil olmak üzere birçok başka geri bildirim sistemi vardır. elektronik cihazların kullanımı.