Hogyan működik a jelfeldolgozás

Mi az a jel?

A jel bármely fizikai változó, amelynek értéke vagy időbeli változása információt tartalmaz. Ezek az információk vonatkozhatnak a beszédre és a zenére, vagy fizikai mennyiségekre, például a levegő hőmérsékletére vagy a szoba fényére. Azok a fizikai változók, amelyek információt hordozhatnak az elektromos rendszerekben feszültség és áram.

Ebben a cikkben a "jelek" alatt elsősorban feszültséget vagy áramot értünk. Az itt tárgyalt fogalmak többsége azonban érvényben marad azokra a rendszerekre, amelyekben más változók is lehetnek információhordozók. Így egy mechanikai rendszer (változók – erő és sebesség) vagy egy hidraulikus rendszer (változók – nyomás és áramlás) viselkedése gyakran egy ekvivalens elektromos rendszerrel ábrázolható, vagy ahogy mondani szokás, szimulálható. Ezért az elektromos rendszerek viselkedésének megértése alapot ad a jelenségek sokkal szélesebb körének megértéséhez.

Analóg és digitális jelek

Egy jel kétféle formában hordozhat információt. Analóg jel információt hordoz a feszültség vagy az áram időbeli folyamatos változása formájában. Az analóg jelre példa a feszültség által generált a hőelem csatlakozásánálkülönböző hőmérsékleteken. Amikor a csomópontok közötti hőmérséklet-különbség megváltozik, a hőelemek feszültsége megváltozik. Így a feszültség a hőmérsékletkülönbség analóg ábrázolását adja.

Hőelem — két különböző fém, például réz és konstans vegyülete. A két csomópont által generált feszültség a köztük lévő hőmérséklet-különbség mérésére szolgál.

Ez egy másik jelzés digitális jel… Két külön mezőben vehet fel értékeket. Az ilyen jelek a be/ki vagy igen-nem információk megjelenítésére szolgálnak.

Például egy otthoni termosztát digitális jelet állít elő a fűtés vezérléséhez. Ha a szobahőmérséklet egy előre beállított érték alá esik, a termosztát kapcsoló zárja az érintkezőket és bekapcsolja a fűtést. Ha a helyiség hőmérséklete elég magas, a kapcsoló kikapcsolja a fűtést. A kapcsolón áthaladó áram digitálisan ábrázolja a hőmérséklet változását: a bekapcsolt állapot túl hideg, a kikapcsolt pedig túl meleg.

Rizs. 1. Analóg és digitális jelek

Jelfeldolgozó rendszer

A jelfeldolgozó rendszer egymással összekapcsolt komponensek és eszközök összessége, amely képes fogadni egy bemeneti jelet (vagy bemeneti jelek csoportját), meghatározott módon hat a jelekre információ kinyerése vagy minőségének javítása érdekében, és információt jelenít meg a kimeneten a megfelelő formában és a megfelelő időben.

A fizikai rendszerekben sok elektromos jelet az ún érzékelők… Már leírtunk egy példát egy analóg érzékelőre – egy hőelemre. A hőmérséklet-különbséget (fizikai változó) feszültséggé (elektromos változóvá) alakítja. Általában érzékelő – olyan eszköz, amely egy fizikai vagy mechanikai mennyiséget egyenértékű feszültség- vagy áramjellé alakít át. A hőelemtől eltérően azonban a legtöbb érzékelő működéséhez valamilyen elektromos gerjesztésre van szükség.

A jelek kiválasztása a rendszer kimenetén többféleképpen történhet, attól függően, hogy a bemeneti jelekben található információ hogyan kerül felhasználásra. Az információ megjeleníthető analóg formában (például olyan eszközzel, amelyben a nyíl helyzete a kérdéses változó értékét jelzi), vagy digitális formában (digitális elemrendszer segítségével a kijelzőn, amely egy számot mutat a kamat számunkra értékének megfelelő).

További lehetőség a kimenő jelek hangenergiává alakítása (hangszóró), más rendszer bemeneti jeleként, vagy vezérlésre történő felhasználása. Nézzünk néhány példát ezen esetek illusztrálására.

Kommunikációs rendszer

Tekintsünk egy olyan kommunikációs rendszert, amelynek bemeneti jelei lehetnek beszéd, zene vagy valamilyen adat, amelyet egy helyen állítanak elő, és megbízhatóan továbbítanak nagy távolságokra, hogy pontosan visszanyerje az eredeti bemeneti jelet.

Példaként a 3. ábra. A 2. ábra egy hagyományos amplitúdómodulációs (AM) műsorszóró rendszer sematikus diagramja.AM moduláció esetén a rádiófrekvenciás jel amplitúdója (csúcstól csúcsig) az alacsony frekvenciájú jel (a hangfrekvenciáknak megfelelő audiojel) nagyságától függően változik.

Rizs. 2. Broadcast kommunikációs rendszer amplitúdómodulációval

Az AM rádiós műsorszóró rendszer adója felveszi a bemeneti jelet egy bemeneti eszközről (mikrofonról), ezzel a jellel szabályozza a rádiófrekvenciás jel amplitúdóját (minden rádióállomásnak saját rádiófrekvenciája van), valamint a rádiófrekvenciás áramerősséget. meghajtja a kimeneti eszközt (antennát), amely elektromágneses hullámokat állít elő, amelyek az űrbe bocsátanak ki.

A vevő rendszer egy bemeneti eszközből (antenna), egy processzorból (vevő) és egy kimeneti eszközből (hangszóróból) áll. A vevő felerősíti (erősíti) az antennától kapott viszonylag gyenge jelet, az összes többi adó jelei közül kiválasztja a kívánt rádiófrekvenciás jelet, a rádiófrekvenciás jel amplitúdójának változása alapján rekonstruálja a hangjelet, ill. ezzel az audiojellel gerjeszti a hangszórót.

Mérési rendszer

A mérőrendszer feladata, hogy a megfelelő érzékelőktől információkat fogadjon egy bizonyos fizikai rendszer viselkedéséről, és ezt regisztrálja. Ilyen rendszer például a digitális hőmérő (3. ábra).

Rizs. 3. Digitális hőmérő működési diagramja

Két hőelem csatlakozás – az egyik a mérendő testtel, a másik pedig jégtartályba merítve (stabil referenciapont elérése érdekében) olyan feszültséget hoz létre, amely a test és a jég közötti hőmérséklet-különbségtől függ. . Ez a feszültség a processzorba kerül.

Mivel a hőelem feszültsége nem pontosan arányos a hőmérséklet-különbséggel, kis korrekcióra van szükség a szigorú arányosság eléréséhez. Javítás folyamatban linearizáló eszköz… A hőelem analóg feszültségét először felerősítik (azaz tovább növelik), majd linearizálják és digitalizálják. Végül megjelenik a hőmérő kimeneti eszközeként használt digitális kijelzőregiszterben.

Ha a kommunikációs rendszer fő feladata a forrásjel helyes másolatának továbbítása, akkor a mérőrendszer fő feladata a numerikusan helyes adatok beszerzése. Ezért arra kell számítani, hogy a mérőrendszerek számára különösen fontos lesz a jelet torzító kis hibák észlelése és kiküszöbölése a feldolgozás bármely szakaszában.

Visszacsatolás ellenőrző rendszer

Tekintsünk most egy visszacsatolásos vezérlőrendszert, amelyben a kimeneten lévő információ megváltoztatja a rendszert vezérlő jeleket.

A 4. ábra a szobahőmérséklet fenntartására használt termosztát diagramját mutatja. A rendszer tartalmaz egy bemeneti eszközt a szobahőmérséklet meghatározására (általában ez bimetál szalagamely a hőmérséklet változásakor meghajlik), a kívánt hőmérséklet beállítására szolgáló mechanizmus (főtárcsa) és bimetál relével működtetett mechanikus kapcsolók, amelyek vezérlik a fűtést.

Rizs. 4. Példa zárt hurkú vezérlőrendszerre

Vegye fontolóra ezt az egyszerű rendszert példaként, amely valójában nem tartalmaz elektromos elemeket a kapcsolón kívül visszajelzés fogalma… Tegyük fel, hogy a visszacsatoló vonal az ábrán.3 elromlott, vagyis nincsenek mechanizmusok a fűtés be- és kikapcsolására. Ezután a helyiség hőmérséklete vagy egy bizonyos maximumra emelkedik (ami a fűtőelem állandó beépítésének felel meg), vagy egy bizonyos minimumra csökken (ami annak a ténynek felel meg, hogy a fűtés folyamatosan ki van kapcsolva).

Tegyük fel, hogy túl meleg van a maximális hőmérsékleten és túl hideg a minimum hőmérsékleten. Ebben az esetben a fűtőberendezés be- és kikapcsolásához valamilyen „vezérlőeszközt” kell biztosítani.

Ilyen „vezérlőkészülék” lehet az a személy, aki bekapcsolja a fűtést, ha lehűl, és kikapcsolja, ha felmelegszik. Már ezen a szinten a rendszer (az arccal együtt) egy zárt hurkú vezérlőrendszer, mivel a kimenő jelre vonatkozó információ (szobahőmérséklet) a vezérlőjelek megváltoztatására (a fűtés be- és kikapcsolására) szolgál.

A termosztát automatikusan azt teszi, amit az ember tenne, vagyis bekapcsolja a fűtőtestet, ha a hőmérséklet a beállított érték alá esik, ellenkező esetben pedig kikapcsolja. Számos más visszacsatoló rendszer létezik, beleértve azokat is, amelyekben jelfeldolgozást hajtanak végre elektronikus eszközök használata.