Wie Signalverarbeitung funktioniert

Was ist ein Signal?

Ein Signal ist jede physikalische Größe, deren Wert oder deren zeitliche Änderung Informationen enthält. Diese Informationen können sich auf Sprache und Musik oder auf physikalische Größen wie Lufttemperatur oder Raumlicht beziehen. Die physikalischen Variablen, die in elektrischen Systemen Informationen übertragen können, sind Spannung und Strom.

Mit „Signalen“ meinen wir in diesem Artikel vor allem Spannung oder Strom. Die meisten der hier diskutierten Konzepte behalten jedoch ihre Gültigkeit für Systeme, in denen andere Variablen Informationsträger sein können. Daher kann das Verhalten eines mechanischen Systems (Variablen – Kraft und Geschwindigkeit) oder eines hydraulischen Systems (Variablen – Druck und Durchfluss) oft durch ein äquivalentes elektrisches System dargestellt oder, wie es heißt, simuliert werden. Daher bietet das Verständnis des Verhaltens elektrischer Systeme eine Grundlage für das Verständnis eines viel größeren Spektrums von Phänomenen.

Analoge und digitale Signale

Ein Signal kann Informationen in zwei Formen übertragen. Analogsignal überträgt Informationen in Form einer kontinuierlichen zeitlichen Änderung der Spannung oder des Stroms. Ein Beispiel für ein analoges Signal ist die von erzeugte Spannung an der Thermoelementverbindungbei unterschiedlichen Temperaturen. Wenn sich der Temperaturunterschied zwischen den Verbindungsstellen ändert, ändert sich auch die Spannung an den Thermoelementen. Somit gibt die Spannung eine analoge Darstellung der Temperaturdifferenz.

Thermoelement – eine Verbindung aus zwei unterschiedlichen Metallen wie Kupfer und Konstantan. Die von den beiden Verbindungsstellen erzeugte Spannung wird zur Messung der Temperaturdifferenz zwischen ihnen verwendet.

Es ist eine andere Art von Signal Digitalsignal… Es kann Werte in zwei separaten Feldern annehmen. Solche Signale werden zur Darstellung von Ein/Aus- oder Ja-Nein-Informationen verwendet.

Beispielsweise erzeugt ein Heimthermostat ein digitales Signal zur Steuerung einer Heizung. Wenn die Raumtemperatur unter einen voreingestellten Wert fällt, schließt der Thermostatschalter die Kontakte und schaltet die Heizung ein. Sobald die Raumtemperatur hoch genug ist, schaltet der Schalter die Heizung aus. Der Strom durch den Schalter gibt eine digitale Darstellung der Temperaturänderung: Ein ist zu kalt und Aus ist zu warm.

Reis. 1. Analoge und digitale Signale

Signalverarbeitungssystem

Ein Signalverarbeitungssystem besteht aus einer Reihe miteinander verbundener Komponenten und Geräte, die ein Eingangssignal (oder eine Gruppe von Eingangssignalen) akzeptieren, auf bestimmte Weise auf die Signale reagieren können, um Informationen zu extrahieren oder deren Qualität zu verbessern, und Informationen am Ausgang im bereitstellen können in geeigneter Form und zum richtigen Zeitpunkt erfolgen.

Viele elektrische Signale in physikalischen Systemen werden von sogenannten Geräten erzeugt Sensoren… Wir haben bereits ein Beispiel für einen analogen Sensor beschrieben – ein Thermoelement. Es wandelt die Temperaturdifferenz (eine physikalische Größe) in eine Spannung (eine elektrische Größe) um. Allgemein Sensor – ein Gerät, das eine physikalische oder mechanische Größe in ein äquivalentes Spannungs- oder Stromsignal umwandelt. Im Gegensatz zu einem Thermoelement benötigen die meisten Sensoren jedoch eine elektrische Erregung, um zu funktionieren.

Die Auswahl der Signale am Ausgang des Systems kann in unterschiedlicher Form erfolgen, je nachdem, wie die in den Eingangssignalen enthaltenen Informationen genutzt werden. Informationen können entweder in analoger Form (z. B. mit einem Gerät, bei dem die Position des Pfeils den Wert der interessierenden Variablen anzeigt) oder in digitaler Form (mithilfe eines Systems digitaler Elemente auf dem Display, das eine Zahl anzeigt) angezeigt werden entsprechend dem Wert des Interesses für uns).

Andere Möglichkeiten bestehen darin, die Ausgangssignale in Schallenergie umzuwandeln (Lautsprecher), sie als Eingangssignale für ein anderes System zu verwenden oder zur Steuerung zu verwenden. Schauen wir uns einige Beispiele an, um einige dieser Fälle zu veranschaulichen.

Kommunikationssystem

Stellen Sie sich ein Kommunikationssystem vor, dessen Eingangssignale Sprache, Musik oder andere Daten sein können, die an einem Ort erzeugt und zuverlässig über große Entfernungen übertragen werden, um dort das ursprüngliche Eingangssignal genau wiederherzustellen.

Als Beispiel zeigt FIG. 2 ist ein schematisches Diagramm eines herkömmlichen Rundfunksystems mit Amplitudenmodulation (AM).Bei der AM-Modulation ändert sich die Amplitude (Spitze-zu-Spitze) des Hochfrequenzsignals entsprechend der Größe des Niederfrequenzsignals (des Audiosignals, das den Tonfrequenzen entspricht).

Reis. 2. Rundfunkkommunikationssystem mit Amplitudenmodulation

Der Sender eines AM-Rundfunksystems nimmt das Eingangssignal von einem Eingabegerät (Mikrofon) auf und steuert mit diesem Signal die Amplitude des Hochfrequenzsignals (jeder Radiosender hat seine eigene spezifische Hochfrequenz) und den Hochfrequenzstrom treibt das Ausgabegerät (Antenne) an, das elektromagnetische Wellen erzeugt, die in den Weltraum abgestrahlt werden.

Das Empfangssystem besteht aus einem Eingabegerät (Antenne), einem Prozessor (Empfänger) und einem Ausgabegerät (Lautsprecher). Der Empfänger verstärkt (stärker) das relativ schwache von der Antenne empfangene Signal, wählt aus den Signalen aller anderen Sender das Signal der gewünschten Funkfrequenz aus, rekonstruiert das Audiosignal basierend auf der Änderung der Amplitude des Hochfrequenzsignals und regt den Lautsprecher mit diesem Audiosignal an.

Mess-System

Die Aufgabe des Messsystems besteht darin, von den entsprechenden Sensoren Informationen über das Verhalten eines bestimmten physikalischen Systems zu erhalten und diese Informationen zu registrieren. Ein Beispiel für ein solches System ist ein digitales Thermometer (Abb. 3).

Reis. 3. Funktionsdiagramm eines digitalen Thermometers

Zwei Thermoelementanschlüsse – einer in thermischem Kontakt mit dem Körper, dessen Temperatur gemessen werden soll, der andere in einem Behälter mit Eis eingetaucht (um einen stabilen Referenzpunkt zu erhalten) – erzeugen eine Spannung, die von der Temperaturdifferenz zwischen Körper und Eis abhängt . Diese Spannung wird in den Prozessor eingespeist.

Da die Thermoelementspannung nicht genau proportional zur Temperaturdifferenz ist, ist eine kleine Korrektur erforderlich, um eine strikte Proportionalität zu erreichen. Korrektur in Bearbeitung Linearisierungsgerät… Die analoge Spannung vom Thermoelement wird zunächst verstärkt (also mehr), dann linearisiert und digitalisiert. Schließlich erscheint es im digitalen Anzeigeregister, das als Ausgabegerät des Thermometers dient.

Wenn die Hauptaufgabe des Kommunikationssystems darin besteht, eine korrekte Kopie des Quellsignals zu übertragen, besteht die Hauptaufgabe des Messsystems darin, numerisch korrekte Daten zu erhalten. Daher ist davon auszugehen, dass die Erkennung und Beseitigung selbst kleiner Fehler, die das Signal in jeder Phase seiner Verarbeitung verfälschen können, für Messsysteme von besonderer Bedeutung sein wird.

Feedback-Kontrollsystem

Betrachten Sie nun ein Feedback-Steuerungssystem, bei dem Informationen am Ausgang die Signale ändern, die das System steuern.

Abb. 4 zeigt ein Diagramm eines Thermostats, der zur Aufrechterhaltung der Raumtemperatur verwendet wird. Das System enthält ein Eingabegerät zur Bestimmung der Raumtemperatur (in der Regel dieses). bimetallischer Streifender sich bei Temperaturänderungen verformt), einem Mechanismus zum Einstellen der gewünschten Temperatur (Hauptdrehknopf) und mechanischen Schaltern, die von einem Bimetallrelais betätigt werden und die Heizung steuern.

Reis. 4. Beispiel eines Regelsystems

Betrachten Sie dies am Beispiel dieses einfachen Systems, das außer einem Schalter eigentlich keine elektrischen Elemente enthält Feedback-Konzept… Nehmen wir an, dass die Rückkopplungslinie in Abb.3 ist defekt, d. h. es gibt keine Mechanismen zum Ein- und Ausschalten der Heizung. Dann steigt die Temperatur im Raum entweder auf ein bestimmtes Maximum (entsprechend der ständigen Einschaltung der Heizung) oder sinkt auf ein bestimmtes Minimum (entsprechend der Tatsache, dass die Heizung ständig ausgeschaltet ist).

Angenommen, es ist bei maximaler Temperatur zu heiß und bei minimaler Temperatur zu kalt. In diesem Fall muss ein „Steuergerät“ zum Ein- und Ausschalten der Heizung vorhanden sein.

Ein solches „Steuergerät“ könnte eine Person sein, die die Heizung einschaltet, wenn es kalt wird, und ausschaltet, wenn es heiß wird. Bereits auf dieser Ebene handelt es sich bei dem System (zusammen mit dem Gesicht) um ein geschlossenes Regelsystem, da Informationen über das Ausgangssignal (Raumtemperatur) zur Änderung der Steuersignale (Ein- und Ausschalten der Heizung) verwendet werden.

Der Thermostat tut automatisch das, was ein Mensch tun würde: Er schaltet die Heizung ein, wenn die Temperatur unter den eingestellten Wert fällt, und schaltet sie andernfalls aus. Es gibt viele andere Rückkopplungssysteme, darunter auch solche, in denen eine Signalverarbeitung durchgeführt wird Nutzung elektronischer Geräte.