Come funziona l'elaborazione del segnale

Cos'è un segnale?

Un segnale è qualsiasi variabile fisica il cui valore o la sua variazione nel tempo contiene informazioni. Queste informazioni possono riguardare parole e musica o grandezze fisiche come la temperatura dell'aria o la luce della stanza. Le variabili fisiche che possono trasportare informazioni nei sistemi elettrici sono tensione e corrente.

In questo articolo, per "segnali" intendiamo principalmente tensione o corrente. Tuttavia, la maggior parte dei concetti discussi qui rimane valida per i sistemi in cui altre variabili possono essere portatori di informazioni. Pertanto, il comportamento di un sistema meccanico (variabili - forza e velocità) o di un sistema idraulico (variabili - pressione e flusso) può spesso essere rappresentato da un sistema elettrico equivalente o, come si dice, simulato. Pertanto, la comprensione del comportamento dei sistemi elettrici fornisce una base per comprendere una gamma molto più ampia di fenomeni.

Segnali analogici e digitali

Un segnale può trasportare informazioni in due forme. Segnale analogico trasporta informazioni sotto forma di un cambiamento continuo nel tempo di tensione o corrente. Un esempio di segnale analogico è la tensione generata da alla giunzione della termocoppiaa temperature diverse. Quando la differenza di temperatura tra le giunzioni cambia, la tensione attraverso le termocoppie cambia. Pertanto, la tensione fornisce una rappresentazione analogica della differenza di temperatura.

Termocoppia — un composto di due metalli dissimili, come il rame e la costantana. La tensione generata dalle due giunzioni viene utilizzata per misurare la differenza di temperatura tra di esse.

È un altro tipo di segnale segnale digitale… Può assumere valori in due campi separati. Tali segnali sono usati per rappresentare informazioni on/off o sì-no.

Ad esempio, un termostato domestico genera un segnale digitale per controllare un riscaldatore. Quando la temperatura ambiente scende al di sotto di un valore preimpostato, l'interruttore del termostato chiude i contatti e accende il riscaldatore. Una volta che la temperatura della stanza è sufficientemente alta, l'interruttore spegne il riscaldatore. La corrente attraverso l'interruttore fornisce una rappresentazione digitale del cambiamento di temperatura: acceso è troppo freddo e spento è troppo caldo.

Riso. 1. Segnali analogici e digitali

Sistema di elaborazione del segnale

Un sistema di elaborazione del segnale è un insieme di componenti e dispositivi interconnessi che possono accettare un segnale in ingresso (o un gruppo di segnali in ingresso), agire sui segnali in un modo specifico per estrarre informazioni o migliorarne la qualità e presentare informazioni in uscita nel forma appropriata e al momento opportuno.

Molti segnali elettrici nei sistemi fisici sono generati da dispositivi chiamati sensori… Abbiamo già descritto un esempio di sensore analogico: una termocoppia. Converte la differenza di temperatura (una variabile fisica) in una tensione (una variabile elettrica). Generalmente sensore — un dispositivo che converte una quantità fisica o meccanica in un segnale di tensione o corrente equivalente. Tuttavia, a differenza di una termocoppia, la maggior parte dei sensori richiede una qualche forma di eccitazione elettrica per funzionare.

La selezione dei segnali all'uscita del sistema può essere effettuata in varie forme, a seconda di come verranno utilizzate le informazioni contenute nei segnali di ingresso. Le informazioni possono essere visualizzate sia in forma analogica (utilizzando, ad esempio, un dispositivo in cui la posizione della freccia indica il valore della variabile di interesse) che in forma digitale (utilizzando un sistema di elementi digitali sul display che mostra un numero corrispondente al valore dell'interesse per noi).

Altre possibilità sono convertire i segnali di uscita in energia sonora (altoparlante), utilizzarli come segnali di ingresso per un altro sistema o utilizzarli per il controllo. Diamo un'occhiata ad alcuni esempi per illustrare alcuni di questi casi.

Sistema di comunicazione

Considera un sistema di comunicazione i cui segnali di ingresso possono essere voce, musica o qualche tipo di dati che viene prodotto in un luogo e trasmesso in modo affidabile su lunghe distanze per recuperare accuratamente il segnale di ingresso originale lì.

Come esempio, FIG. 2 è un diagramma schematico di un sistema di trasmissione di modulazione di ampiezza (AM) convenzionale.Nella modulazione AM, l'ampiezza (da picco a picco) del segnale a radiofrequenza cambia in accordo con l'ampiezza del segnale a bassa frequenza (il segnale audio corrispondente alle frequenze sonore).

Riso. 2. Sistema di comunicazione broadcast con modulazione di ampiezza

Il trasmettitore di un sistema di radiodiffusione AM raccoglie il segnale di ingresso da un dispositivo di input (microfono), utilizza questo segnale per controllare l'ampiezza del segnale di radiofrequenza (ogni stazione radio ha la sua specifica radiofrequenza) e la corrente di radiofrequenza aziona il dispositivo di uscita (antenna) che produce onde elettromagnetiche che vengono emesse nello spazio.

Il sistema ricevente è costituito da un dispositivo di input (antenna), un processore (ricevitore) e un dispositivo di output (altoparlante). Il ricevitore amplifica (rende più forte) il segnale relativamente debole ricevuto dall'antenna, seleziona il segnale della radiofrequenza desiderata dai segnali di tutti gli altri trasmettitori, ricostruisce il segnale audio in base alla variazione dell'ampiezza del segnale a radiofrequenza e eccita l'altoparlante con questo segnale audio.

Sistema di misura

Il compito del sistema di misurazione è ricevere informazioni dai sensori pertinenti sul comportamento di un determinato sistema fisico e registrare queste informazioni. Un esempio di tale sistema è un termometro digitale (Fig. 3).

Riso. 3. Schema funzionale di un termometro digitale

Due connessioni di termocoppie, una a contatto termico con il corpo di cui si vuole misurare la temperatura, l'altra immersa in un contenitore di ghiaccio (per ottenere un punto di riferimento stabile), generano una tensione che dipende dalla differenza di temperatura tra il corpo e il ghiaccio . Questa tensione viene immessa nel processore.

Poiché la tensione della termocoppia non è esattamente proporzionale alla differenza di temperatura, è necessaria una piccola correzione per ottenere una stretta proporzionalità. Correzione in corso dispositivo di linearizzazione… La tensione analogica dalla termocoppia viene prima amplificata (cioè rende di più), quindi linearizzata e digitalizzata. Infine, appare nel registro del display digitale utilizzato come dispositivo di uscita del termometro.

Se il compito principale del sistema di comunicazione è trasmettere una copia corretta del segnale sorgente, allora il compito principale del sistema di misurazione è ottenere dati numericamente corretti. Pertanto, ci si dovrebbe aspettare che il rilevamento e l'eliminazione di errori anche piccoli che possono distorcere il segnale in qualsiasi fase della sua elaborazione sarà di particolare importanza per i sistemi di misura.

Sistema di controllo del feedback

Si consideri ora un sistema di controllo in retroazione in cui le informazioni in uscita modificano i segnali che controllano il sistema.

La Fig.4 mostra lo schema di un termostato utilizzato per mantenere la temperatura ambiente. Il sistema contiene un dispositivo di input per determinare la temperatura ambiente (solitamente questo striscia bimetallicache si flette al variare della temperatura), un meccanismo per impostare la temperatura desiderata (quadrante principale) e interruttori meccanici azionati da un relè bimetallico e che controllano il riscaldatore.

Riso. 4. Esempio di un sistema di controllo ad anello chiuso

Usando questo semplice sistema come esempio, che in realtà non contiene elementi elettrici diversi da un interruttore, considera concetto di feedback… Supponiamo che la linea di feedback in Fig.3 è rotto, cioè non ci sono meccanismi per accendere e spegnere il riscaldatore. Quindi la temperatura nella stanza salirà a un certo massimo (corrispondente all'accensione costante del riscaldatore) o scenderà a un certo minimo (corrispondente al fatto che il riscaldatore è sempre spento).

Supponiamo che sia troppo caldo alla temperatura massima e troppo freddo alla temperatura minima. In questo caso è necessario prevedere un «dispositivo di controllo» per l'accensione e lo spegnimento del riscaldatore.

Tale «dispositivo di controllo» potrebbe essere una persona che accende il riscaldamento quando fa freddo e lo spegne quando fa caldo. Già a questo livello, il sistema (insieme al viso) è un sistema di controllo a circuito chiuso, poiché le informazioni sul segnale di uscita (temperatura ambiente) vengono utilizzate per modificare i segnali di controllo (accensione e spegnimento del riscaldatore).

Il termostato fa automaticamente ciò che farebbe un essere umano, ovvero accendere il riscaldatore quando la temperatura scende al di sotto del set point e spegnerlo altrimenti. Esistono molti altri sistemi di feedback, inclusi quelli in cui viene eseguita l'elaborazione del segnale uso di dispositivi elettronici.