كيف تعمل معالجة الإشارات

ما هي الإشارة؟

الإشارة هي أي متغير مادي تحتوي قيمته أو تغيره بمرور الوقت على معلومات. يمكن أن تتعلق هذه المعلومات بالكلام والموسيقى ، أو الكميات المادية مثل درجة حرارة الهواء أو ضوء الغرفة. المتغيرات الفيزيائية التي يمكن أن تحمل المعلومات في الأنظمة الكهربائية هي الجهد والتيار.

في هذه المقالة ، نعني بكلمة "الإشارات" الجهد أو التيار في المقام الأول. ومع ذلك ، تظل معظم المفاهيم التي تمت مناقشتها هنا صالحة للأنظمة التي يمكن أن تكون فيها المتغيرات الأخرى ناقلات معلومات. وهكذا ، فإن سلوك النظام الميكانيكي (المتغيرات - القوة والسرعة) أو النظام الهيدروليكي (المتغيرات - الضغط والتدفق) يمكن تمثيله غالبًا بنظام كهربائي مكافئ ، أو كما يقال ، محاكاه. لذلك ، يوفر فهم سلوك الأنظمة الكهربائية أساسًا لفهم نطاق أوسع بكثير من الظواهر.

الإشارات التناظرية والرقمية

يمكن للإشارة أن تحمل المعلومات في شكلين. الإشارات التناظرية يحمل معلومات في شكل تغيير مستمر في وقت الجهد أو التيار. مثال على الإشارة التناظرية هو الجهد المتولد عن طريق عند تقاطع المزدوجة الحراريةفي درجات حرارة مختلفة. عندما يتغير اختلاف درجة الحرارة بين التقاطعات ، يتغير الجهد عبر المزدوجات الحرارية. وبالتالي ، فإن الجهد يعطي تمثيلًا تناظريًا لفرق درجة الحرارة.

الحرارية - مركب من معدنين مختلفين ، مثل النحاس والقسطنطين. يتم استخدام الجهد الناتج عن التقاطعين لقياس فرق درجة الحرارة بينهما.

إنه نوع آخر من الإشارات الإشارات الرقمية... يمكن أن تأخذ قيمًا في حقلين منفصلين. تُستخدم هذه الإشارات لتمثيل معلومات تشغيل / إيقاف أو نعم-لا.

على سبيل المثال ، يولد منظم الحرارة المنزلي إشارة رقمية للتحكم في السخان. عندما تنخفض درجة حرارة الغرفة إلى ما دون القيمة المحددة مسبقًا ، يقوم مفتاح منظم الحرارة بإغلاق جهات الاتصال وتشغيل السخان. بمجرد ارتفاع درجة حرارة الغرفة بدرجة كافية ، يقوم المفتاح بإيقاف تشغيل السخان. يعطي التيار عبر المفتاح تمثيلًا رقميًا للتغير في درجة الحرارة: التشغيل بارد جدًا وإيقاف التشغيل دافئ جدًا.

أرز. 1. الإشارات التناظرية والرقمية

نظام معالجة الإشارة

نظام معالجة الإشارات عبارة عن مجموعة من المكونات والأجهزة المترابطة التي يمكنها قبول إشارة إدخال (أو مجموعة من إشارات الإدخال) ، والعمل على الإشارات بطريقة محددة لاستخراج المعلومات أو تحسين جودتها ، وتقديم المعلومات عند الإخراج في بالشكل المناسب وفي الوقت المناسب.

يتم إنشاء العديد من الإشارات الكهربائية في الأنظمة المادية بواسطة أجهزة تسمى مجسات... لقد وصفنا بالفعل مثالًا على جهاز استشعار تناظري - مزدوج حراري. يحول فرق درجة الحرارة (متغير فيزيائي) إلى جهد (متغير كهربائي). عمومًا المستشعر - جهاز يحول كمية مادية أو ميكانيكية إلى جهد مكافئ أو إشارة تيار. ومع ذلك ، على عكس الازدواج الحراري ، تتطلب معظم المستشعرات شكلاً من أشكال الإثارة الكهربائية للعمل.

يمكن اختيار الإشارات عند خرج النظام بأشكال مختلفة ، اعتمادًا على كيفية استخدام المعلومات الواردة في إشارات الإدخال. يمكن عرض المعلومات إما في شكل تناظري (باستخدام ، على سبيل المثال ، جهاز يشير فيه موضع السهم إلى قيمة متغير الاهتمام) أو في شكل رقمي (باستخدام نظام من العناصر الرقمية على الشاشة التي تعرض رقمًا بما يتوافق مع قيمة الفائدة بالنسبة لنا).

الاحتمالات الأخرى هي تحويل إشارات الخرج إلى طاقة صوتية (مكبر الصوت) ، أو استخدامها كإشارات إدخال لنظام آخر ، أو استخدامها للتحكم. لنلقِ نظرة على بعض الأمثلة لتوضيح بعض هذه الحالات.

نظام الاتصال

ضع في اعتبارك نظام اتصال قد تكون إشارات الإدخال الخاصة به عبارة عن كلام أو موسيقى أو نوع من البيانات التي يتم إنتاجها في مكان واحد ويتم نقلها بشكل موثوق عبر مسافات طويلة لاستعادة إشارة الإدخال الأصلية هناك بدقة.

كمثال ، FIG. الشكل 2 هو رسم تخطيطي لنظام إذاعي بتشكيل الاتساع التقليدي (AM).في تعديل AM ، يتغير اتساع إشارة التردد اللاسلكي (من الذروة إلى الذروة) وفقًا لحجم إشارة التردد المنخفض (الإشارة الصوتية المقابلة لترددات الصوت).

أرز. 2. نظام اتصالات البث مع تعديل السعة

يلتقط جهاز إرسال نظام البث الإذاعي AM إشارة الإدخال من جهاز الإدخال (الميكروفون) ، ويستخدم هذه الإشارة للتحكم في اتساع إشارة التردد اللاسلكي (لكل محطة راديو تردد لاسلكي خاص بها) ، وترددات الراديو الحالية يقود جهاز الإخراج (الهوائي) الذي ينتج موجات كهرومغناطيسية تنبعث في الفضاء.

يتكون نظام الاستقبال من جهاز إدخال (هوائي) ومعالج (مستقبل) وجهاز إخراج (مكبر صوت). يضخم جهاز الاستقبال (يجعله أقوى) الإشارة الضعيفة نسبيًا المستلمة من الهوائي ، ويختار إشارة التردد اللاسلكي المطلوب من إشارات جميع أجهزة الإرسال الأخرى ، ويعيد بناء الإشارة الصوتية بناءً على التغيير في اتساع إشارة تردد الراديو ، و يثير السماعة بهذه الإشارة الصوتية.

نظام القياس

تتمثل مهمة نظام القياس في تلقي معلومات من أجهزة الاستشعار ذات الصلة حول سلوك نظام مادي معين وتسجيل هذه المعلومات. مثال على هذا النظام هو مقياس حرارة رقمي (الشكل 3).

أرز. 3. رسم تخطيطي وظيفي لميزان حرارة رقمي

توصيتان حراريتان - أحدهما في اتصال حراري مع الجسم المراد قياس درجة حرارته ، والآخر مغمور في وعاء من الجليد (للحصول على نقطة مرجعية ثابتة) - يولد جهدًا يعتمد على اختلاف درجة الحرارة بين الجسم والجليد . يتم تغذية هذا الجهد في المعالج.

نظرًا لأن الجهد الحراري المزدوج لا يتناسب تمامًا مع اختلاف درجة الحرارة ، فهناك حاجة إلى تصحيح بسيط للحصول على تناسب صارم. التصحيح قيد التقدم جهاز خطي… يتم تضخيم الجهد التناظري من المزدوجات الحرارية أولاً (أي زيادة الجهد) ، ثم تحويله إلى خطي ورقمنته. أخيرًا ، يظهر في سجل العرض الرقمي المستخدم كجهاز إخراج لمقياس الحرارة.

إذا كانت المهمة الرئيسية لنظام الاتصال هي إرسال نسخة صحيحة من إشارة المصدر ، فإن المهمة الرئيسية لنظام القياس هي الحصول على بيانات صحيحة عدديًا. لذلك ، ينبغي توقع أن يكون اكتشاف وإزالة الأخطاء الصغيرة التي يمكن أن تشوه الإشارة في أي مرحلة من مراحل معالجتها ذا أهمية خاصة لأنظمة القياس.

نظام مراقبة التغذية الراجعة

ضع في اعتبارك الآن نظام التحكم في التغذية الراجعة حيث تعمل المعلومات عند المخرجات على تغيير الإشارات التي تتحكم في النظام.

يوضح الشكل 4 مخططًا لمنظم حرارة يستخدم للحفاظ على درجة حرارة الغرفة. يحتوي النظام على جهاز إدخال لتحديد درجة حرارة الغرفة (عادةً ما يكون هذا شريط ثنائي المعدنالتي تنثني عندما تتغير درجة الحرارة) ، وهي آلية لضبط درجة الحرارة المطلوبة (القرص الرئيسي) والمفاتيح الميكانيكية التي يتم تشغيلها بواسطة مرحل ثنائي المعدن والتحكم في السخان.

أرز. 4. مثال على نظام تحكم مغلق الحلقة

استخدم هذا النظام البسيط كمثال ، والذي لا يحتوي في الواقع على عناصر كهربائية بخلاف المفتاح ، ضع في اعتبارك مفهوم التغذية الراجعة... افترض أن خط التغذية المرتدة في الشكل.3 مكسور ، أي لا توجد آليات لتشغيل وإيقاف السخان. ثم سترتفع درجة الحرارة في الغرفة إما إلى حد أقصى معين (يتوافق مع التضمين المستمر للسخان) أو تنخفض إلى حد أدنى معين (يتوافق مع حقيقة أن السخان متوقف طوال الوقت).

افترض أن الجو حار جدًا عند أقصى درجة حرارة وبارد جدًا عند أدنى درجة حرارة. في هذه الحالة يجب توفير بعض «جهاز التحكم» لتشغيل وإيقاف السخان.

يمكن أن يكون "جهاز التحكم" هذا هو الشخص الذي يقوم بتشغيل السخان عندما يبرد ويطفئه عندما يسخن. بالفعل في هذا المستوى ، النظام (جنبًا إلى جنب مع الوجه) هو نظام تحكم مغلق الحلقة ، حيث يتم استخدام المعلومات حول إشارة الخرج (درجة حرارة الغرفة) لتغيير إشارات التحكم (تشغيل وإيقاف السخان).

يقوم منظم الحرارة تلقائيًا بما سيفعله الإنسان ، وهو تشغيل السخان عندما تنخفض درجة الحرارة عن نقطة التحديد وإيقاف تشغيله بطريقة أخرى. هناك العديد من أنظمة التغذية المرتدة الأخرى ، بما في ذلك تلك التي تتم فيها معالجة الإشارات استخدام الأجهزة الإلكترونية.