Cómo funciona el procesamiento de señales

¿Qué es una señal?

Una señal es cualquier variable física cuyo valor o su cambio en el tiempo contiene información. Esta información puede relacionarse con el habla y la música, o con cantidades físicas como la temperatura del aire o la luz de la habitación. Las variables físicas que pueden transportar información en los sistemas eléctricos son voltaje y corriente.

En este artículo, por "señales" nos referimos principalmente a voltaje o corriente. Sin embargo, la mayoría de los conceptos discutidos aquí siguen siendo válidos para sistemas en los que otras variables pueden ser portadoras de información. Así, el comportamiento de un sistema mecánico (variables: fuerza y ​​velocidad) o de un sistema hidráulico (variables: presión y caudal) muchas veces puede ser representado por un sistema eléctrico equivalente, o como se dice, simulado. Por lo tanto, comprender el comportamiento de los sistemas eléctricos proporciona una base para comprender una gama mucho más amplia de fenómenos.

Señales analógicas y digitales

Una señal puede transportar información de dos formas. Señal analoga transporta información en forma de un cambio continuo en el tiempo de voltaje o corriente. Un ejemplo de una señal analógica es el voltaje generado por en la unión del termopara diferentes temperaturas. Cuando cambia la diferencia de temperatura entre las uniones, cambia el voltaje a través de los termopares. Por lo tanto, el voltaje da una representación analógica de la diferencia de temperatura.

Par termoeléctrico — un compuesto de dos metales diferentes, como el cobre y el constantán. El voltaje generado por las dos uniones se usa para medir la diferencia de temperatura entre ellas.

Es otro tipo de señal. señal digital… Puede tomar valores en dos campos separados. Estas señales se utilizan para representar información de encendido/apagado o sí-no.

Por ejemplo, un termostato doméstico genera una señal digital para controlar un calentador. Cuando la temperatura ambiente cae por debajo de un valor preestablecido, el interruptor del termostato cierra los contactos y enciende el calentador. Una vez que la temperatura ambiente es lo suficientemente alta, el interruptor apaga el calentador. La corriente a través del interruptor da una representación digital del cambio de temperatura: encendido es demasiado frío y apagado es demasiado cálido.

Arroz. 1. Señales analógicas y digitales

Sistema de procesamiento de señales

Un sistema de procesamiento de señales es un conjunto de componentes y dispositivos interconectados que pueden aceptar una señal de entrada (o un grupo de señales de entrada), actuar sobre las señales de una manera específica para extraer información o mejorar su calidad, y presentar información a la salida en el forma adecuada y en el momento adecuado.

Muchas señales eléctricas en los sistemas físicos son generadas por dispositivos llamados sensores… Ya hemos descrito un ejemplo de un sensor analógico: un termopar. Convierte la diferencia de temperatura (una variable física) en un voltaje (una variable eléctrica). Generalmente sensor — un dispositivo que convierte una cantidad física o mecánica en una señal equivalente de voltaje o corriente. Sin embargo, a diferencia de un termopar, la mayoría de los sensores requieren algún tipo de excitación eléctrica para funcionar.

La selección de señales a la salida del sistema se puede realizar de varias formas, dependiendo de cómo se utilizará la información contenida en las señales de entrada. La información se puede mostrar en forma analógica (usando, por ejemplo, un dispositivo en el que la posición de la flecha indica el valor de la variable de interés) o en forma digital (usando un sistema de elementos digitales en la pantalla que muestra un número correspondiente al valor del interés para nosotros).

Otras posibilidades son convertir las señales de salida en energía de sonido (altavoz), usarlas como señales de entrada para otro sistema o usarlas para control. Veamos algunos ejemplos para ilustrar algunos de estos casos.

Sistema de comunicación

Considere un sistema de comunicación cuyas señales de entrada pueden ser voz, música o algún tipo de datos que se producen en una ubicación y se transmiten de manera confiable a largas distancias para recuperar allí con precisión la señal de entrada original.

Como ejemplo, la FIG. 2 es un diagrama esquemático de un sistema de transmisión de modulación de amplitud (AM) convencional.En la modulación AM, la amplitud (pico a pico) de la señal de radiofrecuencia cambia de acuerdo con la magnitud de la señal de baja frecuencia (la señal de audio correspondiente a las frecuencias de sonido).

Arroz. 2. Sistema de comunicación de difusión con modulación de amplitud.

El transmisor de un sistema de radiodifusión AM capta la señal de entrada de un dispositivo de entrada (micrófono), utiliza esta señal para controlar la amplitud de la señal de radiofrecuencia (cada estación de radio tiene su propia frecuencia de radio específica) y la corriente de radiofrecuencia impulsa el dispositivo de salida (antena) que produce ondas electromagnéticas que se emiten al espacio.

El sistema receptor consta de un dispositivo de entrada (antena), un procesador (receptor) y un dispositivo de salida (altavoz). El receptor amplifica (hace más fuerte) la señal relativamente débil recibida de la antena, selecciona la señal de la frecuencia de radio deseada de las señales de todos los demás transmisores, reconstruye la señal de audio en función del cambio en la amplitud de la señal de frecuencia de radio y excita al hablante con esta señal de audio.

Sistema de medida

La tarea del sistema de medición es recibir información de los sensores relevantes sobre el comportamiento de un determinado sistema físico y registrar esta información. Un ejemplo de tal sistema es un termómetro digital (Fig. 3).

Arroz. 3. Diagrama funcional de un termómetro digital

Dos conexiones de termopar, una en contacto térmico con el cuerpo cuya temperatura se va a medir, la otra sumergida en un recipiente con hielo (para obtener un punto de referencia estable), generan un voltaje que depende de la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el hielo. . Este voltaje se alimenta al procesador.

Dado que el voltaje del termopar no es exactamente proporcional a la diferencia de temperatura, se necesita una pequeña corrección para obtener una proporcionalidad estricta. Corrección en progreso dispositivo de linealización… El voltaje analógico del termopar primero se amplifica (es decir, genera más), luego se linealiza y se digitaliza. Finalmente, aparece en el registro de visualización digital utilizado como dispositivo de salida del termómetro.

Si la tarea principal del sistema de comunicación es transmitir una copia correcta de la señal fuente, entonces la tarea principal del sistema de medición es obtener datos numéricamente correctos. Por lo tanto, se debe esperar que la detección y eliminación de incluso pequeños errores que puedan distorsionar la señal en cualquier etapa de su procesamiento sean de particular importancia para los sistemas de medición.

Sistema de control de retroalimentación

Considere ahora un sistema de control de retroalimentación en el que la información en la salida cambia las señales que controlan el sistema.

La figura 4 muestra un diagrama de un termostato utilizado para mantener la temperatura ambiente. El sistema contiene un dispositivo de entrada para determinar la temperatura ambiente (normalmente esta tira bimetálicaque se flexiona cuando cambia la temperatura), un mecanismo para ajustar la temperatura deseada (disco principal) e interruptores mecánicos accionados por un relé bimetálico y controlando el calentador.

Arroz. 4. Ejemplo de un sistema de control de lazo cerrado

Usando este sistema simple como ejemplo, que en realidad no contiene elementos eléctricos además de un interruptor, considere concepto de retroalimentación… Suponga que la línea de retroalimentación en la Fig.3 está roto, es decir, no hay mecanismos para encender y apagar el calentador. Luego, la temperatura en la habitación subirá a un cierto máximo (correspondiente a la inclusión constante del calentador) o caerá a un cierto mínimo (correspondiente al hecho de que el calentador está apagado todo el tiempo).

Supongamos que hace demasiado calor a la temperatura máxima y demasiado frío a la temperatura mínima. En este caso se debe prever algún «dispositivo de control» para encender y apagar el calefactor.

Tal «dispositivo de control» podría ser una persona que enciende el calentador cuando hace frío y lo apaga cuando hace calor. Ya en este nivel, el sistema (junto con la cara) es un sistema de control de circuito cerrado, ya que la información sobre la señal de salida (temperatura ambiente) se usa para cambiar las señales de control (encender y apagar el calentador).

El termostato hace automáticamente lo que haría un ser humano, que es encender el calentador cuando la temperatura desciende por debajo del punto establecido y apagarlo en caso contrario. Hay muchos otros sistemas de retroalimentación, incluidos aquellos en los que se realiza el procesamiento de señales. uso de dispositivos electronicos.