信號處理的工作原理

什麼是信號？

信號是任何物理變量，其值或其隨時間的變化包含信息。此信息可能與語音和音樂有關，也可能與空氣溫度或室內光線等物理量有關。電氣系統中可以承載信息的物理變量有 電壓和電流.

在本文中，“信號”主要是指電壓或電流。然而，這裡討論的大多數概念對於其他變量可以作為信息載體的系統仍然有效。因此，機械系統（變量——力和速度）或液壓系統（變量——壓力和流量）的行為通常可以用等效的電氣系統來表示，或者正如所說，模擬。因此，了解電氣系統的行為為了解更廣泛的現象提供了基礎。

模擬和數字信號

信號可以以兩種形式攜帶信息。 模擬信號 以電壓或電流隨時間連續變化的形式攜帶信息。模擬信號的一個例子是產生的電壓 在熱電偶結在不同的溫度下。當結點之間的溫差發生變化時，熱電偶兩端的電壓也會發生變化。因此，電壓給出了溫差的模擬表示。

熱電偶 — 兩種不同金屬的化合物，例如銅和康銅。兩個結點產生的電壓用於測量它們之間的溫差。

這是另一種信號 數字信號...它可以在兩個單獨的字段中取值。這些信號用於表示開/關或是-否信息。

例如，家用恆溫器產生數字信號來控制加熱器。當室溫低於預設值時，恆溫器開關閉合觸點並打開加熱器。一旦室溫足夠高，開關就會關閉加熱器。通過開關的電流給出了溫度變化的數字表示：打開時太冷，關閉時太熱。

米。 1.模擬信號和數字信號

信號處理系統

信號處理系統是一組相互連接的組件和設備，它們可以接受一個輸入信號（或一組輸入信號），以特定方式作用於信號以提取信息或提高其質量，並在輸出端呈現信息適當的形式和適當的時間。

物理系統中的許多電信號是由稱為 傳感器……我們已經描述了一個模擬傳感器的例子——熱電偶。它將溫差（物理變量）轉換為電壓（電變量）。一般來說 傳感器——將物理量或機械量轉換成等效電壓或電流信號的裝置。 然而，與熱電偶不同，大多數傳感器需要某種形式的電激勵才能工作。

系統輸出端的信號選擇可以多種形式完成，具體取決於輸入信號中包含的信息將如何使用。信息可以以模擬形式（例如，使用箭頭位置指示感興趣變量值的設備）或數字形式（使用顯示器上顯示數字的數字元素系統）顯示對應於我們的利益價值）。

其他可能性是將輸出信號轉換為聲能（揚聲器），將它們用作另一個系統的輸入信號，或將它們用於控制。讓我們看一些例子來說明其中的一些情況。

通訊系統

考慮一個通信系統，其輸入信號可能是語音、音樂或某種在一個位置產生並可靠地遠距離傳輸的數據，以準確地恢復原始輸入信號。

作為一個例子，圖。圖2是傳統調幅(AM)廣播系統的示意圖。在 AM 調製中，射頻信號的振幅（峰峰值）根據低頻信號（與聲音頻率對應的音頻信號）的大小而變化。

米。 2.調幅廣播通信系統

AM無線電廣播系統的發射機從輸入設備（麥克風）接收輸入信號，利用該信號控制射頻信號的幅度（每個電台都有自己特定的射頻），以及射頻電流驅動輸出設備（天線）產生髮射到太空的電磁波。

接收系統由輸入設備（天線）、處理器（接收器）和輸出設備（揚聲器）組成。接收器放大（變強）從天線接收到的相對較弱的信號，從所有其他發射器的信號中選擇所需射頻的信號，根據射頻信號幅度的變化重構音頻信號，並用這個音頻信號激發揚聲器。

測量系統

測量系統的任務是從相關傳感器接收有關特定物理系統行為的信息並記錄此信息。這種系統的一個例子是數字溫度計（圖 3）。

米。 3. 數字體溫計功能圖

兩個熱電偶連接——一個與要測量溫度的身體熱接觸，另一個浸入冰容器中（以獲得穩定的參考點）——產生的電壓取決於身體和冰之間的溫差.該電壓被饋入處理器。

由於熱電偶電壓與溫差不完全成比例，因此需要進行小的修正以獲得嚴格的比例關係。更正中 線性化裝置… 來自熱電偶的模擬電壓首先被放大（即放大），然後線性化和數字化。最後出現在數字顯示寄存器中，用作溫度計的輸出設備。

如果通信系統的主要任務是傳輸源信號的正確副本，那麼測量系統的主要任務就是獲取數值正確的數據。因此，可以預料，即使是在信號處理的任何階段都可能使信號失真的微小誤差的檢測和消除，對於測量系統來說也特別重要。

反饋控制系統

現在考慮一個反饋控制系統，其中輸出端的信息會改變控制系統的信號。

圖 4 顯示了用於保持室溫的恆溫器的示意圖。該系統包含一個用於確定室溫的輸入設備（通常是這個 雙金屬片當溫度變化時會彎曲），用於設置所需溫度的機制（主刻度盤）和由雙金屬繼電器啟動並控制加熱器的機械開關。

米。 4. 閉環控制系統示例

以這個簡單的系統為例，它實際上不包含除開關之外的任何電氣元件，請考慮 反饋概念……假設圖 1 中的反饋線。3 損壞，即沒有打開和關閉加熱器的機制。然後房間內的溫度要么上升到某個最大值（對應於加熱器的恆定包含），要么下降到某個最小值（對應於加熱器一直關閉的事實）。

假設最高溫度太熱，最低溫度太冷。在這種情況下，必須提供一些“控制裝置”來打開和關閉加熱器。

這樣的“控制裝置”可以是一個人，當它變冷時打開加熱器，當它變熱時關閉它。在此級別上，系統（連同面部）是一個閉環控制系統，因為有關輸出信號（室溫）的信息用於更改控制信號（打開和關閉加熱器）。

恆溫器會自動執行人類會做的事情，即當溫度低於設定值時打開加熱器，否則將其關閉。還有許多其他反饋系統，包括執行信號處理的系統 使用電子設備.