Bagaimana pemrosesan sinyal bekerja

Apa itu sinyal?

Sinyal adalah variabel fisik apa pun yang nilainya atau perubahannya dari waktu ke waktu mengandung informasi. Informasi ini dapat berhubungan dengan ucapan dan musik, atau kuantitas fisik seperti suhu udara atau cahaya ruangan. Variabel fisik yang dapat membawa informasi dalam sistem kelistrikan adalah tegangan dan arus.

Dalam artikel ini, yang kami maksud dengan "sinyal" terutama tegangan atau arus. Namun, sebagian besar konsep yang dibahas di sini tetap berlaku untuk sistem di mana variabel lain dapat menjadi pembawa informasi. Dengan demikian, perilaku sistem mekanis (variabel—gaya dan kecepatan) atau sistem hidrolik (variabel—tekanan dan aliran) seringkali dapat diwakili oleh sistem kelistrikan yang setara, atau seperti yang dikatakan, disimulasikan. Oleh karena itu, memahami perilaku sistem kelistrikan memberikan dasar untuk memahami fenomena yang jauh lebih luas.

Sinyal analog dan digital

Sebuah sinyal dapat membawa informasi dalam dua bentuk. Sinyal analog membawa informasi dalam bentuk perubahan waktu tegangan atau arus yang terus menerus. Contoh sinyal analog adalah tegangan yang dihasilkan oleh di persimpangan termokopelpada suhu yang berbeda. Ketika perbedaan suhu antara persimpangan berubah, tegangan melintasi termokopel berubah. Dengan demikian, tegangan memberikan representasi analog dari perbedaan suhu.

Termokopel - senyawa dari dua logam berbeda, seperti tembaga dan konstanta. Tegangan yang dihasilkan oleh dua persimpangan digunakan untuk mengukur perbedaan suhu di antara keduanya.

Ini jenis sinyal lain sinyal digital… Ini dapat mengambil nilai dalam dua bidang terpisah. Sinyal tersebut digunakan untuk merepresentasikan informasi on/off atau ya-tidak.

Misalnya, termostat rumah menghasilkan sinyal digital untuk mengontrol pemanas. Ketika suhu ruangan turun di bawah nilai yang telah ditentukan, sakelar termostat menutup kontak dan menyalakan pemanas. Setelah suhu ruangan cukup tinggi, sakelar mematikan pemanas. Arus melalui sakelar memberikan representasi digital dari perubahan suhu: hidup terlalu dingin dan mati terlalu hangat.

Beras. 1. Sinyal analog dan digital

Sistem pemrosesan sinyal

Sistem pemrosesan sinyal adalah seperangkat komponen dan perangkat yang saling berhubungan yang dapat menerima sinyal input (atau kelompok sinyal input), bertindak atas sinyal dengan cara tertentu untuk mengekstraksi informasi atau meningkatkan kualitasnya, dan menyajikan informasi pada output dalam bentuk bentuk yang sesuai dan pada waktu yang tepat.

Banyak sinyal listrik dalam sistem fisik dihasilkan oleh perangkat yang disebut sensor… Kami telah menjelaskan contoh sensor analog — termokopel. Ini mengubah perbedaan suhu (variabel fisik) menjadi tegangan (variabel listrik). Umumnya sensor — perangkat yang mengubah kuantitas fisik atau mekanis menjadi sinyal tegangan atau arus yang setara. Namun, tidak seperti termokopel, sebagian besar sensor memerlukan beberapa bentuk eksitasi listrik untuk beroperasi.

Pemilihan sinyal pada keluaran sistem dapat dilakukan dalam berbagai bentuk, tergantung bagaimana informasi yang terkandung dalam sinyal masukan akan digunakan. Informasi dapat ditampilkan baik dalam bentuk analog (menggunakan, misalnya, perangkat di mana posisi panah menunjukkan nilai variabel yang diinginkan) atau dalam bentuk digital (menggunakan sistem elemen digital pada tampilan yang menunjukkan angka sesuai dengan nilai bunga bagi kami).

Kemungkinan lainnya adalah mengubah sinyal keluaran menjadi energi suara (loudspeaker), menggunakannya sebagai sinyal masukan untuk sistem lain, atau menggunakannya untuk kontrol. Mari kita lihat beberapa contoh untuk mengilustrasikan beberapa kasus ini.

Sistem komunikasi

Pertimbangkan sistem komunikasi yang sinyal inputnya mungkin berupa ucapan, musik, atau beberapa jenis data yang dihasilkan di satu lokasi dan ditransmisikan secara andal dalam jarak jauh untuk secara akurat memulihkan sinyal input asli di sana.

Sebagai contoh, Gambar. 2 adalah diagram skematik sistem siaran modulasi amplitudo (AM) konvensional.Dalam modulasi AM, amplitudo (puncak ke puncak) dari sinyal frekuensi radio berubah sesuai dengan besarnya sinyal frekuensi rendah (sinyal audio yang sesuai dengan frekuensi suara).

Beras. 2. Sistem komunikasi broadcast dengan modulasi amplitudo

Pemancar sistem penyiaran radio AM mengambil sinyal input dari perangkat input (mikrofon), menggunakan sinyal ini untuk mengontrol amplitudo sinyal frekuensi radio (setiap stasiun radio memiliki frekuensi radio spesifiknya sendiri), dan arus frekuensi radio menggerakkan perangkat output (antena) yang menghasilkan gelombang elektromagnetik yang dipancarkan ke angkasa.

Sistem penerima terdiri dari perangkat masukan (antena), prosesor (penerima) dan perangkat keluaran (loudspeaker). Penerima memperkuat (memperkuat) sinyal yang relatif lemah yang diterima dari antena, memilih sinyal frekuensi radio yang diinginkan dari sinyal semua pemancar lainnya, merekonstruksi sinyal audio berdasarkan perubahan amplitudo sinyal frekuensi radio, dan menggairahkan pembicara dengan sinyal audio ini.

Sistem pengukuran

Tugas sistem pengukuran adalah menerima informasi dari sensor yang relevan tentang perilaku sistem fisik tertentu dan mendaftarkan informasi ini. Contoh sistem semacam itu adalah termometer digital (Gbr. 3).

Beras. 3. Diagram fungsi termometer digital

Dua sambungan termokopel—satu dalam kontak termal dengan benda yang suhunya akan diukur, yang lain direndam dalam wadah es (untuk mendapatkan titik acuan yang stabil)—menghasilkan tegangan yang bergantung pada perbedaan suhu antara benda dan es . Tegangan ini dimasukkan ke dalam prosesor.

Karena tegangan termokopel tidak sebanding dengan perbedaan suhu, koreksi kecil diperlukan untuk mendapatkan proporsionalitas yang ketat. Koreksi sedang berlangsung perangkat linierisasi… Tegangan analog dari termokopel pertama-tama diperkuat (yaitu menghasilkan lebih banyak), kemudian dilinierkan dan didigitalkan. Akhirnya, muncul di register tampilan digital yang digunakan sebagai perangkat keluaran termometer.

Jika tugas utama sistem komunikasi adalah mengirimkan salinan sinyal sumber yang benar, maka tugas utama sistem pengukuran adalah mendapatkan data yang benar secara numerik. Oleh karena itu, pendeteksian dan penghapusan bahkan kesalahan kecil yang dapat mendistorsi sinyal pada setiap tahap pemrosesannya akan menjadi sangat penting untuk sistem pengukuran.

Sistem kontrol umpan balik

Pertimbangkan sekarang sistem kontrol umpan balik di mana informasi pada keluaran mengubah sinyal yang mengontrol sistem.

Gbr.4 menunjukkan diagram termostat yang digunakan untuk menjaga suhu ruangan. Sistem berisi perangkat input untuk menentukan suhu ruangan (biasanya ini strip bimetalyang melentur saat suhu berubah), mekanisme untuk mengatur suhu yang diinginkan (dial utama) dan sakelar mekanis yang digerakkan oleh relai bimetal dan mengendalikan pemanas.

Beras. 4. Contoh sistem kontrol loop tertutup

Menggunakan sistem sederhana ini sebagai contoh, yang sebenarnya tidak mengandung elemen listrik selain sakelar, pertimbangkan konsep umpan balik… Misalkan garis umpan balik pada Gambar.3 rusak, yaitu tidak ada mekanisme untuk menghidupkan dan mematikan pemanas. Kemudian suhu di dalam ruangan akan naik ke maksimum tertentu (sesuai dengan inklusi pemanas yang konstan) atau turun ke minimum tertentu (sesuai dengan fakta bahwa pemanas mati sepanjang waktu).

Misalkan terlalu panas pada suhu maksimum dan terlalu dingin pada suhu minimum. Dalam hal ini beberapa «perangkat kontrol» harus disediakan untuk menghidupkan dan mematikan pemanas.

«Alat kontrol» semacam itu bisa jadi adalah orang yang menyalakan pemanas saat menjadi dingin dan mematikannya saat menjadi panas. Sudah pada level ini, sistem (bersama dengan wajah) adalah sistem kontrol loop tertutup, karena informasi tentang sinyal keluaran (suhu ruangan) digunakan untuk mengubah sinyal kontrol (menyalakan dan mematikan pemanas).

Termostat secara otomatis melakukan apa yang akan dilakukan manusia, yaitu menyalakan pemanas saat suhu turun di bawah titik setel dan mematikannya sebaliknya. Ada banyak sistem umpan balik lainnya, termasuk di mana pemrosesan sinyal dilakukan penggunaan perangkat elektronik.