Como funciona o processamento de sinal

O que é um sinal?

Um sinal é qualquer variável física cujo valor ou sua mudança ao longo do tempo contém informações. Essas informações podem estar relacionadas à fala e à música ou a quantidades físicas, como temperatura do ar ou luz ambiente. As variáveis ​​físicas que podem transportar informações em sistemas elétricos são tensão e corrente.

Neste artigo, por "sinais" entendemos principalmente tensão ou corrente. No entanto, a maioria dos conceitos discutidos aqui permanecem válidos para sistemas nos quais outras variáveis ​​podem ser portadoras de informações. Assim, o comportamento de um sistema mecânico (variáveis ​​– força e velocidade) ou de um sistema hidráulico (variáveis ​​– pressão e vazão) pode muitas vezes ser representado por um sistema elétrico equivalente, ou como se diz, simulado. Portanto, a compreensão do comportamento dos sistemas elétricos fornece uma base para a compreensão de uma gama muito mais ampla de fenômenos.

Sinais analógicos e digitais

Um sinal pode transportar informações de duas formas. Sinal analógico carrega informações na forma de uma mudança contínua no tempo de tensão ou corrente. Um exemplo de sinal analógico é a tensão gerada por na junção do termoparem diferentes temperaturas. Quando a diferença de temperatura entre as junções muda, a tensão nos termopares muda. Assim, a tensão fornece uma representação analógica da diferença de temperatura.

Par termoelétrico — um composto de dois metais diferentes, como cobre e constantan. A tensão gerada pelas duas junções é usada para medir a diferença de temperatura entre elas.

É outro tipo de sinal sinal digital… Pode levar valores em dois campos separados. Esses sinais são usados ​​para representar informações de ligado/desligado ou sim-não.

Por exemplo, um termostato doméstico gera um sinal digital para controlar um aquecedor. Quando a temperatura ambiente cai abaixo de um valor predefinido, o interruptor do termostato fecha os contatos e liga o aquecedor. Quando a temperatura ambiente estiver alta o suficiente, o interruptor desliga o aquecedor. A corrente através do interruptor fornece uma representação digital da mudança de temperatura: ligado é muito frio e desligado é muito quente.

Arroz. 1. Sinais analógicos e digitais

Sistema de processamento de sinal

Um sistema de processamento de sinais é um conjunto de componentes e dispositivos interconectados que podem aceitar um sinal de entrada (ou grupo de sinais de entrada), atuar sobre os sinais de uma maneira específica para extrair informações ou melhorar sua qualidade e apresentar informações na saída do forma adequada e no momento adequado.

Muitos sinais elétricos em sistemas físicos são gerados por dispositivos chamados sensores… Já descrevemos um exemplo de sensor analógico — um termopar. Ele converte a diferença de temperatura (uma variável física) em uma tensão (uma variável elétrica). Geralmente sensor — um dispositivo que converte uma quantidade física ou mecânica em uma tensão equivalente ou sinal de corrente. No entanto, ao contrário de um termopar, a maioria dos sensores requer alguma forma de excitação elétrica para operar.

A seleção dos sinais na saída do sistema pode ser feita de várias formas, dependendo de como serão utilizadas as informações contidas nos sinais de entrada. As informações podem ser exibidas tanto na forma analógica (usando, por exemplo, um dispositivo em que a posição da seta indica o valor da variável de interesse) quanto na forma digital (usando um sistema de elementos digitais no display que mostra um número correspondente ao valor dos juros para nós).

Outras possibilidades são converter os sinais de saída em energia sonora (alto-falante), usá-los como sinais de entrada para outro sistema ou usá-los para controle. Vejamos alguns exemplos para ilustrar alguns desses casos.

Sistema de comunicação

Considere um sistema de comunicação cujos sinais de entrada podem ser fala, música ou algum tipo de dado que é produzido em um local e transmitido de forma confiável por longas distâncias para recuperar com precisão o sinal de entrada original lá.

Como exemplo, a FIG. 2 é um diagrama esquemático de um sistema de transmissão de modulação de amplitude (AM) convencional.Na modulação AM, a amplitude (pico a pico) do sinal de radiofrequência muda de acordo com a magnitude do sinal de baixa frequência (o sinal de áudio correspondente às frequências sonoras).

Arroz. 2. Sistema de comunicação de transmissão com modulação de amplitude

O transmissor de um sistema de transmissão de rádio AM capta o sinal de entrada de um dispositivo de entrada (microfone), usa esse sinal para controlar a amplitude do sinal de radiofrequência (cada estação de rádio tem sua própria radiofrequência específica) e a corrente de radiofrequência aciona o dispositivo de saída (antena) que produz ondas eletromagnéticas que são emitidas para o espaço.

O sistema receptor consiste em um dispositivo de entrada (antena), um processador (receptor) e um dispositivo de saída (alto-falante). O receptor amplifica (torna mais forte) o sinal relativamente fraco recebido da antena, seleciona o sinal da frequência de rádio desejada dos sinais de todos os outros transmissores, reconstrói o sinal de áudio com base na mudança na amplitude do sinal de frequência de rádio e excita o alto-falante com este sinal de áudio.

Sistema de medida

A tarefa do sistema de medição é receber informações dos sensores relevantes sobre o comportamento de um determinado sistema físico e registrar essas informações. Um exemplo de tal sistema é um termômetro digital (Fig. 3).

Arroz. 3. Diagrama funcional de um termômetro digital

Duas conexões de termopares – uma em contato térmico com o corpo cuja temperatura será medida, a outra imersa em um recipiente com gelo (para obter um ponto de referência estável) – geram uma tensão que depende da diferença de temperatura entre o corpo e o gelo . Esta tensão é alimentada no processador.

Como a tensão do termopar não é exatamente proporcional à diferença de temperatura, uma pequena correção é necessária para obter uma proporcionalidade estrita. Correção em andamento dispositivo de linearização… A tensão analógica do termopar é primeiro amplificada (ou seja, produz mais), depois linearizada e digitalizada. Por fim, aparece no registro do display digital utilizado como dispositivo de saída do termômetro.

Se a principal tarefa do sistema de comunicação é transmitir uma cópia correta do sinal de origem, então a principal tarefa do sistema de medição é obter dados numericamente corretos. Portanto, deve-se esperar que a detecção e eliminação até mesmo de pequenos erros que possam distorcer o sinal em qualquer estágio de seu processamento sejam de particular importância para os sistemas de medição.

Sistema de controle de feedback

Considere agora um sistema de controle realimentado no qual as informações na saída alteram os sinais que controlam o sistema.

A Fig.4 mostra um diagrama de um termostato usado para manter a temperatura ambiente. O sistema contém um dispositivo de entrada para determinar a temperatura ambiente (geralmente este tira bimetálicaque flexiona quando a temperatura muda), um mecanismo para ajustar a temperatura desejada (disco principal) e interruptores mecânicos acionados por um relé bimetálico e controlam o aquecedor.

Arroz. 4. Exemplo de sistema de controle em malha fechada

Usando este sistema simples como exemplo, que na verdade não contém nenhum elemento elétrico além de um interruptor, considere conceito de feedback… Suponha que a linha de feedback na Fig.3 está quebrado, ou seja, não há mecanismos para ligar e desligar o aquecedor. Então a temperatura na sala aumentará para um certo máximo (correspondente à inclusão constante do aquecedor) ou cairá para um certo mínimo (correspondente ao fato de o aquecedor estar desligado o tempo todo).

Suponha que esteja muito quente na temperatura máxima e muito frio na temperatura mínima. Neste caso, algum «dispositivo de controle» deve ser fornecido para ligar e desligar o aquecedor.

Tal “dispositivo de controle” poderia ser uma pessoa que liga o aquecedor quando esfria e desliga quando fica quente. Já nesse nível, o sistema (junto com a face) é um sistema de controle em malha fechada, pois as informações do sinal de saída (temperatura ambiente) são utilizadas para alterar os sinais de controle (ligar e desligar o aquecedor).

O termostato faz automaticamente o que um ser humano faria, que é ligar o aquecedor quando a temperatura cair abaixo do ponto de ajuste e desligá-lo caso contrário. Existem muitos outros sistemas de feedback, incluindo aqueles em que o processamento de sinal é realizado uso de aparelhos eletrônicos.