信号处理的工作原理

什么是信号？

信号是任何物理变量，其值或其随时间的变化包含信息。此信息可能与语音和音乐有关，也可能与空气温度或室内光线等物理量有关。电气系统中可以承载信息的物理变量有 电压和电流.

在本文中，“信号”主要是指电压或电流。然而，这里讨论的大多数概念对于其他变量可以作为信息载体的系统仍然有效。因此，机械系统（变量——力和速度）或液压系统（变量——压力和流量）的行为通常可以用等效的电气系统来表示，或者正如所说，模拟。因此，了解电气系统的行为为了解更广泛的现象提供了基础。

模拟和数字信号

信号可以以两种形式携带信息。 模拟信号 以电压或电流随时间连续变化的形式携带信息。模拟信号的一个例子是产生的电压 在热电偶结在不同的温度下。当结点之间的温差发生变化时，热电偶两端的电压也会发生变化。因此，电压给出了温差的模拟表示。

热电偶 — 两种不同金属的化合物，例如铜和康铜。两个结点产生的电压用于测量它们之间的温差。

这是另一种信号 数字信号...它可以在两个单独的字段中取值。这些信号用于表示开/关或是-否信息。

例如，家用恒温器产生数字信号来控制加热器。当室温低于预设值时，恒温器开关闭合触点并打开加热器。一旦室温足够高，开关就会关闭加热器。通过开关的电流给出了温度变化的数字表示：打开时太冷，关闭时太热。

米。 1.模拟信号和数字信号

信号处理系统

信号处理系统是一组相互连接的组件和设备，它们可以接受一个输入信号（或一组输入信号），以特定方式作用于信号以提取信息或提高其质量，并在输出端呈现信息适当的形式和适当的时间。

物理系统中的许多电信号是由称为 传感器……我们已经描述了一个模拟传感器的例子——热电偶。它将温差（物理变量）转换为电压（电变量）。一般来说 传感器——将物理量或机械量转换成等效电压或电流信号的装置。 然而，与热电偶不同，大多数传感器需要某种形式的电激励才能工作。

系统输出端的信号选择可以多种形式完成，具体取决于输入信号中包含的信息将如何使用。信息可以以模拟形式（例如，使用箭头位置指示感兴趣变量值的设备）或数字形式（使用显示器上显示数字的数字元素系统）显示对应于我们的利益价值）。

其他可能性是将输出信号转换为声能（扬声器），将它们用作另一个系统的输入信号，或将它们用于控制。让我们看一些例子来说明其中的一些情况。

通讯系统

考虑一个通信系统，其输入信号可能是语音、音乐或某种在一个位置产生并可靠地远距离传输的数据，以准确地恢复原始输入信号。

作为一个例子，图。图2是传统调幅(AM)广播系统的示意图。在 AM 调制中，射频信号的振幅（峰峰值）根据低频信号（与声音频率对应的音频信号）的大小而变化。

米。 2.调幅广播通信系统

AM无线电广播系统的发射机从输入设备（麦克风）接收输入信号，利用该信号控制射频信号的幅度（每个电台都有自己特定的射频），以及射频电流驱动输出设备（天线）产生发射到太空的电磁波。

接收系统由输入设备（天线）、处理器（接收器）和输出设备（扬声器）组成。接收器放大（变强）从天线接收到的相对较弱的信号，从所有其他发射器的信号中选择所需射频的信号，根据射频信号幅度的变化重构音频信号，并用这个音频信号激发扬声器。

测量系统

测量系统的任务是从相关传感器接收有关特定物理系统行为的信息并记录此信息。这种系统的一个例子是数字温度计（图 3）。

米。 3. 数字体温计功能图

两个热电偶连接——一个与要测量温度的身体热接触，另一个浸入冰容器中（以获得稳定的参考点）——产生的电压取决于身体和冰之间的温差.该电压被馈入处理器。

由于热电偶电压与温差不完全成比例，因此需要进行小的修正以获得严格的比例关系。更正中 线性化装置… 来自热电偶的模拟电压首先被放大（即放大），然后线性化和数字化。最后出现在数字显示寄存器中，作为温度计的输出设备。

如果通信系统的主要任务是传输源信号的正确副本，那么测量系统的主要任务就是获得数值正确的数据。因此，可以预期，即使是在信号处理的任何阶段都可能使信号失真的微小误差的检测和消除，对于测量系统来说也特别重要。

反馈控制系统

现在考虑一个反馈控制系统，其中输出端的信息会改变控制系统的信号。

图 4 显示了用于保持室温的恒温器的示意图。该系统包含一个用于确定室温的输入设备（通常是这个 双金属片当温度变化时会弯曲），用于设置所需温度的机制（主刻度盘）和由双金属继电器启动并控制加热器的机械开关。

米。 4. 闭环控制系统示例

以这个简单的系统为例，它实际上不包含除开关之外的任何电气元件，请考虑 反馈概念……假设图 1 中的反馈线。3 损坏，即没有打开和关闭加热器的机制。然后房间内的温度要么上升到某个最大值（对应于加热器的恒定包含），要么下降到某个最小值（对应于加热器一直关闭的事实）。

假设最高温度太热，最低温度太冷。在这种情况下，必须提供一些“控制装置”来打开和关闭加热器。

这样的“控制装置”可以是一个人，当它变冷时打开加热器，当它变热时关闭它。在此级别上，系统（连同面部）是一个闭环控制系统，因为有关输出信号（室温）的信息用于更改控制信号（打开和关闭加热器）。

恒温器会自动执行人类会做的事情，即当温度低于设定值时打开加热器，否则将其关闭。还有许多其他反馈系统，包括执行信号处理的系统 使用电子设备.