Comment fonctionne le traitement du signal

Qu'est-ce qu'un signal ?

Un signal est une grandeur physique dont la valeur ou son évolution dans le temps contient une information. Ces informations peuvent concerner la parole et la musique, ou des grandeurs physiques telles que la température de l'air ou la lumière ambiante. Les variables physiques qui peuvent transporter des informations dans les systèmes électriques sont tension et courant.

Dans cet article, par "signaux", nous entendons principalement la tension ou le courant. Cependant, la plupart des concepts discutés ici restent valables pour des systèmes dans lesquels d'autres variables peuvent être porteuses d'informations. Ainsi, le comportement d'un système mécanique (variables - force et vitesse) ou d'un système hydraulique (variables - pression et débit) peut souvent être représenté par un système électrique équivalent, ou comme on dit, simulé. Par conséquent, la compréhension du comportement des systèmes électriques fournit une base pour comprendre un éventail beaucoup plus large de phénomènes.

Signaux analogiques et numériques

Un signal peut transporter des informations sous deux formes. Signal analogique transporte des informations sous la forme d'un changement continu dans le temps de la tension ou du courant. Un exemple de signal analogique est la tension générée par à la jonction thermocoupleà différentes températures. Lorsque la différence de température entre les jonctions change, la tension aux bornes des thermocouples change. Ainsi, la tension donne une représentation analogique de la différence de température.

Thermocouple — un composé de deux métaux dissemblables, tels que le cuivre et le constantan. La tension générée par les deux jonctions est utilisée pour mesurer la différence de température entre elles.

C'est un autre type de signal signal numérique… Il peut prendre des valeurs dans deux champs distincts. De tels signaux sont utilisés pour représenter des informations marche/arrêt ou oui-non.

Par exemple, un thermostat domestique génère un signal numérique pour contrôler un radiateur. Lorsque la température ambiante descend en dessous d'une valeur prédéfinie, l'interrupteur du thermostat ferme les contacts et allume le chauffage. Une fois que la température ambiante est suffisamment élevée, l'interrupteur éteint le chauffage. Le courant traversant l'interrupteur donne une représentation numérique du changement de température : on est trop froid et off est trop chaud.

Riz. 1. Signaux analogiques et numériques

Système de traitement du signal

Un système de traitement du signal est un ensemble de composants et de dispositifs interconnectés qui peuvent accepter un signal d'entrée (ou un groupe de signaux d'entrée), agir sur les signaux d'une manière spécifique pour extraire des informations ou améliorer leur qualité, et présenter des informations à la sortie dans le forme appropriée et au moment opportun.

De nombreux signaux électriques dans les systèmes physiques sont générés par des dispositifs appelés capteurs… Nous avons déjà décrit un exemple de capteur analogique — un thermocouple. Il convertit la différence de température (une grandeur physique) en une tension (une grandeur électrique). En général capteur — un appareil qui convertit une grandeur physique ou mécanique en un signal de tension ou de courant équivalent. Cependant, contrairement à un thermocouple, la plupart des capteurs nécessitent une certaine forme d'excitation électrique pour fonctionner.

La sélection des signaux en sortie du système peut se faire sous différentes formes, selon l'utilisation qui sera faite des informations contenues dans les signaux d'entrée. Les informations peuvent être affichées soit sous forme analogique (à l'aide, par exemple, d'un appareil dans lequel la position de la flèche indique la valeur de la variable d'intérêt) soit sous forme numérique (à l'aide d'un système d'éléments numériques sur l'affichage qui affiche un nombre correspondant à la valeur de l'intérêt pour nous).

D'autres possibilités consistent à convertir les signaux de sortie en énergie sonore (haut-parleur), à les utiliser comme signaux d'entrée pour un autre système ou à les utiliser pour le contrôle. Examinons quelques exemples pour illustrer certains de ces cas.

Système de communication

Considérez un système de communication dont les signaux d'entrée peuvent être de la parole, de la musique ou un type de données produites à un endroit et transmises de manière fiable sur de longues distances pour y récupérer avec précision le signal d'entrée d'origine.

A titre d'exemple, la Fig. 2 est un diagramme schématique d'un système de diffusion à modulation d'amplitude (AM) classique.Dans la modulation AM, l'amplitude (crête à crête) du signal de radiofréquence change en fonction de l'amplitude du signal basse fréquence (le signal audio correspondant aux fréquences sonores).

Riz. 2. Système de communication de diffusion avec modulation d'amplitude

L'émetteur d'un système de radiodiffusion AM capte le signal d'entrée d'un périphérique d'entrée (microphone), utilise ce signal pour contrôler l'amplitude du signal de radiofréquence (chaque station de radio a sa propre fréquence radio spécifique) et le courant de radiofréquence pilote le dispositif de sortie (antenne) qui produit des ondes électromagnétiques qui sont émises dans l'espace.

Le système de réception se compose d'un dispositif d'entrée (antenne), d'un processeur (récepteur) et d'un dispositif de sortie (haut-parleur). Le récepteur amplifie (rend plus fort) le signal relativement faible reçu de l'antenne, sélectionne le signal de la radiofréquence souhaitée parmi les signaux de tous les autres émetteurs, reconstruit le signal audio en fonction du changement d'amplitude du signal de radiofréquence, et excite le haut-parleur avec ce signal audio.

Système de mesure

La tâche du système de mesure est de recevoir des informations des capteurs concernés sur le comportement d'un certain système physique et d'enregistrer ces informations. Un exemple d'un tel système est un thermomètre numérique (Fig. 3).

Riz. 3. Schéma fonctionnel d'un thermomètre numérique

Deux connexions thermocouples - l'une en contact thermique avec le corps dont on veut mesurer la température, l'autre immergée dans un récipient de glace (pour obtenir un point de référence stable) - génèrent une tension qui dépend de la différence de température entre le corps et la glace . Cette tension est injectée dans le processeur.

Comme la tension du thermocouple n'est pas exactement proportionnelle à la différence de température, une petite correction est nécessaire pour obtenir une stricte proportionnalité. Correction en cours dispositif de linéarisation… La tension analogique du thermocouple est d'abord amplifiée (c'est-à-dire en fait plus), puis linéarisée et numérisée. Enfin, il apparaît dans le registre d'affichage numérique utilisé comme dispositif de sortie du thermomètre.

Si la tâche principale du système de communication est de transmettre une copie correcte du signal source, alors la tâche principale du système de mesure est d'obtenir des données numériquement correctes. Par conséquent, il faut s'attendre à ce que la détection et l'élimination d'erreurs même petites qui peuvent déformer le signal à n'importe quelle étape de son traitement revêtent une importance particulière pour les systèmes de mesure.

Système de contrôle de rétroaction

Considérons maintenant un système de contrôle par rétroaction dans lequel les informations à la sortie modifient les signaux qui contrôlent le système.

La figure 4 montre un schéma d'un thermostat utilisé pour maintenir la température ambiante. Le système contient un dispositif d'entrée pour déterminer la température ambiante (généralement cette bande bi-métalqui fléchit lorsque la température change), un mécanisme de réglage de la température souhaitée (cadran principal) et des interrupteurs mécaniques actionnés par un relais bimétallique et contrôlant le chauffage.

Riz. 4. Exemple de système de contrôle en boucle fermée

En utilisant ce système simple comme exemple, qui ne contient en fait aucun élément électrique autre qu'un interrupteur, considérez notion de rétroaction… Supposons que la ligne de rétroaction de la Fig.3 est cassé, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de mécanismes pour allumer et éteindre le chauffage. Ensuite, la température dans la pièce augmentera jusqu'à un certain maximum (correspondant à l'inclusion constante de l'appareil de chauffage) ou tombera à un certain minimum (correspondant au fait que l'appareil de chauffage est éteint tout le temps).

Supposons qu'il fasse trop chaud à la température maximale et trop froid à la température minimale. Dans ce cas, un « dispositif de commande » doit être prévu pour allumer et éteindre le chauffage.

Un tel «dispositif de contrôle» pourrait être une personne qui allume le radiateur lorsqu'il fait froid et l'éteint lorsqu'il fait chaud. Déjà à ce niveau, le système (avec le visage) est un système de contrôle en boucle fermée, car les informations sur le signal de sortie (température ambiante) sont utilisées pour modifier les signaux de contrôle (allumer et éteindre le chauffage).

Le thermostat fait automatiquement ce qu'un humain ferait, c'est-à-dire allumer le radiateur lorsque la température descend en dessous du point de consigne et l'éteindre sinon. Il existe de nombreux autres systèmes de rétroaction, y compris ceux dans lesquels le traitement du signal est effectué utilisation d'appareils électroniques.