信号処理の仕組み

信号とは何ですか?

信号とは、その値または時間の経過に伴う変化に情報が含まれる物理変数です。この情報は、音声や音楽、または気温や室内光などの物理量に関連する場合があります。電気システム内で情報を伝達できる物理変数は次のとおりです。 電圧と電流.

この記事では、「信号」とは主に電圧または電流を意味します。ただし、ここで説明する概念のほとんどは、他の変数が情報媒体となり得るシステムに対しても有効です。したがって、機械システム (変数 - 力と速度) または油圧システム (変数 - 圧力と流量) の動作は、多くの場合、同等の電気システムで表すことができ、言わばシミュレーションすることができます。したがって、電気システムの動作を理解することは、より広範囲の現象を理解するための基礎となります。

アナログ信号とデジタル信号

信号は 2 つの形式で情報を運ぶことができます。 アナログ信号 電圧または電流の連続的な時間変化の形で情報を伝えます。アナログ信号の例としては、次のように生成される電圧があります。 熱電対接合部で異なる温度で。接合部間の温度差が変化すると、熱電対間の電圧が変化します。したがって、電圧は温度差のアナログ表現を示します。

熱電対 — 銅とコンスタンタンなど、2 つの異なる金属の化合物。 2 つの接合部によって生成される電圧は、それらの間の温度差を測定するために使用されます。

それは別の種類の信号です デジタル信号… 2 つの別々のフィールドで値を受け取ることができます。このような信号は、オン/オフまたははい/いいえ情報を表すために使用されます。

たとえば、家庭用サーモスタットはデジタル信号を生成してヒーターを制御します。室温が設定値を下回ると、サーモスタットスイッチが接点を閉じてヒーターをオンにします。室温が十分に高くなると、スイッチがヒーターをオフにします。スイッチを流れる電流は、温度変化をデジタル表示します。オンでは寒すぎ、オフでは暖かすぎます。

米。 1. アナログ信号とデジタル信号

信号処理系

信号処理システムは、入力信号 (または入力信号のグループ) を受け入れ、特定の方法で信号に作用して情報を抽出したり、その品質を向上させたり、出力で情報を提示したりできる、相互接続されたコンポーネントとデバイスのセットです。適切な形で、適切なタイミングで。

物理システム内の多くの電気信号は、と呼ばれるデバイスによって生成されます。 センサー… アナログセンサー、熱電対の例についてはすでに説明しました。温度差（物理量）を電圧（電気量）に変換します。一般的 センサー — 物理量または機械量を同等の電圧または電流信号に変換するデバイス。 ただし、熱電対とは異なり、ほとんどのセンサーは動作するために何らかの形式の電気励起を必要とします。

システムの出力における信号の選択は、入力信号に含まれる情報がどのように使用されるかに応じて、さまざまな形式で行うことができます。情報は、アナログ形式 (たとえば、矢印の位置が対象の変数の値を示すデバイスを使用) またはデジタル形式 (ディスプレイ上の数値を表示するデジタル要素のシステムを使用) で表示できます。当社に対する利息の価値に相当します）。

他の可能性としては、出力信号を音エネルギー (スピーカー) に変換したり、別のシステムの入力信号として使用したり、制御に使用したりすることです。これらのケースのいくつかを説明するために、いくつかの例を見てみましょう。

通信システム

入力信号が音声、音楽、またはある種のデータである通信システムを考えてみましょう。これらのデータは 1 つの場所で生成され、長距離にわたって確実に送信され、そこで元の入力信号を正確に復元します。

一例として、図２に示す。図２は、従来の振幅変調（ＡＭ）放送システムの概略図である。AM変調では、低周波信号（音の周波数に相当するオーディオ信号）の大きさに応じて、無線周波数信号の振幅（ピークツーピーク）が変化します。

米。 2. 振幅変調を用いた放送通信システム

AM ラジオ放送システムの送信機は、入力デバイス (マイク) からの入力信号を受信し、この信号を使用して無線周波数信号 (各ラジオ局には独自の特定の無線周波数があります) の振幅と、無線周波数電流を制御します。空間に放射される電磁波を生成する出力デバイス (アンテナ) を駆動します。

受信システムは、入力デバイス (アンテナ)、プロセッサ (受信機)、出力デバイス (スピーカー) で構成されます。受信機はアンテナから受信した比較的弱い信号を増幅（強く）し、他のすべての送信機の信号から目的の無線周波数の信号を選択し、無線周波数信号の振幅の変化に基づいてオーディオ信号を再構築します。このオーディオ信号でスピーカーを励起します。

測定システム

測定システムのタスクは、特定の物理システムの動作に関する関連センサーからの情報を受信し、この情報を登録することです。このようなシステムの例としては、デジタル温度計があります (図 3)。

米。 3.デジタル体温計の機能図

2 つの熱電対接続 (1 つは温度を測定する物体と熱的に接触し、もう 1 つは (安定した基準点を得るために) 氷の入った容器に浸されています) - 物体と氷の間の温度差に応じた電圧を生成します。 。この電圧はプロセッサに供給されます。

熱電対の電圧は温度差に正確に比例しないため、厳密な比例関係を得るにはわずかな補正が必要です。修正中です 線形化装置… 熱電対からのアナログ電圧は最初に増幅され（つまり、さらに増幅され）、次に線形化されてデジタル化されます。最後に、温度計の出力デバイスとして使用されるデジタル表示レジスタに表示されます。

通信システムの主なタスクがソース信号の正しいコピーを送信することである場合、測定システムの主なタスクは数値的に正しいデータを取得することです。したがって、処理のどの段階でも信号を歪める可能性のある小さなエラーさえも検出して除去することが、測定システムにとって特に重要になることが予想されます。

フィードバック制御システム

ここで、出力の情報によってシステムを制御する信号が変化するフィードバック制御システムについて考えてみましょう。

図4は、室温を維持するために使用されるサーモスタットの図を示しています。システムには、室温を決定するための入力デバイスが含まれています (通常、これは バイメタルストリップ温度が変化すると曲がる）、希望の温度を設定するための機構（メインダイヤル）、およびバイメタルリレーによって作動しヒーターを制御するメカニカルスイッチ。

米。 4. 閉ループ制御システムの例

実際にはスイッチ以外の電気要素を含まないこの単純なシステムを例として使用して、次のことを考えてみましょう。 フィードバックの概念…図のフィードバックラインがあると仮定します。3は壊れています。つまり、ヒーターをオン/オフする機構がありません。その後、部屋の温度は特定の最大値（ヒーターを常に使用していることに対応）まで上昇するか、または特定の最低値（ヒーターが常にオフであるという事実に対応）まで低下します。

最高温度では暑すぎ、最低温度では寒すぎるとします。この場合、ヒーターのオンとオフを切り替えるために何らかの「制御装置」を用意する必要があります。

そのような「制御装置」とは、寒くなったらヒーターをオンにし、暑くなったらヒーターをオフにする人である可能性があります。すでにこのレベルでは、出力信号 (室温) に関する情報が制御信号の変更 (ヒーターのオン/オフ) に使用されるため、システム (フェイスも含めて) は閉ループ制御システムになります。

サーモスタットは、温度が設定値を下回った場合にヒーターをオンにし、それ以外の場合はオフにするという人間の動作を自動的に実行します。信号処理を行うものなど、他にも多くのフィードバック システムがあります。 電子機器の使用.