Основы теории сигналов

Сигналы в электронных системах

Ключевые понятия раздела Задачи анализа сигналов при проектировании ЭПУ. Классификация сигналов: аналоговые, импульсные, дискретные, цифровые. Случайные сигналы, особенности их описания.

На начальной стадии развития электронные устройства выполняли функции измерения и регистрации результатов, по мере совершенствования элементной базы и повышения ее надежности область применения стала включать в себя автоматизированные (с участием человека) и полностью автоматические управляющие системы. Одна из первых и важнейших задач управления — регулирование состояния объектов. Регулирование включает в себя последовательность операций, основными из которых являются:

Рис. 1. Последовательность операций управления

• получение сведений о состоянии объекта или процесса (измерение);
• получение извне командных воздействий, определяющих требуемое состояние объекта или процесса (задающее воздействие);
• обработка полученных сигналов с целью выработки наиболее эффективного управляющего воздействия;
• формирование управляющих воздействий, которые с помощью исполнительных органов изменяют состояние объекта.

За последние годы способы управления, аппаратура и подход разработчика к созданию автоматов существенно изменились, что связано с цифровым представлением информации и про-граммной реализацией алгоритмов. Это стало возможным благодаря интенсивному развитию микроэлектроники, приведшему к увеличению количества электронных компонентов на единицу площади кристалла. Что, в свою очередь, позволило разместить вычислитель плюс контроллер на одном кристалле полупроводника, заключенном в единый корпус. Такая интегральная схема и называется микропроцессором. Основные изменения в проектировании электроных систем состоят в следующем:

• наиболее существенные операции над сигналами производятся после представления их в форме двоичных многоразрядных чисел;
• вместо линейных преобразований над аналоговыми (непрерывными во времени) сигналами стали использоваться конечно-разностные преобразования (цифровое управление);
• произошла централизация функций: вместо нескольких управляющих устройств для сложного объекта может использоваться один процессор, поочередно выполняющий их функции в режиме разделения времени;
• вследствие этого усилилось внимание к алгоритмической стороне управления (то есть к написанию эффективного и надежного программного обеспечения);
• усиление внимание к созданию встроенных средств самодиагностики устройств.

Задачи, решаемые в процессе проектирования электронных систем

На начальной стадии проектирования электронной системы (ЭС) обычно решаются задачи сбора и первичной обработки информации. Полезная информация об управляемом процессе содержится в первичных сигналах датчиков. Эти сигналы, как правило, искажены помехами и ошибками измерения. Основные задачи первичной обработки сигналов:

• вычисление и преобразование спектров сигналов, например, для правильного выбора ха-рактеристик квантования аналоговых сигналов (частота и число уровней квантования);
• нормализация, усиление или ослабление сигналов;
• предварительная цифровая или аналоговая фильтрация сигналов с целью выделения из них полезной составляющей, используемой на последующих этапах обработки;
• квантование аналоговых сигналов по времени и уровню.

На последующих стадиях проектирования решаются задачи измерения и обработки информации об управляемом процессе. Можно выделить следующие типичные задачи:

• определение текущих параметров измеряемых процессов (например, скоростей и ускорений их протекания);
• прогнозирование хода управляемых процессов, кодирование;
• цифроаналоговые преобразования и т. д.

Таким образом, электронные устройства управления и контроля связаны с преобразованием и обработкой информации.

Информацией называется совокупность каких-либо сведений об изучаемом процессе (объекте), являющаяся объектом передачи, распределения, преобразования, хранения или непосред-ственного использования. Информация в процессе взаимодействия с ЭС с целью управления некоторым объектом проходит несколько фаз. Восприятие состоит в том, что формируется образ объекта, производятся его опознание и оценка. В результате восприятия получается сигнал в форме, удобной для передачи или обработки. В фазу восприятия могут включаться операции подготовки информации, ее нормализации, квантования, кодирования, модуляции сигналов и построения моделей.

Передача информации состоит в переносе ее на расстояние посредством сигналов различной физической природы соответственно по механическим, гидравлическим, пневматическим, акустическим, оптическим, электрическим или электромагнитным каналам. Прием информации на другой стороне канала имеет характер вторичного восприятия со свойственными ему операциями борьбы с шумами. Обработка информации заключается в решении задач, связанных c преобразованием информации, независимо от их функционального назначения. Применение ЭВМ обобщает и централизует функции обработки, имеющие отношение главным образом к моделям ситуации и принятию решений при управлении. Обработка производится при помощи устройств или машин, осу-ществляющих аналоговые или цифровые преобразования поступающих величин и функций. Промежуточным этапом обработки может быть хранение в запоминающих устройствах. Извлечение информации из запоминающих устройств также имеет характер восприятия и связано с борьбой с помехами.

Представление (или отображение) информации требуется тогда, когда в цикле обращения информации принимает участие человек. Оно заключается в демонстрации перед человеком условных изображений, содержащих качественные и количественные характеристики выходной информации. Для этого используются устройства, способные воздействовать на органы чувств человека.

Из устройства обработки информация может выводиться не только оператору, но и непо-средственно для формирования воздействия на объект управления. Воздействие состоит в том, что сигналы, несущие информацию, производят регулирующие или защитные действия, вызывая изменения в самом объекте. Не все информационные системы замкнуты. Существуют и разомкнутые системы, в кото-рых информация передается от источника к приемнику или потребителю. Активное воздействие на отбираемую от источника информацию может оказывать либо сам источник, либо потребитель. Часть системы, оказывающую активное воздействие на ее работу, называют субъектом, а пассивную — объектом.

Объект как источник информации неисчерпаем. Но подавляющая часть потоков информа-ции отображающих его состоянии рассеивается и только небольшая часть, отвечающая потребности и определяемая принятым в информационной системе языком, ответвляется к приемнику в виде параметров наблюдения.

Классификация сигналов

Источник информации обладает способностью изменять во времени или пространстве свое состояние. Источником информации могут быть различные физические величины и процессы, например: ЭДС термопары (величина), ток фотодиода (фототранзистора), напряжение тензодатчика, горение сигнальной лампы и т. д. Сведения о состоянии источника называются сообщениями. Для их передачи используются сигналы, которые по имеющимся каналам поступают к приемнику сообщения.

Рис. 2. Классификация сигналов

Таким образом, сигналом называется физический процесс, параметры которого содержат информацию (сообщение) и который пригоден для обработки и передачи на расстояние. Одно и то же сообщение может быть передано разными сигналами. Сигнал может быть электрическим, акустическим, оптическим и др. - в зависимости от свойств источника, приемника и среды, в которой передается сообщение. Основное внимание будем уделять электрическим сигналам, хотя все чаще применяются устройства, в которых сообщения передаются некоторым набором сигналов, например, в оптроне электрический сигнал на входе превращается в световое излучение, которое затем подвергается обратному преобразованию. При всех преобразованиях сигнала сохраняется содержащаяся в нем информация, хотя некоторые потери ее возможны (искажения, появление шумов и других видов помех).

Так как сообщение предполагает изменение состояния источника, сигнал также должен иметь какой-то один или группу параметров, подвергающихся изменению, модуляции. Сигнал, в котором ничего не меняется, не может нести информации.

Классификация сигналов по различным признакам приведена на рис. 2.

Спектральное представление сигналов