Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики Сигналы

Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Сигналы.
Понятие обработки сигналов.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Под сигналом понимают переменный во времени
физический
развивающийся
процесс
в
линиях
(носитель
связи
и
информации),
обеспечивающий
передачу информации в согласованной форме.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Физический носитель информации - это процесс
(явление), одно или несколько свойств которого могут
принимать технически различимые значения. При этом
источник информации изменяет значения выбранных
свойств физического явления, а приемник информации
регистрирует их при воздействии помех.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
В
реальной
практике
используют
физические явления (носители информации):
•
электрические (напряжение, ток, заряд);
• магнитные;
• оптические;
• и др.
различные
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Форма представления информации есть соглашение
о вложении передаваемой информации в физический
носитель информации.
В общем случае изменение параметров физического
носителя
информации
в
физическом
непрерывно в пространстве и во времени.
макромире
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Если
при
построении
технических
устройств
информационной техники используют всю совокупность
значений того или иного параметра физического носителя
информации в некотором временном или амплитудном
интервале, то такая форма представления получила
название аналоговой.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
В отличие от нее если использовать для этой цели
лишь некоторые значения параметра, то такая форма
получила название дискретной или цифровой.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Параметр, функционально связанный с измеряемой
величиной, называется информативным.
Согласно информативному критерию сигналы делятся на:
• Детерминированные (колебания) p[s(t)]=1;
• Случайные p[s(t)]<1.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Сигналы
информативным
известной
формы,
параметром
но
неизвестным
называются
квазидетерминированными.
Шум - случайный сигнал, не несущий измерительной
информации.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Обработкой
сигналов
называется
последовательность операций над сигналом с целью
выделения информации из смеси сигнала и шума.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Классы сигналов и виды цепей
По структуре все сигналы разделяют на классы:
• Аналоговые (континуальные)
- произвольные по
величине и непрерывные по времени;
• Дискретные
-
произвольные
по
величине
и
величине
и
дискретные (выборочные) по времени;
• Квантованные
-
дискретные
по
непрерывные по времени;
• Цифровые - дискретные по величине и дискретные
(выборочные) по времени.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Цепи,
предназначенные для
соответствующего
аналоговых,
цифровых.
обработки
класса сигналов, получили названия
дискретных
по
времени,
квантованных
и
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Аналоговые цепи по виду дифференциальных
уравнений процессы в них, подразделяются на:
1. Линейные с постоянными во времени параметрами
(времяинвариантные);
2. Линейные с переменными во времени параметрами
(времявариантные);
3. Нелинейные.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Цепь линейна, если:
Величины, описывающие элементы цепи, не зависят
от уровня воздействия; Справедлив принцип суперпозиции:
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Цепь 1.
Содержит элементы, величины которых постоянны
во времени, то оператор L задается дифференциальными
уравнениями
с
постоянными
коэффициентами.
При
воздействии на них сигнала в цепи не возникает колебаний
новых частот, т. е. исходный спектр сигнала не обогащается
новыми гармониками.
Пример. Сопротивление R= const.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Цепь 2.
Содержит элементы, величины которых переменны
во времени, то оператор L задается дифференциальными
уравнениями
сигнала
с
переменными
обогащается
коэффициентами.
новыми
Спектр
гармоническими
составляющими, но его состав не зависит от уровня
(величины) электрического воздействия.
Пример. Сопротивление R= r(t).
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Цепь 3.
Содержит элементы, параметры которых зависят от
уровня действующих в них электрических величин. Принцип
суперпозиции не справедлив. Спектр сигнала обогащается
новыми гармониками при изменении его уровня.
Пример. Сопротивление R= rd.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Аналоговые операции над сигналами.
Усиление, усилители,
усилительные устройства.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Операции по аналоговой обработке сигналов
• Умножение на постоянный множитель-Усиление;
• Арифметические действия;
• Интегрирование и дифференцирование;
• Функциональные
преобразование
(логарифмирование,
потенцирование, sin, cos и т.д.);
• Свертка и фильтрация;
• Выборка мгновенного значения, экстремума;
• Оценка параметров случайных величин.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Базовой
аналоговой
операцией
является
операция
усиления.
Усиление - процесс преобразования энергии некоторого
ее источника в результате воздействия на него сигнала.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Усилитель электрических сигналов - устройство,
позволяющее при наличии на его входе сигнала с
некоторым уровнем мощности получить на его выходной
нагрузке сигнал с большим уровнем мощности за счет
энергии источника питания.
Усилительное устройство - усилитель и источник
питания.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Усилитель как активный элемент электрической цепи
является активным четырехполюсником
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Классификация аналоговых электронных устройств.
Аналоговые
электронные
устройства
(АЭУ)-
это
устройства усиления и обработки аналоговых электрических
сигналов, выполненные на электронных приборах.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Усилители
1. Диапазон усиливаемых частот:
• Усилители постоянного тока УПТ: fн=0, fв>0;
• Усилители переменного тока: fн>0;
• Усилители низкой частоты УНЧ: fн>0, fв=20кГц;
• Широкополосные усилители: fв/fн>>1;
• Усилители высокой частоты УВЧ: fв/fн=1.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
2. Форма усиливаемых сигналов:
• Усилители гармонических сигналов;
• Усилители импульсные.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
3. Назначение усилителя
• Усилители напряжения: Rи<<Rвх, Rвых<<Rн;
• Усилители тока: Rи>>Rвх, Rвых>>Rн;
• Усилители мощности: Rи=Rвх, Rвых=Rн.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
4. Тип активных элементов:
• ламповые;
• транзисторные, ИМС( интегральные микросхемы);
• диэлектрические;
• магнитные.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Устройства на основе усилителей.
1. Активные устройства АОС:
- суммирования;
- вычитания;
- перемножения;
- деления;
- интегрирования;
- дифференцирования;
- логарифмирования;
- потенцирования;
- сравнения;
- фильтрация;
- детектирования;
- выборки и хранения;
- временной фильтрации и т.д.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
2. Преобразователи сопротивления:
•
величины;
•
знака;
•
характера сопротивления.
Пример. Классификация усилителей фирмы Analog Devices.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Пример системы обработки сигналов - спектрометр.