TEHNICI DE PRELUCRARE A SEMNALELOR - TPS

1. TEHNICI DE PRELUCRARE A SEMNALELOR - TPS

2. SEMNALE. PROCESAREA SEMNALELOR-CONSIDERATII GENERALE-DOMENII DE APLICABILITATE • Semnalele sunt parametrii electrici variabili in timp sau spatiu; (sunetul, imaginea, tensiunea electrica, camp magnetic, temperatura, forta, viteza); • Un semnal, poate fi definit, si ca o entitate purtatoare de informatii cu privire la prezenta sau evolutia unui sistem fizic; • Pot fi analogice sau digitale si pot fi generate de surse de cele mai diverse tipuri(biologice, chimice, acustice, mecanice, electrice etc); • Parametrii utilizati ca semnale in tehnica prelucrarii semnalelor: temperatura, viteza (turatia), presiunea, miscarea, vorbirea, tensiunea, curentul;

3. Exemple de SEMNALE. • Un semnal poate fi reprezentat matematicca o functie de timp si spatiu: f(t, x); t=variabila reala sau complexa si reprezinta timpul, iar x=spatiul; • Semnal electric: U=f(t); • Semnal acustic (vorbirea): P=f(t); P=presiunea acustica care apasa timpanul; • Semnal inregistrat pe banda magnetica: B=f(x), B=inductia magnetica, x=pozitia capului de citire pe banda; • Imaginea video: (R, G, B)=X, Y, t; R,G,B=compon. culorii unui pixel si X,Y=coordonatele pixelului

4. Clasificarea semnalelor • Exista mai multe criterii de clasificare; • Dupa natura continua sau discontinua a domeniului de definitie si a celui de valori; • Dupa apartenenta la acelasi proces (multicanal); • Dupa caracterul unidimensional sau multidimensional (2D, 3D); • Dupa caracterul aleatoriu sau predictibil; • Dupa caracteristici descrise matematic (masurabile, nemasurabile; de energie finita sau infinita);

5. Clasificarea semnalelor dupa natura domeniului de definitie al variabilei independente (timpul)

6. a) Semnale continue in timp continuu • Reprezinta semnalele care exista in toate momentele de timp in intervalul analizat si a caror amplitudine poate lua orice valoare reala in domeniul lor de val.; • Circuitele (partea hardware) care prelucreaza acest tip de semnal=circuite (sisteme) analogice; • Exemple de semnale analogice: • Semnale electrice: tensiune, curent, camp electric, camp magnetic; • Semnale mecanice: deplasare, viteza, unghi, viteza unghiulara, forte, cuplu, presiune; • Semnale fizico-chimice: temperatura, concentratie pH Pentru a putea fi prelucrate, aceste semnale trebuie convertite in marimi electrice cu ajutorul unor traductoare.

7. b) Semnale discrete in timp continuu • Reprezinta semnalele care exista in toate momentele de timp in intervalul de timp analizat, dar a caror amplitudine nu poate lua decat anumite valori din domeniul lor; • Ex: masuram o tensiune continua in timp continuu cu un voltmetru numeric al carui afisaj are un nr. dat de cifre:U=12,3V; • Operatia prin care un semnal continuu ajunge sa fie reprezentat cu un nr. finit de cifre sau un nr. finit de biti=discretizare;

8. c) Semnale continue in timp discret • Sunt semnale definite doar in anumite momente ale domeniului de definitie-timpul, dar a caror amplitudine poate lua orice valoare reala; • Practic semnalele discrete provin matematic din semnale continue in timp continuu, prin restrangerea domeniului de definitie; • Operatia prin care din semnalul continuu se iau doar anumite probe (esantioane) corespunzatoare unor valori discrete ale timpului=esantionare; • daca valorile discrete de timp se aleg echidistante, intervalul de timp dintre doua esantioane formeaza perioada de esantionare;

9. d) Semnale discrete in timp discret • Sunt semnale ce se obtin, din cele continue in timp continuu, prin esantionare in momente de timp bine definite, si apoi prin discretizarea valorii semnalului; • Semnalul va lua doar un nr. finit de valori si doar in anumite momente de timp; • Circuitele (partea hardware) care prelucreaza acest tip de semnale = circuite digitale; • Obtinerea semnalelor digitale se face pornind de la cele analogice, parcurgand etapele: esantionare, digitizare, codare; • Obs: Prin digitizare si esantionare se pierde o parte din informatia purtata de semnalul analogic initial;

10. SEMNALE ANALOGICE • Semnalele din lumea inconjuratoare, precum si majoritatea semnalelor produse de surse artificiale pot fi descrise prin f-ctii f(t), definite pt. toate valorile variabilei continue t. Aceste semnale sunt continue in timp; • Daca, in plus, f-ctia f(t) poate lua, pt. un anumit moment de timp, orice valoare intr-un domeniu continuu (limitat sau infinit), semnalul respectiv este un semnal analogic; • Majoritatea semnalelor sunt, in faza initiala, analogice (continue in timp) si sunt achizitionate cu ajutorul senzorilor / traductorilor si convertite in marimi electrice; • Semnalele analogice: semnale reale, care nu au fost prelucrate/digitizate;

11. SEMNALE. TIPURI de SEMNALE • Deoarece, orice semnal poate fi utilizat la procesarea semnalelor analogice, exista mai multe tipuri, frecvent utilizate, cum ar fi: semnal de tip impuls, treapta, rampa, sinusoidal, exponential etc; • Semnalul de tip impuls (functia Dirac) este definit ca un semnal ce are o amplitudine infinita si o latime f. ingusta; • Semnalul de tip treapta (atat in timp continuu-uc(t) cat si in timp discret-u[n]) este unul dintre cele mai importante semnale, si are amplitudinea zero, inainte de valoarea zero, si unu dupa valoarea zero;

12. SEMNALE ANALOGICE. Exemple-Reprezentare grafica • Exemple de semnale analogice: f(t)=sin(t), f(t)=exp(-t)

13. SEMNALE DISCRETE • In contrast cu semnalele analogice, exista o alta categorie de semnale, care sunt definite doar pt. valori discrete ale variabilei t. Astfel, variabila t poate lua valori intr-un domeniu discret (tk), k fiind indice intreg care poate lua si valori negative; • Semnalele discrete sunt acele semnale esantionate cu un anumit pas (pas de esantionare/discretizare), care functioneaza la diferite perioade de sampling, utilizand o anumita metoda de discretizare (trapezului-Tustin, metoda dreptunghiului, zoh etc); • Datorita faptului ca un semnal discret poate fi obtinut prin esantionarea unui semnal analogic, la anumite intervale de timp, poarta si denumirea de semnal analogic esantionat.

14. SEMNALE DISCRETE versus SEMNALE DIGITALE • Daca pe langa proprietatea de a fi semnal discret, un semnal mai are si proprietatea ca amplitudinea sa poate lua valori doar intr-un domeniu discret (xn), fiecarei valori din acest domeniu putandu-i-se atribui un cod (de regula nr. binar), acest semnal se numeste semnal digital; • Semnalele digitale sunt semnale in timp discret si cuantizate;

15. SEMNALE DIGITALE • Semnalele digitale, cu care se lucreaza in general in practica, au esantioanele egal distantate in timp (tk=kT), iar valorile discrete pe care le poate lua amplitudinea semnalului sunt, de asemenea, egal distantate intre ele, fiind multipli ale aceleasi cantitati de baza.

16. COMPARATIE SEMNALE ANALOGICE-SEMNALE DISCRETE • D.p.v. matematic semnalele analogice (in timp continuu) reprezinta nr. reale, in timp ce semnalele discrete sunt numere intregi; • Semnalele discrete sunt convertite din semnale continue, cu un anumit timp de esantionare, cu ajutorul DSP, ADC, circuite integrate(ASIC); • Deoarece, un semnal trebuie reprezentat ca o secventa de numere trebuie luata in considerare precizia. De aceea, fiecare nr. din secventa respectiva trebuie sa aibe un nr. finit de digiti.

17. O alta clasificare a semnalelor • Semnalele pot fi: deterministe si aleatoare; • Semnalele deterministe pot fi periodice si neperiodice; • Semnalele periodice: sinusoidale, pseudoaleatoare, sinusoidale compuse din frecvente armonice; • Semnalele neperiodice: cvasiperiodice(compuse din sinusoide ce nu au frecventele in relatie armonica) si tranzitorii;

18. Procesarea / Prelucrarea semnalelor • Reprezinta analiza, interpretarea si manipulareadatelor obtinute prin masuratori, convertite / transformate din marimi continue in timp; • Poate fi vazuta si ca un proces de transformare a functiei semnal in scopul extragerii sau pt. marirea cantitatii de informatii pe care le contine; • Procesarea semnalelor include: filtrarea, stocarea, refacerea(reconstructia), comprimarea(concentrarea) datelor, conversia(din vorbire in text), amplificarea, multiplexarea, modularea / demodularea semnalelor; separarea informatiilor de zgomot(Ex:termocuplele sau identificarea avioanelor pe radar).

19. Procesarea semnalelor analogice / numerice • Marea majoritate a sistemelor din natura precum si din unele procese tehnologice sunt de natura continua (analogice); • Semnalul analogic se propaga prin diferite echipamente (sisteme), de la IN la IE, suferind anumite conditionari, prelucrari denumite generic procesari analogice; • Procesarea numerica a semnalelor reprezinta prelucrarea cu ajutorul calculatorului prin operatii matematice (adunari, inmultiri, operatii logice) a semnalelor numerice avand ca scop atingerea unor obiective, specifice unui anumit domeniu de activitate;

20. Exemple. Schema bloc a unei prelucrari numerice de semnal • Exemple in: Comunicatii-codarea/decodarea sunetului in telefonie digitala;Conducerea automata a proceselor-pilotarea automata a avioanelor; Aplicatii legate de vorbire-filtrare, recunoasterea vorbirii; • Fata de schema bloc din fig. exista si alte alternative. De ex., daca procesarea se limiteaza doar la analiza unui semnal atunci datele numerice nu mai sunt reconvertite in semnale analogice, ci destinate exclusiv analizei si stocarii;

21. Structura hardware completa a unui sistem dedicat procesarii semnalelor

22. Exemplu de sistem de monitorizare si procesare a semnalelor

23. Procesele fizice sunt caracterizate prin mărimi fizice care pot fi transformate în semnale electrice (analogice) utilizând traductoare. Rezultă că, prin prelucrarea acestor semnale, se pot obţine informaţii despre procesele fizice. Prelucrarea semnalelor se poale realiza prin tehnici analogice sau numerice. Prelucrarea numerică presupune transformarea semnalelor analogice în semnale numerice cu un sistem de achiziţie de date.

24. Structura unui sistem care utilizează prelucrarea numerică pentru controlul unor procese fizice şi pentru memorarea şi redarea informaţiei.

25. În acest scop, semnalele electrice de la ieşirile traductoarelor sunt supuse unor prelucrări analogice iniţiale şi transformate în tensiuni electrice! Aceste funcţii sunt realizate cu circuite de condiţionare a semnalelor şi constau în: divizare, amplificare, filtrare, izolare, conversie curent-tensiune etc. Semnalele numerice se obţin prin prelevarea, la momente de timp date, a valorilor semnalelor analogice şi conversia acestor Valori sub formă numerică. Astfel, componentele de bază ale sistemelor de achiziţie de date sunt circuitele de eşantionare şi memorare şi convertoarele analog numerice.

26. Operaţiile realizate de sistemul de prelucrare numerică (SPN) asupra semnalelor numerice pot fi: filtrare, reprezentate în domeniul frecvenţă, clasificare, identificare etc. Astfel, se obţin semnalele numerice prelucrate care conţin informaţiile despre procesele fizice xn,reprezentări corespunzătoare aplicaţiilor. Semnalele numerice rezultate din prelucrare pot fi transformate în semnale analogice cu convertoare numeric analogice în sistemul de distribuţie de date. Semnalele numerice şi analogice rezultate din prelucrare pot fi utilizate pentru memorarea şi redarea informaţiei sau pentru comanda elementelor de execuţie (motoare, relee, electrovalve etc.), prin care se realizează controlul proceselor fizice.

27. Caracteristicile sistemelor de prelucrare numerică dincare rezultă avantajele utilizării acestora în comparaţie cu sistemele de prelucrare analogică sunt: • repetabilitatea; • reprogramabilitatea; • adaptabilitatea; • sensibilitatea redusă faţă de perturbaţii; • stabilitatea pe termen lung şi Ia variaţiile factorilor de influenţă externă (temperatură,umiditate, presiune, etc).

28. Repetabilitatea reprezintă proprietatea SPN de acelaşi tip de a conduce la rezultate identice ale prelucrării, pentru aceleaşi semnale numerice de intrare şi pentru acelaşi algoritm de prelucrare. • Reprogramabilitatea reprezintă capacitatea de modificare a algoritmului de prelucrare numerică prin reprogramare, deci fără a modifica structura SPN. • Adaptabilitatea reprezintă posibilitatea de modificare a funcţiei de transfer corespunzătoare unui algoritm de prelucrare numerică, în concordanţă cu caracteristicile semnalelor de intrare sau cu caracteristici de mediu. Adaptarea se realizează prin măsurarea acestor caracteristici şi modificarea, funcţie de rezultatele măsurărilor, a unor parametri care intervin în funcţia de transfer corespunzătoare algoritmului de prelucrare.

29. Sensibilitatea redusă faţă de perturbaţii şi stabilitatea rezultă din structura discretă a semnalelor numerice cu diferenţă mare între valorile de tensiune corespunzătoare celor două niveluri logice ale variabilelor binare. Semnalele numerice se utilizează, de asemenea, ca suport pentru informaţie în combinaţii. În acest caz, prelucrarea numerică se poate utiliza pentru compresia de date, adică pentru reprezentarea informaţiei printr-un număr redus de biţi. Tehnicile de prelucrare numerică permit implementarea unor funcţii care nu pot fi obţinute prin prelucrare analogică şi care corespund unor circuite, ca de exemplu: filtre cu răs¬puns caracterizat prin fază liniară în funcţie de frecvenţă (filtre cu răspuns finit la impuls, FIR) şi filtre cu caracteristici de tip ac.

30. Utilizarea tehnicilor de prelucrare numerică este limitată din punctul de vedere al frecvenţei maxime a semnalelor analogice de intrare şi al vitezei de prelucrare numerică. Într-o aplicaţie, aceste limitări sunt funcţie de caracteristicile sistemului de achiziţie de date, de Viteza de lucru a SPN şi de complexitatea algoritmului de prelucrare numerică. Practic, orice algoritm de prelucrare numerică poate fi implementat pe orice SPN (cu microprocesor, microcontroler sau procesor numeric de semnal), cu observaţia că performanţele privind viteza de prelucrare numerică trebuie să corespundă aplicaţiei. Astfel, există aplicaţii în care se impune prelucrarea în timp real, adică algoritmii de prelucrare să se desfeşoare la viteza de acces a datelor, ca de exemplu: compresia semnalului vocal în comunicaţii şi prelucrarea semnalului numeric de pe disc CD ROM pentru redare. De asemenea, există aplicaţii în care nu se impune prelucrarea în timp real, ca de exemplu: compresia datelor pentru înregistrarea pe disc CD ROM şi prelucrarea datelor seismice.

31. TRADUCTORI / SENZORI • Traductorii/senzorii sunt dispozitive care fac conversia dintr-o marime fizica intr-o marime electrica(de obicei tensiune); • Tipuri de senzori utilizati la achizitia datelor (semnalelor): termistoare / termocuple(masurarea temperaturii), fotocelule(mas. intensitatii luminoase), microfonul(masoara date acustice sau sunete), LEMuri(masoara curentul sau tensiunea), senzori Hall, encodere incrementale & tahogeneratoare (mas. turatia/frecventa), etc.

32. Tipuri de traductori • Traductor de curent-Rogowsky coil • Traductor diferential de tensiune • Termocupla

33. Definiţii • SENZOR: element capabil să efectueze o conversie • TRADUCTOR: element capabil convertească semnalul de energie de la intrare în semnal electric

35. Din punct de vedere al principiului de funcţionare, traductoarele sunt: • parametrice- pasiv - având ca mărime electrică de ieşire un parametru de circuit (rezistenţă, inductanţă, capacitate); • generatoare - activ - având ca mărime electrică la ieşire o tensiune sau sarcină electrică; • de radiaţie, bazate pe interacţiunea dintre diferite forme de radiaţie (infraroşii, ultrasunete, laser, microunde, nucleare) şi mărimea neelectrică de măsurat; • digitale, care produc direct coduri numerice. Traductoarele sunt caracterizate • static (limite de măsurare, precizie, sensibilitate, liniaritate) • dinamic (funcţie de transfer, timp de răspuns, bandă de frecvenţă).

36. Efecte fizice ce stau la baza funcţionării senzorilor Mărimea de măsurat aplicată la intrarea senzorului poate fi purtătoarea uneia din următoarele forme de energie: • radiantă (optică, electromagnetică, nucleară); • mecanică; • termică; • electrică; • magnetică; • chimică.

37. Principalele fenomene fizice care stau la baza funcţionării şi dispozitivul fizic ce realizează conversia

38. Tipuri de senzori şi caracteristici generale - rezistenţa electrică a unui conductor omogen: - inductivttafea proprie a unei bobine: -capacitatea electrică a unui condenstor plan :

39. Senzori pasivi - sinteză

40. Senzori activi - sinteză

41. a. Temperatura

42. b. Forţa

43. c. Presiune d. Nivel

44. ANALOGII DE TIP ENERGETIC - energia cinetică ( sistem mecanic) = - energia magnetică (înmgazinată în bobină) = - energia potenţială de deformare (a unui arc) = - energia electrică (înmagazinată în condenstor) = - energia disipată (de un rezistor) = - energia disipată (prin frecare) =

45. ANALOGII DE TIP MATEMATIC Exemple: - pentru circuite electrice: - pentru sisteme mecanice:

46. aplicaţie Ecuaţia de mişcare a sistemului mecanic este: sau: Prin anlogie cu ecuaţia specifică a circuitului RLC serie: rezultă schema electrică echivalentă a sistemului mecanic

47. Specificaţii pentru senzori şi traductoare • specificaţii pentru regim static • specificaţii pentru regim dinamic (legate de cât de rapid se modifică răspunsul senzorului la modificarea mărimii de intrare). Din această categorie fac parte: • specificaţii privind comportarea în domeniul timp (constanta de timp, timpul de creştere, timpul de stabilizare, timpul mort); • specificaţii privind comportarea în domeniul frecvenţă (banda de frecvenţă, frecvenţa proprie, factorul de amortizare).

48. specificaţii pentru regim static • 1. Intervalul de măsurare • 2. Exactitatea • 3. Sensibilitatea -sensibilitatea absolută -sensibilitatea relativă • 4. Liniaritatea • 5. Rezoluţia (pragul de sensibilitate) • 6. Repetabilitatea • 7. Histerezisul

49. specificaţii pentru regim dinamic Analiza regimului dinamic se poate realiza a. în domeniul timp - pe baza • constantei de timp, • a timpului mort, • a timpului de creştere şi de stabilizare (pentru elementele de ordinul întâi) • a factorului de amortizare • a supracreşterii (pentru elementele de ordinul al doilea). Studiul se realizează prin aplicarea la intrare a unei excitaţii treaptă. b. în domeniul frecvenţă prin determinarea benzii de frecvenţă a elementului respectiv. Studiul se realizează prin aplicarea la intrare a unui semnal sinusoidal de frecvenţă variabilă.

50. timpul de creştere şi constanta de timp