Кіріспе

Аналогты сигналды өңдеу – үздіксіз аналогты сигналдарды аналогты құралдармен жүзеге асырылатын сигнал өңдеу түрі (сигнал өңдеуді цифрлық процесс арқылы жүзеге асыратын дискретті цифрлық сигналды өңдеуден өзгеше). "Аналогты" термині математикалық жағынан үздіксіз мәндер жиынтығы ретінде көрсетілген нәрсені білдіреді. Бұл сигналды көрсету үшін дискретті шамалар тізбесін пайдаланатын "цифрлықтан" ерекшеленеді. Аналогтық мәндер әдетте электрондық құрылғылардың компоненттеріндегі кернеу, электр тогы немесе электр заряды түрінде бейнеленеді. Мұндай физикалық шамаларға әсер ететін қате немесе шу, сол физикалық шамалармен бейнеленген сигналдарда сәйкес қатеге алып келеді. Аналогты сигналды өңдеу мысалдарына динамиктердегі кроссоверлік сүзгілер, стереожүйелердегі "бас", "соқпақ" және "дыбыс деңгейі" реттегіштері, теледидарлардағы "түс" реттегіштері жатады. Көбінесе аналогты өңдеу элементтеріне конденсаторлар, резисторлар және индукторлар (пассивті элементтер ретінде) және транзисторлар немесе операциялық күшейткіштер (активті элементтер ретінде) кіреді.

Аналогты сигналдарды өңдеуде қолданылатын құралдар

Жүйенің мінез-құлқы математикалық түрде модельделуі мүмкін және уақыт доменінде h(t) және жиілік доменінде H(s) ретінде көрсетіледі, мұнда s – s=a+ib немесе электр инженериясында s=a+jb түріндегі кешен сан (электр инженерлері ток айнымалысы i болғандықтан "i" орнына "j" қолданады). Кіріс сигналдары әдетте x(t) немесе X(s) деп, ал шығыс сигналдары y(t) немесе Y(s) деп аталады.

Конвольсия

Конвольция – сигналды өңдеудегі негізгі ұғым, ол кіріс сигналын жүйенің функциясымен үйлестіре отырып, шығыс сигналын табуға мүмкіндік береді. Бұл – екі толқын пішімінің көбейтіндісінің интегралы, біреуін кері бұрып, ығыстырғаннан кейін; конвольция белгісі – *. Бұл конвольциялық интеграл және сигнал мен жүйенің конвольциясын табу үшін қолданылады; әдетте a = ∞ және b = +∞. Екі толқын пішімі f және g қарастырайық. Конвольцияны есептеу арқылы, g функциясын x осі бойынша қаншалықты ығыстыру керек екенін анықтаймыз, сонда ғана ол f функциясына толық сәйкес келеді. Конвольция функциясы g функциясын ось бойымен кері бұрып, жылжытады және олардың (f және кері бұрылып, ығыстырылған g) көбейтіндісінің интегралын ығыстырудың әр мүмкін мөлшері үшін есептейді. Функциялар сәйкес келгенде (f*g) мәні максималды болады. Бұл оң аймақтардың (жоны) немесе теріс аймақтардың (төңкерістер) көбейтілуіне байланысты, олар интегралға үлес қосады.

Бөлшектік жер учаскелері

Бод графиктері – жүйенің амплитудасы жиілікке және фазасы жиілікке қарсы көрсетілген графиктері. Амплитуда осі [децибел] (дБ) бірлігімен өлшенеді. Фаза осі градустармен немесе радиандармен көрсетіледі. Жиілік осьтері логарифмдік шкала бойынша салынған. Бұл графиктің пайдасы бар, себебі синусоидтық сигнал енгізілгенде, шығыс сигнал кіріс сигналының жиіліктегі амплитуда графигінің мәніне көбейтіліп, содан соң сол жиіліктегі фаза графигінің мәніне сәйкес ығыстырылады.

Уақыт аумағы

Бұл көптеген адамдарға таныс домен. Уақыт доменіндегі график сигналдың амплитудасын уақытқа қатысты көрсетеді.

Жиілік доманы

Жиілік доменіндегі график сигналдың кез келген жиілігіндегі фазалық өзгерісін немесе амплитудасын көрсетеді. Бұлар уақыт сигналының Фурье түрлендірілісін есептеу арқылы табылады және Боде графигі сияқты салынады.

Сигналдар

Кез келген сигнал аналогты сигнал өңдеуде пайдаланылуы мүмкін, бірақ өте жиі қолданылатын сигнал түрлері көп.

Синусоидтар

Синусоидтар аналогты сигналдарды өңдеудің құрылыс бөлігі болып табылады. Нақты әлемдегі барлық сигналдарды Фурье қатары арқылы синусоидты функциялардың шексіз сомасы ретінде бейнелеуге болады. Синусоидты функция Эйлер формуласын қолдану арқылы экспонента түрінде көрсетілуі мүмкін.

Импульс

Импульс (Дирак дельта функциясы) – шексіз мәнді, нөлге центрленген және астындағы ауданы бірге шексіз тар ені бар сигнал ретінде анықталады. Импульсты барлық мүмкін жиіліктерді қамтитын синусоидалардың шексіз қосындысы түрінде бейнелеуге болады. Іс жүзінде мұндай сигналды жасау мүмкін емес, бірақ оны үлкен амплитудалы, тар импульспен жеткілікті дәл жақындастыруға болады, осы арқылы желідегі теориялық импульстік жауапты жоғары дәлдікпен алуға болады. Импульс символы δ(t). Егер импульс жүйеге кіріс ретінде қолданылса, шығыс импульстік жауап деп аталады. Импульстік жауап жүйені анықтайды, себебі кірісте барлық мүмкін жиіліктер ұсынылған.

Сызықтық уақыт-инвариантты (LTI)

Сызықтық дегеніміз, егер сізде екі кіріс және екі сәйкес шығыс болса, егер сіз осы екі кірістің сызықтық комбинациясын алсаңыз, шығыстардың да сызықтық комбинациясын аласыз. Сызықтық жүйенің мысалы – бірінші реттік төмен өткізгіш немесе жоғары өткізгіш сүзгі. Сызықтық жүйелер сызықтық қасиеттерді көрсететін аналогтық құрылғылардан құралады. Бұл құрылғылар толыққанды сызықтық болуы міндетті емес, бірақ олардың жұмыс аймағы сызықтық болуы керек. Операциялық күшейткіш – сызықтық емес құрылғы, бірақ сызықтық жұмыс істейтін аймағы бар, сондықтан оны сол аймақта сызықтық модель ретінде қарастыруға болады. Уақыт инварианттылығы дегеніміз, жүйенің қандай уақытта іске қосылғаны маңызды емес, нәтиже бірдей болады. Мысалы, егер сізде жүйе болса және бүгін кіріс берсеңіз, оны ертең іске қоссаңыз да, сол шығысқа ие боласыз. Нақты LTI жүйелер жоқ, бірақ көптеген жүйелерді LTI ретінде модельдеуге болады, осылай олардың шығысын анықтау оңайырақ. Барлық жүйелер температура, сигнал деңгейі сияқты факторларға тәуелді, бұл оларды сызықтық емес немесе уақыт инвариантты емес етеді, бірақ көпшілігі LTI ретінде модельдеуге жеткілікті тұрақты. Сызықтық және уақыт инварианттылығы маңызды, себебі дәстүрлі аналогтық сигналды өңдеу әдістерін қолдану арқылы осы жүйелерді ғана оңай шешуге болады. Жүйе сызықтық емес немесе уақыт инвариантты емес болған жағдайда, ол сызықтық емес дифференциалдық теңдеулер мәселесіне айналады, және мұндай теңдеулердің шешімі өте сирек табылады. (Хейкин және Ван Вин, 2003)