Введение

Аналоговая обработка сигналов – это тип обработки сигналов, осуществляемый над непрерывными аналоговыми сигналами с использованием аналоговых средств (в отличие от дискретной цифровой обработки сигналов, где обработка сигнала выполняется цифровым способом). Термин "аналоговый" обозначает представление данных математически как набора непрерывных значений. Это отличается от "цифрового", который использует ряд дискретных значений для представления сигнала. Аналоговые величины обычно представляются в виде напряжения, электрического тока или электрического заряда в электронных устройствах. Ошибка или шум, воздействующие на эти физические величины, приведут к соответствующей ошибке в сигналах, представленных этими величинами. Примеры аналоговой обработки сигналов включают кроссоверные фильтры в акустических системах, регуляторы "бас", "высокие частоты" и "громкость" на стереосистемах, а также регуляторы "цветность" на телевизорах. Типичные элементы аналоговой обработки включают конденсаторы, резисторы и индуктивности (как пассивные элементы) и транзисторы или операционные усилители (как активные элементы).

Инструменты, используемые для обработки аналоговых сигналов

Поведение системы может быть математически смоделировано и представлено в области времени как h(t), а в частотной области как H(s), где s – комплексное число вида s = a + ib, или s = a + jb в электротехнике (электрики используют "j" вместо "i", поскольку ток обозначается переменной i). Входные сигналы обычно обозначаются x(t) или X(s), а выходные сигналы – y(t) или Y(s).

Конволирование

Конволяция – это базовая концепция в обработке сигналов, утверждающая, что входной сигнал можно объединить с функцией системы для определения выходного сигнала. Это интеграл произведения двух сигналов после того, как один из них был отражён и сдвинут; символ конволюции – *. Это интеграл конволюции, используемый для вычисления конволюции сигнала и системы; обычно a = ∞ и b = +∞. Рассмотрим два сигнала f и g. Вычисление конволюции позволяет определить, насколько отражённый сигнал g необходимо сдвинуть по оси x, чтобы он совпал с сигналом f. Функция конволюции по сути отражает и перемещает сигнал g вдоль оси, вычисляя интеграл их произведения (f и отражённого и сдвинутого g) для каждого возможного сдвига. Когда сигналы совпадают, значение (f*g) достигает максимума. Это происходит потому, что при умножении положительных областей (пиков) или отрицательных областей (впадин) они вносят вклад в интеграл.

Площади для коров

Боде-графики — это графики зависимости амплитуды от частоты и фазы от частоты для системы. Амплитудная ось измеряется в [децибелах] (дБ). Фазовая ось может быть выражена в градусах или радианах. Ось частоты представлена в [логарифмическом масштабе]. Они полезны, поскольку при синусоидальном входном сигнале выходной сигнал равен входному, умноженному на значение амплитуды на данной частоте, и сдвинутому на значение фазы на этой частоте.

Временная область

Это область, с которой знакомы большинство людей. График во временной области отображает амплитуду сигнала в зависимости от времени.

Частотность

График в частотной области отображает либо фазовый сдвиг, либо амплитуду сигнала на каждой частоте, на которой сигнал присутствует. Эти характеристики можно получить, применив преобразование Фурье к временному сигналу, и отобразить их аналогично диаграмме Боде.

Сигналы

В то время как любой сигнал может быть использован в аналоговой обработке сигналов, существует множество типов сигналов, которые используются очень часто.

Синусоиды

Синусоиды — основной элемент аналоговой обработки сигналов. Любой реальный сигнал можно представить в виде бесконечной суммы синусоидальных функций с помощью ряда Фурье. Синусоидальную функцию можно выразить через экспоненту, используя формулу Эйлера.

Импульс

Импульс (дельта-функция Дирака) определяется как сигнал с бесконечной амплитудой и бесконечно малой шириной, площадь под которым равна единице и который центрирован в нуле. Импульс можно представить в виде бесконечной суммы синусоид, включающей все возможные частоты. Создать такой сигнал в реальности невозможно, но его можно достаточно точно аппроксимировать импульсом большой амплитуды и малой ширины, чтобы получить теоретический импульсный отклик сети с высокой степенью точности. Обозначение импульса – δ(t). Если импульс используется в качестве входного сигнала системы, то выходной сигнал называется импульсной характеристикой. Импульсная характеристика полностью определяет систему, поскольку входной сигнал содержит все возможные частоты.

Линейная временная неизменность (LTI)

Линейность означает, что если у вас есть два входных сигнала и два соответствующих выходных сигнала, то линейная комбинация этих двух входных сигналов даст линейную комбинацию выходных сигналов. Примером линейной системы является фильтр нижних или верхних частот первого порядка. Линейные системы состоят из аналоговых устройств, демонстрирующих линейные свойства. Эти устройства не обязательно должны быть полностью линейными, но должны иметь линейную область работы. Операционный усилитель – это нелинейное устройство, но обладающее линейной областью работы, поэтому его можно моделировать как линейное в пределах этой области. Временная инвариантность означает, что не имеет значения, когда вы подаете сигнал на систему – результат будет одинаковым. Например, если вы подаете входной сигнал на систему сегодня, вы получите тот же выходной сигнал, если подадите его завтра. Не существует абсолютно линейных и временной инвариантных систем в реальности, но многие системы можно моделировать как LTI для упрощения определения их выходного сигнала. Все системы в той или иной степени зависят от таких факторов, как температура, уровень сигнала или другие параметры, которые делают их нелинейными или неинвариантными во времени, однако большинство из них достаточно стабильны, чтобы их можно было моделировать как LTI. Линейность и временная инвариантность важны, поскольку это единственные типы систем, которые можно легко анализировать с помощью стандартных методов обработки аналоговых сигналов. Как только система становится нелинейной или неинвариантной во времени, ее анализ превращается в задачу решения нелинейных дифференциальных уравнений, и лишь немногие из них имеют аналитическое решение. (Хейкин и Ван Вин 2003)