Што такое лічбавая апрацоўка сігналаў?

Што такое лічбавая апрацоўка сігналаў? 
DSP маніпулюе сігналамі розных тыпаў з мэтай фільтрацыі, вымярэння або сціску і выраблення аналагавых сігналаў. Аналагавыя сігналы адрозніваюцца прыёмам інфармацыі і пераводам яе ў электрычныя імпульсы рознай амплітуды, у той час як інфармацыя пра лічбавы сігнал перакладаецца ў двайковы фармат, дзе кожны біт дадзеных прадстаўлены двума адрознымі амплітудамі. Яшчэ адна заўважная розніца заключаецца ў тым, што аналагавыя сігналы могуць быць прадстаўлены ў выглядзе сінусоід, а лічбавыя сігналы прадстаўлены ў выглядзе квадратных хваль. DSP можна знайсці практычна ў любой вобласці, няхай гэта будзе перапрацоўка нафты, рэпрадукцыя гуку, радары і сонары, апрацоўка медыцынскіх малюнкаў або тэлекамунікацыі - па сутнасці, любое прыкладанне, у якім сігналы сціскаюцца і ўзнаўляюцца. 

Дык што ж такое лічбавая апрацоўка сігналу? Працэс лічбавага сігналу прымае сігналы, такія як аўдыё, голас, відэа, тэмпература ці ціск, якія ўжо былі алічбаваны, а затым маніпулюе імі матэматычна. Затым гэтая інфармацыя можа быць прадстаўлена як дыскрэтны час, дыскрэтная частата ці іншыя дыскрэтныя формы, каб інфармацыя была апрацавана лічбавым шляхам. Аналагава-лічбавы пераўтваральнік неабходны ў рэальным свеце, каб прымаць аналагавыя сігналы (гук, святло, ціск ці тэмпературу) і пераўтвараць іх у лічбавы фармат 0 і 1. 

DSP змяшчае чатыры ключавыя кампаненты: 
 Вылічальны рухавік: матэматычныя маніпуляцыі, вылічэнні і працэсы пры дапамозе праграмы альбо задачы з памяці праграмы і  інфармацыя, якая захоўваецца ў памяці дадзеных.
 Памяць дадзеных: тут захоўваецца інфармацыя, якая будзе апрацоўвацца, і працуе рука аб руку з праграмнай памяццю. 
 Памяць праграмы: тут захоўваюцца праграмы альбо задачы, якія DSP будзе выкарыстоўваць для апрацоўкі, сціску або маніпулявання дадзенымі.
 I / O: Гэта можа быць выкарыстана для розных рэчаў, у залежнасці ад таго, у якім DSP выкарыстоўваецца поле, напрыклад, знешнія парты, паслядоўныя парты, таймеры і падлучэнне да знешняга свету. 

Ніжэй прыведзены малюнак таго, як выглядаюць чатыры кампаненты DSP у агульнай канфігурацыі сістэмы. 

DSP FIlters 
Фільтр Чабышава - гэта лічбавы фільтр, які можна выкарыстоўваць для аддзялення адной паласы частот ад другой. Гэтыя фільтры вядомыя сваім галоўным атрыбутам, хуткасцю, і хоць яны не самыя лепшыя ў катэгорыі прадукцыйнасці, яны больш чым адэкватныя для большасці прыкладанняў. Дызайн фільтра Чэбышава быў распрацаваны вакол матэматычнай тэхнікі, вядомай пад назвай z-пераўтварэнне. Звычайна z-пераўтварэнне пераўтворыць сігнал дыскрэтнага часу, які складаецца з паслядоўнасці рэальных альбо складаных лікаў, у прадстаўленне частотнай вобласці. Рэакцыя Чабышава звычайна выкарыстоўваецца для дасягнення больш хуткага згортвання, дазваляючы пульсаваць у частаце ў адказ. Гэтыя фільтры называюцца фільтрамі тыпу 1, гэта значыць, што пульсацыя ў частаце адказу дазволена толькі ў паласе прапускання. Гэта забяспечвае найлепшае набліжэнне да ідэальнай рэакцыі любога фільтра для зададзенага парадку і пульсацыі. Ён быў распрацаваны, каб выдаліць пэўныя частоты і дазволіць іншым праходзіць праз фільтр. Звычайна фільтр Чабышава ў сваёй характарыстыцы лінейны, а нелінейны фільтр можа прывесці да выхаднога сігналу, які змяшчае частатныя кампаненты, якія не былі пры ўваходным сігнале. 


Навошта выкарыстоўваць лічбавую апрацоўку сігналаў?
Каб зразумець, як лічбавая апрацоўка сігналу, або DSP, параўноўваецца з аналагавай схемай, можна параўнаць абедзве сістэмы з любой функцыяй фільтра. У той час як аналагавы фільтр будзе выкарыстоўваць узмацняльнікі, кандэнсатары, індуктары альбо рэзістары, і быць даступным і простым у зборцы, было б дастаткова складана каліброўкі або змены парадку фільтра. Аднак тое ж самае можна зрабіць з сістэмай DSP, проста прасцей праектаваць і мадыфікаваць. Функцыя фільтра ў сістэме DSP заснавана на праграмным забеспячэнні, таму можна выбраць некалькі фільтраў. Акрамя таго, для стварэння гнуткіх і рэгуляваных фільтраў з адказамі высокага парадку патрабуецца толькі праграмнае забеспячэнне DSP, тады як аналаг патрабуе дадатковага абсталявання. 

Напрыклад, практычны дыяпазон фільтра з заданай частатнай рэакцыяй павінен мець кантроль адключэння прыпынку, настройку прапускной здольнасці і кантроль шырыні, бясконцае паслабленне ў зоне спынення і рэакцыю ўнутры паласы прапускання, цалкам плоскі пры зрушэнні фазы нуля. Калі выкарыстоўваліся аналагавыя метады, фільтры другога парадку запатрабуюць мноства шахматных раздзелаў з высокім узроўнем Q, што ў канчатковым выніку азначае, што іх будзе вельмі цяжка наладзіць і наладзіць. Набліжаючыся да гэтага з праграмным забеспячэннем DSP, выкарыстоўваючы абмежаваную імпульсную характарыстыку (FIR), часовая рэакцыя фільтра на імпульс - гэта ўзважаная сума сапраўднага і абмежаваная колькасць папярэдніх значэнняў уводу. Без зваротнай сувязі, адзіны адказ на дадзены ўзор заканчваецца, калі ўзор дасягае "канца радка". Улічваючы гэтыя дызайнерскія адрозненні на ўвазе, праграмнае забеспячэнне DSP абрана для яго гнуткасці і прастаты ў параўнанні з аналагавымі схемамі фільтраў. 

Пры стварэнні гэтага прапускнога фільтра выкарыстанне DSP не з'яўляецца страшнай задачай. Рэалізацыя і выраб фільтраў значна прасцей, бо вам трэба толькі запраграмаваць фільтры на кожным чыпе DSP, які ўваходзіць у прыладу. Аднак, выкарыстоўваючы аналагавыя кампаненты, у вас ёсць рызыка няспраўнасці кампанентаў, рэгулюючы ланцуг і запраграмаваць фільтр на кожнай асобнай аналагавай ланцугу. DSP стварае даступны і менш стомны спосаб распрацоўкі фільтраў для апрацоўкі сігналаў і павышае дакладнасць налады і налады фільтраў у цэлым.


АЦП і ЦАП
Электрычнае абсталяванне актыўна выкарыстоўваецца амаль у кожнай сферы. Аналагавыя лічбавыя пераўтваральнікі (АЦП) і лічбавыя ў аналагавыя пераўтваральнікі (ЦАП) з'яўляюцца неабходнымі кампанентамі для любых варыяцый DSP ў любой вобласці. Гэтыя два інтэрфейсы для пераўтварэння неабходныя для пераўтварэння сігналаў рэальнага свету, каб лічбавае электроннае абсталяванне падабрала любы аналагавы сігнал і апрацавала яго. Вазьміце для мікрафона напрыклад: АЦП пераўтворыць аналагавы сігнал, сабраны на ўваходзе ў аўдыёапаратуру, у лічбавы сігнал, які можа выводзіцца дынамікамі або маніторамі. Падчас праходжання аўдыётэхнікі да кампутара, праграмнае забеспячэнне можа дадаць водгаласы або наладзіць тэмп і тэмбр голасу, каб атрымаць ідэальны гук. З іншага боку, ЦАП пераўтворыць ужо апрацаваны лічбавы сігнал назад у аналагавы сігнал, які выкарыстоўваецца на аўдыёвыхадным абсталяванні, такім як маніторы. Ніжэй прыведзены малюнак, які паказвае, як працуе папярэдні прыклад і як яго ўваходныя гукавыя сігналы можна ўзмацняць за кошт прайгравання, а потым выводзіць у якасці лічбавых сігналаў праз маніторы.

Тып аналагава-лічбавага пераўтваральніка, вядомы як лічбавы рампы АЦП, уключае ў сябе параўнальнік. Значэнне аналагавага напружання ў пэўны момант часу параўноўваецца з зададзеным стандартным напружаннем. Адзін са спосабаў дасягнуць гэтага - прыкладваючы аналагавае напружанне да аднаго тэрмінала кампаратара і трыгера, вядомага як двайковы лічыльнік, які кіруе ЦАП. У той час як выхад ЦАП рэалізуецца на іншым тэрмінале кампаратара, ён выкліча сігнал, калі напружанне перавышае аналагічны ўваход напружання. Пераход кампаратара спыняе двайковы лічыльнік, які ўтрымлівае лічбавае значэнне, якое адпавядае аналагавага напружання ў гэтай кропцы. На малюнку ніжэй паказана схема лічбавай рампы ADC. 

Прымяненне DSP
Існуе мноства варыянтаў лічбавага сігнальнага працэсара, які можа выконваць розныя рэчы, у залежнасці ад прыкладання, якое выконваецца. Некаторыя з гэтых варыянтаў - гэта апрацоўка гукавых сігналаў, сцісканне аўдыё і відэа, апрацоўка і распазнаванне гаворкі, лічбавая апрацоўка малюнкаў і радара. Розніца паміж кожным з гэтых прыкладанняў складаецца ў тым, як лічбавы працэсар сігналу можа фільтраваць кожны ўваход. Існуе пяць розных аспектаў, якія залежаць ад кожнага DSP: тактавая частата, памер аператыўнай памяці, шырыня шыны дадзеных, памер ROM і напружанне ўводу / выводу. Усе гэтыя кампаненты сапраўды проста паўплываюць на арыфметычны фармат, хуткасць, арганізацыю памяці і шырыню дадзеных працэсара. 

Адной з вядомых кампазіцый архітэктуры з'яўляецца архітэктура Гарварда. Гэтая канструкцыя дазваляе працэсару адначасова атрымліваць доступ да двух банкаў памяці пры дапамозе двух незалежных набораў шын. Гэтая архітэктура можа выконваць матэматычныя аперацыі пры атрыманні дадатковых інструкцый. Іншая - архітэктура памяці фон Ноймана. У той час як ёсць толькі адна шына дадзеных, аперацыі не могуць быць загружаны падчас атрымання інструкцый. Гэта выклікае затрымку, якая ў канчатковым выніку запавольвае выкананне DSP-прыкладанняў. Хоць гэтыя працэсары падобныя на працэсар, які выкарыстоўваецца ў звычайным кампутары, гэтыя лічбавыя сігнальныя працэсары спецыялізуюцца. Гэта часта азначае, што для выканання задачы ДСП патрабуецца выкарыстоўваць арыфметыку з фіксаванай кропкай. 

Іншым з'яўляецца выбарка, якая заключаецца ў скарачэнні бесперапыннага сігналу да дыскрэтнага сігналу. Адным з асноўных прыкладанняў з'яўляецца пераўтварэнне гукавой хвалі. Выбарка аўдыё выкарыстоўвае лічбавыя сігналы і імпульсна-кодавую мадуляцыю для прайгравання гуку. Для таго, каб людзі маглі чуць, неабходна захопліваць гук ад 20 да 20,000 50 Гц. Частата дыскрэтызацыі вышэй, чым у 60 кГц - XNUMX кГц, не можа даць больш інфармацыі чалавечаму вуху. Выкарыстоўваючы розныя фільтры з праграмным забеспячэннем DSP і АЦП і ЦАП, узоры аўдыя могуць прайгравацца з дапамогай гэтай тэхнікі. 

Лічбавая апрацоўка сігналаў актыўна выкарыстоўваецца ў паўсядзённых аперацыях і мае вялікае значэнне для ўзнаўлення аналагавых сігналаў для лічбавых сігналаў для многіх мэтаў.

Вам таксама можа спадабацца:

DSP - Digital Signal Processing Падручнік

Растлумачце лічбавай апрацоўкі сігналаў (DSP) і мадуляцыя

Пакінь паведамленне 

спіс паведамленняў