Типы сигналов

Ключевые слова

План

Лекция 16

Тема: «Цифровая обработка сигналов»

1. Типы сигналов.

2. Цифровая обработка сигналов (ЦОС) и ее преимущества.

3. Области применения ЦОС.

4. Ключевые операции ЦОС.

5. Процессоры для ЦОС.

6. Примеры использования ЦОС при записи и воспроизведении звука.

7. Перспективы развития ЦОС.

Сигналы видео- и телеизображения, биомедицинские сигналы, информация, аналоговый (непрерывный) сигнал, цифровая обработка сигналов, свертка, корреляция, цифровая фильтрация, дискретизация, дискретные преобразования, цифровой спектральный анализ, дискретное преобразование Фурье, быстрое преобразование Фурье, специализированный процессор, операция умножения-сложения, комплексные числа, микропроцессоры ЦОС, архитектура, быстродействие, производительность, цифровое микширование, звук, цифровая аудиосистема.

Под сигналом мы понимаем любую переменную, которая передает или содержит некий вид информации, которую можно переносить, выводить на экран или выполнять с ней какие-то действия. Представляют интерес следующие типы сигналов:

· речь — при разговоре по телефону, прослушивании радио и в повседневной жизни;

· биомедицинские сигналы, такие как электроэнцефалограмма (сигналы мозга);

· звуки и музыка;

· видео- и телеизображения;

· сигналы радаров, которые исследуют заданный диапазон и пеленгуют отдельные цели, и др.

Большинство сигналов, существующих в природе, являются по своей форме аналоговыми, что означает непрерывное изменение во времени, и описывает изменение физических величин (например, звуковые волны).

Цифровая обработка сигналов (ЦОС) и ее преимущества. Сигналы, применяемые в ЦОС, получаются из аналоговых, дискретизированных через равные интервалы времени и преобразованных в цифровой код.

Обработка цифрового сигнала нужна для устранения интерференции или шума, получения спектра данных или преобразования сигнала в более удобную форму.

В настоящее время появились новые области применения ЦОС, где сложно и невозможно пользоваться аналоговыми устройствами.

Преимущества ЦОС:

· Гарантированная точность. Точность определяется числом задействованных битов.

· Совершенная воспроизводимость. Например, методы ЦОС, цифровые записи можно копировать или воспроизводить многократно без ухудшения качества сигнала.

· Отсутствует искажение характеристик из-за температуры или старения.

· Большая гибкость. Системы ЦОС можно запрограммировать или перепрограммировать на выполнение различных функций без изменения оборудования.

· Высокая производительность. ЦОС можно использовать для выполнения функций, которые невозможны при аналоговой обработке сигналов. Например, можно получить линейную фазовую характеристику и реализовать сложные алгоритмы адаптивной фильтрации.

Недостатки ЦОС:

· Скорость и затраты. Проекты ЦОС могут быть дорогими, особенно при большой ширине полосы сигнала (100 МГц и выше).

· Время на разработку. Нет необходимых ресурсов и острая нехватка специалистов, разработка ЦОС занимает много времени.

· Проблемы конечной разрядности. Приводит к снижению качества работы системы.

Области применения. К числу областей применения можно отнести следующие:

· Обработка изображений

- распознавание образов;

- машинное зрение;

- улучшение изображения;

- факсимиле;

- спутниковые карты погоды;

- анимация.

· Инструментальные средства / контроль

- спектральный анализ;

- контроль положения и скорости;

- снижение шума;

- сжатие информации.

· Речь / аудио

- распознавание речи;

- синтез речи;

- озвучивание текста;

- цифровые аудиосистемы;

- выравнивание.

· Военные цели

- безопасная связь;

- работа с радарами;

- работа с сонарами;

- управление ракетами.

· Телекоммуникации

- устранение эха;

- адаптивное выравнивание;

- транскодеры ADPCM;

- расширение спектра;

- видеоконференц-связь;

- передача данных.

· Биомедицина

- наблюдение за пациентами;

- сканеры;

- карты электроэнцефалограммы мозга;

- хранение (улучшение) рентгеновских снимков.

· Потребительские цели

- цифровые сотовые мобильные телефоны;

- универсальная мобильная система связи;

- цифровое телевидение, цифровые камеры;

- телефонная связь, музыка и видео через Интернет;

- цифровые автоответчики, факсы и модемы;

- системы голосовой почты;

- интерактивные развлекательные системы;

- активная подвеска в автомобилях.

Цифровая обработка сигналов средствами компьютерной и микропроцессорной техники позволяет решить задачу унификации тракта обработки сигнала на фоне помех. В процессе цифровой обработки сигналов решаются задачи фильтрации, спектрального анализа, поиска сигнала и т.д. В системах ЦОС широко используют специализированные цифровые устройства, реализующие алгоритм дискретной фильтрации, дискретного преобразования Фурье, быстрого преобразования Фурье и другие функции.

Ключевые операции ЦОС. Существуют несколько алгоритмов ЦОС, еще больше находится в стадии разработки и ждет своего открывателя. Однако для всех этих алгоритмов необходимы одни и те же основные операции. Это свертка, корреляция, фильтрация, преобразование и модуляция. Для всех основных операций ЦОС требуется выполнение простых арифметических действий — умножения, сложения, вычитания и операции сдвига.

Дадим краткое описание основных операций ЦОС.

Свертка — это одна из наиболее используемых операций ЦОС. Например, это основная операция фильтрации. Для двух данных конечных и причинных последовательностей x(n) и h(n) с длиной N₁ и N₂ соответственно их свертка определяется как:

y(n) = h(n) Ä x(n) = =, n = 0, 1, …, (M–1), (1)

где символ Ä используется для обозначения свертки, M = N₁ + N₂ – 1. Производители устройств ЦОС разработали процессоры для обработки сигналов, которые эффективно выполняют операции умножения, задействованные в свертке.

Корреляция. Существует две формы корреляции: автокорреляция и взаимная корреляция. Взаимно-корреляционная функция — это показатель сходства или общих свойств двух сигналов. Автокорреляционная функция подразумевает существование только одного сигнала и дает информацию о структуре сигнала или его поведении во времени.

Корреляция определяется по формуле (2).

Для двух последовательностей x(k) и y(k) длины N с нулевыми средними значениями оценка их взаимной корреляции равна:

P_xy(n) =, n = 0, ±1, ±2, …, (2)

где r_xy(n) — оценка взаимной ковариантности.

Цифровая фильтрация осуществляется в помощью цифровых фильтров.

Цифровой фильтр — устройство, осуществляющее преобразование дискретного сигнала x_n в другой дискретный сигнал y_n (x_n и y_n — двоичные цифровые коды).

При цифровой фильтрации по заданному закону изменяется спектральный состав сигнала, т.е. воспроизводятся те изменения сигнала, которые возникают при его прохождении через фильтр — линейную цепь с определенной частотной характеристикой.

Уравнение для фильтрации с конечной импульсной характеристикой имеет вид:

y(n) =, (3)

где x(k) и y(k) соответственно — вход и выход фильтра, а h(k), k = 0, 1, …, N – 1 — коэффициенты фильтра.

Целью фильтрации является устранение или снижение шума в полезном сигнале.

Дискретные преобразования позволяют описывать сигналы с дискретным временем в частотных координатах или переходить от описания во временной области к описанию в частотной. Для получения спектра сигнал раскладывается на частотные составляющие с помощью дискретного преобразования. Существует много дискретных преобразований, из которых самым распространенным является дискретное преобразование Фурье (ДПФ), которое определяется следующим образом:

x(n) =,

где W = exp(–2πi/N).

Спектральный анализ предусматривает определение спектрального состава сигнала.

Спектральный анализ находит применение в задачах обнаружения сигнала, классификации типа сигнала, локализации источника сигнала, при решении траекторных задач. Характеристиками спектрального анализа являются количество частот, на которых измеряется спектр сигнала, и разрешающая способность измерителя спектра.

Модуляция. Сигналы моделируются таким образом, чтобы их частотные характеристики совпадали с характеристиками средств передачи и хранения. Процесс модуляции приводит к изменению свойств высокочастотного сигнала, известного как несущая частота, в соответствии с сигналом, который нужно передать или сохранить, называемым моделирующим сигналом. Три самые распространенные схемы цифровой модуляции для передачи цифровой информации по широкополосному каналу — это амплитудная, фазовая и частотная модуляция. Если цифровые данные передаются по полностью цифровой сети, то это импульсно-кодовая модуляция. Наиболее интенсивно модуляция сигнала используется в цифровых аудиосистемах и связи.

Процессоры для цифровой обработки сигналов. Системы ЦОС характеризуются выполнением операций в реальном времени, причем акцент делается на высокой пропускной способности, а использование алгоритмов требует интенсивных арифметических операций, в особенности, умножения и сложения или умножения-накопления. Это приводит к большому потоку информации через процессор.

Структура стандартных микропроцессоров не удовлетворяет характеристикам ЦОС. Это послужило толчком для развития нового вида процессоров, структура и набор команд которых предназначены специально для операций ЦОС. Новые процессоры, или чипы ЦОС, имеют следующие особенности:

§ Встроенные умножители, позволяющие быстро выполнять операции умножения. Новые чипы ЦОС содержат однотактные команды умножения-накопления, а в некоторых есть несколько умножителей, работающих параллельно.

§ Отдельные шины/области памяти для программ и данных.

§ Команды, содержащие циклы, которые используются для ветвления и образования циклов. Например, многие команды для процессора TMS320C25 (Texas Instruments) значительно уменьшают количество циклов и размер программы цифрового фильтра.

§ Большая скорость, использование конвейерной обработки, что сокращает время, необходимое для выполнения команд, и увеличивает скорость.

В настоящее время имеется широкая номенклатура зарубежных и российских микропроцессорных средств для цифровой обработки сигналов. Российские микросхемы К1815ВФ предназначены для ЦОС: К1815ВФ1 — универсальный процессорный элемент ЦОС, К1815ВФ3 — микропроцессор для построения процессора быстрого преобразования Фурье, цифровых фильтров.

Новые чипы ЦОС быстрее и многофункциональнее. Сегодня некоторые из них обладают способностью выполнять арифметические действия с плавающей запятой и содержат черты стандартных микропроцессоров.

Пример использования ЦОС при записи и воспроизведении звука. Цифровое микширование звука — отличный пример успешного применения ЦОС для улучшения качества записи и воспроизведения звука, а также повышения функциональности системы. Микширование звука применяется в профессиональных и полупрофессиональных аудиоприложениях, например, для студийной звукозаписи, радиовещания, при усилении звука и в системах публичных выступлений. Микшер позволяет регулировать, смешивать и выводить на экран характеристики многоканальных аудиосигналов от различных источников для подстройки их под требования определенных приложений.

Цифровая система микширования состоит из средств аудиовыравнивания, аудиомикширования и обработки после микширования (рис. 1).

Рис. 1. Упрощенная блок-схема цифровой стереосистемы микширования
на 32 входа и 16 выходов.

Цифровой аудиоэквалайзер — это набор цифровых фильтров с регулируемыми характеристиками, т.е. с возможностью выполнять действия над различными частями полос входного спектра аудиосистемы для достижения желаемого звука. Затем выровненные звуковые сигналы смешиваются с помощью матрицы смешивания. После смешивания обработка сигнала может продолжаться путем реверберации и выравнивания.

Система микширования обладает интерактивными средствами контроля для управления параметрами микшера и параметрами контроля эквалайзера в реальном времени.

В цифровом микшере используется современный процессор ЦОС, позволяющий реализовать новейшие алгоритмы, необходимые при смешивании цифровых сигналов (например, выравнивание, стробирование шума, динамический контроль) и выполнении операций после смешивания.

Другим примером использования ЦОС является синтез и распознавание речи. Примером успешного коммерческого продукта с речевым выходом является система Speak and Spell. Это электронное пособие для обучения детей, в котором используется метод линейного кодирования с предсказанием. Человеческая речь, которую нужно воспроизвести, моделируется как отклик переменного во времени цифрового фильтра на периодический или случайный сигнал возбуждения. Периодическое возбуждение используется для генерации голосовых звуков (например, гласных). В пособии используется микросхема синтезатора речи TMS5100, который объединяет все элементы (цифровой фильтр и источники возбуждения), а также декодер и 8-битовый ЦАП. Микросхема синтезатора действует в тесной связи с микропроцессором и ПЗУ, которые вместе вмещают словарь из 300 слов и фраз (рис. 2). Выход цифрового фильтра преобразуется в аналоговый и подается на громкоговоритель для создания звука.

Рис. 2. Структура пособия Speak and Spell.

Под распознаванием голоса подразумевается, что информация вводится в компьютер с помощью человеческого голоса, а компьютер слушает и распознает человеческую речь. Коммерческие системы распознавания речи немногочисленны. На рис. 3 приведена блок-схема системы распознавания речи. Система оцифровывает и создает эталон каждого слова (слово, подлежащее распознанию в микрофон), сохраняя его в памяти. В режиме распознавания каждое произнесенное слово снова оцифровывается, и его эталон сравнивается с эталонами из памяти. Если есть соответствие, значит, слово распознано, и система сообщает об этом пользователю. Двумя важными операциями ЦОС при распознавании являются извлечение параметров, когда из сказанного слова получаются отдельные образцы и создаются эталоны, и подбор по образцу, когда эталоны сравниваются с записями, которые хранятся в памяти (рис. 3).

Рис. 3. Блок-схема системы распознавания речи.

Перспективы развития ЦОС. Средства ЦОС, как отмечалось выше, широко применяются в мультимедийных системах, телекоммуникации, радио, телевидении, связи, в военной технике, в биомедицине, где используются сигналы различной физической природы. При этом в большинстве практических задач полоса частот превышает 20 кГц и продолжает постоянно расширяться. Усложнение задач ЦОС привело к тому, что для их решения уже оказывается недостаточной производительность систем порядка нескольких миллионов операций в секунду.

Высокая производительность систем цифровой обработки сигналов может быть достигнута за счет технологических и архитектурных решений, позволяющих спроектировать БИС и СБИС со степенью интеграции до 200 тыс. вентилей на кристалл. В таких СБИС увеличение производительности реализации алгоритмов ЦОС возможно благодаря аппаратной реализации операции умножения и операций над полем комплексных чисел путем организации параллельного выполнения адресации, переадресации и ветвлений программы, а также за счет применения аппаратно встроенных средств организации циклических вычислений, преобладающих в задачах ЦОС. Кроме того, в СБИС возможно создание специализированных процессоров, работающих над 64-разрядными словами в формате с плавающей точкой.

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте определение понятию сигнал и укажите типы сигналов.

2. В чем преимущество ЦОС?

3. Перечислите основные области применения ЦОС.

4. Какие ключевые операции содержит ЦОС?

5. С помощью каких устройств осуществляется цифровая фильтрация?

6. Для чего используют дискретные преобразования?

7. Для решения каких задач применяют спектральный анализ?

8. Назовите самые распространенные виды модуляции?

9. Какие особенности процессоров ЦОС?

10. Приведите блок-схему цифровой системы микширования.

11. Назовите примеры использования ЦОС при записи и воспроизведении звука.

12. Для чего нужна система Speak and Spell?

13. Какова перспектива развития ЦОС?

Литература 16, 19, 20, 21.

Дата добавления: 2014-01-11