Современное состояние

Состояние и перспективы развития информационных технологий XXI века характеризуются становлением и широким практическим использованием техники цифровой обработки сигналов (ЦОС) – одной из самых динамичных и быстро развивающихся технологий в мире телекоммуникаций и информатизации общества. Цифровая обработка сигналов – это ИНФОРМАТИКА реального времени, призванная решать задачи приема, обработки, сокращения избыточности и передачи информации в реальном времени.

Методы и техника ЦОС вызывают повышенный интерес ученых и специалистов, работающих в различных областях, таких как: связь и системы управления, радиотехника и электроника, акустика и сейсмология, радиовещание и телевидение, измерительная техника и приборостроение. Ежегодно во всем мире проводятся десятки международных научно-технических конференций, посвященных решению актуальных проблем ЦОС. Издаются многочисленные книги и журналы, освещающие последние достижения в области теории и практики обработки цифровых сигналов. Постоянно растет число предприятий, организаций и научных центров, использующих в своих разработках методы и технологии ЦОС.

В чем причина столь бурного «всепроникающего» развития и внедрения техники ЦОС? Что является предметной областью теории обработки цифровых сигналов как самостоятельного научного направления и какие проблемы она решает? В каком взаимоотношении находятся цифровая обработка сигналов, информатика и компьютерные технологии? Ответы на эти вопросы дает ретроспективный анализ состояния, эволюции и тенденций развития рассматриваемого научно-технического направления.

Эволюция теории и техники ЦОС: начало пути

Вся история развития теории и техники ЦОС, как и информатики в целом, напрямую связана с достижениями в области дискретной схемотехники и компьютерных технологий. Дискретизация во времени и квантование по уровню являются основой эффективного кодирования, преобразования, передачи и архивации информации. Особое значение в замене проблем обработки непрерывных сигналов более простыми задачами преобразования их дискретных значений сыграли работы выдающихся ученых 30-50-х годов XX века [1-5].

С появлением в 40-х годах прошлого столетия первых ЭВМ стало реальным возникновение нового фундаментального научного направления - вычислительной математики, одним из разделов которой можно считать машинные алгоритмы цифровой обработки данных. Однако крайне ограниченные вычислительные ресурсы используемых в те годы ЭВМ не позволяли проводить обработку данных в реальном времени [6]. Речь могла идти лишь о моделировании реальных процессов.

Положение начало радикально изменяться с появлением в 60-х годах класса малых ЭВМ, ориентированных преимущественно на решение задач управления и обработки данных в реальном времени. Потенциальная возможность обработки, преобразования и передачи аналоговых по природе сигналов цифровыми методами с помощью малых ЭВМ привлекла внимание специалистов, работающих во многих областях, и, прежде всего, в области связи, гидроакустики и обработки речевых сигналов. С этого времени формулируется круг проблем и задач теории ЦОС как самостоятельного научного направления, которому предстоит в дальнейшем свой многоэтапный путь становления и развития.

Этап I: Цифровая фильтрация и спектральный анализ (1965–1975 гг.).

На данном этапе развития основной предметной областью теории ЦОС были цифровая фильтрация и цифровой спектральный анализ (рис. 1.1), причем оба направления рссматривались с общей позиции частотных представлений. Общей основой развивающихся направлений был синтез цифровых фильтров частотной селекции. Базовые положения теории ЦОС закладывались и апробировались фактически на теории дискретных систем и теории цепей с использованием известного к тому времени набора машинных алгоритмов и, прежде всего, алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ).

Рис. 1.1. Развитие теории техники ЦОС на 1-ом этапе.

На этом этапе были поставлены и решены следующие задачи (рис. 1.1):

1) задача аппроксимации желаемых частотных характеристик цифровых фильтров частотной селекции (НЧ, ВЧ, полосовых и режекторных) в классе КИХ-цепей (с конечной импульсной характеристикой) и в классе БИХ-цепей (с бесконечной импульсной характеристикой);

2) задача синтеза высокоскоростных алгоритмов вычисления линейной свертки в классе КИХ-цепей (на основе двойного БПФ);

3) задача синтеза малошумящих структур БИХ-цепей.

Первый крупный вклад в развитие теории ЦОС внесли американские ученые Б. Голд и Ч. Рэйдер. Их монография [7] стала первой настольной книгой инженеров, пытающихся использовать цифровые технологии для решения своих задач. Фундаментальной работой, подводящей итоги первого этапа становления теории ЦОС, безусловно, является книга Л. Рабинера, Б. Голда [8]. Несколько позже появляется одно из первых учебных пособий по ЦОС авторов: А. Оппенгейма и Р. Шафера [9]. Большая часть других известных работ была, как правило, связана с цифровой фильтрацией [10-12] или с применением методов ЦОС в ряде приложений [13,14]. Заметный вклад внесли отечественные ученые [15-22].

Возможности технической реализации цифровых фильтров и спетроанализаторов в этот период можно охарактеризовать как этап машинного моделирования с применением малых ЭВМ или специализированных цифровых устройств, построенных на интегральных схемах средней степени интеграции. Первые цифровые устройства с позиции сегодняшних представлений обладали низкой эффективностью и имели крайне ограниченное применение, связанное, как правило, с военными технологиями. Однако прогнозируемые успехи в области микроэлектроники и цифровой схемотехники вселяли надежду на скорое радикальное изменение подобного состояния дел.

Этап II: Многоскоростная фильтрация и адаптивная обработка

сигналов (1975–1985 гг.).

Развитие данного этапа связано с появлением микропроцессоров.

Рис. 1.2. Развитие теории техники ЦОС на 2-ом этапе.

Цифровая частотная селекция сигналов закрепляет и систематизирует достижения в области проектирования цифровых полосовых фильтров (ЦПФ) и их наборов. Принципиально новым является развитие теории многоскоростной обработки сигналов, которая предполагает понижение и повышение частоты дискретизации обрабатываемого сигнала с целью значительного уменьшения вычислительных затрат (памяти данных, уровня собственного шума, и чувствительности характеристик цифровых фильтров к неточному представлению коэффициентов) (рис. 1.2).

Быстрые алгоритмы ЦОС: используют дальнейшие модификации алгоритма БПФ теоретико-числовые преобразования для вычисления быстрой свертки.

Оптимальная и адаптивная ЦОС: развивает теорию статистической обработки случайных сигналов по тому или иному критерию оптимальности. Адаптивная обработка учитывает тот факт, что с течением времени статистические характеристики сигнала и помехи могут меняться.

Обработка многомерных сигналов и помех: является естественным развитием обработки одномерных сигналов на системы, использующие многомерные описания.

Этап III: Оптимальное проектирование на сигнальных процессорах (1985-1995 гг.).

Связан с появлением ЦСП (цифровых сигнальных процессоров). Сигнальный процессор – это, как правило, однокристальная микро-ЭВМ, ориентированная по своей внутренней организации и системе команд на эффективную реализацию классических алгоритмов ЦОС.

1) – КИХ-фильтр;

2) – БИХ-фильтр;

3) – ДПФ ().

Анализ данных выражений показывает, что для всех классических алгоритмов используется одна и та же последовательность операций: извлечение (выборка) из памяти данных и памяти коэффициентов одновременно двух операндов, их перемножение и последующее накопление результатов умножения в регистре-аккумуляторе (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Последовательность операций, выполняемых сигнальным процессором.

Именно в эти годы цифровые технологии обработки сигналов из сферы военных технологий переходят в сферу интенсивных коммерческих разработок.

Формулируется общая концепция оптимального автоматизированного проектирования систем ЦОС. Создаются мощные программные средства поддержки автоматизированного проектирования, начиная с этапа моделирования и заканчивая схемотехнической реализацией на основе СП и СБИС.

Этап IV: Многопроцессорные однокристальные системы и оптимальное проектирование на ПЛИС (с 1995 до наших дней).

Данный этап характеризуется вытеснением СП в их традиционных сферах применения технологией ПЛИС. Это связано с тем, что степень интеграции ПЛИС стала настолько большой, что в рамках одной ПЛИС можно встроить архитектуру СП и всё, что его окружает.

К числу наиболее актуальных проблем теории и техники ЦОС на современном этапе их развития относятся:

1) Систематизация методов и алгоритмов обработки цифровых сигналов по различным направлениям и создание пакетов прикладных программ (ППП) по автоматизированному проектированию систем ЦОС.

2) Разработка методики и ППП оптимального проектирования систем ЦОС на СП и на ПЛИС.

3) Взаимодополняющее развитие новых концепций по основным направлениям теории ЦОС:

· многоскоростная обработка;

· быстрые алгоритмы;

· адаптивная обработка;

· спектральное оценивание;

· частотно-временная обработка;

· вейвлет-преобразования;

· нелинейная фильтрация;

· обработка многомерных сигналов.

Дата добавления: 2014-01-04