Какво е цифрова обработка на сигнали?

Какво е цифрова обработка на сигнали? 
DSP манипулира различни видове сигнали с цел филтриране, измерване или компресиране и генериране на аналогови сигнали. Аналоговите сигнали се различават, като вземат информация и я превеждат в електрически импулси с различна амплитуда, докато информацията от цифровия сигнал се превежда в двоичен формат, където всеки бит данни е представен от две различими амплитуди. Друга забележима разлика е, че аналоговите сигнали могат да бъдат представени като синусоиди, а цифровите сигнали са представени като квадратни вълни. DSP може да се намери в почти всяка област, независимо дали става въпрос за обработка на масло, звуково възпроизвеждане, радар и сонар, обработка на медицински изображения или телекомуникации - по същество във всяко приложение, в което сигналите се компресират и възпроизвеждат. 

И така, какво точно е цифровата обработка на сигнала? Процесът на цифровия сигнал приема сигнали като аудио, глас, видео, температура или налягане, които вече са цифровизирани и след това ги манипулира математически. След това тази информация може да бъде представена като дискретно време, дискретна честота или други дискретни форми, така че информацията да може да бъде обработена цифрово. В реалния свят е необходим аналогово-цифров преобразувател, за да приема аналогови сигнали (звук, светлина, налягане или температура) и да ги преобразува в 0 и 1 за цифров формат. 

DSP съдържа четири ключови компонента: 
 Computing Engine: Математически манипулации, изчисления и процеси чрез достъп до програмата или задачата от паметта на програмата и  информацията, съхранявана в паметта на данните.
 Памет на данни: Това съхранява информацията, която ще се обработва и работи ръка за ръка с програмната памет. 
 Програмна памет: Това съхранява програмите или задачите, които DSP ще използва за обработка, компресиране или манипулиране на данни.
 I / O: Това може да се използва за различни неща, в зависимост от полето, за което се използва DSP, т.е. външни портове, серийни портове, таймери и свързване с външния свят. 

По-долу е дадена фигура на това как изглеждат четирите компонента на DSP в обща конфигурация на системата. 

DSP FIlters 
Филтърът Чебишев е цифров филтър, който може да се използва за разделяне на една честотна лента от друга. Тези филтри са известни със своя основен атрибут, скорост и макар да не са най-добрите в категорията на производителност, те са повече от адекватни за повечето приложения. Дизайнът на филтъра Чебишев е проектиран около математическата техника, известна като z-трансформация. По принцип z-преобразуването преобразува дискретен сигнал, съставен от последователност от реални или сложни числа, в представяне на честотна област. Отговорът на Чебишев обикновено се използва за постигане на по-бързо преобръщане, като позволява пулсация в честотната характеристика. Тези филтри се наричат ​​тип 1 филтри, което означава, че пулсацията в честотната характеристика е разрешена само в честотната лента. Това осигурява най-доброто приближение към идеалния отговор на всеки филтър за определен ред и пулсации. Той е създаден, за да премахне определени честоти и да позволи на другите да преминат през филтъра. Филтърът Чебишев обикновено е линеен в своята реакция и нелинеен филтър може да доведе до изходния сигнал, съдържащ честотни компоненти, които не присъстват във входния сигнал. 


Защо да използвате цифрова обработка на сигнала?
За да се разбере как цифровата обработка на сигнала или DSP се сравнява с аналогова схема, бихме могли да сравним двете системи с всяка функция на филтър. Докато аналоговият филтър би използвал усилватели, кондензатори, индуктори или резистори и би бил достъпен и лесен за сглобяване, би било доста трудно да се калибрира или промени реда на филтъра. Същите неща обаче могат да се направят и с DSP система, просто по-лесно да се проектират и модифицират. Функцията за филтриране в DSP система е базирана на софтуер, така че могат да се избират множество филтри. Също така, за създаване на гъвкави и регулируеми филтри с отговори на висок ред изисква само DSP софтуер, докато аналоговият изисква допълнителен хардуер. 

Например, практичен лентов филтър, с дадена честотна характеристика, трябва да има управление на прекъсване на спирането на лентата, настройка на честотната лента и контрол на ширината, безкрайно затихване в стоп лентата и отговор в рамките на пропускателната лента, който е напълно плосък с нулева фазова смяна. Ако се използват аналогови методи, филтрите от втори ред биха изисквали много поетапни секции с висок Q, което в крайна сметка означава, че ще бъде изключително трудно да се настрои и коригира. Докато подхождате към това с DSP софтуер, използвайки ограничен импулсен отговор (FIR), времевият отговор на филтъра на импулс е претеглената сума на настоящите и ограничен брой предишни входни стойности. Без обратна връзка, единственият му отговор на дадена проба приключва, когато извадката достигне "края на реда". Имайки предвид тези дизайнерски различия, DSP софтуерът е избран за своята гъвкавост и простота спрямо аналоговите схеми на филтрите. 

При създаването на този лентов филтър използването на DSP не е ужасна задача за завършване. Прилагането му и производството на филтрите е много по-лесно, тъй като трябва само да програмирате филтрите еднакво с всеки DSP чип, влизащ в устройството. Въпреки това, използвайки аналогови компоненти, имате риск от дефектни компоненти, регулиране на веригата и програмиране на филтъра на всяка отделна аналогова верига. DSP създава достъпен и не толкова досаден начин на дизайн на филтъра за обработка на сигнала и повишава точността за настройка и настройка на филтрите като цяло.


ADC и DAC
Електрическото оборудване се използва много в почти всяка област. Аналогови към цифрови преобразуватели (ADC) и цифрови към аналогови преобразуватели (DAC) са основни компоненти за всяка промяна на DSP във всяка област. Тези два интерфейса за преобразуване са необходими за преобразуване на сигнали в реалния свят, за да може цифровото електронно оборудване да вземе всеки аналогов сигнал и да го обработи. Вземете например микрофон: ADC преобразува аналоговия сигнал, събран чрез вход към аудио оборудване, в цифров сигнал, който може да се извежда от високоговорители или монитори. Докато преминава през аудио оборудване към компютъра, софтуерът може да добави ехо или да регулира темпото и височината на гласа, за да получи перфектен звук. От друга страна, DAC ще преобразува вече обработения цифров сигнал обратно в аналоговия сигнал, който се използва от аудио изходно оборудване като монитори. По-долу е показана фигура, показваща как работи предишният пример и как неговите аудио входни сигнали могат да бъдат подобрени чрез възпроизвеждане и след това да се извеждат като цифрови сигнали чрез монитори.

Тип аналогово-цифров преобразувател, известен като ADC за цифрова рампа, включва сравнител. Стойността на аналоговото напрежение в определен момент се сравнява с дадено стандартно напрежение. Един от начините да се постигне това е чрез прилагане на аналогово напрежение към един извод на компаратора и тригера, известен като двоичен брояч, който задвижва ЦАП. Докато изходът на ЦАП се реализира към другия терминал на компаратора, той ще задейства сигнал, ако напрежението надвиши аналоговото входно напрежение. Преходът на сравнителя спира двоичния брояч, който след това задържа цифровата стойност, съответстваща на аналоговото напрежение в тази точка. Фигурата по-долу показва диаграма на цифрова ADC на рампа. 

Приложения на DSP
Има много варианти на процесор за цифров сигнал, който може да изпълнява различни неща, в зависимост от приложението, което се изпълнява. Някои от тези варианти са обработка на аудио сигнал, компресия на аудио и видео, обработка и разпознаване на реч, цифрова обработка на изображения и радарни приложения. Разликата между всяко от тези приложения е как цифровият сигнален процесор може да филтрира всеки вход. Има пет различни аспекта, които варират в зависимост от всеки DSP: тактова честота, размер на RAM, ширина на шината за данни, размер на ROM и напрежение за изход и изход. Всички тези компоненти наистина ще засегнат аритметичния формат, скоростта, организацията на паметта и ширината на данните на процесора. 

Една добре известна архитектурна подредба е архитектурата на Харвард. Този дизайн позволява на процесор едновременно да осъществява достъп до две банки с памет, използвайки два независими набора шини. Тази архитектура може да изпълнява математически операции, докато извлича допълнителни инструкции. Друга е архитектурата на паметта Von Neumann. Въпреки че има само една шина за данни, операциите не могат да бъдат заредени, докато инструкциите се получават. Това причинява задръстване, което в крайна сметка забавя изпълнението на DSP приложения. Въпреки че тези процесори са подобни на процесор, използван в стандартен компютър, тези цифрови сигнални процесори са специализирани. Това често означава, че за да изпълнят задача, DSP трябва да използват аритметика с фиксирана точка. 

Друго е вземането на проби, което представлява намаляване на непрекъснатия сигнал до дискретен сигнал. Едно от основните приложения е преобразуването на звукова вълна. Аудио вземането на проби използва цифрови сигнали и импулсно-кодова модулация за възпроизвеждане на звук. Необходимо е да се заснеме звук между 20 - 20,000 50 Hz, за да го чуят хората. Честотата на вземане на проби, по-висока от тази от около 60 kHz - XNUMX kHz, не може да предостави повече информация за човешкото ухо. Използвайки различни филтри с DSP софтуер и ADC и DAC, проби от аудио могат да бъдат възпроизведени чрез тази техника. 

Цифровата обработка на сигнали се използва широко при ежедневните операции и е от съществено значение за пресъздаването на аналогови сигнали към цифрови сигнали за много цели.

Може да харесате още:

DSP - Digital Signal Processing начинаещи

Обяснете Signal Processing на Digital (DSP) и модулацията

Остави съобщение 

Списък на ЛС