Типи сигналів. Аналоговий сигнал. Дискретний сигнал. Цифровий сигнал. Перетворення типу сигналів. Енергія і потужність сигналу.

 

На минулій лекції ми розглянули класифікацію сигналів та математичні моделі деяких сигналів.

Аналогові сигнали - це сигнали, що описуються неперервною або кусково-неперервною функцією y_a (t),причому як ця функція, так і її аргумент t можуть набувати будь-яких значень на заданих інтервалах y  (y_min, y_max) і t (t_min, t_max). Термін «аналоговий сигнал» підкреслює, що такий сигнал «аналогічний», тобто повністю подібний фізичному процесу, який його породжує. Одномірний аналоговий сигнал наочно представляється графіком (осцилограмою), що може бути неперервним або з точками розриву [5] (рис. 1.3, а - сигнал неперервний у часі та за значенням).

Дискретні сигнали - це сигнали, що змінюються дискретно у часі або за рівнем. У першому випадку він може набувати у дискретні моменти часу nT,де число T = const - інтервал (період) дискретизації; n = 0; 1; 2,... - ціле число будь-яких значень y_a (y_min, y_max), які називають вибірками або відліками (рис. 1.3, б). У другому випадку значення сигналу y_a (t) існують у будь-який момент t (t_min, t_max), однак вони можуть набувати обмежений ряд значень h_i = i g, кратних кванту g.

Цифрові сигнали - квантовані за рівнем і дискретні за часом сигнали Y(nТ), які описуються квантованими решітчастими функціями (квантовани-ми послідовностями), які набувають у дискретні моменти часу пТ лише скін­ченний ряд дискретних значень - рівнів квантування h₁, h ₂,..., h_n (рис. 1.3, в -сигнал неперервний у часі та квантований за значенням, рис. 1.3, г - сигнал дискретизований у часі та квантований за значенням) описуються решітчастими функціями.

За характером зміни у часі сигнали поділяють на постійні, значення яких з часом не змінюються, і змінні, значення яких змінюються з часом. Постійні сигнали є найпростішим видом ВС. Змінні сигнали можуть бути безперервними за часом та імпульсними.

Рис.1.3.

Перетворення типу сигналів.Узагальнена структурна схема системи цифрової обробки сигналів (ЦОС) приведена на рис. 2.1.

Часова дискретизація аналогового сигналу і його квантування по рівню виконується в аналого-цифровому перетворювачі АЦП. Вихідним сигналом АЦП є послідовність чисел, що поступає в процесор цифрової обробки сигналів ПЦОС, що виконує необхідну обробку. Процесор здійснює різні математичні операції над вхідними відліками; раніше отримані відліки і проміжні результати зберігаються в пам’яті процесора для використання в наступних обчисленнях. Відліки вихідного сигналу можуть бути використані для отримання аналогового вихідного сигналу за допомогою цифро-аналогового перетворювача ЦАП і (при необхідності) згладжувального фільтру Ф.

За допомогою ЦОС можуть бути здійснені усі відомі операції над сигналами. Наприклад, на основі цифрової обробки сигналів в метрології, радіотехніці і техніці зв'язку вирішуються наступні завдання: генерація, модуляція, формування і корекція сигналів, фільтрація і оцінювання, аналіз спектрів, виявлення і розпізнавання сигналів, кодування і декодування, обробка зображень тощо.

Принципові переваги ЦОС:

· багатофункціональність обробки, тобто можливість використання одного і того ж процесора для виконання різних операцій обробки шляхом зміни програми;

· мультиплексування, тобто можливість обробки сигналів від декількох датчиків в проміжках між суміжними тактами, що особливо актуально при реалізації багатоканальних інформаційно-вимірювальних систем;

· відсутність принципових обмежень на складність обробки (принципово можливо забезпечити необхідну точність обробки при будь-якої складності алгоритмах);

· зняття обмежень на види обробки, властиві аналоговій техніці, і можливість реалізації будь-яких формально описуваних перетворень.

Теорія ЦОС вивчає принципи і методи побудови алгоритмів, програм і технічних засобів цифрової обробки сигналів. Залежно від засобів реалізації (апаратні, програмні або змішані) розглядаються завдання розробки і реалізації алгоритмів ЦОС, методи синтезу фізично можливих операторів для різноманітних прикладних завдань, процедури досягнення точності виконання алгоритмів.

Як програмний, так і апаратний способи реалізації ЦОС базуються або на часовому, або на спектральному підході. Часовий підхід за своєю суттю є більш "фізичним", він нагадує фізичний процес обробки сигналів в аналоговій системі. У зв'язку з цим розглянемо спочатку принципи часового підходу.