Структура та компоненти системи цифрової обробки сигналів

 

Поведінка деякої фізичної величини в часі (інтенсивність звуку, інтенсивність світла, температура, тиск і т.д.) сприймається як сигнал, який є неперервною функцією часу. Сигнали, визначені у всі моменти часу, називаються аналоговими (рис.1.1а), які за допомогою датчиків перетворюються в електричні, наприклад, мікрофон для перетворення звуку.

Процес перетворення аналогового сигналу в послідовність відліків називається дискретизацією, а результат такого перетворення – дискретним сигналом (рис.1.1б). Як правило, відліки беруться через рівні проміжки часу Т_д, називаються періодом або кроком дискретизації. Величина, обернена періоду дискретизації, називається частотою дискретизації – f_д=1/T_д. Представлення сигналу набором дискретних відліків веде до втрати інформації в проміжках між відліками.

При обробці сигналів в комп’ютерних системах його відліки представляються у вигляді двійкових чисел, що мають обмежене число розрядів. Процес перетворення відліків сигналу в числа називається квантуванням по рівню, а виникаючі при цьому помилки округлення – шумами квантування. Сигнал, дискретний в часі і квантований по рівню, називається цифровим сигналом (рис.1.1в).

 

Рис.1.1 Сигнали: а) аналоговий; б) дискретний; в) цифровий

Метою обробки сигналу є представлення його в зручному для сприйняття вигляді, формування сигналу з заданими параметрами, виділення з сигналу та внесення у нього корисної інформації.

В залежності від використовуваних апаратних засобів обробка сигналів і зображень може бути аналоговою або цифровою. Добре вивчені та широко розповсюджені методи і засоби аналогової обробки сигналів і зображень, які підвищенням вимог до складності, точності та стабільності обробки у же не можуть конкурувати з комп’ютерними засобами обробки сигналів і зображень. Комп’ютерні засоби ЦОС, в порівнянні з аналоговими, мають наступні переваги:

· характеристики комп’ютерних засобів абсолютно стабільні і не змінюються при зміні зовнішніх умов;

· дозволяють реалізацію ряду операцій і алгоритмів, що принципово не реалізуються з допомогою аналогових елементів; забезпечують швидку (в основному – програмним шляхом) модифікацію або заміну алгоритмів обробки;

· мають високу надійність, малі габарити і просто повторяються.

Для обробки аналогових сигналів цифровими засобами необхідні допоміжні перетворення на вході та виході системи. На вході аналоговий сигнал попередньо перетворюється в цифровий з допомогою аналого-цифрових перетворювачів (АЦП), а на виході цифровий сигнал перетворюється в аналоговий з допомогою цифро-аналогових перетворювачів (ЦАП). В цій останній процедурі найчастіше немає необхідності, якщо метою ЦОС є отримання інформації про сигнал. Розширення використання методів і засобів ЦОС пов’язано як із вдосконаленням основних метрологічних характеристик АЦП і ЦАП, так і розвитком НВІС-технології.

Структура системи цифрової обробки сигналів і зображень наведена на рис.1.2.

Рис.1.2 Структура системи цифрової обробки сигналів

 

На вхід системи ЦОС надходить аналоговий сигналів x(t), який з допомогою АЦП перетворюється послідовність двійкових відліків X(T), які надходять в комп’ютерну систему, де за оператором F виконується обробка. Результати обробки комп’ютерної системи є нова послідовність чисел, які з допомогою ЦАП перетворюються в аналоговий сигнал y(t).

Успіхи в теорії ЦОС та інтенсивний розвиток НВІС-технології забезпечили створення високопродуктивних малогабаритних комп’ютерних систем обробки сигналів, які істотно розширили області застосування технологій обробки сигналів [1-10]. Основними компонентами систем ЦОС є апаратні, алгоритмічні, програмні та технологічні засоби.

Апаратні засоби систем ЦОС забезпечують перетворення, приймання, зберігання, обробку вхідної інформації та вивід результатів обробки. Вони складаються АЦП, комп’ютерної системи ЦОС і ЦАП.

АЦП призначені для перетворення аналогової інформації (у вигляді напруги) у цифровий код. Основними параметрами АЦП є:

· число розрядів п вихідного коду;

· роздільна здатність h – мінімальний квант вхідної напруги, за якої вихідний код змінюється на одиницю молодшого розряду;

· час перетворення t_пр – інтервал від моменту перетворення до появи на виході сталого коду.

У сучасних АЦП застосовуються такі методи перетворення: послідовної лічби; порозрядного кодування; паралельної дії; комбіновані паралельно-послідовні.

ЦАП призначені для перетворення цифрової інформації в аналогову у вигляді напруги(струму). Структура ЦАП вміщує: резистивну або транзисторну матрицю для формування еталонних струмів; ключі для комутації еталонних струмів згідно з вхідним кодом до спільної точки підсумовування; операційний підсилювач для перетворення струму у вихідну напругу; допоміжні схеми для узгодження з вхідними рівнями сигналів; стабільне джерело опорної напруги. Основними параметрами ЦАП є:

· число розрядів вхідного цифрового коду;

· похибки перетворення;

· діапазон зміни вихідної напруги;

· час установлення, який визначає швидкодію.

Реалізуються АЦП і ЦАП у вигляді гібридних або напівпровідникових НВІС.

Комп’ютерна система ЦОС складається із процесорного ядра та підсистем зберігання і введення-виведення. Структура процесорного ядра комп’ютерних систем обробки сигналів повинна забезпечувати реалізацію операційного базису і враховувати особливості алгоритмів ЦОС. У склад процесорного ядра комп’ютерних систем обробки сигналів можуть входити як програмовані процесори обробки сигналів, так і алгоритмічні процесори, архітектура яких відображає структуру алгоритму розв’язання окремих підзадач. Для зменшення часу та вартості розробки апаратних засобів комп’ютерних систем обробки сигналів їх архітектура повинна бути модульною, регулярною та орієнтованою на НВІС-реалізації [9].

Алгоритмічне забезпечення комп’ютерних систем обробки сигналів охоплює методи та алгоритми обробки сигналів і зображень. Зокрема, це методи і алгоритми кореляції, цифрової фільтрації, спектрального аналізу сигналів на базі дискретних ортогональних тригонометричних перетворень та нейромережевих технологій. На сьогодні розроблено досить потужний математичний апарат технологій цифрової обробки сигналів і зображень, який постійно вдосконалюється, розширюється і орієнтується на апаратні НВІС-реалізацї.

Програмне забезпечення комп’ютерних систем обробки сигналів ділиться на системне і спеціальне та охоплює набори програм і даних. До системного програмного забезпечення відносяться програми управління ресурсами та процесами розв’язання задач. Спеціальне програмне забезпечення реалізує базові алгоритми і задачі оброки сигналів та орієнтовано на роботу у реальному часі.

Апаратні та програмні засоби, які забезпечують розробку, налагодження та перевірку функціонування на робочих частотах як апаратури, так і програмного забезпечення комп’ютерних систем обробки сигналів, називаються технологічними. Вартість і час розробки комп’ютерних систем обробки сигналів у значні мірі визначається технологічними засобами.