Преимущества инедостатки цос. Области применения цос.

Содержание ЦОС. Аналоговый, дискретный и цифровой сигналы.

Сигнал определяется как функция, которая переносит информацию о состоянии или поведении физической системы. Сигнал принимает форму электрических колебаний, которые зависят от времени и от пространственных координат. Математически сигнал представляется в виде функции одной или нескольких переменных. Различают три вида сигналов: аналоговый, дискретный и цифровой.

Ya(t)

Аналоговый сигнал описывается непрерывной или кусочно–непрерывной функцией x_а(t) при этом независимая переменная и сама функция изменяются: t₁≤t≤t₂, x₁≤x_a≤x₂. И независимая переменная и функция могут принимать любое значение из интервала.

Xa(t)

Ya(t)

УАО

 

t

 

Если переменная t принимает дискретные значения, то сигнал называется дискретным.

t_к=k*∆t, k=0,1,2,…

X_д(t_k)=X_д(k*∆t)

 

 

 

 

 

 

∆t

Амплитуда отсчетов может быть тоже дискретной, т. е. принимать определенные уровни – кванты.

 

 

 

∆X

t

 

 

 

 

 

Каждый из уровней квантования представляется в виде двоичного кода. Цифровые отсчеты, представленные в виде кодов – это цифровой сигнал. Это изображение сигнала в виде цифр. Любая задача обработки сигналов – это извлечение и преобразование информации.

Успехи в развитие вычислительной техники и особенно появление микропроцессоров обусловили появление сложных алгоритмов обработки сигналов. Такие устройства работают не с реальным сигналом, а с его цифровым представлением. В общем виде процесс обработки такой:

Аналоговый сигнал x(t) в сложной форме поступает на электронный ключ, который из аналогового сигнала формирует последовательность дискретных отсчетов с шагом по времени t (дискретизация сигнала по времени). Сигнал на выходе электронного ключа имеет вид последовательности коротких импульсов, промодулированных по амплитуде входным сигналом. Каждый сформированный отсчет в схеме памяти вытягивается на весь ∆t, это необходимо для аналогового – цифрового преобразования (АЦП). На выходе схемы памяти имеем ступенчатое напряжение, амплитуда ступеньки равна амплитуде соответствующего отсчета сигнала. В АЦП ступеньки квантуются и превращаются в цифровой код. Весь аналоговый сигнал заменяется последовательностью чисел N=T/ ∆t. Эта последовательность цифр поступает с АЦП в УЦО. УЦО – это вычислительное устройство, имеющее стандартную структуру. В УЦО над кодовыми словами производятся математические операции, соответствующие заданному алгоритму обработки сигнала. Устройство ЦОС может быть выполнено на основе жесткой и мягкой логики. Жесткая – каждая операция алгоритма выполняется отдельным блоком. Мягкая – все операции выполняются программно.

Схемы с жесткой логикой обладают большим быстродействием, но не позволяют корректировать или изменять алгоритм работы устройства. Схемы с мягкой логикой обладают меньшим быстродействием, но алгоритм работы можно менять.

Если оконечное устройство цифровое – преобразований больше нет, если нет, то коды с помощью ЦАП преобразуются в аналоговый вид и фильтруются.

 

 

Разновидности БПФ.

Существует много вариантов БПФ. Каждый из них позволяет получить дополнительный выигрыш в скорости вычисления для конкретной ситуации, но все они основаны на идеи проведения вычислений не с N-точечным ДПФ, а вычисление нескольких ДПФ меньшей размерности. Различаются способом разделения на мелкие части. Самый простой вариант, когда размеры массива представляют через целую степень 2. Разновидности: с прореживанием по времени и по частоте.

Алгоритм с прореживанием по времени: исходные данные разделяются на четную и нечетную последовательности. Алгоритм с прореживанием по частоте: исходную последовательность делят пополам, и затем вычисляют по ним четные и нечетные отсчеты спектра.

Исходная последовательность делится многократно, пока не дойдем до 2-х точечных массивов. Затем вычисляются промежуточные спектры.

Алгоритм для произвольного .

Разделяют массив: в одном чисел, в другом .

;

;

Окончательное выражение для спектра (n и k подставляем в формулы)

Кроме того, может быть БПФ с произвольным основанием, но чаще с основанием 2,4,16. Существуют еще некоторые специфические алгоритмы.

 

Содержание ЦОС. Аналоговый, дискретный и цифровой сигналы.

Сигнал определяется как функция, которая переносит информацию о состоянии или поведении физической системы. Сигнал принимает форму электрических колебаний, которые зависят от времени и от пространственных координат. Математически сигнал представляется в виде функции одной или нескольких переменных. Различают три вида сигналов: аналоговый, дискретный и цифровой.

Ya(t)

Аналоговый сигнал описывается непрерывной или кусочно–непрерывной функцией x_а(t) при этом независимая переменная и сама функция изменяются: t₁≤t≤t₂, x₁≤x_a≤x₂. И независимая переменная и функция могут принимать любое значение из интервала.

Xa(t)

Ya(t)

УАО

 

t

 

Если переменная t принимает дискретные значения, то сигнал называется дискретным.

t_к=k*∆t, k=0,1,2,…

X_д(t_k)=X_д(k*∆t)

 

 

 

 

 

 

∆t

Амплитуда отсчетов может быть тоже дискретной, т. е. принимать определенные уровни – кванты.

 

 

 

∆X

t

 

 

 

 

 

Каждый из уровней квантования представляется в виде двоичного кода. Цифровые отсчеты, представленные в виде кодов – это цифровой сигнал. Это изображение сигнала в виде цифр. Любая задача обработки сигналов – это извлечение и преобразование информации.

Успехи в развитие вычислительной техники и особенно появление микропроцессоров обусловили появление сложных алгоритмов обработки сигналов. Такие устройства работают не с реальным сигналом, а с его цифровым представлением. В общем виде процесс обработки такой:

Аналоговый сигнал x(t) в сложной форме поступает на электронный ключ, который из аналогового сигнала формирует последовательность дискретных отсчетов с шагом по времени t (дискретизация сигнала по времени). Сигнал на выходе электронного ключа имеет вид последовательности коротких импульсов, промодулированных по амплитуде входным сигналом. Каждый сформированный отсчет в схеме памяти вытягивается на весь ∆t, это необходимо для аналогового – цифрового преобразования (АЦП). На выходе схемы памяти имеем ступенчатое напряжение, амплитуда ступеньки равна амплитуде соответствующего отсчета сигнала. В АЦП ступеньки квантуются и превращаются в цифровой код. Весь аналоговый сигнал заменяется последовательностью чисел N=T/ ∆t. Эта последовательность цифр поступает с АЦП в УЦО. УЦО – это вычислительное устройство, имеющее стандартную структуру. В УЦО над кодовыми словами производятся математические операции, соответствующие заданному алгоритму обработки сигнала. Устройство ЦОС может быть выполнено на основе жесткой и мягкой логики. Жесткая – каждая операция алгоритма выполняется отдельным блоком. Мягкая – все операции выполняются программно.

Схемы с жесткой логикой обладают большим быстродействием, но не позволяют корректировать или изменять алгоритм работы устройства. Схемы с мягкой логикой обладают меньшим быстродействием, но алгоритм работы можно менять.

Если оконечное устройство цифровое – преобразований больше нет, если нет, то коды с помощью ЦАП преобразуются в аналоговый вид и фильтруются.

 

 

Преимущества инедостатки ЦОС. Области применения ЦОС.

Преимущества:

1.В устройствах ЦОС отсутствуют негативные факторы, которые характерны для аналоговых систем (это инерционность энергоемких элементов, влияние паразитных связей между отдельными узлами и несогласованность узлов по входным и выходным сопротивлениям).

2.Повторяемость характеристик.

3.Высокая точность воспроизведения операторов преобразования и стабильность характеристик.

4.Нечувствительность к изменениям внешних условий (температура, влажность и т. д.).

5.Возможность модернизации в процессе эксплуатации.

6.Высокая надежность в работе.

7.Возможность диагностики и само – диагностики неисправностей.

8.Простота осуществления устройств памяти.

Недостатки:

1.Необходимость в дополнительных операциях преобразования сигналов (дискретизация, квантование, оцифровка и обратное преобразование); эти преобразования ведут к потерям точности.

2.Ограниченное быстродействие, которое не позволяет обрабатывать все возможные сигналы.

3.Наличие эффектов конечной разрядности регистров.

4.Нелинейные эффекты при переполнении регистров.

5.Зависимость скорости обработки от точности.

В значительной степени области применения ЦОС определяются уровнем развития элементной базы. Область применения ЦОС постоянно расширяется.

1.Обработка звуковых сигналов, включая анализ, распознавание и синтез речи.

В этой области положительные результаты обеспечивает формат данных с фиксированной запятой и длиной слова 16 бит. При повышенных требованиях возможно 32 бита с плавающей запятой. Диапазон частот звука: 100 ГГц – 4 кГц, частота дискретизации 8 кГц. При обработке музыки диапазон частот: 20 ГГц – 40 кГц, частота дискретизации 112 кГц. Используемые алгоритмы включают интерполяцию сигналов, цифровую фильтрацию, спектральный анализ сигналов, корреляционный анализ, прямая и обратная свертки, а также специальные алгоритмы. Требуемая производительность этих устройств: 10⁵ – 10⁶ умножений в секунду.

2.Обработка изображения.

Используется для: 1)улучшения изображения, содержащего шумы, сжатия информации для передачи и хранения, и распознавания образов; осуществляется с помощью инверсной свертки, а также с помощью алгоритмов быстрого преобразования Фурье;

2)решения задач компьютерной томографии: восстановление трехмерной структуры объекта; используются преобразования Фурье;

3)решения задач преобразования контрастности, яркости, выделения контуров, статистической обработки изображения; для сжатия используются ортогональные преобразования Фурье, Адамара, Уолша.

3.В системах радиолокации.

Осуществляется поиск и обнаружение объектов, их координаты и их динамические параметры. Диапазон частот входного сигнала: 10МГц – десятки ГГц. Разрядность данных: 6 – 8 бит, требования по быстродействию: 10⁸ – 10⁹ умножений в секунду. Для решения задач используются алгоритмы БПФ, в системах с фазированной антенной решеткой используется скалярное произведение векторов, что называется весовым суммированием.

4.В системах гидролокации.

Осуществляется формирование диаграмм направленности антенн, спектральный анализ, корреляционный анализ, вторичная обработка сигналов для вывода информации для устройств отображения. Используются такие алгоритмы как, скалярное произведение вещественных и комплексных чисел, одномерные и двумерные пространственно – временные преобразования Фурье, вычисление корреляционных функций, одномерные и двумерные свертки и матричные операции. Особенность гидросигналов – более низкий частотный диапазон и высокая зашумленность, которая требует построения многоканальных систем. В гидролокационных системах объем вычисляемых операций имеет порядок: 10⁶ – 10⁸ операций в секунду.

Этапы ЦОС

Первичная обработка

Линеаризация.

Масштабирование.

Вычисление корректирующих зависимостей.

Фильтрация, усреднение, экстраполяция, сравнение с пределами.

Слежение за скоростью изменения параметров сигнала с их индикацией.

Вычисление значений непосредственно не измеряемых параметров.

Формирование качественно новой информации, путем сжатия,

организация информационного обмена внутри ЦОС и обмена с

внешними устройствами.

Вторичная обработка