Обработка

Цифровые, дискретные и аналоговые сигналы

Системы цифровой обработки сигналов давно вошли в нашу повседневную жизнь в виде CD-, DVD-, Blu-ray- и прочих цифровых проигрывателей, модемов, сотовых телефонов и многого другого. В последнее время наметилась тенденция к самому широкому внедрению систем с цифровыми сигналами. Применение методов цифровой обработки сигналов лежит в области мультимедийных технологий, то есть обработки звука и изображений, включающей их сжатие и кодировку.

Цифровая обработка сигналов

Цифровая обработка сигналов

В области цифровой связи цифровыми методами выполняется модуляция и демодуляция данных для передачи по каналам связи. В некоторых прикладных областях цифровая обработка сигналов стала вытеснять традиционную аналоговую. В значительной степени это произошло в аудиотехнике, интенсивно идет процесс перехода телевизионного вещания на цифровую основу.

Цифровая и аналоговая обработка сигналов – это две разные области. Аналоговая обработка сигналов занимается обработкой непрерывных во времени (аналоговых) сигналов. В математике термин «аналоговый» означает набор непрерывных значений.

Цифровая обработка сигналов (ЦОС), по-английски – Digital Signal Processing (DSP) – это область знаний, которая занимается представлением дискретных во времени сигналов в виде последовательности чисел (также называемых символами) и обработку этих сигналов.

Задачами ЦОС является измерение, фильтрация, а также сжатие сигналов.

Система цифровой обработки сигналов

Первым шагом обычно является преобразование сигнала из аналоговой в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя, который превращает непрерывный во времени сигнал в последовательность чисел путем дискретизации во времени и квантования по уровню в устройстве, называемом аналого-цифровым преобразователем (АЦП), (Analog-Digital Convertor — ADC), который преобразовывает аналоговый сигнал в последовательность чисел.

Цифровая обработка сигналов

Цифровая обработка сигналов

Далее последовательность чисел подвергается обработке на цифровом процессоре (ЦП). Процессор осуществляет различные математические операции над входными отсчетами. Ранее полученные отсчеты и промежуточные результаты могут сохраняться в памяти процессора для использования в последующих вычислениях. Результатом работы ЦП является новая последовательность чисел, представляющая собой отсчеты выходного сигнала. Часто на выходе системы требуется снова получить аналоговый сигнал. Обратное преобразование осуществляется цифрово-аналоговым преобразователем (ЦАП) (Digital-Analog Converter, DAC). Для сглаживания ступенчатого сигнала, которые получается на выходе DAC, часто используют сглаживающий фильтр (Ф).

Разделы ЦОС

Разделы ЦОС

Какой сигнал лучше – аналоговый или цифровой?

Аналоговая технология была с нами в течение десятилетий. Она не так концептуально сложна, как цифровая электроника, и довольно дешева в использовании. Поэтому мы можем себе позволить телефон за 20 долларов или просмотр нескольких телеканалов, используя хорошо позиционированную антенну. Проблема в том, что аналоговые сигналы имеют ограничения объема переносимых данных. Поэтому с нашими недорогими телефонами и телевизорами мы не сможем иметь много каналов.

Аналоговый или цифровой?

Аналоговый или цифровой?

Цифровой сигнал может переносить больше информации (меньшие требования по ширине канала, возможность компрессии сигнала, временное разделение каналов). Например, передача видеосигнала телевидения высокой четкости на дальние расстояния от вещательной станции до приемника осуществляется, как правило, в сжатом цифровом виде. Сжатие видео на порядки снижает требования к ширине канала передачи данных, при этом качество изображения остается приемлемым. Многие цифровые форматы используют методы сжатия с "потерями". К таким алгоритмам можно отнести MPEG-2, MP3, MPEG-4. Части, которые удаляются при сжатии, как правило, не различимы человеческими органами чувств, хотя это зависит от того, насколько сильна степень сжатия и насколько хороши ваши уши или глаза. Также преимуществом цифрового сигнала является возможность шифрования сигнала при передаче, таким образом цифровой сигнал не будет перехвачен лицом, для которого он не предназначается.

Цифровой или аналоговый?

Цифровой или аналоговый?

Все физические процессы в природе являются по своей сути аналоговыми, то есть протяженными во времени. Человеческие чувства «аналоговые». Поэтому, чтобы получить цифровой сигнал, необходимо конвертировать его из аналогового в последовательность дискретных отсчетов, затем квантовать по уровню, получить цифровой сигнал. Затем, после обработки в цифровом процессоре, необходимо провести обратное цифро-аналоговое преобразование, т.е. на выходе ставится фильтр низких частот, который сглаживает непрерывный ступенчатый сигнал. Таким образом необходимость преобразования АЦП и ЦАП можно отнести к недостаткам работы с цифровыми сигналами.

Аналоговый сигнал подвержен наличию шума. Например, существует большое количество источников телевизионных помех. Но наиболее часто проблема связана с находящимся неподалеку радиопередатчиком либо с тем, что телевизионная антенна или связанные с ней устройства – такие как усилители, разделители линий – плохого качества или старые. Ухудшение качества также может быть связано с плохими атмосферными и погодными условиями, домашними приборами, создающими электрический шум, например электродрелями.

Цифровой сигнал обладает возможностью гарантированного исправления ошибок, повторяемости результата. Цифровая технология разбивает голосовой (или телевизионный) сигнал в двоичный код, последовательность единиц и нулей, переносит его через канал связи на другую сторону, где другое устройство (телефон, модем или ТВ) собирает их в исходный сигнал.

Преимущество цифровой технологии в том, что она знает, каким сигнал должен быть, когда он достигает конца передачи. Таким образом, она может исправить любые ошибки, которые могут возникнуть при передаче данных.

Исправление ошибок

Исправление ошибок

Нельзя однозначно сказать, что цифровой сигнал лучше, чем аналоговый. Сравним аналоговые и цифровые носители информации в плане качества сигнала. Например, цифровой аудио CD диск обеспечивает лучшее качество звука, чем аудио кассета. Цифровой видео DVD диск лучше чем видеокассета в формате VHS. Однако, фильм, показанный на аналоговом видеопроекторе в кинотеатре, лучше по качеству чем DVD, а аналоговая Master-кассета, записанная в студии звукозаписи, лучше чем аудио CD.

Применение ЦОС

Применение ЦОС

Цифровая обработка сигналов находит много применений. Возможно, наиболее эффективное использование цифровых технологий по сравнению с аналоговыми технологиями – растущий рынок сотовой связи. В то время как продажи телефонов растут в геометрической прогрессии, становятся видны пределы применения аналоговой технологии. Цифровая сотовая связь позволяет значительно большему количеству людей использовать свои телефоны в пределах одной зоны покрытия. Кроме того, передача цифровых данных является более стойкой к помехам. Теперь телефон позволяет не просто осуществлять голосовую связь, но и получать доступ в интернет. Цифровые телефоны предлагают больше возможностей, чем их аналоговые предшественники.

Носители

Носители

История цифровых микросхем

В начале 1970-х годах появилось второе поколение микросхем, основанных на МПС (микропроцессорные секции, bit-slice logics). В 1973 году корпорация TRW создала первый практически применимый параллельный дизайн мультипликатора, а через два года разработала арифметическо-логические устройства (АЛУ) на микропроцессорных секциях. Но с ценой в несколько сотен долларов позволить себе такой продукт могли только научно-исследовательские лаборатории, производители медицинского оборудования и военные.

История цифровых микросхем

История цифровых микросхем

В 1979 году компания Intel представила Intel 2920 "аналоговый сигнальный процессор". 16-битный чип был назван так, потому что он был разработан как замена аналоговой цепи, в комплекте с бортовым ADС и DAС конвертерами. Он обрабатывал аналоговые сигналы в цифровой форме. Он был слишком медленным для выполнения полезной работы в звуковом диапазоне, в котором в конце концов и образовался первоначальный большой рынок сбыта микросхем цифровой обработки сигналов.

Первым "настоящим" однокристальным DSP чипом стал обнародованный в начале 1980 года чип NEC (μPD7720). Частота чипа NEC была достаточно высока, чтобы выполнять полезную работу в звуковом диапазоне, он стал первым чипом DSP, запущенным в массовое производство.

Специализированные цифровые сигнальные процессоры

Часто при обработке отсутствует требование работы в режиме реального времени, и тогда обработку данных экономично проводить на обычном компьютере общего назначения, и сигнал (как входной, так и выходной) существует в виде файлов. Например, обработка цифровых фотографий с помощью программного обеспечения, такого как Photoshop.

Что представляют собой СЦОС

Что представляют собой СЦОС

Большинство микропроцессоров общего назначения и операционных систем могут успешно выполнять алгоритмы DSP, но не подходят для использования в портативных устройствах, таких как мобильные телефоны из-за мощности питания и пространственных ограничений.

Специализированные цифровые сигнальные процессоры, обеспечивают более дешевые решения, с более высокой производительностью, маленьким временем запаздывания, и не требуют к специализированного охлаждения или больших батарей. Также алгоритмы ЦОС выполняются на специализированных аппаратных средствах, таких как специализированные интегральные схемы (ASIC), микропроцессорах общего назначения, программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), цифровых сигнальных контроллерах (в основном для промышленных приложений, таких как управление двигателем), и потоковых процессорах.

Сигналы одномерные и многомерные

Термин сигнал часто встречается не только в областях науки и техники, но и в повседневной жизни. Не задумываясь о строгости терминологии, мы иногда отождествляем такие понятия, как «сигнал», «сообщение», «информация». В соответствии со сложившейся традицией, сигналом называется процесс изменения во времени физического состояния какого-либо объекта, служащий для отображения, регистрации и передачи сообщений.

Обычным для радиотехники сигналом является напряжение на зажимах цепи или ток, протекающий в ветви. Такой сигнал, описываемый одной функцией времени (1), принято называть одномерным.
Обычно физический процесс, порождающий сигнал, развивается во времени таким образом, что значения сигналов можно измерять в любые моменты времени. Сигналы этого класса принято называть аналоговыми или континуальными.

Термин «аналоговый сигнал» почерпнут из вычислительной техники, где созданы аналоговые вычислительные устройства для решения дифференциальных уравнений. Аналоговый одномерный сигнал наглядно представляется своим графиком либо осциллограммой, причем этот график может быть как непрерывным, так и содержащим точки разрыва.

Первоначально в радиотехнике использовались сигналы исключительно аналогового типа. Свойства этих сигналов позволяли с успехом решать ряд технических задач: радиосвязь, телевидение. К тому же аналоговые сигналы было просто генерировать, принимать и обрабатывать с помощью доступных в те годы средств.

Аналоговый, дискретный и цифровой сигналы

Аналоговый, дискретный и цифровой сигналы

Возросшие требования к радиотехническим системам, разнообразие их применений заставили искать новые принципы их построения. На смену аналоговым в ряде случаев пришли импульсные системы, работа которых основана на дискретных сигналах. Простейшая математическая модель дискретного сигнала – это счетное множество точек на оси времени, в каждой из которых определено отсчетное значение сигнала дискретизации для каждого сигнала постоянен.

Одним из преимуществ дискретного сигнала перед аналоговым – отсутствие необходимости воспроизводить сигнал непрерывно во все моменты времени, что позволяет по одной и той же линии передавать несколько сигналов от различных источников различным потребителям, организуя многоканальную связь с разделением каналов во времени. Ясно, что быстро изменяющиеся во времени аналоговые сигналы для их дискретизации требуют малого шага Δ.
Процесс преобразования аналогового сигнала в последовательность отсчетов называется дискретизацией (sampling), а результат такого преобразования – дискретным сигналом.

Цифровые сигналы являются особой разновидностью дискретных сигналов. Они характерны тем, что отсчетные значения представлены в форме чисел. По соображениям удобства технической реализации и обработки, используют числа в двоичной системе с ограниченным, и как правило не слишком большим числом разрядов.

Частота дискретизации

Величина, обратная периоду дискретизации, называется частотой дискретизации (1-2). Как правило, отсчеты берутся через равные промежутки времени (T), называемые периодом (интервалом, шагом) дискретизации.

Эффекты, связанные с дискретизацией периодических процессов, наглядно проявляются при кино- и видеосъемке вращающихся объектов (например, колеса автомобилей). Из-за недостаточно высокой частоты дискретизации (частоты смены кадров) быстро вращающееся колесо может выглядеть неподвижным либо медленно поворачивающимся (причем в любую сторону).

Автор: 
© Кривцов О. А.
Термины: