2. Цифровая обработка сигналов
2.1. Эволюция теории и техники цос.
Этап 1: Цифровая фильтрация и спектральный анализ. (1965-1975).
К числу основных проблем получивших эффективное решение в эти годы относится :
Машинная аппроксимация функции передачи цифровых полосовых фильтров в классе КИХ и БИХ-цепей.
Разработка алгоритмов высокоскоростной свертки для реализации КИХ фильтров.
Разработка малошумящих структур БИХ фильтров.=>Построение цифровых спектроанализаторов на базе набора ЦПФ и алгоритма БПФ.
Этап 2: Многоскоростная фильтрация и адаптивная обработка сигналов. (1975-1985)
Связано с появлением первых микропроцессоров.
ЦЧСС – систематизирует достижения с области проектирования ЦПФ и их наборов новым и оригинальным направлением является теория многоскоростной обработки сигналов на основе эффектов прореживания по времени и по частоте.
Этап 3: Оптимальное проектирование на сигнальных процессорах. (1985-1995)
Связан с появлением в начале 80-х первых сигнальных процессоров.
СП – однокристальная микроЭВМ,
ориентированная своей архитектурой на
эффективную реализацию классический
алгоритмов ЦОС. (
)
Именно на этом этапе методы и техника ЦОС из сфера военных технологий переходит в сферу интенсивных коммерческих разработок.
Формируется общая концепция оптимального автоматизированного проектирования систем ЦОС. Создаются мощные программные средства поддержки автоматизированного проектирования. Начиная с этого этапа моделирования и заканчивая схемотехнической реализацией на СП.
Этап 4. Многопроцессорные однокристальные системы и оптимальное проектирование на ПЛИС. (1995-2005).
Связан с появлением первого многопроцессорного устройства ЦОС на 1 кристалле TMS320C80.
На данном этапе необходимо отметить возрастающие возможности технологии ПЛИС, которые все в большей степени вытесняют сигнальные процессоры из традиционных сфер их применения.
К числу наиболее актуальных проблем теории и техники ЦОС на современном этапе их развития:
Систематизация методов и алгоритмов обработки цифровых сигналов по различным направлениям и создание пакетов прикладных программ по автоматизированному проектированию систем ЦОС.
Разработка методики и ППП оптимального проектирования систем ЦОС на СП и на ПЛИС.
Взаимодополняющее развитие новых концепций по основным направлениям теории ЦОС:
Многоскоростная обработка;
Быстрые алгоритмы;
Адаптивная обработка;
Частотно-временная обработка.(вейвлет преобразования)
Нелинейная фильтрация.
Обработка многомерных сигналов.
2.2. Предмет и задачи цос.
Предмет исследований теории ЦОС полностью связан с самим процессом обработки цифровых сигналов в конкретной вычислительной среде и как правило не зависит от целей преобразования, которая определяется областью применений.
С позиции самых общих представлений проектирование системы ЦОС включает 2 этапа.
На 1 этапе (математический синтез) строится оператор преобразования F с использованием всей доступной информации о входном и выходном сигналах и цели преобразования Z, при этом не учитываются условия реализуемости оператора F.
На 2 этапе (многокритериальная оптимизация структуры цифровой системы) производится синтез оператора преобразования P с учетом ограничений S, накладываемых реальными условиями восприятия желаемого оператора F.
Теория и методы ЦОС должны показать, как достигнуть поставленной цели проектирования при общих минимальных затратах на реализацию, оптимального алгоритма обработки F в конкретной вычислительной среде:
Моделирование на ЭВМ;
Проектирование многопроцессорных систем;
Однокристальное использование на ЦПОС;
Реализация на ПЛИС.
Последовательность задач, которые встают перед разработчиком, используют цифровые технологии обработки цифровых сигналов на примере проектирования цифрового НЧ-фильтра.
Весь комплекс проблемных задач, которые встают на пути разработчика систем и устройств можно свести к следующим:
Проблема представления аналогового сигнала в цифровой форме:
Проблема схемотехнического проектирования АЦП и ЦАП отвечающим заданным требованиям преобразования;
Проблема методического характера, связанная с дискретизацией по времени и квантования по уровню непрерывного сигнала.
Проблема выбора класса цифровых цепей и преобразований, обеспечивающих воспроизведение заданного математического оператора F с априорно требуемой точностью.
Проблема аппроксимации математического оператора F в заданном классе цифровых цепей.
Характеристики реально воспроизводимого оператора Р могут существенно отличаться от желаемого. Задача аппроксимации заключается в расчете в соответствии с некоторым критерием отклонение воспроизводимой характеристики от желаемой.
Проблема синтеза структуры оператора Р и оптимизация ее параметров. Воспроизведение желаемых характеристик с заданной точностью является основной целью синтеза оператора Р. Поставленная цель как правило может быть достигнута различными путями:
Если дается некоторый допуск на ошибку воспроизведения. Каждый путь характеризуется своими затратами на этапе практической реализации. Объемов вычислений в единицу времени, емкостью памяти программ, данных и своими потерями, связанные с собственными шумами и неточным представлением параметров цифровой цепи, поэтому на этапе структурного синтеза ставится задача поиска такой формы построения цифровой цепи, которая облегчает достижение поставленной цели при минимальных затратах и потерях.
Проблема анализа влияния собственных шумов и неточного представления параметров оператора Р на точность воспроизведения желаемых характеристик.
Проблема синтеза малошумящих и низкочувствительных к неточному представлению параметров структур оператора Р. В зависимости от формы построения цифровой цепи и выбора ее параметров, влияние собственных шумов и неточного представления коэффициентов на конкретный результат обработки может быть различным, поэтому важной проблемой синтеза структуры оператора Р, является проблема построения малошумящих и низкочувствительных структур цифровой цепи.
Проблема выбора схемотехнического решения:
Классы ЦСП;
Семейство процессорных модулей;
Создание эффективного программного обеспечения.