13 Цифровая обработка сигналов
Известно, что представляющие интерес для потребителя сигналы, представляющие звуковую, телеметрическую или видеоинформацию не могут быть переданы по кабельному или радиоканалу, записаны на магнитный или оптический носители в непосредственном виде. Эти сигналы приходится преобразовывать к виду, наилучшим образом подходящему для передачи по одному из доступных каналов или для записи на какой либо материальный носитель.
Главная цель обработки сигналов при их приеме или считывании заключается в необходимости извлечения содержащейся в них информации. Эта информация обычно заключена в амплитуде сигнала, его частоте или спектральном составе, в фазе или в относительных временных зависимостях нескольких сигналов.
При использовании цифровой обработки сигналов в связи аналоговая звуковая или видео информация сначала при помощи аналого-цифрового преобразователя преобразуется в цифровую форму, затем этот цифровой сигнал передается по цифровой линии связи.
Одной из задач обработки сигналов является сжатие полосы частот передаваемого сигнала без существенной потери информации. В высокоскоростных модемах и системах мобильной связи с этой целью широко используются алгоритмы устранения избыточности (сжатия) данных. Подобные методы используются в системах записи звука (MPEG), в телевидении высокой четкости (HDTV).
Промышленные системы управления используют информацию, полученную от датчиков системы сбора данных для выработки соответствующих сигналов, воздействующих на управляемый процесс.
В некоторых случаях в сигнале, содержащем информацию, присутствует шум, и основной целью обработки сигнала является восстановление сигнала в первоначальном виде. Для выполнения этой задачи часто используются такие методы, как фильтрация, автокорреляция, свертка и т.д. Причем эти функции могут быть реализованы как в аналоговой, так и в цифровой форме.
Обратите внимание, что как системы обработки сигналов, так и системы управления (контроллеры) подразумевают использование аналого-цифровых преобразователей (АЦП), цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), датчиков, устройств формирования сигнала. При этом в них в качестве обрабатывающих устройств могут применяться программируемые логические схемы, сигнальные процессоры или микроконтроллеры.
13.1 Структурная схема цифрового устройства обработки сигнала
В теореме Котельникова предполагается, что сигнал на входе аналого-цифрового преобразователя ограничен по частоте. Однако на самом деле исходные аналоговые сигналы обладают бесконечным спектром. Поэтому, прежде чем осуществить аналого-цифровое преобразование, непрерывный сигнал проходит через схему аналоговой обработки, которая выполняет такие функции, как усиление (или ослабление) сигнала, его фильтрацию, перенос спектра входного сигнала на заданную частоту.
Для подавления мешающих сигналов за пределами полосы частот полезного сигнала, а, следовательно, для предотвращения наложения спектров при дискретизации исходного сигнала, на входе устройства цифровой обработки сигнала обязательно требуется поставить аналоговый фильтр низких частот или полосовой фильтр.
Типовая структурная схема устройства цифровой обработки сигналов приведена на рисунке 13.1.
Рисунок 13.1 – Структурная схема цифрового устройства
Представленное на рисунке 13.1 цифровое устройство должно работать в реальном масштабе времени. В составе рассматриваемого устройства устройство выборки и хранения (УВХ), которое также называют дискретизатором по времени, непрерывно стробирует аналоговый сигнал с частотой, равной fд вх. При этом аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который также называют квантователем или дискретизатором по уровню, выдает новый цифровой отсчет сигнала процессору цифровой обработки сигнала. В качестве этого процессора может служить программируемая логическая схема, сигнальный процессор или даже микроконтроллер. Пример сигнала на выходе дискретизатора по времени приведен на рисунке 13.2.
Рисунок 13.2 – График дискретизированного сигнала
Для обеспечения работы системы в реальном масштабе времени, процессор цифровой обработки сигнала должен закончить все вычисления в пределах интервала дискретизации 1/fд вх и передать сформированный выходной отсчет сигнала на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) до поступления следующего значения входного сигнала с выхода аналого-цифрового преобразователя. В качестве примера устройства цифровой обработки сигнала, работающего по такому принципу, может выступать цифровой фильтр.
Возможен другой принцип построения цифровых устройств реального времени. Например, при реализации на сигнальном процессоре алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ), накопленный входной блок данных целиком загружается в память сигнального процессора.
В этом случае для обеспечения работы системы цифровой обработки сигнала в реальном масштабе времени необходимо, чтобы пока сигнальный процессор выполняет алгоритм БПФ над ранее полученным блоком данных, в его внутренней памяти накапливался новый блок данных. Сигнальный процессор должен успеть вычислить спектр входного сигнала в течение интервала накопления следующего блока данных, для того, чтобы быть готовым обработать его в следующий момент времени.
Обратите внимание, что цифро-аналоговый преобразователь в устройстве цифровой обработки сигнала требуется только в том случае, когда сформированные цифровые отсчеты сигнала необходимо преобразовывать в аналоговый сигнал (например, при обработке изображения, звука или при формировании радиосигнала).
Есть много устройств, где после аналого-цифрового преобразования сигнал остается в цифровом формате. Например, приемники цифровой или телеметрической информации, анализаторы спектра или осциллографы.
Точно так же, существуют устройства, в которых сигнальный процессор предназначен исключительно для формирования цифрового сигнала, подаваемого на цифро-аналоговый преобразователь. В качестве примера подобного устройства можно назвать передающую часть модема, возбудитель радиопередатчика или генератор сигналов различной формы.
Если в составе устройства цифровой обработки сигнала используется цифро-аналоговый преобразователь, то для подавления побочных составляющих спектра полезного сигнала, на его выходе необходимо применять формирующий аналоговый фильтр (anti-imaging filter).
В процессе аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования сигнала можно выделить два основных этапа: дискретизация (квантование по времени) и квантование по амплитуде. Именно эти этапы в конечном итоге определяют разрешающую способность устройств аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования, а, значит, и точность или динамический диапазон всего устройства цифровой обработки сигналов в целом.