1.3 Устройства цифровой обработки сигналов

Процесс ЦОС включает три этапа:

• формирование последовательности чисел из аналогового сигнала ;

• преобразование последовательности по заданному алгоритму цифровым процессором обработки сигналов в новую цифровую последовательность ;

• формирование результирующего аналогового согнала из последовательности .

Обобщенная схема ЦОС, реализующая данные этапы состоит из следующих элементов:

• аналоговый фильтр (АФ);

• аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

• цифровой процессор обработки сигналов (ЦПОС);

• цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);

• сглаживающий фильтр(СФ).

Структурная схема системы цифровой обработки сигналов приведена на рисунке 1.4

Рисунок 1.3 - Общая структурная схема системы цифровой обработки сигналов

Входной аналоговый сигнал поступает на вход анологово-цифрового преобразователя (АЦП) через аналоговый фильтр нижних частот с частотой среза . Фильтр обеспечивает ограничение частоты входного сигнала (включая и сопутствующие сигналу шумы и помехи) максимальной частотой , соответствующей используемой в АЦП частоте дискретизации по времени .Он ослабляет искажения наложения при дискретизации сигналов с неограниченным по частоте спектром и называется противомаскировочным фильтром, или аналоговым преселектором.

АЦП включает дискретизацию сигнала по времени, квантования по уровню и цифровое кодирование [4,5,6]. На рисунке 1.5 приведена структурная схема аналого-цифрового преобразования сигнала.

Рисунок 1.4 - Операция аналого-цифрового преобразования сигнала

Вследствие быстрого роста технологий цифровой обработки сигналов компоненты ЦОП и их конкретные алгоритмы продолжают находить применение в широких областях применения. Встраиваемые системы обычно относятся к системам, которые включают специализированное аппаратное и вычислительное программное обеспечение. Эти встроенные системы, могут быть автономными или рассматриваться как подсистемы гораздо более крупной или сложной системы. Однако эти системы не лишены ограничений и постоянно нуждаются в адаптации к недостаткам, связанным с ограниченным аппаратным обеспечением, ограниченной вычислительной мощностью и меньшим количеством ресурсов. В последнее время растет интерес к использованию программируемых пользователем вентильных матриц и специализированных процессоров для набора инструкций. Это можно рассматривать как компромисс между размером, скоростью и гибкостью, причем последнее является движущей силой. Встроенные устройства ЦОС так широко распространились в обществе, что мы практически не обращали внимания на их воздействие. Среди бесчисленных приложений встроенных систем некоторые продукты, которые требуют компонент ЦОС, включают в себя наши мобильные телефоны, цифровые радиоприемники, цифровые телевизоры, цифровые спутниковые приставки, проигрыватели DVD, MP3-плееры, пульсометры, навигационные устройства GPS и Автомобильные системы управления.

Сигнал может быть описан как информация в форме детектируемой энергии, которая генерируется физическим явлением, например изменениями электромагнитного излучения или давления воздуха. Чтобы исследовать эти сигналы, эта энергия сначала преобразуется в непрерывный электрический сигнал, используя, например, фотосенсор или микрофон, как в случае света или звука, соответственно. Эти непрерывные электрические сигналы обычно называют аналоговыми сигналами, и колебания этих сигналов представлены значениями напряжения, которые теоретически бесконечны, как по амплитуде, так и по точности. Цифровой сигнал тогда является дискретизацией аналогового сигнала, то есть представлением непрерывного сигнала дискретным набором квантованных значений. Это достигается путем измерением амплитуды или напряжения этого непрерывного сигнала с последовательными ненулевыми интервалами времени, то есть моментального снимка относительного пространства-времени.

Цифровые сигналы могут быть представлены в нескольких измерениях, например, одномерном, в случае звука и двумерном, в случае изображений. Хотя фотоны, попадающие на фотодатчик, достигают скорости света, фотография представляет собой просто представление отдельных уровней напряжения на всех датчиках в один единственный момент времени.

Если четко не определено, сокращенный ЦОС часто неоднозначен, так как он может описывать конкретные аппаратно-программные процессы, используемые при обработке цифровых сигналов, а также аппаратный процессор. Цифровые электронные системы могут быть как суперкомпьютерами, настольными компьютерами и ноутбуками, так и планшетными компьютерами и смартфонами, а также небольшими ЦОС-специфическими системами и SoCs, включая специализированные интегральные схемы (ASIC), специализированные процессоры набора команд (ASIP), полевые Программируемые вентильные матрицы (FPGA), процессоры общего назначения DSP (GPDSP) и микропроцессоры общего назначения (GPP).

Встроенная система представляет собой комбинацию компьютерного оборудования и программного обеспечения и, возможно, дополнительных механических или других частей, предназначенных для выполнения специализированной функций. В отличие от персонального компьютера, который служит универсальному, встроенная система обычно предназначена для конкретной цели и обычно ограничена по размеру, стоимости, потреблению энергии, скорости процессора, памяти и аппаратным функциям. Встроенная система также может рассматриваться как часть более крупной системы, содержащей, возможно, коллекцию меньших встроенных подсистем, в том числе с функциональностью ЦОС, каждая из которых отвечает за отдельную задачу, такую ​​как обработка распаковки и декодирования аудиофайлов на MP3-плейере, сжатие и сохранение на карте памяти изображений на цифровой камере. Встроенный процессор представляет собой специализированный процессор, такой как GPDSP или ASIC, предназначенный для удовлетворения требований конкретного приложения, то есть функциональность часто ограничивается или адаптируется только к намеченной цели. Например, с возможно низким энергопотреблением и малой теплоотдачей, а также ограниченной тактовой частотой. Для обработки аналоговых сигналов реального мира, включая речь, изображения, видео и музыку, встроенный процессор должен взаимодействовать с внешним оборудованием, таким как устройства ввода / вывода, такие как кодеры / декодеры, запоминающие устройства и дисплеи.

Встроенное ЦОС-устройство, как правило, представляет собой комбинацию одного или нескольких отдельных элементов оборудования, интегрированных в одну автономную систему, в результате которой формируется специализированная функция, которая требует специального аппаратного процессора ЦОС, такого как ASIP или FPGA, которая использует специальные программные алгоритмы и методы ЦОС для обработки и преобразования входных сигналов в реальном времени в желаемый выходной сигнал.

Почти вся информация в физическом мире представлена ​​в виде аналогового сигнала, и в результате обработка этих аналоговых сигналов представляет собой фундаментальный компонент в области электротехники.

Пример аналогового и цифрового устройства приведен на рисунке 1.5

Рисунок 1.5 - Пример аналогового и цифрового устройства

Обработка аналогового сигнала, и влечет за собой использование аналоговых аппаратных средств в манипулировании этими сигналами. Однако, у обработки аналогового сигнала были свои недостатки в виде сложных электронных схем, негибкости, различной точности и непостоянной воспроизводимости. Кроме того, сложные приложения, такие как речь и обработка изображений, не подходят для обработка аналогового сигнала технологий. Эти проблемы необходимо было решить и в конечном итоге были решены с появлением цифровых систем и ЦОС. Хотя математика алгоритмов ЦОС существовала уже много лет, только появление GPP и GPDSP в 1970-х годах стало поворотным моментом в цифровых системах. Исходными системами были прежде всего машины с фиксированной точкой. В середине-конце 1970-х годов появились машины с плавающей запятой, а вместе с ними и поддерживающие устройства памяти привели к эре цифровой обработке сигнала, которая к 1980-м годам включала в себя многопроцессорные системы с массивно параллельной архитектурой. Однако нетрадиционные схемы, такие как адаптивная обработка сигналов с высоким разрешением, до недавнего времени оставались узким местом.

1.4 Применение цифровой обработки сигналов Цифровая обработка сигналов является одной из самых мощных технологий, которые будут формировать науку и технику в XXI веке. Революционные изменения уже были сделаны в широком спектре областей: связь, медицинская визуализация, радар и сонар, воспроизведение музыки с высокой точностью воспроизведения и разведка нефти, и это лишь некоторые из них. В каждой из этих областей разработана глубокая технология ЦОС с собственными алгоритмами, математикой и специализированными технологиями.

Таблица 1.1 - Использование цифровой обработки сигналов

ЦОС	Космос	- улучшение пространственных фотографий; - сжатие данных; - интеллектуальный сенсорный анализ с помощью дистанционных зондов.
	Медицина	- диагностическая визуализация; - анализ электрокардиограммы; - хранение/извлечение медицинских изображений.
	Коммерческая	- разрешение изображения и звука для мультимедийной презентации; - совместные спецэффекты; - видео-конференц-связь.
	Телефон	- сжатие голоса и данных; - уменьшение эха; - мультиплексирование сигналов - фильтрация.
	Военная	- радар; - сонар; - руководство по обеспечению безопасности - безопасная связь.
	Промышленность	- инвестиция полезных ископаемых и полезных ископаемых; - процесс мониторинга и контроля; - неразрушающий контроль; - каталоги и инструменты проектирования.
	Научная	- запись и анализ землетрясения; - сбор данных; - спектральный анализ; - моделирование.

Иногда вам просто нужно извлечь максимальную пользу из плохой картины. Это часто происходит с изображениями, снятыми с беспилотных спутников и космических аппаратов. DSP может улучшить качество изображений, сделанных в крайне неблагоприятных условиях, несколькими способами: регулировка яркости и контраста, обнаружение края, подавление шума, регулировка фокуса, уменьшение размытости изображения и т. Д. Изображения, которые имеют пространственное искажение, например, встречаются, когда плоское изображение взятые из сферической планеты, также могут быть искажены до правильного представления. Многие отдельные изображения также могут быть объединены в одну базу данных, что позволяет отображать информацию уникальными способами. Например, видеопоследовательность, имитирующая воздушный полет над поверхностью далекой планеты.

Большой информационный контент в изображениях является проблемой для систем, продаваемых в массовом количестве для широкой публики. Коммерческие системы должны быть дешевыми, и это не очень хорошо сочетается с большими объемами памяти и высокой скоростью передачи данных. Одним из ответов на эту дилемму является сжатие изображений. Так же, как и голосовые сигналы, изображения содержат огромное количество избыточной информации и могут быть запущены с помощью алгоритмов, которые уменьшают количество битов, необходимых для их представления. Телевидение и другие движущиеся изображения особенно подходят для сжатия, так как большая часть изображения остается неизменной от кадра к кадру. Коммерческие продукты обработки изображений, которые используют преимущества этой технологии, включают в себя: видеотелефоны, компьютерные программы, отображающие движущиеся изображения, и цифровое телевидение [7,8].

Автоматическое распознавание человеческой речи намного сложнее, чем речь. Распознавание речи является классическим примером того, что человеческий мозг делает хорошо, но цифровые компьютеры работают плохо. Цифровые компьютеры могут хранить и запоминать огромные объемы данных, выполнять математические расчеты с невероятной скоростью и выполнять повторяющиеся задачи, не становясь скучными или неэффективными. К сожалению, современные компьютеры работают очень плохо, когда сталкиваются с необработанными сенсорными данными. Обучение компьютеру, чтобы отправить вам ежемесячный счет за электричество, очень просто. Обучение тому же компьютеру, чтобы понять ваш голос, является важным делом. Обработка цифровых сигналов обычно подходит к проблеме распознавания голоса в два этапа: извлечение признака, за которым следует согласование признаков. Каждое слово входящего звукового сигнала изолируется, а затем анализируется для определения типа возбуждения и резонансных частот. Затем эти параметры сравниваются с предыдущими примерами произнесенных слов, чтобы определить ближайшее совпадение. Часто эти системы ограничены лишь несколькими сотнями слов; Может принимать только речь с различными паузами между словами; И их необходимо переучивать для каждого отдельного докладчика. Хотя это достаточно для многих коммерческих приложений, эти ограничения смиряются по сравнению со способностями человеческого слуха. В этой области предстоит проделать огромную работу с огромным финансовым вознаграждением за тех, кто производит успешные коммерческие продукты. На рисунке 1.6 приведены примеры устройства ЦОС.

Рисунок 1.6 - Примеры устройств ЦОС

Радиолокация - это аббревиатура RadioDetectionAndRanging. В простейшей радиолокационной системе радиопередатчик генерирует импульс радиочастотной энергии в течение нескольких микросекунд. Этот импульс подается в сильно направленную антенну, где результирующая радиоволна распространяется со скоростью света. Самолет на пути этой волны будет отражать небольшую часть энергии обратно к приемной антенне, расположенной вблизи места передачи. Расстояние до объекта рассчитывается из истекшего времени между переданным импульсом и полученным эхом. Направление к объекту найдено более просто. Вы знаете, где вы указали направленную антенну, когда эхо было принято. Рабочий диапазон радиолокационной системы определяется двумя параметрами: количеством энергии в начальном импульсе и уровнем шума радиоприемника. К сожалению, увеличение энергии в импульсе обычно требует увеличения длительности импульса. В свою очередь, более длительный импульс уменьшает точность и точность измерения прошедшего времени. Это приводит к конфликту между двумя важными параметрами: способностью обнаруживать объекты на большом расстоянии и способностью точно определять расстояние до объекта. ЦОС произвела революцию в радаре в трех областях, все из которых связаны с этой основной проблемой. Во-первых, ЦОС может сжимать импульс после его приема, обеспечивая лучшее определение расстояния без уменьшения рабочего диапазона. Во-вторых, ЦОС может фильтровать принятый сигнал, чтобы уменьшить шум. Это увеличивает диапазон, не ухудшая определение расстояния. В-третьих, ЦОС позволяет быстро выбирать и генерировать различные формы и длины импульсов. Помимо всего прочего, это позволяет оптимизировать импульс для конкретной проблемы обнаружения. Теперь впечатляющая часть: большая часть этого делается на частоте дискретизации, сравнимой с используемой радиочастотой, на уровне нескольких сотен мегагерц! Когда речь заходит о радаре, ЦОС в равной степени касается высокоскоростного аппаратного обеспечения, как и алгоритмов.

Сонар - акронимдля Sound Navigation и Ranging. Он разделен на две категории, активные и пассивные. В активном гидролокаторе звуковые импульсы между 2 кГц и 40 кГц передаются в воду, и полученные эхо-сигналы обнаруживаются и анализируются. Использование активного гидролокатора включает в себя: обнаружение и локализацию подводных тел, навигацию, связь и картографирование морского дна. Типичным является максимальный рабочий диапазон от 10 до 100 километров. В сравнении, пассивный гидролокатор просто слушает подводные звуки, которые включают: естественную турбулентность, морскую жизнь и механические звуки от подводных лодок и надводных кораблей. Так как пассивный сонар не излучает энергию, он идеально подходит для скрытых операций. Вы хотите обнаружить другого парня, без его обнаружения. Наиболее важное применение пассивного гидролокатора - в системах военного наблюдения, которые обнаруживают и отслеживают подводные лодки. Пассивный гидролокатор обычно использует более низкие частоты, чем активный гидролокатор, потому что они распространяются через воду с меньшим поглощением. Диапазоны обнаружения могут составлять тысячи километров. ЦОС произвела революцию в гидролокации во многих из тех же областей, что и радар: генерация импульсов, сжатие импульсов и фильтрация обнаруженных сигналов. С одной точки зрения, сонар проще радиолокатора из-за более низких частот. С другой точки зрения, гидролокатор труднее, чем радар, потому что среда намного менее однородна и стабильна. Системы сонара обычно используют расширенные массивы передающих и принимающих элементов, а не только один канал. Правильно управляя и смешивая сигналы в этих многих элементах, сонарная система может направлять испущенный импульс в нужное место и определять направление, в котором принимаются эхо-сигналы. Для управления этими несколькими каналами системы сонара требуют такой же мощной вычислительной мощности ЦОС, как радар.

2 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ В ОБРАБОТКЕ СИГНАЛОВ

2.1 Cвойства цифровых фильтров

При моделировании линейных динамических систем и непрерывных фильтров, а также при фильтрации или оброботке сигналов с помощью ЦВМ проектируются и применяются цифровые фильтры. Термин цифровой фильтр относится к процессу вычеслений алгоритма, с помощью которого дискретный сигнал или последовательность чисел преобразуется во вторую последовательность чисел, выражающих выходной сигнал. Процесс вычеслений может представлять собой фильтрацию нижних частот (сглаживание), полосовую фильтрацию, интерполяцию, формирование производных и т.д. Предполагается, что процесс является линейным, т.е. что принцип суперпозиций применим к соотношению вход/выход.

Под ЦФ в широком смысле слова понимают любую цифровую систему, которая согласно заданному алгоритму осуществляет извлечение цифрового сигнала либо из его параметров из действующего на входе смеси сигнала с помехой. К цифровым фильтрам относятся: амплитудные и фазовые корректоры, дифференциаторы, фильтры [9,10].

Рисунок 2.1 К определению ЦФ

где

- смесь сигнала с помехой,

- сигнал на выходе,

- помеха,

- входной сигнал.

Цифровые фильтры в узком смысле – это частотно-избирательная цепь, которая обеспечивает селекцию цифровых сигналов по частоте, к ним относятся фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ),полосовой фильтр (ПФ), режекторный фильтр (РФ). Цифровые фильтры делятся на два больших класса: фильтры с бесконечной импульсной характеристикой, рекурсивные (БИХ) и фильтры с конечной импульсной характеристикой нерекурсивные (КИХ) [11].

Упрощенная блок-схема цифрового фильтра реального времени с аналоговым входом и выходом приведена на рисунке 2.2. Узкополосный аналоговый сигнал периодически выбирается и конвертируется в набор цифровых выборок . Цифровой процессор производит фильтрацию, отображая входную последовательность в выходную согласно вычислительному алгоритму фильтра. ЦАП конвертирует отфильтрованный цифровым образом выход в аналоговые значения, которые затем проходят аналоговую фильтрацию для сглаживания и устранения нежелательных высокочастотных компонентов [12].

После краткого обзора развития теории цифровых фильтров рассматриваются вопросы теории применения процесса дискретизации к сигналам и к устройствам обработки сигналов. Существует два типа линейных цифровых фильтров: рекурсивные и нерекурсивные фильтры.

Подробно рассматриваются методы проектирования фильтров каждого типа в частотной облости. Указывается на преимущества и недостатки различных методов проектирования и приводятся примеры.

Глава заканчивается рассмотрением некоторых проблем, связанных с реализацией цифровых фильтров, а именно определением точности коэффициентов, влияния квантования и округления результатов вычеслений. Проводится сравнение различных канонических форм реализации и процедур их расчета с тем, чтобы облегчить выбор соответствующей формы.

Оброботка дискретных сигналов линейными фильтрами или весовыми последовательностями производилась еще в 1600 г. Она началось с работ математиков, занимавщихся составлением математических таблиц, и астрономов, которые занимались определением орбит небесных светил. Труды Найпера, Грегори, Ньютона и Бернули , Эйлера, Тейлора, Лагранжа, Лапласа и Гаусса используются в классических методах численного анализа, применяемых и в настоящее время для численного интегрирования, интерполяции, дифференцирования и т.д. Эти применения, в которых обычно имеют дело со сравнительно узкополосными сигналами при отсутсвии шумов, вытекают из характерных особенностей указанных трудов, обосновывающих полезные способы фильтраии, что становится особенно ясным при их рассмотрении в частотной облости. Например, легко показать, что для классических симметричных интерполяционных фильтровпервые nпоследовательных производных их амплитудно-частотных характеристик имеют нулевые значения (поведение при нулевой частоте весьма сходно с поведением фильтра нижних частот Баттерворта ). Труд Жордана по вычислениям конечных разностей иллюстрирует общность и изящество этих фундаментальных работ.

Упрощенная блок-схема цифрового фильтра реального времени с аналоговым входом и выходом приведена на рис. 2.1. Узкополосный аналоговый сигнал периодически выбирается и конвертируется в набор цифровых выборок, x(n) , n = 0,1,... . Цифровой процессор производит фильтрацию, отображая входную последовательность x(n) в выходную y(n) согласно вычислительному алгоритму фильтра. ЦАП конвертирует отфильтрованный цифровым образом выход в аналоговые значения, которые затем проходят аналоговую фильтрацию для сглаживания и устранения нежелательных высокочастотных компонентов. Упрощенная блок-схема цифрового фильтра с аналоговым входным и выходными сигналами.

Рисунок – 2.2. Упрощенная блок-схема цифрового фильтра с аналоговым входным и выходным сигналами

ЦФ могут быть реализованы аппаратно, программно, аппаратно-программно. Аппаратная реализация подразумевает использование разнообразных функциональных блоков (регистров, сумматоров, умножителей, устройств памяти, логических элементов).

Программная реализация означает, что фильтр представлен в виде программы, написанной на языке программирования.

Аппаратно-программная реализация- часть функций фильтра выполняется аппаратно, а другая часть функций выполняется программно.

Под проектированием ЦФ понимается процесс, в результате которого предъявляется программа или цифровое устройство, отвечающее заданным требованиям и ограничением.

Процесс проектирования ЦФ включает следующие этапы [13 ]:

1. Синтез, результатом которого является функциональная схема фильтра с коэффициентами. Собственно процедура синтеза КИХ и БИХ-фильтров существенно различаются, однако имеют одинаковую последовательность действий:

- задание требований к фильтрам;

- решение задачи аппроксимации характеристик фильтра, в результате которой рассчитываются коэффициенты передаточной функции;

- конструирование функциональной схемы ЦФ.

2. Выбор и разработка рациональных алгоритмов вычислений используемых при заданном методе реализации.

3. Проверка моделированием проектируемого фильтра в нереальном времени по стандартным сигналам с использованием программных эмуляторов.

Задача проверки моделированием состоит в обнаружении и устранении возможных ошибок, испытании на соответствие проектируемого фильтра заданным характеристикам, включая частотные, временные и шумовые.

Задания требований к цифровым фильтрам. Требования к фильтрам могут формулироваться как во временной, так и в частотной областях.

Во временной области требования могут задаваться к импульсной или переходной характеристике при широких допусках к частотным свойствам фильтра [3].

В частотной области требования могут предъявляться:

• только к АЧХ или к характеристике ослабления (затухания) без каких- либо ограничений на ФЧХ.

• только к ФЧХ, когда важно сохранение фазовых, а потому и временных соотношений между гармоническими составляющими принимаемого сигнала; это – фазовые корректоры, у которых АЧХ на всем интервале частот ;

• одновременно и к АЧХ и к ФЧХ.

Требования к фильтрам:

• задание частоты дискретизации и типа избирательности (НЧ,ВЧ …),

• задание требований к АЧХ или к характеристике ослабления (затухания) , представляющую собой логарифмическую АЧХ.

Задание требований начинается с установки всех граничных частот фильтра только в основной полосе частот .

Требования не задаются в переходных полосах избирательных фильтров.

Требования формулируются в виде допустимых отклонений от нормированных АЧХ и отображаются на диаграмме допусков.

Размерность выражается в абсолютных единицах, размерность выражается в , связь между и характеристикой ослабления определяется по формуле:

.

При отображении требований в виде характеристики затухания

Выбор метода аппроксимации АЧХ или .

Типы избирательных фильтров и задания требований к ним.