2. Основы цифровой обработки сигнальнов

Цифровая обработка сигнала – это арифметическая обработка в реальном масштабе времени последовательности значений амплитуды сигнала, определяемых через равные временные промежутки. Примерами цифровой обработки являются:

• фильтрация сигнала;

• свертка двух сигналов;

• вычисление значения корреляционной функции двух сигналов;

• усиление, ограничение или трансформация сигнала;

• прямое или обратное преобразование сигнала по Фурье.

Аналоговая обработка сигнала, традиционно используемая во многих радиотехнических устройствах, является во многих случаях более дешевым способом достижения требуемого результата. Однако в том случае, когда требуется высокая точность обработки, миниатюрность устройства, стабильность его характеристик в различных температурных условиях функционирования, цифровая обработка оказывается единственным приемлемым решением.

Рисунок 5.

Пример аналоговой фильтрации сигнала представлен на рисунке 5. Используемый в фильтре операционный усилитель позволяет расширить динамический диапазон обрабатываемых сигналов. Форма АЧХ фильтра определяется значениями величин Rf и Cf. Высокое значение добротности сложно обеспечить, так как параметры фильтра сильно зависят от температурного режима. Компоненты вносят дополнительный шум в результирующий сигнал.

Рисунок 6.

Аналогичные результаты обработки сигнала могут быть получены с помощью цифровой схемы (рисунок 6). Компонентами схемы являются фильтры нижних частот (ФНЧ), выполняющие предварительное и последующее удаление из частотного спектра дополнительных гармоник сигнала, аналого-цифровой (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователи и собственно цифровой фильтр. Амплитудно-частотная характеристика фильтра определяется значениями коэффициентов фильтра (Ск). Изменяя количество коэффициентов (длину фильтра) и их значения, можно получить фильтр с любой требуемой амплитудно-частотной характеристикой. Вносимый шум (шумы квантования) зависят от частоты дискретизации и разрядности АЦП и ЦАП, а также точности вычислений. Отличительной особенностью задач цифровой обработки сигналов является поточный характер обработки больших объемов данных в реальном масштабе времени, требующий от технических средств высокой производительности и обеспечения возможности интенсивного обмена с внешними устройствами. Соответствие данным требованиям достигается в настоящее время благодаря специфической архитектуре сигнальных процессоров, проблемно-ориентированной системе команд.

Сигнальные процессоры обладают высокой степенью специализации. В них используются методы сокращения длительности командного цикла, характерные для универсальных RISC- процессоров, такие как конвейеризация на уровне отдельных микроинструкций и инструкций, размещение большинства операндов в регистрах, использование теневых регистров, сохранения состояния вычислений при переключении контекста, разделение шин программ и данных.

С другой стороны, сигнальные процессоры имеют аппаратное умножение, позволяющее выполнять умножение двух чисел за один командный такт. Кроме того, для эффективной реализации алгоритмов цифровой фильтрации вводится аппаратная поддержка базовых операций: умножения с накоплением (МАС), модульной адресной арифметики, нормирования результата арифметических операций.