- •Введение
- •Структура курса
- •Литература
- •Сигналы
- •Свойства сигналов
- •Случайные величины и процессы
- •Классификация свойств сигналов
- •Синусно-косинусная форма
- •Вещественная форма
- •Комплексная форма
- •Примеры расчета преобразования Фурье Прямоугольный импульс
- •Свойства преобразования Фурье
- •Представление непрерывных (аналоговых) сигналов в дискретной форме
- •Многомерное дискретное преобразование Фурье
- •Дпф произведения последовательностей
- •Круговая свертка
- •Спектральный анализ
- •Исследование спектра дискретного случайного процесса
- •Связь дпф и спектра дискретного сигнала
- •Растекание спектра
- •Весовые функции
- •Алгоритм быстрого преобразования Фурье
- •Бпф с прореживанием по времени
- •Бпф с прореживанием по частоте
- •Системы обработки сигналов
- •Реализация дискретных систем
- •Взаимосвязь дпф и фильтрации
- •Дпф как дискретная фильтрация
- •Проектирование дискретных фильтров
- •Синтез фильтров по аналоговому прототипу
- •Оптимальные методы
- •Восстановление сигналов (решение обратной задачи)
- •Шум квантования
- •И выбор структуры цифровых фильтров
- •4.6. Свойства цф различной структуры
- •Формы реализации дискретных фильтров
А.Ю. Сорокин
Материалы к лекционному курсу «ЦОС»
Чернигов 2008
Введение
В курсе «ЦОС» мы будем рассматривать различные способы анализа, синтеза и преобразования сигналов, а также особенности реализации средств формирования и обработки сигналов на основе цифровых вычислительных устройств.
В природных и технических системах происходит множество процессов сопровождающихся динамическим изменением физических величин, например, температура, яркость, акустическое давление, механическое перемещение, электрическое напряжение, количество предметов и пр. Формально сигнал представляется математической функцией от аргумента. Аргументом функции может быть, например, время (температура воздуха от времени) – одномерные процесс, координаты (яркость (светимость) элемента изображения от координаты) –двумерные и более процесс. В основном физические процессы имеют непрерывный характер.
В древние времена люди, анализируя последовательности астрономических явлений, составляли календари. Пифагор установил связь между длинной струны и высотой звука. В середине 18 в начале 19 века Бернулли, Эйлером, Фурье были заложены основы анализа сигналов. В середине 19 в Англии Уильям Томпсон(Лорд Кельвин) создал первые механические анализаторы сигнала (анализ и прогнозирование высоты приливов). Сейчас обработка сигналов стала неотъемлемой частью многих областей науки и техники.
Системы извлечения информации: радиолокация, радиоастрономия, сейсмология, геолокация (исследования ресурсов Земли), техническая и медицинская диагностика, например, компьютерная томография, методика, позволяющая по проекциям рентгеновского изображения, полученным при различных ориентациях детекторов, выполнять трехмерную реконструкцию органов человеческого тела.
Большинство динамических процессов в технике, экономике, медицине можно описать дифференциальными уравнениями (линейные стационарные системы), то важнейшими операциями являются – дифференцирование и интегрирование. Технические средства обработки сигналов могут быть основаны на различных принципах, например, оптических, химических, электрических, механических, гидравлических. Каждый метод имеет достоинства и недостатки, с точки зрения быстродействия, точности, предельных климатических условий для работы, возможной сложности алгоритма на единицу объема, долговечности и пр. Например, определение температуры может быть визуализирована различными физическими эффектами: плавлением, испарением, расширением, изменением электрического сопротивления.
С начала 20в. широкое распространение получили электрические методы преобразования и визуализации непрерывных сигналов (стрелочные индикаторы). Все неэлектрические величины преобразуются в электрическое напряжение или ток с помощь датчиков преобразователей. Например, фотоэлементы, тензодатчики и др.
На этапе становления ЦОС активно использовала знания, накопленные в смежных областях: физика, математическая статистика и теория вероятности, дискретная математика, радиотехника и мн. др. Не секрет, что первые вычислительные машины были созданы в 40-х годах прошлого столетия для решения задач криптографии, баллистики, ядерной физики, практического построения систем противовоздушной обороны. Системы и методы цифровой обработки также разрабатывались в оборонных отраслях в первую очередь для решения задач радиолокации, обработки гидроакустических и тепловизионных сигналов.
Далее методы ЦОС будут рассматриваться на примерах радиотехнических задач, как часть курса РТЦС (радиотехнические цепи и сигналы). Ранее было принято приводить задачи различных областей к механическим, затем радиотехническим задачам, т.к. теория электрических цепей и сигналов наиболее развита и имеет эффективные методы решения задач.
Табл. Место «ЦОС» в системе знаний
Дискретная математика: -множества -графы -автоматы |
Алгоритмы и структуры данных |
Теор. инф. и кодирования |
|
|
Математика: -интегрирование и дифференцирование - ряды -теория вероятности - численные методы |
ТОЕ(теор. основы электротехники) |
РТЦС
Аналоговые
системы
Цифровые
системы |
Р
Аналоговые
системы
Цифровые
системы
|
Эргономика Эстетика и пр. |
Физика: -механика -электричество |
Метрология |
ТАУ |
|
|
|
Схемотехника |
|
|
|
|
Моделирование |
|
|
|