16. Основные направления ЦОС. Особенности реализации алгоритмов ЦОС (Л3: р.1.2, 1.3, 1.4).

1.2. Основные направления ЦОС

ЦОС позволяет решать множество различных задач, причем каждая из них

может быть решена путем использования различных методов и алгоритмов.

Сейчас выделяют следующие шесть основных направлений ЦОС:

1) Линейная фильтрация.

К направлению линейной фильтрации относятся задачи частотной селек-

ции сигнала, частотного разделения каналов, синтеза цифровых КИХ - и БИХ -

фильтров и дифференциаторов, преобразования Гильберта и др.

2) Спектральный анализ

Спектральный анализ – это совокупность различных методов (в данном

случае методов ЦОС) для оценки спектра исследуемого сигнала.

Он применяется для решения таких задач, как, например, обработка звуко-

вых, сейсмических, радиолокационных и гидроакустических сигналов, сжатие

изображений, подавление помех.

При этом в основном используются различные алгоритмы дискретного

(ДПФ) и быстрого (БПФ) преобразования Фурье, дискретного косинусного

преобразования (ДКП) и дискретного преобразования Хартли (ДПХ).

Не вдаваясь подробно в эти алгоритмы, следует отметить, что для решения

задач спектрального анализа необходимы ЦПОС, способные с очень высокой

скоростью обрабатывать значительные числовые массивы и быстро произво-

дить вычисления.

3) Частотно-временной анализ

Задачами частотно-временного анализа являются сжатие изображений,

обнаружение, локация и другие. Эти задачи требуют быстрых и объемных вы-

числений.

4) Нелинейная обработка

Типичные примеры нелинейной обработки – это вычисление квадратного

корня, тригонометрических функций и полиномов, медианная фильтрация, век-

торное квантования. Задачи нелинейной обработки, как и задачи спектрального

анализа, связаны с довольно сложной обработкой больших числовых массивов.

5) Адаптивная фильтрация

Главная задача адаптивной фильтрации – это повышение качества приема

сигналов и их обработки.

Для этого применяется так называемый адаптивный фильтр (АФ). В отли-

чие от обычного цифрового фильтра коэффициенты АФ не постоянны во вре-

мени, а изменяются в соответствии с определенным алгоритмом, ставящим

АЧХ и ФЧХ этого фильтра в зависимость от спектров входных сигналов.

Адаптивная фильтрация может использоваться, для коррекции искажений

принимаемых сигналов, для подавления помех. Отдельная ее разновидность –

так называемое линейное предсказание (ЛП) – широко используется при по-

строении вокодеров, обработке изображений. Алгоритмы адаптивной фильт-

рации очень сложные, поэтому к ЦПОС, которые применяются для решения

задачи адаптивной фильтрации, предъявляются высокие требования.

6) Многоскоростная обработка

Многоскоростная обработка – это специфическое направление, связанное с

повышением и понижением частоты дискретизации в многоскоростных теле- и

аудиосистемах.

1.3. Реализация алгоритмов цос

Любой алгоритм, начиная от самого простого и кончая самым сложным,

может быть построен и выполнен с помощью определенного числа простейших математических и логических операций, операций сдвига и пересылки.

При этом количество шагов, требуемое для вычисления одного отсчета

выходной последовательности y(n) , конечно. Но такой алгоритм может ока-

заться непригодным для решения практических задач, и вот почему.

Время выполнения алгоритма τ_A – время вычисления одного отсчета вы-

ходной последовательности – есть время выполнения одной элементарной ко-

манды (командный цикл) τ_к , помноженное на количество командных циклов N_A:

τ_A =τ_K * N_A .

Если алгоритм сложный и количество командных циклов составляет сотни

или даже тысячи единиц, время выполнения такого алгоритма достаточно ве-

лико и может превысить период дискретизации входного аналогового сигнала.

Это недопустимо, так как практически все ЦПОС должны работать в ре-

альном времени, то есть время вычисления одного отсчета не должно превы-

шать периода дискретизации. Другими словами, отсчет y(i) выходной последо-

вательности должен сформироваться на выходе вычислителя раньше, чем на

его вход поступит отсчет x(i +1) исходной последовательности.

Поэтому тактовая частота f_такт = 1/τ_такт должна превышать частоту дис-

кретизации, как минимум, на два-три порядка.

Надо заметить, что время выполнения алгоритма зависит не только от его

структуры и сложности, но и от способа его реализации. На рисунке 2 пред-

ставлена классификация способов реализации алгоритмов ЦОС.

Существуют три способа реализации алгоритмов ЦОС:

1) Аппаратный способ реализации заключается в использовании разно-

образных функциональных блоков.

Это могут быть сумматоры, умножители, счетчики, регистры, ИС, БИС,

ПЛМ и прочие цифровые устройства. Совокупность таких блоков и взаимосвя-

зей между ними и определяет реализуемый алгоритм.

Главным и, пожалуй, единственным достоинством такого способа реали-

зации является очень высокое быстродействие. Достаточно сказать, что частота

дискретизации обрабатываемых сигналов может составлять десятки мегагерц.

Такой результат достигается весьма узкой специализацией блоков, распаралле-

ливанием операций, применением устройств на основе ТТЛ.

Но при таком способе реализации для внесения каких-либо изменений в

алгоритм необходимо менять структуру всего устройства, что крайне неудобно,

дорого, занимает много времени, а иногда просто невозможно.

К другим недостаткам можно отнести большое энергопотребление и, как

следствие, необходимость организации хорошего теплоотвода, высокую стои-

мость и трудоемкость проектирования, изготовления и отладки.

Тем не менее, аппаратная реализация незаменима при решении узкоспе-

циализированных задач, где особенно необходимо высокое быстродействие.

2) Программная реализация алгоритма ЦОС – это его представление в

виде программы, которая последовательно выполняется одним или нескольки-

ми блоками. Программа, естественно, должна быть написана на языке про-

граммирования, соответствующем блоку, в котором она должна выполняться.

Для ПК это может быть любой язык высокого уровня, для МПК или циф-

рового процессора – ассемблеры.

К достоинствам программной реализации относятся независящая от алго-

ритма постоянная структура всего устройства, гибкость, относительная просто-

та и дешевизна проектирования, изготовления и отладки системы.

Недостатком такого способа реализации алгоритма является невысокое

быстродействие.

3) Аппаратно-программная реализация – своеобразный гибрид аппарат-

ной и программной реализаций – подразумевает, что часть алгоритма выполня-

ется аппаратными средствами, а часть – программными. При их разумном соче-

тании аппаратно-программная реализация сочетает положительные свойства

аппаратной и программной.