Цифровая обработка сигналов — это методы обработки сигналов, основанные на применении числовых способов и вычислительного оборудования.
Введение
Цифровая обработка сигналов (DSP сокращение от английского digital signal processing) представляет собой обработку разных видов сигналов для того, чтобы их отфильтровать, измерить или сжать, а также создать аналоговые сигналы. Аналоговые сигналы формируются путём приёма информационных данных и переформатирования их в электронные импульсы различной амплитуды, а цифровое преобразование информации заключается в кодировании её двоичными кодами, в которых все биты представляются двумя разными импульсами, обозначающими логический ноль и единицу. Ещё можно отметить, что аналоговые сигналы могут иметь вид синусоидальных кривых, а цифровые сигналы отображаться в виде прямоугольных импульсов. Цифровая обработка сигналов применяется во многих сферах деятельности человека. Ниже представлено обобщённое представление аналоговых и цифровых сигналов.
Рисунок 1. Аналоговый и цифровой сигналы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Цифровая обработка сигналов
Цифровая обработка сигналов заключается в получении уже оцифрованной информации, например, звуковой, видеоинформации, параметров какого-либо процесса, и дальнейшем математическом управлении ею. После этого данные возможно выразить в виде дискретной частоты, времени или иных дискретных форматах, что позволяет выполнять в дальнейшем её переработку в цифровом отображении. При практической реализации, чтобы воспринимать аналоговый сигнал и преобразовывать его в набор нулей и единиц, требуется аналого-цифровой преобразователь.
Система цифровой обработки сигналов состоит из следующих базовых составляющих:
- Вычислительное устройство, которое осуществляет математические вычисления и управляет процессами преобразования.
- Модуль памяти, который предназначен для хранения информационных данных, которые подлежат переработке, и функционирует вместе памятью управляющей программы.
- Модуль памяти управляющих программ, который хранит программные приложения, предназначенные для работы с информацией.
- Модуль ввода и вывода информации. Его структура зависит от множества параметров, определяемых областью применения цифровой обработки сигналов.
Ниже представлена структурная организация этих компонентов:
Рисунок 2. Базовые элементы цифровой обработки сигналов. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Фильтры, применяемые в цифровой обработке сигналов
Под фильтром Чебышева понимается цифровой фильтр, применяемый для того, чтобы отделить одну частотную полосу от другой. Такие фильтры достаточно быстродействующие, хотя и не самые быстрые по параметру производительности, но их возможностей достаточно для подавляющего количества возможных применений. Принцип действия фильтра Чебышева основан на математическом методе, получившем название Z преобразования. При этой операции выполняется переформатирование сигнала дискретного во времени и состоящего из последовательного набора действительных или комплексных чисел, в отображение в частотной сфере. Отклик фильтра Чебышева применяется, чтобы достигнуть быстрый спад, при допущении волнистости на частотной характеристике. Такие фильтры именуются как фильтры первого рода, что подразумевает, что пульсации на частотной характеристике допустимы лишь в пределах полосы пропускания. Это позволяет достичь самого лучшего приближения к идеалу у отклика любых фильтров при определённых пульсациях. Он был изобретён для подавления определённых частот и пропуска остальных через фильтр.
Фильтр Чебышева обладает линейной характеристикой, потому что применение нелинейного фильтра вызывает наличие в выходном сигнале лишних частотных компонентов, которых нет на входе.
Преимущества цифровой обработки сигналов
В аналоговых фильтрах применяются различные электронные элементы, которые являются достаточно несложными по конструкции, но очень сложны в настройке на нужные параметры. При цифровой обработке всё это выполняется гораздо проще. Работа фильтра при цифровой обработке задаётся программными приложениями, и это означает возможность выбора из существующего набора фильтров. Помимо этого, для реализации фильтров с возможностью регулировки их характеристик, необходима лишь смена программного обеспечения, а при аналоговой реализации потребуется замена или модернизация аппаратного обеспечения. К примеру, есть полосовой фильтр, имеющий заданную частотную характеристику. У него желательно наличие управления частотой среза, возможности настройки полосы пропускания и регулировки других параметров.
В том случае, если применять аналоговые способы, то фильтры второго порядка будут содержать большое количество элементов с высоким уровнем добротности, что в итоге приведёт к практической невозможности его адаптации к требуемым параметрам.
При решении этой же задачи при помощи программ цифровой обработки, можно использовать конечную импульсную характеристику, то есть время отклика фильтра на импульс является взвешенной суммой текущего и конечного числа предшествующих величин на входе. Система без обратной связи, фильтр перестанет реагировать на поступающий отсчёт, когда он доходит до конца линии. При учёте таких отличий в реализации проекта, программы цифровой обработки сигнала имеют явное преимущество, благодаря их гибкости и малой сложности в сравнении с проектированием аналоговых систем.
Применение цифровой обработки сигналов при реализации такого полосового фильтра становится вполне несложной задачей, так как, по сути, нужно просто правильно написать программу для всех чипов в системе цифровой обработки. Цифровая обработка сигналов является отличным и наиболее простым методом проектирования фильтров для обработки сигналов при одновременном повышении точности регулирования фильтров в общем.
