Меню Закрыть

Цифровая обработка электрических сигналов

Цифрова́я обрабо́тка сигна́лов (ЦОС, DSP — англ. digital signal processing ) — способы обработки сигналов на основе численных методов с использованием цифровой вычислительной техники. [1] [2]

Любой непрерывный (аналоговый) сигнал s ( t ) <displaystyle s(t)> может быть подвергнут дискретизации по времени и квантованию по уровню (оцифровке), то есть представлен в цифровой форме. Если частота дискретизации сигнала F d <displaystyle F_> не меньше, чем удвоенная наивысшая частота в спектре сигнала F m a x <displaystyle F_> (то есть F d ≥ 2 ⋅ F m a x <displaystyle F_geq 2cdot F_> , см. теорему Найквиста — Шеннона — Котельникова), то полученный дискретный сигнал s ( k ) <displaystyle s(k)> эквивалентен сигналу s ( t ) <displaystyle s(t)> в том смысле, что s ( t ) <displaystyle s(t)> может быть в точности восстановлен из s ( k ) <displaystyle s(k)> .

При помощи математических алгоритмов s ( k ) <displaystyle s(k)> преобразуется в некоторый другой сигнал s 1 ( k ) <displaystyle s_<1>(k)> , имеющий требуемые свойства. Процесс преобразования сигналов называется фильтрацией, а устройство, выполняющее фильтрацию, называется фильтром. Поскольку отсчёты сигналов поступают с постоянной скоростью F d <displaystyle F_> , фильтр должен успевать обрабатывать текущий отсчёт до поступления следующего, то есть обрабатывать сигнал в реальном времени. Для обработки сигналов (фильтрации) в реальном времени применяют специальные вычислительные устройства — цифровые сигнальные процессоры.

Всё это полностью применимо не только к непрерывным сигналам, но и к прерывистым, а также к сигналам, записанным на запоминающие устройства. В последнем случае скорость обработки непринципиальна, так как при медленной обработке данные не будут потеряны.

Различают методы обработки сигналов во временной (англ. time domain ) и в частотной (англ. frequency domain ) области. Эквивалентность частотно-временных преобразований однозначно определяется через преобразование Фурье.

Обработка сигналов во временной области широко используется в современной электронной осциллографии и в цифровых осциллографах. Для представления сигналов в частотной области используются цифровые анализаторы спектра. Для изучения математических аспектов обработки сигналов используются пакеты-расширения (чаще всего под именем Signal Processing) систем компьютерной математики MATLAB, Octave, Mathcad, Mathematica, Maple и др.

В последние годы при обработке сигналов и изображений широко используется новый математический базис представления сигналов с помощью «коротких волночек» — вейвлетов. С его помощью могут обрабатываться нестационарные сигналы, сигналы с разрывами и иными особенностями, сигналы в виде пачек.

Содержание

Основные задачи [ править | править код ]

  • Линейная фильтрация — селекция (выбор) сигнала в частотной области; синтез (создание) фильтров, согласованных с сигналами; частотное разделение каналов; цифровые преобразователи Гильберта (Lⁿ(a, b)) и дифференциаторы; корректоры характеристик каналов.
  • Спектральный анализ — обработка речевых, звуковых, сейсмических, гидроакустических сигналов; распознавание образов.
  • Частотно-временной анализ — компрессия (сжатие) изображений, гидро- и радиолокация, разнообразные задачи обнаружения сигнала.
  • Адаптивная фильтрация — распознавание речи, изображений, распознавание образов, подавление шумов, адаптивные антенные решётки.
  • Нелинейная обработка — вычисление корреляций, медианная фильтрация; синтез амплитудных, фазовых, частотных детекторов, обработка речи, векторное кодирование.
  • Многоскоростная обработка — интерполяция (увеличение) и децимация (уменьшение) частоты дискретизации в многоскоростных системах телекоммуникации, аудиосистемах.
  • Свёртка традиционных типов.
  • Секционная свёртка.
  • Обнаружение сигнала — задача обнаружения сигнала на фоне шумов и помех. [3]
  • Различение сигнала — задача распознавания сигнала на фоне других сигналов, с подобными характеристиками. [3]
  • Оценивание сигнала — задача определения характеристик сигнала (амплитуда, частота, фаза). [3]

Основные преобразования [ править | править код ]

Цифровая обработка сигнала в передатчике [4]

Распространение сигналов по каналу связи

Цифровая обработка сигнала в приёмнике [4]

Цифрова́я обрабо́тка сигна́лов (ЦОС, DSP — англ. digital signal processing ) — способы обработки сигналов на основе численных методов с использованием цифровой вычислительной техники. [1] [2]

Любой непрерывный (аналоговый) сигнал s ( t ) <displaystyle s(t)> может быть подвергнут дискретизации по времени и квантованию по уровню (оцифровке), то есть представлен в цифровой форме. Если частота дискретизации сигнала F d <displaystyle F_> не меньше, чем удвоенная наивысшая частота в спектре сигнала F m a x <displaystyle F_> (то есть F d ≥ 2 ⋅ F m a x <displaystyle F_geq 2cdot F_> , см. теорему Найквиста — Шеннона — Котельникова), то полученный дискретный сигнал s ( k ) <displaystyle s(k)> эквивалентен сигналу s ( t ) <displaystyle s(t)> в том смысле, что s ( t ) <displaystyle s(t)> может быть в точности восстановлен из s ( k ) <displaystyle s(k)> .

При помощи математических алгоритмов s ( k ) <displaystyle s(k)> преобразуется в некоторый другой сигнал s 1 ( k ) <displaystyle s_<1>(k)> , имеющий требуемые свойства. Процесс преобразования сигналов называется фильтрацией, а устройство, выполняющее фильтрацию, называется фильтром. Поскольку отсчёты сигналов поступают с постоянной скоростью F d <displaystyle F_> , фильтр должен успевать обрабатывать текущий отсчёт до поступления следующего, то есть обрабатывать сигнал в реальном времени. Для обработки сигналов (фильтрации) в реальном времени применяют специальные вычислительные устройства — цифровые сигнальные процессоры.

Читайте также:  Работа с 3d моделями

Всё это полностью применимо не только к непрерывным сигналам, но и к прерывистым, а также к сигналам, записанным на запоминающие устройства. В последнем случае скорость обработки непринципиальна, так как при медленной обработке данные не будут потеряны.

Различают методы обработки сигналов во временной (англ. time domain ) и в частотной (англ. frequency domain ) области. Эквивалентность частотно-временных преобразований однозначно определяется через преобразование Фурье.

Обработка сигналов во временной области широко используется в современной электронной осциллографии и в цифровых осциллографах. Для представления сигналов в частотной области используются цифровые анализаторы спектра. Для изучения математических аспектов обработки сигналов используются пакеты-расширения (чаще всего под именем Signal Processing) систем компьютерной математики MATLAB, Octave, Mathcad, Mathematica, Maple и др.

В последние годы при обработке сигналов и изображений широко используется новый математический базис представления сигналов с помощью «коротких волночек» — вейвлетов. С его помощью могут обрабатываться нестационарные сигналы, сигналы с разрывами и иными особенностями, сигналы в виде пачек.

Содержание

Основные задачи [ править | править код ]

  • Линейная фильтрация — селекция (выбор) сигнала в частотной области; синтез (создание) фильтров, согласованных с сигналами; частотное разделение каналов; цифровые преобразователи Гильберта (Lⁿ(a, b)) и дифференциаторы; корректоры характеристик каналов.
  • Спектральный анализ — обработка речевых, звуковых, сейсмических, гидроакустических сигналов; распознавание образов.
  • Частотно-временной анализ — компрессия (сжатие) изображений, гидро- и радиолокация, разнообразные задачи обнаружения сигнала.
  • Адаптивная фильтрация — распознавание речи, изображений, распознавание образов, подавление шумов, адаптивные антенные решётки.
  • Нелинейная обработка — вычисление корреляций, медианная фильтрация; синтез амплитудных, фазовых, частотных детекторов, обработка речи, векторное кодирование.
  • Многоскоростная обработка — интерполяция (увеличение) и децимация (уменьшение) частоты дискретизации в многоскоростных системах телекоммуникации, аудиосистемах.
  • Свёртка традиционных типов.
  • Секционная свёртка.
  • Обнаружение сигнала — задача обнаружения сигнала на фоне шумов и помех. [3]
  • Различение сигнала — задача распознавания сигнала на фоне других сигналов, с подобными характеристиками. [3]
  • Оценивание сигнала — задача определения характеристик сигнала (амплитуда, частота, фаза). [3]

Основные преобразования [ править | править код ]

Цифровая обработка сигнала в передатчике [4]

Распространение сигналов по каналу связи

Цифровая обработка сигнала в приёмнике [4]

Арифметическая обработка в реальном масштабе времени последовательности значений амплитуды сигнала. Обзор аналогичных устройств. Микропроцессоры различных компаний. Синтез проектируемого устройства. Разработка алгоритма программы устройства. Ассемблер.

РубрикаКоммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Видреферат
Языкрусский
Дата добавления27.06.2008
Размер файла1,0 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

  • ВВЕДЕНИЕ 3
  • 1. ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ УСТРОЙСТВ 5
  • 2. ВЫБОР ВАРИАНТА ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ 9
  • 2.1 МИКРОПРОЦЕССОРЫ КОМПАНИИ ANLOG DEVICES 9
  • 2.2 МИКРОПРОЦЕССОРЫ КОМПАНИИ MOTOROLA 11
  • 2.3 МИКРОПРОЦЕССОРЫ КОМПАНИИ TEXAS INSTRUMENTS 12
  • 2.4 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОГО ВАРИАНТА 14
  • 3 СИНТЕЗ ПРОЕКТИРУЕМОГО УСТРОЙСТВА 17
  • 4 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ПРОГРАММЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО УСТРОЙСТВА 18
  • 6 РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ 29
  • ВЫВОД 33
  • СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 34
  • Цифровая обработка сигнала – это арифметическая обработка в реальном масштабе времени последовательности значений амплитуды сигнала, определяемых через равные временные промежутки. Примерами цифровой обработки являются:

    свертка двух сигналов;

    вычисление значений корреляционной функции двух сигналов;

    усиление, ограничение или трансформация сигнала;

    прямое/обратное преобразование Фурье.

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

    входной сигнал выходной сигнал

    Рисунок 1.1 – Аналоговая фильтрация сигнала

    Пример аналоговой фильтрации приведен на рисунке 1. Используемый в фильтре операционный усилитель позволяет расширить динамический диапазон обрабатываемых сигналов. Форма амплитудно-частотной характеристики фильтра определяется величинами R2, C. Для аналогового фильтра сложно обеспечить высокое значение добротности, характеристики фильтра сильно зависят от температурного режима. Компоненты фильтра вносят дополнительный шум в результирующий сигнал. Аналоговые фильтры трудно перестраивать в широком диапазоне частот.

    Важнейшая особенность цифрового фильтра заключается в том, что подбором определенных значений коэффициентов разностного уравнения, описывающего выходной сигнал, можно выполнить преобразование входного сигнала, которое будет нереализуемо при использовании аналогового фильтра. Само устройство, реализующее цифровую фильтрацию, будет иметь компактные размеры и не будет требовать особой технической настройки.

    Мир современных технологий наполнен разнообразием микропроцессорных устройств. Десятки крупнейших фирм производителей конкурируют между собой, предлагая каждый день новую более совершенную продукцию. В курсовом проекте используется цифровая обработка сигналов. Для цифровой обработки сигналов используются так называемые сигнальные микропроцессоры. Рассмотрим некоторые микроконтроллеры, выпускаемые современной промышленностью, наиболее подходящие для реализации курсовой работы.

    Читайте также:  Что такое логин услуги ростелеком

    2.1 МИКРОПРОЦЕССОРЫ КОМПАНИИ ANLOG DEVICES

    Микропроцессоры компании Analog Devices образуют два семейства: ADSP21xx и ADSP210xx.

    Семейство ADSP21xx – набор однокристальных 16-разрядных микропроцессоров с общей базовой архитектурой, оптимизированной для выполнения алгоритмов цифровой обработки сигналов и других приложений, требующих высокоскоростных вычислений с фиксированной точкой.

    Второе семейство микропроцессоров ADSP210xx объединяет 32-х разрядные микропроцессоры, ориентированные на сигнальные алгоритмы, требующие вычислений с плавающей точкой.

    В рамках каждого семейства микропроцессоров обеспечивается совместимость снизу вверх по системе команд. Старшие представители семейства обладают большими функциональными возможностями и содержат на кристалле дополнительные функциональные блоки.

    Рассмотрим подробнее микропроцессоры первого семейства, так как их возможности наиболее подходят для реализации проекта.

    Микропроцессоры семейства ADSP21xx успешно конкурируют с аналогичной продукцией других компаний производителей сигнальных процессоров благодаря сравнимой производительности при более низкой цене, а также развитой системе технических и программных средств разработки прикладных систем. Основными конкурентами данного семейства являются микропроцессоры DSP56xxx (Motorola) и TMS320C1x, TMS320C2xx, TMS320C5x (Texas Instruments).

    Высокая производительность процессоров на сигнальных алгоритмах достигается благодаря многофункциональной и гибкой системе команд, аппаратной реализации большинства типичных для данных приложений операций, высокой степени параллелизма процессов в микропроцессоре, сокращения командного такта. Микропроцессоры ADSP21xx имеют модифицированную Гарвардскую архитектуру, в рамках которой предусматривается возможность доступа в память команд, при ее физическом разделении с памятью данных.

    Каждый микропроцессор семейства содержит три независимых полнофункциональных устройства: АЛУ, МАС – умножитель с накоплением, устройство барабанного сдвига. Каждое устройство непосредственно оперирует с 16-ти разрядными данными и обеспечивает аппаратную поддержку вычислений с различной точностью.

    Микропроцессор содержит генератор адресов команд и два генератора адресов данных, обеспечивающие адресацию к данным и командам, расположенным как во внутренней, так и во внешней памяти. Параллельное функционирование генераторов сокращает длительность выполнения команды, позволяя за один такт выбирать из памяти команду и два операнда.

    Таймер/счетчик микропроцессора обеспечивает периодическую генерацию прерываний.

    Последовательные порты (SPORTs) обеспечивают последовательный интерфейс с большинством стандартных последовательных устройств, а также с аппаратными средствами сжатия-восстановления данных, использующими A- и – законы компандирования.

    Порт интерфейса с хост-процессором позволяет без дополнительных интерфейсных схем взаимодействовать с главным микропроцессором системы, в качестве которого может использоваться как процессор данного семейства, так и другой микропроцессор, например Motorola 68000 или Intel 8051.

    Микропроцессор ADSP – 21msp5x отличается наличием аналогового интерфейса, позволяющего совмещать аналоговую и цифровую обработку. В состав интерфейсных средств входят АЦП, ЦАП, цифровой и аналоговый фильтры, параллельный интерфейс к процессорному ядру.

    Система команд микропроцессоров семейства оптимизирована для алгоритмов цифровой обработки сигналов. По системе команд все микропроцессоры совместимы снизу вверх. Совершенствование данного семейства идет в направлении повышения тактовой частоты, снижения энергопотребления и расширения коммуникационных возможностей процессора.

    2.2 МИКРОПРОЦЕССОРЫ КОМПАНИИ MOTOROLA

    Сигнальные микропроцессоры компании Motorola. Подразделяются на семейства 16- и 24-разрядных микропроцессоров с фиксированной точкой – DSP – 560xx, – 561xx, – 563xx, -566xx, 568xx и микропроцессоры с плавающей точкой – DSP – 960xx.

    Рассмотрим 24-х разрядные микропроцессоры с фиксированной точкой семейства DSP 560xx. Эти микропроцессоры являются первыми представителями сигнальных микропроцессоров компании Motorola. Архитектура микропроцессоров ориентирована на максимизацию пропускной способности в приложениях DSP с интенсивным обменом данными. Это обеспечивается благодаря расширяемой архитектуре со сложной встроенной периферией и универсальной подсистеме ввода/вывода. Данные свойства, а также низкое энергопотребление минимизируют сложность, стоимость и сроки разработки прикладных систем на базе микропроцессоров DSP56000/DSP56001.

    Микропроцессоры работают на частоте 33МГц и обеспечивают производительность около 16 MIPS, что позволяет выполнять быстрое преобразование Фурье по 1024 отсчетам за 3,23мс.

    Дальнейшее развитие семейства микропроцессоров осуществляется в рамках концепции процессорного ядра, общего для всех представителей семейства, в состав которого входят 24-разрядные микропроцессоры с фиксированной точкой.

    Процессоры данного семейства характеризуются высокой пропускной способностью, расширенной разрядностью, обеспечивающей высокую точность вычисления и широким динамическим диапазоном обрабатываемых данных, поддержкой энергосберегающего режима работы. Представители семейства отличаются друг от друга конфигурациями памяти и периферийными устройствами.

    Сигнальные микропроцессоры компании Texas Instruments разделяются на два класса: это процессоры для обработки чисел с фиксированной точкой и процессоры для обработки чисел с плавающей точкой. Первый класс представлен тремя семействами процессоров, базовыми моделями которых являются соответственно TMS320.10, .20, .50. Второй класс включает процессоры TMS320.30, . 40, TMS320С80, которые поддерживают операции с плавающей точкой и представляют собой мультипроцессорную систему, выполненную в одном кристалле, а семейство TMS320C6x включает процессоры как с фиксированной, так и с плавающей точкой.

    Процессоры старших поколений одного семейства наследует основные архитектурные особенности и совместимы “снизу вверх” по системе команд (чего нельзя сказать о процессорах, входящих в разные семейства).

    Читайте также:  Health to pair device перевод

    Перечислим некоторые микропроцессоры, оптимально подходящие для нашей системы.

    1.Микропроцессоры семейства TMS320C1x

    Первый процессор семейства – TMS320C10 был выпущен в 1982г. и благодаря ряду удачных технических решений получил широкую распространенность.

    В основу микропроцессоров данного семейства положена модифицированная Гарвардская архитектура, отличием которой от традиционной Гарвардской архитектуры является возможность обмена данными между памятью программ и памятью данных, что повышает гибкость устройства.

    TMS320C10 является 16-разрядным процессором. Его адресное пространство составляет 4K 16-разрядных слов памяти данных. Длительность такта процессора составляет 160-200 нс.

    Арифметические функции в процессоре реализованы аппаратно. Он имеет аппаратные умножители, устройство сдвига, аппаратную поддержку автоинкремента/декремента адресных регистров данных.

    С внешними устройствами процессор взаимодействует через 8 16-разрядных портов ввода/вывода. Предусмотрена возможность внешнего прерывания.

    Остальные микропроцессоры данного семейства имеют аналогичную архитектуру и отличаются длительностью командного такта, конфигурацией памяти, наличием (или отсутствием) дополнительных периферийных устройств.

    2.Микропроцессоры семейства TMS320C2x.

    Микропроцессоры семейства TMS320C2x имеют анлогичную архитектуру, но обладают повышенной производительностью и более широкими функциональными возможностями. Все процессоры семейства поколения могут использовать по 64K слов памяти программ и данных, имеют 16 16-разрядных портов ввода/вывода и последовательный порт.

    Процессоры семейства TMS320C2x имеют возможность использования внешнего контроллера ПДП. Умножитель микропроцессоров, помимо операций умножения, позволяет выполнять за один такт возведение в квадрат. В процессоры включена аппаратная поддержка кратного выполнения команды, реализован режим двоичной инверсно-косвенной адресации, предназначенный для эффективной реализации быстрого преобразования Фурье.

    2.4 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОГО ВАРИАНТА

    После длительного обзора микропроцесорных устройств, возникла задача выбора наиболее подходящего микропроцессора. Решение данной задачи было найдено при рассмотрении микропроцессоров компании Microchip. Для реализации проекта было принято решение использовать микропроцессор компании Microchip PIC16C711. Приведем преимущества использования данного микропроцессора в курсовой работе, а также общие его характеристики.

    PIC16C711 это дешевый, высокопроизводительный, изготовленный по КМОП технологии 8-битный микроконтроллер. В основу процессора положена RISC архитектура, он имеет улучшенные характеристики ядра, внутренние и внешние прерывания. Устройство имеет два двунаправленных порта ввода/вывода, один из которых может быть использован как вход для аналого-цифрового преобразования, другой – как выход для ЦАП. Тактовая частота составляет 20MHz.

    На рисунке 2.1 представлена структурная схема PIC16C711. Перечислим основные элементы схемы: АЛУ (ALU), где выполняются простейшие арифметические операции, а также логические операции; аккумулятор (W), где хранятся данные результатов вычислений; регистр состояния, в котором хранятся флаги результатов операций, а также биты выбора банка памяти; регистр косвенной адресации (FSR), через который непрямым образом можно обращаться к ОЗУ; память (RAM), организованная 8-битными специальными регистрами и регистрами общего назначения, рабочая область пользователя составляет 68×8; 13-битный счетчик команд (Program Counter), младшие 8 бит приходят из регистра PCL, старшие 5 из регистра PCLATH; ППЗУ (EPROM), составляет 1K 14- битных ячеек памяти; стек 8-ми уровневый, длина слова 13-бит, во время прерывания содержимое счетчика команд сохраняется в стек автоматически; два двунаправленных 8-битных порта А и В; 4-х канальный 8-битный АЦП (A/D); счетчик Timer0.

    Рис. 2.1 – Структурная схема PIC16C711

    К сожалению устройство не имеет внутреннего ЦАП. ЦАП будет внешним, его вход будет подсоединен к порту В. Применение внешнего ЦАП не ухудшит работу цифрового фильтра и не усложнит его структуру, так как ЦАП не нужно синхронизировать с временем выполнения программы, в отличие от АЦП.

    Выбранный вариант технического решения полностью удовлетворяет техническому заданию. Микроконтроллер + внешний ЦАП позволяют создать гибкую, высокопроизводительную систему, удовлетворяющую требованиям микроминиатюрности, быстродействия, качества и простоты исполнения. Сравнивая данный микроконтроллер с большинством современных микроконтроллеров, можно сказать, что он обладает сравнительно низкой стоимостью и доступностью на рынке Украины. В современных системах обработки сигналов требуется высокая разрядность шины данных и АЦП для увеличения точности вычислений, также для этих целей необходимо, чтобы АЛУ могло вычислять операции с плавающей точкой. Выбранный микроконтроллер не имеет данных свойств, но он благодаря своему быстродействию и гибкости может вполне справиться с целью, поставленной в техническом задании на курсовой проект.

    Архитектура процессора построена таким образом, что он способен выполнять команду за один цикл, кроме операций условных и безусловных переходов. Это означает, что время выполнения программы будет небольшим, и частота дискретизации АЦП будет удовлетворять условию обработки сигналов качественной телефонии. Ассемблер очень простой: пользователю необходимо выучить 35 команд. Последнее достоинство позволяет снизить время на подготовку к выполнению проекта.

    Структурная схема типа реализации ЦФ приведена на рис.3.1. Параметры звеньев ЦФ следующие :

    Рис. 3.1 – Структурная схема цифрового фильтра

    Исходя из этой структуры, а также коэффициентов, для каждого звена составим разностные уравнения:

    Рекомендуем к прочтению

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    *

    code

    Adblock detector