Цифровая обработка сигналов

Информационные источники
В.В. Крюков. Цифровая обработка сигналов. Конспект лекций. Влад. ВГУЭС. 1998.
Крюков В.В., Широбокова К.И. Учебное пособие к лабораторному практикуму по дисциплине.- Влад., ДВГТИ, 1995.
Л. Рабинер, Б. Гоулд. Теория и применение цифровой обработки сигналов: Пер. с английского - М.: Мир, 1978.
С.Л.Марпл-мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с английского - М.: Мир, 1990.
У.М. Сиберт. Цепи, сигналы, системы: Перевод с английского - М.: Мир, 1988 г. С.252.
Лекции по DSP (Digital Signal Processing), университет Карнеги, кафедра компьютерной техники. http://www.ece.cmu.edu/~ee791/
Лекции по Сбору данных, Спектральному анализу, фильтрам и фильтрации: «Научное и техническое руководство по обработке сигналов» http://www.dspguide.com
Курс «Введение в DSP». http://bores.com/courses/intro
Курс в Аванте – http://avanta.vvsu.ru
Цифровая обработка сигналов: лекция 1

Историческая справка
40-е годы: исследование сотрудниками фирмы Bell Telephone возможности использования цифровых элементов для создания фильтров
50-е годы: в Массачусетском технологическом институте были исследованы принципы дискретизации колебаний и возникающие при этом эффекты, а так же вопросы применения в радиоэлектронике математического аппарата теории Z-преобразования
Кайзер (фирма Bell) показал, как можно рассчитывать цифровые фильтры с нужными характеристиками, используя билинейное преобразование
60-е годы: начала формироваться теория цифровой обработки сигналов (ЦОС)
1965 г. - опубликована статья Кули и Тьюки о быстром методе вычисления дискретного преобразования Фурье, давшая мощный толчок развитию этого нового технического направления - цифровой спектральный анализ
Цифровая обработка сигналов: лекция 1

Историческая справка
70-е годы: оценены потенциальные возможности интегральных микросхем, что позволило представить полную систему обработки сигналов, для которой наилучшая техническая реализация была бы именно цифровой
Современная тенденция развития ЦОС - усилением взаимодействия нескольких областей: анализа сигналов, теории систем, статистических методов и вычислительной математики.
Революция в технологии сверхбольших интегральных схем (СБИС) способствовала слиянию областей разработки интегральных схем для вычислительной техники и обработки сигналов
В начале 80-х годов фирмами Texas Instruments, IBM, Analog Devices, Motorola, AT&T были выпущены СБИС (их стали называть цифровые процессоры сигналов – DSP, Digital Signal Processing) со специальной архитектурой и набором команд для построения систем цифровой обработки сигналов
Цифровая обработка сигналов: лекция 1

Предмет курса
Типовая блок-схема устройства ЦОС
Цифровая обработка сигналов: лекция 1

Предмет курса
Основные преимущества систем ЦОС по сравнению с традиционными аналоговыми устройствами:
✔ точность обработки и повторяемость параметров при тиражировании;
✔ стабильность характеристик и высокая помехоустойчивость;
✔ простота модификации алгоритмов обработки;
✔ слабая зависимость цены аппаратной части от сложности алгоритма обработки;
✔ простота обслуживания и настройки.
Недостатки систем ЦОС:
✔ ограниченный частотный диапазон обрабатываемых сигналов;
✔ ограниченный динамический диапазон (с появлением 32-х разрядных устройств этот недостаток преодолен);
✔ наличие шумов квантования.
Цифровая обработка сигналов: лекция 1

Предмет курса
Определение. Цифровая обработка сигналов - отдельная область знаний, которая описывает методы сбора и обработки цифровых сигналов, а также способы построения процессорных систем, предназначенных для обработки цифровых сигналов.
С практической точки зрения ЦОС - это одна из наиболее мощных технологий, которая будет определять методы сбора и обработки информации, а значит развитие электронной техники в 21 веке.
Цифровая обработка сигналов: лекция 1

Направления развития ЦОС
развитие эффективных алгоритмов обработки с целью уменьшения времени выполнения операций ЦОС, повышения точности результатов, улучшения качественных характеристик систем ЦОС;
развитие операционных сред, в том числе операционных систем реального времени, для решения прикладных задач;
внедрение методов ЦОС в изделия массового спроса (мобильная телефония, звуковая и видео запись/воспроизведение, телевизионная техника);
создание универсальных ЦОС процессоров с целью внедрения методов ЦОС в коммерческие приложения (телекоммуникация, обработка речи, изображений, сжатие данных, мультимедиа, медицина).
Цифровая обработка сигналов: лекция 1

Основные разделы ЦОС
Цифровая обработка сигналов: лекция 1

Аппаратная и программная реализация
Особенности аппаратной реализации ЦУ:
автономность ЦУ;
целесообразна при большом количестве изделий;
производительность потенциально выше, чем при программной реализации;
проблемы с конечной разрядностью операционных устройств.
Особенности программной реализации на базе универсальных компьютеров и DSP:
гибкость систем;
задачи ЦОС решаются комплексно (обработка, хранение результатов, графический анализ);
нет проблем с разрядностью операционных устройств
Цифровая обработка сигналов: лекция 1

Этапы построения систем ЦОС
Цифровая обработка сигналов: лекция 1

Вводные сведения по комплексной арифметике
Квадратный корень от -1 принято обозначать символом j, т.е.
Комплексное число c может быть записано в виде
c = a + jb, где a и b - вещественная и мнимая части числа c
Re [c] = вещественная часть от c = a
Im [c] = мнимая часть от c = b
Если a, b, g, h являются вещественными числами, то сложение, умножение и деление комплексных чисел (a + jb) и (g + jh) выполняется по следующим формулам
(a + jb) + (g + jh) =
(a + jb) х (g + jh) =
Цифровая обработка сигналов: лекция 1