Τι είναι η ψηφιακή επεξεργασία σημάτων;

Τι είναι η ψηφιακή επεξεργασία σημάτων; 
Το DSP χειρίζεται διαφορετικούς τύπους σημάτων με σκοπό το φιλτράρισμα, τη μέτρηση ή τη συμπίεση και την παραγωγή αναλογικών σημάτων. Τα αναλογικά σήματα διαφέρουν λαμβάνοντας πληροφορίες και μεταφράζοντάς τους σε ηλεκτρικούς παλμούς διαφορετικού εύρους, ενώ η ψηφιακή πληροφορία σήματος μεταφράζεται σε δυαδική μορφή όπου κάθε bit δεδομένων αντιπροσωπεύεται από δύο διακριτά πλάτη. Μια άλλη αξιοσημείωτη διαφορά είναι ότι τα αναλογικά σήματα μπορούν να αναπαρασταθούν ως ημιτονοειδή κύματα και τα ψηφιακά σήματα αντιπροσωπεύονται ως τετράγωνα κύματα. Το DSP μπορεί να βρεθεί σε σχεδόν οποιοδήποτε πεδίο, είτε πρόκειται για επεξεργασία πετρελαίου, αναπαραγωγή ήχου, ραντάρ και sonar, ιατρική επεξεργασία εικόνων ή τηλεπικοινωνίες - ουσιαστικά οποιαδήποτε εφαρμογή στην οποία τα σήματα συμπιέζονται και αναπαράγονται. 

Τι ακριβώς είναι η ψηφιακή επεξεργασία σήματος; Η διαδικασία ψηφιακού σήματος λαμβάνει σήματα όπως ηχητική, φωνητική, βίντεο, θερμοκρασίας ή πίεσης που έχουν ήδη ψηφιοποιηθεί και στη συνέχεια τους χειρίζεται μαθηματικά. Αυτές οι πληροφορίες μπορούν στη συνέχεια να αντιπροσωπεύονται ως διακριτός χρόνος, διακριτή συχνότητα ή άλλες διακριτές μορφές έτσι ώστε οι πληροφορίες να μπορούν να υποστούν ψηφιακή επεξεργασία. Ένας αναλογικός-ψηφιακός μετατροπέας χρειάζεται στον πραγματικό κόσμο για να αναλάβει αναλογικά σήματα (ήχο, φως, πίεση ή θερμοκρασία) και να τα μετατρέψει σε 0 και 1 για ψηφιακή μορφή. 

Ένα DSP περιέχει τέσσερα βασικά στοιχεία: 
 Υπολογιστική μηχανή: Μαθηματικοί χειρισμοί, υπολογισμοί και διεργασίες με πρόσβαση στο πρόγραμμα ή την εργασία, από τη μνήμη προγράμματος και  τις πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες στη μνήμη δεδομένων.
 Μνήμη δεδομένων: αποθηκεύει τις πληροφορίες προς επεξεργασία και συνεργάζεται με τη μνήμη προγραμμάτων. 
 Μνήμη προγράμματος: αποθηκεύει τα προγράμματα ή τις εργασίες που θα χρησιμοποιήσει το DSP για να επεξεργαστεί, να συμπιέσει ή να χειριστεί δεδομένα.
 I / O: Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διάφορα πράγματα, ανάλογα με το πεδίο για το οποίο χρησιμοποιείται το DSP, δηλαδή εξωτερικές θύρες, σειριακές θύρες, χρονοδιακόπτες και σύνδεση με τον έξω κόσμο. 

Παρακάτω είναι μια εικόνα του τι φαίνονται τα τέσσερα στοιχεία ενός DSP σε μια γενική διαμόρφωση συστήματος. 

Φίλτρα DSP 
Το φίλτρο Chebyshev είναι ένα ψηφιακό φίλτρο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να διαχωρίσει μία ζώνη συχνότητας από μια άλλη. Αυτά τα φίλτρα είναι γνωστά για το κύριο χαρακτηριστικό τους, την ταχύτητα και ενώ δεν είναι τα καλύτερα στην κατηγορία επιδόσεων, είναι περισσότερο από επαρκή για τις περισσότερες εφαρμογές. Ο σχεδιασμός του φίλτρου Chebyshev σχεδιάστηκε γύρω από τη μαθηματική τεχνική, γνωστή ως μετασχηματισμός z. Βασικά, ο ζ-μετασχηματισμός μετατρέπει ένα σήμα διακριτού χρόνου, αποτελούμενο από μια ακολουθία πραγματικών ή πολύπλοκων αριθμών σε μια παράσταση περιοχών συχνοτήτων. Η απόκριση του Chebyshev χρησιμοποιείται γενικά για την επίτευξη ταχύτερης ροής, επιτρέποντας την κυμάτωση στην απόκριση συχνότητας. Αυτά τα φίλτρα ονομάζονται φίλτρα τύπου 1, πράγμα που σημαίνει ότι η κυμάτωση στην απόκριση συχνότητας επιτρέπεται μόνο στη ζώνη διέλευσης. Αυτό παρέχει την καλύτερη προσέγγιση στην ιδανική απόκριση οποιουδήποτε φίλτρου για μια καθορισμένη σειρά και κυμάτωση. Σχεδιάστηκε για να αφαιρέσει ορισμένες συχνότητες και να επιτρέψει σε άλλους να περάσουν από το φίλτρο. Το φίλτρο Chebyshev είναι γενικά γραμμικό στην απόκριση του και ένα μη γραμμικό φίλτρο θα μπορούσε να οδηγήσει στο σήμα εξόδου που περιέχει συνιστώσες συχνότητας που δεν υπήρχαν στο σήμα εισόδου. 


Γιατί να χρησιμοποιήσετε ψηφιακή επεξεργασία σημάτων;
Για να καταλάβουμε πώς η ψηφιακή επεξεργασία σήματος, ή το DSP, συγκρίνεται με το αναλογικό κύκλωμα, κάποιος θα συγκρίνει τα δύο συστήματα με οποιαδήποτε λειτουργία φίλτρου. Ενώ ένα αναλογικό φίλτρο θα χρησιμοποιούσε ενισχυτές, πυκνωτές, επαγωγείς ή αντιστάσεις και θα ήταν προσιτό και εύκολο στη συναρμολόγησή του, θα ήταν αρκετά δύσκολο να βαθμονομήσετε ή να τροποποιήσετε τη σειρά των φίλτρων. Ωστόσο, τα ίδια πράγματα μπορούν να γίνουν με ένα σύστημα DSP, απλά πιο εύκολο να σχεδιαστεί και να τροποποιηθεί. Η λειτουργία φίλτρου σε σύστημα DSP βασίζεται σε λογισμικό, ώστε να μπορείτε να επιλέξετε από πολλά φίλτρα. Επίσης, η δημιουργία ευέλικτων και ρυθμιζόμενων φίλτρων με απαντήσεις υψηλής απόδοσης απαιτεί μόνο το λογισμικό DSP, ενώ το αναλογικό απαιτεί πρόσθετο υλικό. 

Για παράδειγμα, ένα πρακτικό φίλτρο ζώνης διέλευσης, με δεδομένη απόκριση συχνότητας, θα πρέπει να έχει ένα σύστημα ελέγχου ροπής ζώνης διακοπής, ρύθμιση συντονισμού και ελέγχου πλάτους, άπειρη εξασθένηση στη ζώνη διακοπής και μια απόκριση εντός της ζώνης διέλευσης που είναι εντελώς επίπεδη με μηδενική μετατόπιση φάσης. Αν χρησιμοποιήθηκαν αναλογικές μέθοδοι, τα φίλτρα δευτέρας σειράς θα απαιτούσαν πολλά κλιμακωτά τμήματα υψηλής Q, πράγμα που τελικά σημαίνει ότι θα είναι εξαιρετικά δύσκολο να συντονιστείτε και να προσαρμόσετε. Ενώ πλησιάζουμε σε αυτό με το λογισμικό DSP, χρησιμοποιώντας μια απάντηση πεπερασμένης ώθησης (FIR), η χρονική απόκριση του φίλτρου σε ένα παλμό είναι το σταθμισμένο άθροισμα του παρόντος και ενός πεπερασμένου αριθμού προηγούμενων τιμών εισόδου. Χωρίς ανάδραση, η μόνη απόκριση σε ένα συγκεκριμένο δείγμα τελειώνει όταν το δείγμα φτάσει στο "τέλος της γραμμής". Με αυτές τις σχεδιαστικές διαφορές στο μυαλό, το λογισμικό DSP επιλέγεται για την ευελιξία και την απλότητα του σε σχέση με τα σχέδια φίλτρων αναλογικών κυκλωμάτων. 

Κατά τη δημιουργία αυτού του φίλτρου ζώνης διέλευσης, η χρήση DSP δεν είναι μια φοβερή εργασία για να ολοκληρωθεί. Η εφαρμογή του και η κατασκευή των φίλτρων είναι πολύ πιο εύκολη, καθώς πρέπει να προγραμματίσετε τα φίλτρα τα ίδια με κάθε τσιπ DSP που εισέρχεται στη συσκευή. Ωστόσο, χρησιμοποιώντας αναλογικά εξαρτήματα, έχετε τον κίνδυνο ελαττωματικών εξαρτημάτων, ρυθμίζοντας το κύκλωμα και προγραμματίζετε το φίλτρο σε κάθε μεμονωμένο αναλογικό κύκλωμα. Το DSP δημιουργεί έναν προσιτό και λιγότερο κουραστικό τρόπο σχεδιασμού φίλτρου για την επεξεργασία σήματος και αυξάνει την ακρίβεια για τον συντονισμό και τη ρύθμιση των φίλτρων εν γένει.


ADC & DAC
Ο ηλεκτρικός εξοπλισμός χρησιμοποιείται σε μεγάλο βαθμό σχεδόν σε κάθε τομέα. Οι αναλογικοί σε ψηφιακοί μετατροπείς (ADC) και οι μετατροπείς ψηφιακού σε αναλογικό (DAC) είναι βασικά συστατικά για κάθε παραλλαγή του DSP σε οποιοδήποτε πεδίο. Αυτές οι δύο διεπαφές μετατροπής είναι απαραίτητες για τη μετατροπή σημάτων πραγματικού κόσμου, ώστε να επιτρέπεται στον ψηφιακό ηλεκτρονικό εξοπλισμό να συλλέγει οποιοδήποτε αναλογικό σήμα και να το επεξεργάζεται. Πάρτε ένα μικρόφωνο για παράδειγμα: το ADC μετατρέπει το αναλογικό σήμα που συλλέγεται από μια είσοδο σε εξοπλισμό ήχου σε ένα ψηφιακό σήμα που μπορεί να εκπέμπεται από ηχεία ή οθόνες. Ενώ περνάει από τον εξοπλισμό ήχου στον υπολογιστή, το λογισμικό μπορεί να προσθέσει ηχώ ή να ρυθμίσει το ρυθμό και το βήμα της φωνής για να αποκτήσει έναν τέλειο ήχο. Από την άλλη πλευρά, το DAC θα μετατρέψει το ήδη επεξεργασμένο ψηφιακό σήμα στο αναλογικό σήμα που χρησιμοποιείται από τον εξοπλισμό εξόδου ήχου όπως οι οθόνες. Παρακάτω παρουσιάζεται ένας αριθμός που δείχνει πώς λειτουργεί το προηγούμενο παράδειγμα και πώς τα σήματα εισόδου ήχου μπορούν να ενισχυθούν μέσω της αναπαραγωγής και στη συνέχεια να εξάγονται ως ψηφιακά σήματα μέσω οθονών.

Ένας τύπος μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό, γνωστού ως ψηφιακό ADC, περιλαμβάνει έναν συγκριτή. Η τιμή της αναλογικής τάσης σε κάποια χρονική στιγμή συγκρίνεται με μια δεδομένη τυποποιημένη τάση. Ένας τρόπος για να επιτευχθεί αυτό είναι η εφαρμογή της αναλογικής τάσης σε ένα τερματικό του συγκριτή και η σκανδάλη, γνωστή ως δυαδικός μετρητής, που οδηγεί ένα DAC. Ενώ η έξοδος του DAC εφαρμόζεται στον άλλο ακροδέκτη του συγκριτή, θα ενεργοποιηθεί ένα σήμα αν η τάση υπερβεί την είσοδο αναλογικής τάσης. Η μετάβαση του συγκριτή σταματά τον δυαδικό μετρητή, ο οποίος στη συνέχεια συγκρατεί την ψηφιακή τιμή που αντιστοιχεί στην αναλογική τάση στο συγκεκριμένο σημείο. Το σχήμα που ακολουθεί δείχνει ένα διάγραμμα μιας ψηφιακής κεκλιμένης ADC. 

Εφαρμογές του DSP
Υπάρχουν πολλές παραλλαγές ενός επεξεργαστή ψηφιακού σήματος που μπορεί να εκτελέσει διαφορετικά πράγματα, ανάλογα με την εφαρμογή που εκτελείται. Ορισμένες από αυτές τις παραλλαγές είναι η επεξεργασία ήχου, η συμπίεση ήχου και βίντεο, η επεξεργασία και αναγνώριση ομιλίας, η επεξεργασία ψηφιακής εικόνας και οι εφαρμογές ραντάρ. Η διαφορά μεταξύ καθεμιάς από αυτές τις εφαρμογές είναι ο τρόπος με τον οποίο ο επεξεργαστής ψηφιακών σημάτων μπορεί να φιλτράρει κάθε είσοδο. Υπάρχουν πέντε διαφορετικές πτυχές που διαφέρουν από κάθε DSP: συχνότητα ρολογιού, μέγεθος RAM, πλάτος διαύλου δεδομένων, μέγεθος ROM και τάση εισόδου / εξόδου. Όλα αυτά τα στοιχεία θα επηρεάσουν απλώς την αριθμητική μορφή, την ταχύτητα, την οργάνωση μνήμης και το πλάτος δεδομένων ενός επεξεργαστή. 

Μια γνωστή διάταξη αρχιτεκτονικής είναι η αρχιτεκτονική του Χάρβαρντ. Αυτός ο σχεδιασμός επιτρέπει σε έναν επεξεργαστή να έχει ταυτόχρονη πρόσβαση σε δύο τράπεζες μνήμης χρησιμοποιώντας δύο ανεξάρτητα σύνολα λεωφορείων. Αυτή η αρχιτεκτονική μπορεί να εκτελεί μαθηματικές λειτουργίες ενώ παράγει περαιτέρω οδηγίες. Μια άλλη είναι η αρχιτεκτονική μνήμης Von Neumann. Ενώ υπάρχει μόνο ένας δίαυλος δεδομένων, οι λειτουργίες δεν μπορούν να φορτωθούν κατά την ανάληψη των εντολών. Αυτό προκαλεί εμπλοκή που τελικά επιβραδύνει την εκτέλεση των εφαρμογών DSP. Ενώ αυτοί οι επεξεργαστές είναι παρόμοιοι με τους επεξεργαστές που χρησιμοποιούνται σε έναν τυποποιημένο υπολογιστή, αυτοί οι επεξεργαστές ψηφιακών σημάτων είναι εξειδικευμένοι. Αυτό συχνά σημαίνει ότι, για να εκτελέσουν μια εργασία, οι DSPs υποχρεούνται να χρησιμοποιούν αριθμητική σταθερού σημείου. 

Ένα άλλο είναι η δειγματοληψία, η οποία είναι η μείωση ενός συνεχούς σήματος σε ένα διακριτό σήμα. Μια σημαντική εφαρμογή είναι η μετατροπή ενός ηχητικού κύματος. Η δειγματοληψία ήχου χρησιμοποιεί ψηφιακά σήματα και διαμόρφωση παλμικού κώδικα για την αναπαραγωγή ήχου. Είναι απαραίτητο να καταγράψετε ήχο μεταξύ 20 - 20,000 Hz για να ακούσουν οι άνθρωποι. Τα ποσοστά δειγμάτων υψηλότερα από εκείνα των περίπου 50 kHz - 60 kHz δεν μπορούν να παρέχουν περισσότερες πληροφορίες στο ανθρώπινο αυτί. Χρησιμοποιώντας διαφορετικά φίλτρα με λογισμικό DSP και ADC & DAC, δείγματα ήχου μπορούν να αναπαραχθούν μέσω αυτής της τεχνικής. 

Η ψηφιακή επεξεργασία σήματος χρησιμοποιείται σε μεγάλο βαθμό στις καθημερινές λειτουργίες και είναι απαραίτητη για την αναδημιουργία αναλογικών σημάτων σε ψηφιακά σήματα για πολλούς σκοπούς.

Μπορεί επίσης να σας αρέσει:

DSP - Ψηφιακή Επεξεργασία Σήματος Tutorial

Εξηγήστε την Ψηφιακή Επεξεργασία Σήματος (DSP) και τη διαμόρφωση

Αφήστε μήνυμα 

Λίστα μηνυμάτων