Rodzaje przetwarzania sygnałów


Analogowe przetwarzanie sygnałów


    Analogowe przetwarzanie sygnałów – dział techniki dotyczący przetwarzania sygnałów analogowych, czyli takich, które mogą zmieniać się w sposób ciągły. Matematyczne algorytmy przetwarzania analogowego są implementowane w postaci obwodów elektronicznych, układów mechaniczno-pneumatycznych. W obwodach elektronicznych operacje matematyczne takie jak mnożenie czy całkowanie realizują odpowiednie układy rezystorów, kondensatorów, cewek, wzmacniaczy operacyjnych i innych elementów. W przypadku układów pneumatycznych odpowiednie zestawy zbiorników, zaworów i dysz wykonują podobne funkcje.

    Dla każdego algorytmu konieczne jest zbudowanie nowego obwodu elektronicznego czy układu pneumatycznego, który może być co najwyżej strojony. Zwykle takiego urządzenia nie da się w żaden sposób przeprogramować do realizacji innej funkcji. Budowanie układów analogowych jest najczęściej bardzo kosztowne ze względu na konieczność zachowania bardzo dużej dokładności i utrudnienia w miniaturyzacji. Każda niedoskonałość powoduje powstawanie błędów. Z tego względu w większości zastosowań przetwarzanie analogowe ograniczone jest do niezbędnego minimum. W przeszłości układy analogowe stosowane były bardzo szeroko, tworząc podstawę wszelkim systemów automatyki czy telekomunikacji. Miniaturyzacja elektroniki przyczyniła się do rozwoju przetwarzania cyfrowego, które prawie całkowicie wyparło analogowe. Układy cyfrowe są tańsze, gdyż produkcja masowa takich elementów jest łatwiejsza do wdrożenia.

    Podstawowe wartości fizyczne przetwarzane w elektronicznych obwodach analogowych stanowią:

  • ---> napięcie
  • ---> prąd
  • ---> częstotliwość
  • ---> amplituda
  • ---> faza


    Przetwarzanie analogowe jest niezbędne, aby przygotować sygnał odpowiednio dla przetworników analogowo-cyfrowych. Pomiar bardzo małych wartości np. napięcia może zostać dokonany dopiero po odpowiednim ich wzmocnieniu wykonanym w obwodzie analogowym. Podobnie sygnał analogowy pochodzący z przetwornika cyfrowo-analogowego musi najczęściej zostać wzmocniony, aby wysterować elementy wykonawcze takie jak głośnik czy silnik. W specjalnych zastosowaniach przetwarzanie analogowe może być konieczne jako jedyny sposób osiągnięcia bardzo wysokiej jakości sygnału, np. w sprzęcie audiofilskim. W zastosowaniach przemysłowych pneumatyczne układy sterujące są niekiedy stosowane w strefach zagrożonych wybuchem albo promieniowaniem jonizującym.


Cyfrowe przetwarzanie sygnałów


    Cyfrowe przetwarzanie sygnałów, CPS (ang.) Digital Signal Processing, DSP – dziedzina nauki i techniki zajmująca się sygnałami cyfrowymi i metodami ich przetwarzania.

Obszary zastosowań

    Cyfrowe przetwarzanie sygnałów i analogowe przetwarzanie sygnałów są gałęziami jednej, nadrzędnej dziedziny techniki: przetwarzania sygnałów. W ramach CPS wskazać można takie obszary zastosowań jak:

  • ---> cyfrowe przetwarzanie obrazów
  • ---> cyfrowe przetwarzanie dźwięku
  • ---> przetwarzanie mowy


Etapy procesu CPS

    Pierwszym etapem w CPS jest konwersja sygnału z postaci analogowej na cyfrową za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego. W przypadku odwrotnym – konwersja cyfrowo-analogowa – stosuje się przetwornik cyfrowo-analogowy.

    Algorytmy cyfrowego przetwarzania sygnałów mogą być realizowane przez komputerowe urządzenia peryferyjne, które korzystają z odpowiednich procesorów sygnałowych (DSP) i pozwalają dzięki temu na przetwarzanie sygnałów w czasie rzeczywistym ((ang.) real time signal processing).

    W CPS zazwyczaj analizuje się sygnał w jednej z następujących dziedzin:

  • ---> czasu – sygnały jednowymiarowe
  • ---> przestrzeni – sygnały wielowymiarowe
  • ---> przestrzeni transformaty falkowej
  • ---> częstotliwości


Dziedzina czasu i przestrzeni

    Dziedzina czasu to naturalna dziedzina opisu i analizy sygnałów i układów w funkcji zmiennej t – czasu.

    Do najpowszechniejszych operacji przetwarzania sygnałów w dziedzinie czasu i przestrzeni należy obróbka sygnału wejściowego w celu poprawienia jego własności. Odbywa się to w procesie filtracji. Ogólnie, filtracja sprowadza się do wykonania pewnych operacji na zbiorze próbek wejściowych sąsiadujących z bieżącą próbką, a niekiedy także z wykorzystaniem pewnej ilości poprzednich próbek sygnału wyjściowego. Są różne sposoby charakteryzowania filtrów np.:

  • Filtr "liniowy" jest liniowym przekształceniem próbek wejściowych; pozostałe filtry określane są jako "nieliniowe". Filtry liniowe spełniają zasadę superpozycji.

  • Filtr "przyczynowy" używa wyłącznie poprzednich próbek wejściowych lub wyjściowych; podczas gdy filtr "nieprzycznynowy" do obliczenia aktualnej próbki wyjściowej przyszłych próbek wejściowych. Filtr nieprzyczynowy może być zmieniony w filtr przyczynowy poprzez dodanie do niego opóźnienia.

  • Filtr "niezmienny w czasie" ma stałe właściwości w czasie; inne filtry, takie jak np. filtry adaptacyjne zmieniają swoje właściwości w czasie.

  • Filtry o "skończonej odpowiedzi impulsowej" (SOI) korzystają tylko z sygnału wejściowego, podczas gdy filtry o "nieskończonej odpowiedzi impulsowej" (NOI) korzystają zarówno z próbek wejściowych jak i poprzednich wartości próbek wyjściowych. Filtry SOI są zawsze stabilne, podczas gdy filtry NOI mogą być niestabilne.


Dziedzina częstotliwości

    Dziedzina częstotliwości to dziedzina opisu i analizy sygnałów i układów w funkcji zmiennej f – częstotliwości

    Sygnały są przekształcane z dziedziny czasu do dziedziny częstotliwości zazwyczaj za pomocą transformacji Fouriera (w praktyce wykorzystuje się FFT). Z wyniku transformaty możemy dowiedzieć się o amplitudzie i fazie poszczególnych składowych częstotliwościowych.

Zastosowania

    Do głównych zastosowań CPS należą przetwarzanie dźwięku, kompresja dźwięku, cyfrowe przetwarzanie obrazów, kodowanie wideo, przetwarzanie mowy, rozpoznawanie mowy i telekomunikacja cyfrowa. Szczególnymi przykładami mogą być: kompresja mowy i transmisja w cyfrowej telefonii komórkowej, filtry DSP w urządzeniach radiokomunikacyjnych pozwalające zwiększyć stosunek sygnału użytecznego do szumu, equalizacja dźwięku w sprzęcie hi-fi, prognozy pogody, prognozy ekonomiczne, przetwarzanie danych sejsmicznych, analiza i kontrola procesów przemysłowych , obrazowanie medyczne takie jak tomografia komputerowa, magnetyczny rezonans jądrowy i efekty cyfrowe używane w gitarach elektrycznych i wzmacniaczach. Ważną dziedziną zastosowań, która znacząco posunęła naprzód badania, technologię i układy DSP była obróbka sygnałów w sprzęcie militarnym, w szczególności technika sonarowa, a potem wraz z rozwojem układów mogących przetwarzać sygnały wyższych częstotliwości - technika radarowa. Cyfrowe przetwarzanie sygnałów znalazło zastosowanie w nowoczesnym elektronicznym sprzęcie pomiarowym ze zobrazowaniem wyników pomiarów na ekranie. Wielokanałowe cyfrowe przetwarzanie sygnałów stanowi podstawę współczesnych systemów badawczych w radioastronomii.

狂気の強制   Aktualizowana:  24.05.2013 0:40