Цифровая обработка сигналов
Сазанов В.М.
Цифровая обработка сигналов 1
Аннотация 1
Ключевые слова 2
Введение 3
Характеристика сигналов в системах цифровой обработки 4
Немного “цифровой” математики 5
Спектральный анализ 5
Прямое и обратное преобразование Фурье 5
Корреляция 6
Схема цифровой фильтрации 6
Заключение 7
Контактная информация 8
Рисунки 9
Рисунок 1 9
Рисунки 2-3 10
II. Цифровая обработка сигналов: микропроцессоры, платы, средства разработки, программное обеспечение 11
“Виртуальная школа компьютерных технологий” 13
Аннотация 11
Ключевые слова 12
Введение 13
Микропроцессоры цифровой обработки сигналов. 13
Зарубежные микропроцессоры 14
Texas Instruments TMS320Cххх 14
Analog Devices ADSP-2106X (Sharc) 16
ПЛАТЫ, СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ, ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ. 18
“Виртуальная школа компьютерных технологий” 20
Классификация плат 18
Российские игроки рынка цифровой обработки сигналов 18
Рабочее место разработчика 19
Возможности ЦОС ТОРНАДО 21
СРЕДСТВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ 22
Пример системы 22
Визуальное проектирование 24
Стоимостные характеристики 24
Операционные системы 24
Заключение 25
“Виртуальная школа компьютерных технологий” 26
Выражения признательности 25
Использованные источники 26
Контактная информация 26
Таблица 1. ПРОЦЕССОРЫ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ 27
“Виртуальная школа компьютерных технологий” 32
Рис. 1. Texas Instruments TMS320C6x 28
Рис. 2. Analog Devices ADSP-2106X (Sharc) 30
Рис. 3. Процессор BOPS MANArray 32
=========================================================
Аннотация
Лекция посвящена перспективной области человеческих знаний – цифровой обработке сигналов, то есть обработке средствами вычислительной техники последовательностей равноотстоящих во времени и пространстве отсчетов.
Рассмотрены характеристики цифровых сигналов, математические основы используемых методов обработки, активно использующие преобразование Фурье в его дискретном виде, возможности обеспечения эффективности обработки за счет использования специфики именно последовательности сигналов.
Ключевые слова
Цифровая обработка сигналов, прямое и обратное преобразование Фурье, быстрое преобразование Фурье, дискретное преобразование Фурье, спектр, гармонический анализ, спектральный анализ, фильтрация и корреляция, радио и гидролокация, радиосвязь, радиоастрономия, микропроцессор, спецпроцессор, сигнальный процессор, мультимедийные технологии, обработка изображений, обработка звука, цифровая связь, помехозащищенность, компьютерная томография, анализ кардиограмм и энцефалограмм.
Введение
Многие вещи нам непонятны не потому, что понятия наши слабы;
но потому, что сии вещи не входят в круг наших понятий.
К. Прутков
Определение. Цифровой обработкой сигналов принято называть в вычислительной технике арифметическую обработку последовательностей равноотстоящих во времени отсчетов. Под цифровой обработкой понимают также обработку одномерных и многомерных массивов данных.
Безусловно, данная обработка может быть выполнена с помощью обычных вычислительных средств. Например, на современном персональном компьютере с процессором типа Pentium IV обработка не представляет никаких трудностей. Однако именно специфика последовательности предоставляет дополнительные возможности для достижения высокой эффективности при жестких ограничениях систем реального времени.
Не секрет, что первые вычислительные машины были созданы в 40-х годах прошлого столетия для решения задач криптографии, баллистики, ядерной физики, практического построения систем противовоздушной обороны. Системы и методы цифровой обработки также разрабатывались в оборонных отраслях в первую очередь для решения задач радиолокации, обработки гидроакустических и тепловизионных сигналов.
Для обнаружения и уничтожения летательных аппаратов служили комплексы, состоящие из радиолокаторов, управляющих вычислительных машин и ракетных установок. В области военного морского приборостроения системы цифровой обработки использовались, в частности, для анализа гидроакустических сигналов, определения шумовых паспортов кораблей на основе спектральных характеристик, вычисления корреляционных зависимостей паспорта и реального гидроакустического сигнала.
В статье представлены две разработки отечественных вычислительных систем цифровой обработки, выполненные инженерами и учеными в 70—80 годах прошлого века.
Спецпроцессор преобразования Фурье СПФ СМ для семейства управляющих ЭВМ линии СМ3 – СМ4 был создан в 1983 году для обработки изображений поверхности планеты Венера в рамках выполнения соответствующей программы. Разработка проводилась Институтом электронных управляющих машин (ИНЭУМ) совместно с Институтом радиоэлектроники Академии наук СССР – ИРЕ АН.
Цифровые вычислительные системы “Напев” и “Айлама” предназначались для обработки гидроакустического сигнала и были предложены ЦНИИ “Агат” в 1978-1979 годах по техническому заданию Военно-морского флота (ВМФ) СССР.
Вышеприведенные разработки в силу исторических причин не послужили непосредственной основой создания аппаратной части современных микропроцессоров цифровой обработки сигналов, однако приобретенный опыт проектирования программных и аппаратных компонентов позволяет коллективам-разработчикам поддерживать мировой уровень в своих дальнейших исследованиях.
Современное гражданское применение методов цифровой обработки лежит в области мультимедийных технологий, то есть обработки звука и изображений, включающей их сжатие, кодировку. В области цифровой связи цифровыми методами выполняется модуляция и демодуляция данных для передачи по каналам связи.
Сегодня многие пользователи, имеющие на своем рабочем столе персональный компьютер, даже и не подозревают о наличии вычислительных средств — микропроцессоров, построенных на принципах цифровой обработки сигналов, находящихся на расстоянии вытянутой руки.
Процессоры цифровой обработки сигналов, как добрые гномы или мифические демоны Максвелла, перерабатывают в “недрах” компьютера цифровую информационную руду: без устали фильтруют, анализируют, распознают, модулируют/демодулируют, уплотняют и разуплотняют, кодируют/декодируют — всего не перечислишь.
А беря в руку трубку сотового телефона, от Motorol’ы например, вы наверное и не знаете, что держите в руках специализированное вычислительное устройство, основу которого составляет процессор обработки цифровых сигналов.
Характеристика сигналов в системах цифровой обработки
Цифровая обработка, в отличие от аналоговой, традиционно используемой во многих радиотехнических устройствах, является более дешевым способом достижения результата, обеспечивает более высокую точность, миниатюрность и технологичность устройства, температурную стабильность.
Наиболее жесткие требования к аппаратной части цифровой обработки предъявляют радиолокационные системы. Основным содержанием цифровой обработки здесь является фильтрация входных сигналов антенны, частоты сигналов от 10 МГц до 10 ГГц. Размеры преобразований могут достигать до 214 комплексных точек, требования по быстродействию составляют 109 умножений в секунду.
При обработке цифровых сигналов радиолокатора используются алгоритмы цифровой фильтрации и спектрального анализа (вычисление дискретного и быстрого преобразования Фурье — ДПФ и БПФ), алгоритмы корреляционного анализа, обратной свертки, специальные алгоритмы линейного предсказания.
В системах обработки звука цифровые процессоры обработки сигнала решают задачи анализа, распознавания и синтеза речи, сжатия речи в системах телекоммуникации. Для систем обработки изображений типовыми задачами являются улучшение изображений, сжатие информации для передачи и хранения, распознавание образов. При обработке цифровых звуковых сигналов используются алгоритмы цифровой фильтрации и спектрального анализа (вычисление ДПФ и БПФ), алгоритмы корреляционного анализа, обратной свертки, специальные алгоритмы линейного предсказания. В большинстве случаев удовлетворительные результаты обеспечивает формат данных с фиксированной запятой, длина слова 16 бит, частоты сигналов от 4 до 20 кГц (до 40 кГц в случае обработки музыки), требуемая производительность — до 10х106 операций в секунду — 10 MIPS по компьютерной терминологии.
Характерным для систем обработки изображений является восстановление и улучшение изображений с помощью инверсной свертки, обработка массивов отсчетов с помощью алгоритмов быстрого преобразования Фурье. При восстановлении трехмерной структуры объектов, получаемых методами проникающего излучения в дефектоскопии и медицинской интраскопии, применяются методы пространственно-частотной фильтрации. Другой класс алгоритмов – преобразование контрастности, выделение контуров, статистическая обработка изображений. Для сжатия информации наиболее эффективны ортогональные преобразования Фурье, Адамара и Уолша. Требуемая производительность оценивается величинами 100—1000 MIPS, массивы данных — 105—106 отсчетов.
Характеристики сигналов в системах цифровой обработки
Назначение
|
Характеристика
|
Диапазон частот, размерность
|
Требуемое быстродействие
|
Пример /
разработчик
|
Радиолокационные
системы
|
Фильтрация сигналов антенны
|
10 МГц — 10 ГГц,
до 214 точек
|
109 умножений в секунду
|
|
Обработка
звуковых сигналов
|
Анализ и синтез речи, сжатие и распознавание
|
20 кГц (40 кГц)
16 бит
|
10 MIPS
|
“Напев”
ЦНИИ “Агат”
|
Системы
обработки изображений
|
Восстановление и улучшение изображений
|
105—106
отсчетов
|
100-1000 MIPS
|
СПФ СМ
ИНЭУМ,
ИРЕ АН СССР
|
Ниже приводятся описания двух отечественных систем цифровой обработки сигнала, которые, однако, предваряются небольшим экскурсом в математические и алгоритмические основы обработки последовательностей сигналов.
|