Цифровая обработка сигналов лекции

Цифровая обработка сигналов лекции

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫ ТЕХНОЛОГИЙ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ И ИЗОБРАЖЕНИЙ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ по дисциплине «Цифровая обработка сигналов и изображений»

для студентов специальностей «Вычислительные машины, системы и сети», «Программное обеспечение информационных технологий »

1. Целью изучения дисциплины является:

– овладение общими методами цифровой обработки сигналов и изображений;

– овладение методами решения конкретных задач из отдельных разделов цифровой обработки сигналов и изображений;

– овладение математическими алгоритмами цифровой обработки сигналов и изображений, используемыми в коммуникационных системах и сетях;

– изучение свойств дискретных ортогональных преобразований и применения их в цифровой обработке сигналов и изображений.

Цифровая обработка сигналов и изображений (ЦОС и И) – это область науки и техники, в которой изучаются общие для разных дисциплин алгоритмы и средства обработки сигналов и изображений на основе математических методов с использованием цифровой вычислительной техники.

Цифровая обработка сигналов – это технология, охватывающая огромный набор приложений, включая коммуникацию, космические исследования, медицину, археологию и развлечения и многое другое. Сложнейшие алгоритмы обработки сигналов и соответствующее аппаратное оборудование распространены в широком диапазоне систем: от узкоспециализированных военных и промышленных до недорогой широко распространенной бытовой электроники. Поскольку системы связи все менее становятся зависимыми от проводов и более мобильными и многофункциональными, значение сложной цифровой обработки сигналов в таких системах продолжает расти. При взгляде в будущее становится ясно, что роль цифровой обработки сигналов в обществе становится все более заметной благодаря сближению средств коммуникации, компьютеров и обработки сигналов, как в потребительской сфере, так и в доле грандиозных индустриальных и правительственных проектов.

До 1960-х годов технология обработки сигналов была почти исключительно непрерывной, аналоговой.

Основное отличие ЦОС от классической теории состоит в том, что сигнал в ЦОС – это числовая последовательность. Обработка осуществляется с помощью операций над числами. Имеется много примеров, когда обрабатываемые сигналы являются последовательностями. В современных приложениях используют дискретные технологии для обработки непрерывных сигналов. В этом случае непрерывные сигналы преобразуются в последовательность отсчётов, т.е. дискретный сигнал. После дискретной обработки её результат вновь конвертируется в непрерывный сигнал. Для многих систем предпочтительны операции в режиме реального времени, т.е. такие операции, при которых отсчёты реакции системы вычисляются с той

же частотой, что и отсчёты дискретизации непрерывного сигнала. Дискретная обработка непрерывных сигналов в режиме реального времени – типичная ситуация в системах связи, радиолокации, гидролокации (сонарах), аудио- и видеосистемах, кодировании и усилении, биомедицине и других многочисленных областях применения. Проигрыватель компакт-дисков (CD

– плеер) – иной пример, где входной обработанный сигнал хранится на компакт-диске, а выходной сигнал выдается в реальном времени.

Читайте также:  Как убрать рут права на андроиде

Большинство из традиционных систем обработки оперирует поданным на вход сигналом и получает другой выходной сигнал. Другой важный класс задач обработки сигналов касается интерпретации сигналов. Цель такой задачи состоит не в получении выходного сигнала, а в описании характеристик входного.

1.2. Преимущества и эффективность цифровой обработки сигналов

Главные преимущества ЦОС в сравнении с аналоговой обработкой можно свести к следующим:

1. Стабильность характеристик. В аналоговой аппаратуре применяют специальные меры для поддержания постоянства тех или иных технических характеристик системы. Требование стабильности характеристик должно учитывать влияние изменения атмосферного давления, температуры, химических примесей, ударов, вибраций, старения, изменения питающих напряжений, условий распространения радиоволн и многое другое. В этом случае для поддержания стабильности используют специальные материалы со стабильными свойствами, с малыми коэффициентами линейного расширения, высокоточные пассивные радиоэлементы. Например, для достижения заданной стабильности частоты генерирования колебаний применяются:

Технология производства аналоговых устройств, как правило, использует специальные покрытия, поглотители влаги, амортизаторы, заливку специальными составами и прочее.

2. Принципиально достижимая более высокая прогнозируемая и гарантированная точность обработки сигналов. Возможность реализации сложных алгоритмов обработки сигналов, которые трудно, а часто даже невозможно реализовать с помощью аналоговой техники.

3. Большой динамический диапазон обрабатываемых сигналов.

4. Возможность гибкой оперативной перестройки структуры и параметров устройств и систем. Возможность реализации принципа «адаптации» или самонастройки, то есть изменения алгоритма обработки

сигналов без физической перестройки устройства (например, зависимости от вида сигнала, поступающего на вход фильтра). Техническая реализация ЦОС сравнительно просто осуществляется как на основе аппаратных, так и программных средств.

5. Высокая надёжность, малые вес и габариты.

6. Технически просто обеспечивается ремонтопригодность и взаимозаменяемость отдельных устройств или систем.

7. Цифровые методы особенно эффективны для обработки низкочастотных сигналов, так как размеры пассивных элементов на низких частотах чрезмерно громоздки. Отдельные блоки многоканальных систем, например АЛУ, можно сделать общими для всех каналов. Широкое применение находит ЦОС в системах с оптимальной обработки сигналов. Например, при использовании низкоскоростного помехоустойчивого кодирования длительное накопление слабых сигналов легко реализуется с помощью методов ЦОС. Алгоритмы ЦОС позволяют уменьшить энергетические, временные и частотные «затраты» на передачу цифровых сигналов (по сравнению с передачей аналоговых сигналов). Возможность одновременной обработки нескольких сигналов.

К недостаткам цифровых процессоров можно отнести:

‒ большую сложность по сравнению с аналоговыми устройствами и пока еще более высокую стоимость;

‒ не столь высокое, как хотелось бы , быстродействие;

‒ невозможность устранения специфических погрешностей, вызванных дискретизацией, квантованием сигнала и округлениями в процессе вычислений.

Читайте также:  Как узнать логин и пароль дом ру

Сегодняшний специалист стоит перед выбором надлежащей комбинации аналоговых и цифровых методов для решения задачи обработки сигналов. Невозможно обработать физические аналоговые сигналы, используя только цифровые методы, так как все датчики (микрофоны, термопары, тензорезисторы, пьезоэлектрические кристаллы, головки накопителя на магнитных дисках и т.д.) являются аналоговыми устройствами. Поэтому, некоторые виды сигналов требуют наличия цепей нормализации для дальнейшей обработки сигналов аналоговым или цифровым методом. В действительности, цепи нормализации сигнала – это аналоговые процессоры, выполняющие:

‒ усиление сигналов в измерительных и предварительных (буферных) усилителях);

‒ обнаружение сигнала на фоне шума высокоточными усилителями синфазного сигнала;

‒ динамическое сжатие диапазона (логарифмическими усилителями, логарифмическими ЦАП и усилителями с программируемым коэффициентом усиления);

‒ фильтрацию (пассивную и активную).

1.3. Последовательность операций цифровой обработки сигналов

Цифровая обработка сигналов связана с представлением сигнала в виде последовательности чисел. Это означает, что исходный аналоговый сигнал преобразуется в исходную последовательность чисел, которая процессором (вычислителем) по заданному алгоритму преобразуется в другую последовательность чисел, однозначно соответствующую исходной. Далее из полученной новой последовательности формируется результирующий сигнал.

Последовательность операций ЦОС можно представить рисунком 1.1.

Основные виды цифровой обработки сигналов

Сигнальные процессоры семейства ADSP-21xx

  1. Состав базовой архитектуры сигнальных процессоров семейства ADSP-21xx
  2. Перечень, свойства и назначение шин ЦСП. Взаимосвязь разрядности шин и свойств процессора
  3. Периферийные устройства, расположенные на кристалле ЦСП. Их назначение.
  4. Структурная схема АЛУ и её особенности. Взаимодействие узлов и прохождение информации в АЛУ. Признаки результата операции и их использование
  5. Режимы насыщения и запоминания переполнения АЛУ
  6. Взаимодействие узлов ЦСП и ПЗУ после сброса.
  7. Операции, происходящие в схеме ЦСП за время одного цикла.
  8. Структурная схема умножителя/накопителя и её особенности.
  9. Взаимодействие узлов и прохождение информации в МАС
  10. Режимы представления результата в МАС.
  11. Насыщение и округление результата в МАС.
  12. Структурная схема сдвигателя и её особенности
  13. Взаимодействие узлов и прохождение информации в сдвигателе.
  14. Типы сдвигов и особенности выполнения инструкций в сдвигателе.
  15. Назначение и структурная схема генератора адресов данных.
  16. Особенности использования и программирования линейного буфера.
  17. Особенности использования и программирования кольцевого буфера.
  18. Устройство обмена между шинами. Назначение и особенности использования.
  19. Цель и особенности применения многофункциональных инструкций.
  20. Программный упорядочиватель. Структура и основной принцип работы.
  21. Механизм выполнения переходов и обращений к подпрограмме. Возврат из подпрограммы.
  22. Механизм выполнения условных инструкций.
  23. Механизм выполнения циклов. Пример программирования цикла DO UNTIL.
  24. Свойства и применение инструкции IDLE.
  25. Система прерываний в ЦСП. Источники, регистры и вектора прерываний.
  26. Последовательность обработки прерывания.
  27. Директивы ассемблера ЦСП. Правила оформления модуля программы.
  28. Обеспечение взаимодействия модулей, входящих в программу.
  29. Объявление и инициализация переменных и структур данных и обращение к ним.
  30. Цель и приёмы масштабирования. Отображение аргументов периодических функций.
  31. Структурная схема и принцип работы таймера ЦСП.
  32. Подготовка к использованию таймера в программе.
  33. Системный интерфейс ЦСП. Синхроимпульсы, сброс, выводы флагов, внешние прерывания.
  34. Интерфейс с памятью. Гарвардская архитектура. Система шин ЦСП.
  35. Основной режим работы процессора ADSP-2189. Контроллер BDMA.
  36. Интерфейс с памятью программы. Карта памяти программы.
  37. Интерфейс с памятью данных. Карта памяти данных.
  38. Пространство ввода/вывода. Параллельные порты ввода/вывода.
  39. Устройство, назначение узлов и выводов последовательного порта ЦСП.
  40. Приём и передача информации через последовательный порт.
  41. Установка параметров и подготовка к использованию последовательного порта.
  42. Устройство и возможности аналогового интерфейса ЦСП.
  43. Процесс разработки программного обеспечения для ЦСП и используемые при этом средства.
  44. Перспективы развития и применения ЦСП.
Читайте также:  Как называется провод тюльпан

Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 . 2019

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/

Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

Цифровая обработка сигналов

Проект содержит интерактивные материалы в виде законченных лекций по цифровой обработке сигналов (ЦОС) в виде тетрадок Jupyter Notebook. Это мои заметки по теоретическим аспектам и практическому применению задач ЦОС.

Материалы представлены с использованием библиотек на языке Python (numpy , scipy, matplotlib, seaborn etc). Основная информация взята из моих лекций, которые я, будучи аспирантом, читал студентам Московского Энергетического Института (НИУ МЭИ). Частично информация из этих лекций была использована на обучающих лекциях в Центре Современной Электроники, где я выступал в качестве лектора. Кроме того, в эти лекции входит перевод различных статей, компиляция материалов из достоверных источников и литературы по тематике цифровой обработки сигналов, а также официальная документация по прикладным пакетам и встроенным функциям библиотек scipy и numpy языка Python.

Большая часть обучающего материала для наглядного и интерактивного представления реализована с использованием Jupyter Notebook.

В зависимости от наличия свободного времени этот проект будет развиваться и постепенно наполняться новыми материалами по инициативе автора (то есть меня).

Ссылка на основную публикацию
Хороший ламповый усилитель для дома
Почти у каждого ненормального с гитарой (а иногда даже и без нее) появляется навязчивая идея принести домой фанерный ящик с...
Файлы mdi чем открыть
Если вы не смогли открыть файл двойным нажатием на него, то вам следует скачать и установить одну из программ представленных...
Файлы mdx чем открыть
MDX - это формат образов дисков, который был создан разработчиками программы DAEMON Tools. Это формат был создан в результате усовершенствования...
Хороший переводчик английского языка
Оцените наш проект! Правильный переводчик онлайн позволяет довольно качественно и оперативно выполнять следующие операции: - изучать один либо одновременно несколько...
Adblock detector