Типовая блок-схема системы цифровой обработки аналоговых сигналов

Рисунок 1. Структурная схема устройства цифровой обработки сигналов.

Представленное на рисунке 1 цифровое устройство должно работать в реальном масштабе времени. В составе рассматриваемого устройства устройство выборки и хранения (УВХ), которое также называют дискретизатором по времени, непрерывно стробирует аналоговый сигнал с частотой, равной f_{д вх}. При этом аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который также называют квантователем или дискретизатором по уровню, выдает новый цифровой отсчет сигнала процессору цифровой обработки сигнала. В качестве этого процессора может служить программируемая логическая схема, сигнальный процессор или даже микроконтроллер. Пример сигнала на выходе дискретизатора по времени приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. График дискретизированного сигнала

Для обеспечения работы системы в реальном масштабе времени, процессор цифровой обработки сигнала должен закончить все вычисления в пределах интервала дискретизации 1/f_{д вх} и передать выходной отсчет сигнала на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) до поступления следующего отсчета с аналого-цифрового преобразователя. В качестве примера устройства цифровой обработки сигнала, работающего по такому принципу, может выступать цифровой фильтр.

Возможен другой принцип построения цифровых устройств реального времени. Например, при реализации на сигнальном процессоре алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ), накопленный входной блок данных целиком загружается в память сигнального процессора.

В этом случае для обеспечения работы системы цифровой обработки сигнала в реальном масштабе времени необходимо, чтобы пока сигнальный процессор выполняет алгоритм БПФ над ранее полученным блоком данных, в его внутренней памяти накапливался новый блок данных. Сигнальный процессор должен успеть вычислить спектр входного сигнала в течение интервала накопления следующего блока данных, для того, чтобы быть готовым обработать новый блок данных.

Обратите внимание, что цифроаналоговый преобразователь в устройстве цифровой обработки сигнала требуется только в том случае, когда данные необходимо преобразовать обратно в аналоговый сигнал (например, при обработке изображения или звука).

Есть много устройств, где после аналого-цифрового преобразования сигнал остается в цифровом формате. Например, модемы или приемники телеметрической информации. Точно так же, существуют устройства, в которых сигнальный процессор предназначен исключительно для формирования сигнала, подаваемого на цифро-аналоговый преобразователь. В качестве примера подобного устройства можно назвать радиомодем или генератор радиосигналов.

Если в устройстве цифровой обработки сигнала используется цифроаналоговый преобразователь, то для подавления побочных составляющих спектра полезного сигнала, на его выходе необходимо применять формирующий аналоговый фильтр (anti-imaging filter).

В процессе аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования можно выделить два основных этапа: дискретизация (квантование по времени) и квантование по амплитуде. Именно эти этапы определяют разрешающую способность устройств аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования.