Общая структура системы ЦОС

ЧАСТЬ 1. ВВЕДЕНИЕ

Лекция 1. Введение в ЦОС

 

Предмет и разделы ЦОС

Цифровая обработка сигналов (ЦОС) – это область науки и техники, в которой изучаются общие для разных дисциплин алгоритмы и средства обработки цифровых сигналов в реальном масштабе времени.

 

В теории ЦОС обычно выделяют следующие разделы:

- дискретные сигналы;

- дискретное преобразование Фурье (ДПФ) и быстрое преобразование Фурье (БПФ);

- линейные дискретные системы;

- КИХ и БИХ фильтры;

- спектральный анализ сигналов;

- эффекты квантования в цифровых системах;

- многоскоростная обработка данных;

- адаптивная обработка сигналов;

- технология проектирования систем ЦОС на базе цифровых процессоров и программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

Иногда теорию ЦОС разделяют на две части: методы ЦОС и средства ЦОС. В этом случае вторая части теории ЦОС посвящается технология проектирования систем ЦОС на базе цифровых процессоров и программируемых логических интегральных схем.

 

История развития теории и техники ЦОС

 

Можно выделить следующие этапы развития теории и техники ЦОС.

0-й этап: начало пути. В 40-х годах появились первые ЭВМ, однако они не позволяли проводить обработку сигналов в реальном масштабе времени. Производилось только моделирование реальных процессов. В 60-х годах появились малые ЭВМ, обеспечивающие обработку сигналов в реальном масштабе времени. Возможность цифровой обработки сигналов привлекла внимание специалистов. С этого времени ЦОС формируется как самостоятельное направление.

1-й этап: цифровая фильтрация и спектральный анализ (1965 – 1975 гг.). На данном этапе основным предметом ЦОС была цифровая фильтрация и спектральный анализ. Первый крупный вклад в теорию ЦОС внесли ученые Б. Голд и Ч. Рэйдер. Итоги первого этапа развития теории ЦОС подводит книга Л. Рабинера и Б. Голда. Позже появилось первое учебное пособие авторов А. Оппенгейма и Р. Шафера. Первые цифровые устройства обработки обладали низкой эффективностью и применялись как правило в военной области.

2-й этап: появление однокристальных микропроцессоров и становление современной теории ЦОС (1975 по 1985 г.). В начале 70-х годов появляются первые однокристальные микропроцессоры (МП), а в теории ЦОС  формируются основные направления ее современной теории.

3-й этап: оптимальное проектирование на сигнальных процессорах. В первой половине 80-х годов фирма Texas Instruments (США) объявила о промышленном выпуске первых сигнальных процессоров TMS32010 и открыла эру СБИС (сверхбольших интегральных схем) обработки сигналов. Теория ЦОС развивается в направлении практического использования имеющихся СБИС с учетом ресурсных ограничений (быстрые и экономные алгоритмы). Методы и техника ЦОС из военной области переходит в сферу интенсивных коммерческих разработок. Создаются мощные программные средства поддержки автоматизированного проектирования.

4-й этап: оптимальное проектирование на ПЛИС. Современный этап развития ЦОС со второй половины 90-х годов отличается применением программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

ПЛИС обработки сигналов прочно занимают положение между специализированными заказными СБИС и универсальными цифровыми процессорами обработки сигналов, вытесняя с рынка высоких технологий сигнальные процессоры. Системы на ПЛИС сочетают в себе сверхвысокую производительность заказных СБИС и высокую гибкость цифровых процессоров обработки сигналов, а также возможность размещения на кристалле всей структуры системы, включая нестандартную периферию.

В случаях, когда система ориентирована на решение сложных, разветвленных алгоритмов обработки в реальном времени на различных скоростях потоков входных данных, наивысшая эффективность достигается совместным использованием ПЛИС и сигнальных процессоров.

Литература: Цифровая обработка сигналов – информатика реального времени. / Цифровая обработка сигналов. - 1999. - №1. – с. 5 – 17.

 

Общая структура системы ЦОС

 

Системы цифровой обработки сигналов оперируют с последовательностями цифровых кодов, которые называют цифровыми сигналами. Цифровой сигнал образовывается в результате аналого–цифрового преобразования непрерывных сигналов. Аналого-цифровое преобразование (АЦП) включает три этапа:

- дискретизацию сигнала по времени;

- квантование по уровню;

- цифровое кодирование.

 

На первом этапе образуется дискретный сигнал x (nT_d), который является функцией дискретной переменной nT_d, принимающей только фиксированные значения. В этом случае дискретный сигнал определяют функцией номера отсчета x (n). Говорят, что T_¶= 1 /f_¶ это период дискретизации, f_¶ - частота дискретизации, а n - номер отсчета.

Второй этап АЦП дает дискретный квантованный сигнал x _кв(nT_¶), отличающийся конечным множеством принимаемых им значений.

На третьем этапе получается цифровой сигнал x _ц(nT_¶) в виде последовательности цифровых кодов с заданным числом разрядов.

Вычислительные средства в соответствии с заданным алгоритмом цифровой обработки F преобразуют сигнал x _ц(nT_¶) в выходной цифровой сигнал y _ц(nT_¶) = F { x _ц(nT_¶)}.

В цифровых системах с аналоговым выходом цифровой выходной сигнал y _ц(nT_¶) преобразуется в аналоговый сигнал y (t) с помощью цифро-аналогового преобразования (ЦАП).

Процесс обработки дискретных сигналов можно представить в следующей последовательности. Каждому отсчёту ставится в соответствие двоичное кодовое слово, а действия над отсчётами заменяются на действия над кодовыми словами. Дискретная цепь становится цифровой цепью, цифровым фильтром (ЦФ). Перевод отсчётов в двоичные кодовые слова происходит в аналогово-цифровом преобразователе (АЦП). На выходе ЦФ  осуществляется обратная операция: кодовые слова в цифро-аналоговом преобразователе превращаются в отсчёты дискретного сигнала и, наконец, на выходе, синтезирующего фильтра (СФ) формируется обработанный аналоговый сигнал.

Рисунок 1.4 – общая структура системы ЦОС

 

Литература

Якимов Е.В. Цифровая обработка сигналов: учебное пособие / Е.В. Якимов, Г.В. Вавилова, И.А. Клубович. – Томск: Изд-во Томского политехн. ун-та, 2008. – 307 с. (с. 20)