Структурная схема устройства цифровой обработки

1.1. Структурная схема устройства цифровой обработки

Рассмотрим структурную схему устройства цифровой обработки сигналов (УЦОС) для наиболее общего случая, когда производится цифровая обработка аналоговых сигналов. Структурная схема УЦОС показана на рис. 1.1. На рис. 1.2 и рис. 1.3 приведены эпюры напряжений в отдельных узлах этой структурной схемы.

Рис. 1.1.

Структурная схема устройства цифровой обработки сигналов.

Аналоговый сигнал u _ВХ(t), поступающий на вход устройства, проходит через ограничивающий фильтр ОФ (см. рис. 1.1). В ОФ происходит подавление тех компонентов входного аналогового сигнала, частоты которых превосходят значение некоторой верхней (максимальной) частоты f _В рабочего диапазона частот. Этот фильтр играет важную роль в обработке сигнала, о чем подробно будет сказано ниже. Выходной сигнал фильтра u (t) изображен на эпюре 1 рис. 1.2. По значению частоты f _В устанавливают значение частоты дискретизации f _Д. Минимальное значение f _Д должно, в соответствии с теоремой отсчетов, удовлетворять равенству:

                                        f _Д = 2 f _В.                                       (1.1)

Из последнего равенства следует, что частота дискретизации должна выбираться при оцифровке так, чтобы спектр обрабатываемого сигнала на выходе ОФ не выходил за диапазон частот 0... f _Д/2. Этот диапазон частот называется интервалом Найквиста.

Напряжение с выхода ограничивающего фильтра поступает на аналого-цифровой преобразователь – АЦП. В АЦП осуществляется дискретизация аналогового сигнала по времени, ее выполняет дискретизатор Д, и по уровню, ее выполняет квантователь К. В результате этих операций аналоговый сигнал заменяется последовательностью цифровых отсчетов.

Рис. 1.2.

Эпюры напряжений в узлах 1 - 4 структурной схемы.

Дискретизатор работает как ключ, управляемый последовательностью импульсов u_T (t) (эпюра 2 на рис. 1.2). Период их повторения T называется интервалом дискретизации, он связан с частотой дискретизации f _Д соотношением: T = 1/ f _Д. Импульсы указывают только на моменты, в которые производятся выборки (измеряется амплитуда) аналогового сигнала, поэтому форма импульсов в общем случае может быть произвольной, а их амплитуда принимается равной единице. Длительность отдельного импульса t_И устанавливается достаточно малой, чтобы за время его действия аналоговый сигнал практически не изменился. При поступлении очередного импульса ключ замыкается, и на выходе дискретизатора появляется импульс, пиковое значение которого в точности соответствует мгновенному значению аналогового напряжения u (t) в момент действия импульса. Последовательность этих импульсов представляет собой дискретные выборки u _Д(n)  аналогового сигнала. В этой последовательности импульсов информация о входном сигнале присутствует только в течение действия импульса дискретизации. В паузах между импульсами информация на следующий за АЦП цифровой процессор не поступает, что дает возможность использовать паузу для обработки других сообщений.

Последовательность дискретных отсчетов является функцией не непрерывного времени, а дискретных моментов T, 2 T,..., nT... или, так как T – постоянная величина, функцией номера n интервала дискретизации, как это отмечено на эпюре 3 рис. 1.2.

В квантователе К осуществляется преобразование дискретных выборок u _Д в числа с конечным числом разрядов. Таким образом, выходные отсчеты квантователя представляют собой цифровую последовательность х (n), которая также является функцией номера интервала дискретизации n, но она уже квантована по величине. График x (n) показан на эпюре 4 рис. 1.2 в условной форме, так как последовательность x представляет собой последовательность чисел.

Рис. 1.3.

Эпюры напряжений в узлах 5 и 6 структурной схемы.

Цифровая последовательность x (n) с выхода квантователя поступает на цифровой процессор ЦП, который выполняет функции цифрового фильтра.­ В результате фильтрации на выходе ЦП появляется новая цифровая последовательность y (n). Последовательность y (n) можно сохранить в памяти ЦП или вывести из ЦП с целью обратного преобразования в аналоговый сигнал (как говорят, «восстановления» аналогового сигнала). Это преобразование выполняют цифро-аналоговый преобразователь – ЦАП и формирующий фильтр – ФФ (рис.1.1). Напряжение на выходе ЦАП u _ЦАП(t) имеет ступенчатую форму (эпюра 5 на рис. 1.3). Это колебание сглаживается формирующим фильтром. Выходное напряжение фильтра является выходным напряжением устройства u _ВЫХ(t). Оно изображено на эпюре 6 рис. 1.3. При построении рис. 1.3 в качестве примера предполагалось, что цифровой процессор выполняет функции фильтра верхних частот, а значит при обработке последовательности x (n), полученной из u (t), ослабляет составляющие спектра на низших частотах и усиливает составляющие на верхних частотах.