Cyfrowe przetwarzanie sygnałów

Cyfrowe przetwarzanie sygnałów, CPS (ang. Digital Signal Processing, DSP) – dziedzina nauki i techniki zajmująca się sygnałami cyfrowymi i metodami ich przetwarzania.

Obszary zastosowań

Cyfrowe przetwarzanie sygnałów i analogowe przetwarzanie sygnałów są gałęziami jednej, nadrzędnej dziedziny techniki: przetwarzania sygnałów. W ramach CPS wskazać można takie obszary zastosowań jak:

• cyfrowe przetwarzanie obrazów,
• cyfrowe przetwarzanie dźwięku,
• przetwarzanie mowy.

Etapy procesu CPS

Pierwszym etapem w CPS jest konwersja sygnału z postaci analogowej na cyfrową za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego. W przypadku odwrotnym – konwersja cyfrowo-analogowa – stosuje się przetwornik cyfrowo-analogowy.

Algorytmy cyfrowego przetwarzania sygnałów mogą być realizowane przez komputerowe urządzenia peryferyjne, które korzystają z odpowiednich procesorów sygnałowych (DSP) i pozwalają dzięki temu na przetwarzanie sygnałów w czasie rzeczywistym (ang. real time signal processing).

Dziedziny, w których realizuje się CPS

W CPS zazwyczaj analizuje się sygnał w jednej z następujących dziedzin:

• czasu – sygnały jednowymiarowe,
• przestrzeni – sygnały wielowymiarowe,
• przestrzeni transformaty falkowej,
• częstotliwości.

Dziedzina czasu i przestrzeni

Dziedzina czasu to naturalna dziedzina opisu i analizy sygnałów i układów w funkcji zmiennej t – czasu.

Do najpowszechniejszych operacji przetwarzania sygnałów w dziedzinie czasu i przestrzeni należy obróbka sygnału wejściowego w celu poprawienia jego własności. Odbywa się to w procesie filtracji. Ogólnie, filtracja sprowadza się do wykonania pewnych operacji na zbiorze próbek wejściowych sąsiadujących z bieżącą próbką, a niekiedy także z wykorzystaniem pewnej ilości poprzednich próbek sygnału wyjściowego. Są różne sposoby charakteryzowania filtrów np:

• Filtr „liniowy” jest liniowym przekształceniem próbek wejściowych; pozostałe filtry określane są jako „nieliniowe”. Filtry liniowe spełniają zasadę superpozycji.

• Filtr „przyczynowy” używa wyłącznie poprzednich próbek wejściowych lub wyjściowych; podczas gdy filtr „nieprzyczynowy” do obliczenia aktualnej próbki wyjściowej przyszłych próbek wejściowych. Filtr nieprzyczynowy może być zmieniony w filtr przyczynowy poprzez dodanie do niego opóźnienia.

• Filtr „niezmienny w czasie” ma stałe właściwości w czasie; inne filtry, takie jak np. filtry adaptacyjne zmieniają swoje właściwości w czasie.

• Filtry o „skończonej odpowiedzi impulsowej” (SOI) korzystają tylko z sygnału wejściowego, podczas gdy filtry o „nieskończonej odpowiedzi impulsowej” (NOI) korzystają zarówno z próbek wejściowych, jak i poprzednich wartości próbek wyjściowych. Filtry SOI są zawsze stabilne, podczas gdy filtry NOI mogą być niestabilne.

Dziedzina częstotliwości

Dziedzina częstotliwości to dziedzina opisu i analizy sygnałów i układów w funkcji zmiennej f – częstotliwości

Sygnały są przekształcane z dziedziny czasu do dziedziny częstotliwości zazwyczaj za pomocą transformacji Fouriera (w praktyce wykorzystuje się algorytm FFT). Z wyniku transformaty można dowiedzieć się o amplitudzie i fazie poszczególnych składowych częstotliwościowych.

Zastosowania

Do głównych zastosowań CPS należą przetwarzanie dźwięku, kompresja dźwięku, cyfrowe przetwarzanie obrazów, kodowanie wideo, przetwarzanie mowy, rozpoznawanie mowy i telekomunikacja cyfrowa. Szczególnymi przykładami mogą być: kompresja mowy i transmisja w cyfrowej telefonii komórkowej, filtry DSP w urządzeniach radiokomunikacyjnych pozwalające zwiększyć stosunek sygnału użytecznego do szumu, equalizacja dźwięku w sprzęcie hi-fi, prognozy pogody, prognozy ekonomiczne, przetwarzanie danych sejsmicznych, analiza i kontrola procesów przemysłowych, obrazowanie medyczne takie jak tomografia komputerowa, magnetyczny rezonans jądrowy i efekty cyfrowe używane w gitarach elektrycznych i wzmacniaczach.

Ważną dziedziną zastosowań, która znacząco posunęła naprzód badania, technologię i układy DSP była obróbka sygnałów w sprzęcie militarnym, w szczególności technika sonarowa, a potem wraz z rozwojem układów mogących przetwarzać sygnały wyższych częstotliwości – technika radarowa. Cyfrowe przetwarzanie sygnałów znalazło zastosowanie w nowoczesnym elektronicznym sprzęcie pomiarowym ze zobrazowaniem wyników pomiarów na ekranie. Wielokanałowe cyfrowe przetwarzanie sygnałów stanowi podstawę współczesnych systemów badawczych w radioastronomii.

Dziedziny pokrewne

• Automatyka
• Informatyka
• Telekomunikacja
• Elektronika
• Teoria informacji
• Kompresja danych
• Akustyka
• Teleinformatyka

Zobacz też

• procesor sygnałowy

Bibliografia

• Tomasz P. Zieliński, „Cyfrowe przetwarzanie sygnałów: od teorii do zastosowań”, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Wyd. 2 popr, Warszawa 2007, ISBN 978-83-206-1640-8.
• Tomasz P. Zieliński, „Od teorii do cyfrowego przetwarzania sygnałów”, Wydział EAIiE AGH, Kraków 2000
• Richard G. Lyons, „Wprowadzenie do cyfrowego przetwarzania sygnałów”, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2000
• Jerzy Szabatin, „Podstawy teorii sygnałów”, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Wyd. 3, Warszawa 2000
• Bartosz Ziółko, Mariusz Ziółko „Przetwarzanie Mowy, Wydawnictwa AGH, Kraków 2011

Linki zewnętrzne

• Przetwarzanie sygnałów (materiały dydaktyczne MIMUW na studia informatyczne I stopnia)
• Przetwarzanie sygnałów cyfrowych. dsp.agh.edu.pl. [zarchiwizowane z tego adresu (2013-12-03)]. (materiały dydaktyczne AGH)