Микропроцессорная обработка сигналов

Введение
Классификация процессов обработки сигнала
Алгоритмы обработки сигналов

  Под термином Микропроцессорная Обработка Сигналов, прежде всего, понимается получение, преобразование, фильтрация шума, компрессия, сохранение и дальнейшая обработка сигнала. “Сигнал” может представлять собой графическую информацию на экране монитора, ролик в видеокамере, снимок в фотоаппарате, пространственный или частотный спектр излучения, звук, биологические сигналы и прочее.

  Любой непрерывный (аналоговый) сигнал может быть подвергнут оцифровке, т.е. представлен в цифровой форме. Процесс преобразования сигналов называется общим словом “фильтрация”, а устройство, выполняющее фильтрацию, называется фильтром. Поскольку отсчеты сигналов поступают с постоянной скоростью, фильтр должен успевать обрабатывать текущий отсчет до поступления следующего, то есть обрабатывать сигнал в реальном времени. Для обработки сигналов в реальном времени применяют специальные вычислительные устройства - цифровые сигнальные процессоры.

  Необходимо сказать, что обработка сигнала с помощью микропроцессоров применяется в наше время очень широко. Фотоаппараты, видеокамеры, телевизоры, телефоны, различные научные приборы, бытовая техника, блоки управления в транспортных средствах, не говоря о компьютерах, снабжаются микропроцессорами большей или меньшей мощности для выполнения различных целей.

  Процесс обработки сигнала включает в себя несколько этапов. Например, в современном цифровом фотоаппарате принятие (считывание) изображения осуществляет светочувствительная матрица (ПЗС-матрица). Далее микропроцессор снимает информацию с матрицы, преобразовывает ее и передает сигнал в энергонезависимое запоминающее устройство - карту памяти. Эта на первый взгляд простая схема справедлива с небольшими изменениями для всех устройств, в которых применяются микропроцессоры.

Классификация процессов обработки сигнала

  Сигнал может быть или аналоговым, или цифровым, и может быть получен различными методами.

  Существует множество типов обработки сигнала в зависимости от его природы.

  Для аналоговых сигналов процесс обработки может включать усиление и фильтрацию звукового сигнала от аудиоустройств или модуляцию и демодуляцию сигнала в телевидении. Для цифровых сигналов - это может быть компрессия, проверка и обнаружение ошибок в сигнале.

  Процессы обработки сигналов:

• Аналоговый сигнал - обработка неоцифрованных сигналов - классическое радио, телефония, радарные и телевизионные системы;
  
  
• Цифровой сигнал - обработка сигнала выполняется интегральной схемой, спроектированной под специальное приложение (ASIC), энергонезависимыми программируемыми вентильными матрицами (FPGA), микропроцессорами и компьютерами основного назначения или специализированными цифровыми процессорами;
  
  
• Статистическая обработка сигнала - метод анализа и извлечения информации из сигналов, основанный них статистических свойствах;
  
  
• Аудио-сигнал - обработка электрического сигнала, отображающего звук (например, музыка)
  
  
• Обработка речи - обработка и интерпретация произнесенных слов;
  
  
• Обработка изображения - осуществляется в цифровых камерах, компьютерах и различных видео системах;
  
  
• Обработка видео-сигнала - используется для интерпретации изменяющейся картинки;
  
  
• Матричная обработка - обработка сигнала от массива сенсоров.

Алгоритмы обработки сигналов

  Одной из самых важных частей процесса обработки любого сигнала является Алгоритм цифровой обработки информации. Сам термин алгоритм обозначает всякий регулярный процесс, за конечное число шагов дающий решение определённого класса задач.

  Различают методы обработки сигналов во временной и в частотной области. Существует большое количество алгоритмов, направленных на решение самых разнообразных задач.

  К основным задачам можно отнести следующие:

• Линейная фильтрация - Селекция сигнала в частотной области; синтез фильтров, согласованных с сигналами; частотное разделение каналов; цифровые преобразователи Гильберта и дифференциаторы; корректоры характеристик каналов;
  
  
• Спектральный анализ - Обработка речевых, звуковых, сейсмических, гидроакустических сигналов; распознавание образов;
  
  
• Частотно-временной анализ - Компрессия изображений, гидро- и радиолокация, разнообразные задачи обнаружения;
  
  
• Адаптивная фильтрация - Обработка речи, изображений, распознавание образов, подавление шумов, адаптивные антенные решетки;
  
  
• Нелинейная обработка - Вычисление корреляций, медианная фильтрация; синтез амплитудных, фазовых, частотных детекторов, обработка речи, векторное кодирование;
  
  
• Многоскоростная обработка - Интерполяция (увеличение) и децимация (уменьшение) частоты дискретизации в многоскоростных системах телекоммуникации, аудиосистемах.

  Ниже для примера приведены лишь некоторые алгоритмы, которые широко используются для обработки цифровой информации:

• Цифровые фильтры: FIR и IIR фильтры используются для фильтрации частот;
  
  
• Быстрое Пpеобpазование Фурье и его модификации, широко используемое для спектрального анализа;
  
  
• Алгоритмы обработки звуковых сигналов: компрессия A-law и M-law, компрессия ADPCM, LPC и GSM кодирования;
  
  
• Различные криптографические алгоритмы, некоторые из которых использовались с незапамятных времен и очень широко используются в наше время для защиты информации от несанкционированного доступа.
  
  
• Методы компрессии информации - LZX, ZIP, JPEG, MPEG, вейвлетный, фрактальный - служат для увеличения плотности информации на некотором носителе.

Скачать эту статью (формат MS-Word, 141 кб.) 

  ООО Оптолекс на основе ТЗ заказчика готов провести НИОКРы по разработке различных одно- и многоканальных оптоволоконных контрольно-измерительных приборов и контрольно-измерительных систем для АСУ ТП, использующих микропроцессорную обработку сигналов. Мы заинтересованы в совместных высокотехнологических разработках в области оптоэлектроники. За дополнительной информацией просьба обращаться к Яцееву Василию по тел. +7 (495) 930-8053 или по e-mail:  box@optolex.ru.