Przetwarzanie sygnałów - Signal processing

Transmisja sygnału z wykorzystaniem elektronicznego przetwarzania sygnałów. Przetworniki przetwarzają sygnały z innych przebiegów fizycznych na przebiegi prądu elektrycznego lub napięcia , które następnie są przetwarzane, przesyłane jako fale elektromagnetyczne , odbierane i przekształcane przez inny przetwornik do postaci końcowej.
Sygnał po lewej wygląda jak szum, ale technika przetwarzania sygnału znana jako transformata Fouriera (po prawej) pokazuje, że zawiera pięć dobrze zdefiniowanych składowych częstotliwości.

Przetwarzanie sygnałów to poddziedzina inżynierii elektrycznej, która koncentruje się na analizie, modyfikacji i syntezie sygnałów, takich jak dźwięk , obrazy i pomiary naukowe. Techniki przetwarzania sygnału mogą być stosowane do poprawy transmisji, wydajności przechowywania i subiektywnej jakości, a także do uwydatniania lub wykrywania elementów będących przedmiotem zainteresowania w mierzonym sygnale.

Historia

Według Alana V. Oppenheima i Ronalda W. Schafera zasady przetwarzania sygnałów można znaleźć w klasycznych technikach analizy numerycznej z XVII wieku. Stwierdzają dalej, że cyfrowe udoskonalenie tych technik można znaleźć w cyfrowych systemach sterowania z lat 40. i 50. XX wieku.

W 1948 roku Claude Shannon napisał wpływowy artykuł „ A Mathematical Theory of Communication ”, który został opublikowany w czasopiśmie Bell System Technical Journal . Artykuł położył podwaliny pod dalszy rozwój systemów komunikacji informacyjnej i przetwarzania sygnałów do transmisji.

Przetwarzanie sygnału dojrzało i rozkwitło w latach 60. i 70., a cyfrowe przetwarzanie sygnału stało się szeroko stosowane w wyspecjalizowanych układach procesorów sygnału cyfrowego w latach 80. XX wieku.

Kategorie

Analog

Przetwarzanie sygnału analogowego dotyczy sygnałów, które nie zostały zdigitalizowane, jak w większości systemów radiowych, telefonicznych, radarowych i telewizyjnych XX wieku. Dotyczy to zarówno liniowych obwodów elektronicznych, jak i nieliniowych. Pierwsze z nich, na przykład filtrów pasywnych , filtrów aktywnych , dodatków, mieszalników , integratory , a linii opóźniających . Obwody nieliniowe obejmują compandors , mnożników ( mieszacz , wzmacniacze napięcia sterowane ), filtry napięcia sterowane , oscylatory sterowane napięciem oraz pętli fazowej .

Ciągły czas

Przetwarzanie sygnału w czasie ciągłym dotyczy sygnałów, które zmieniają się wraz ze zmianą domeny ciągłej (bez uwzględniania niektórych pojedynczych punktów przerwanych).

Sposoby przetwarzania sygnału może zawierać domenę czasową , domeny częstotliwości i zespolonej częstotliwości . Technologia ta omawia głównie modelowanie liniowego, niezmiennego w czasie systemu ciągłego, całkowanie odpowiedzi systemu w stanie zerowym, ustawianie funkcji systemu i ciągłe filtrowanie w czasie sygnałów deterministycznych

Dyskretny czas

Przetwarzanie sygnałów w czasie dyskretnym dotyczy sygnałów próbkowanych, określonych tylko w dyskretnych punktach w czasie i jako takie są kwantowane w czasie, ale nie pod względem wielkości.

Przetwarzanie analogowego sygnału w czasie dyskretnym to technologia oparta na urządzeniach elektronicznych, takich jak obwody próbkujące i podtrzymujące , analogowe multipleksery z podziałem czasu , analogowe linie opóźniające i analogowe rejestry przesuwne ze sprzężeniem zwrotnym . Ta technologia była poprzednikiem cyfrowego przetwarzania sygnału (patrz niżej) i nadal jest używana w zaawansowanym przetwarzaniu sygnałów gigahercowych.

Pojęcie przetwarzania sygnałów w czasie dyskretnym odnosi się również do dyscypliny teoretycznej, która ustanawia matematyczne podstawy przetwarzania sygnałów cyfrowych, bez uwzględniania błędu kwantyzacji .

Cyfrowy

Przetwarzanie sygnału cyfrowego to przetwarzanie zdigitalizowanych sygnałów próbkowanych w czasie dyskretnym. Przetwarzanie odbywa się za pomocą komputerów ogólnego przeznaczenia lub układów cyfrowych, takich jak ASIC , programowalne macierze bramek lub wyspecjalizowane procesory sygnału cyfrowego (chipy DSP). Typowe operacje arytmetyczne obejmują operacje stałoprzecinkowe i zmiennoprzecinkowe , wartości rzeczywiste i zespolone, mnożenie i dodawanie. Inne typowe operacje obsługiwane przez sprzęt to bufory cykliczne i tablice przeglądowe . Przykładami algorytmów są szybka transformata Fouriera (FFT), filtr o skończonej odpowiedzi impulsowej (FIR), filtr o nieskończonej odpowiedzi impulsowej (IIR) oraz filtry adaptacyjne, takie jak filtry Wienera i Kalmana .

Nieliniowy

Nieliniowe przetwarzanie sygnałów obejmuje analizę i przetwarzanie sygnałów wytwarzanych z systemów nieliniowych i może odbywać się w dziedzinie czasu, częstotliwości lub czasoprzestrzennej. Systemy nieliniowe mogą generować bardzo złożone zachowania, w tym bifurkacje , chaos , harmoniczne i subharmoniczne, których nie można wytworzyć ani przeanalizować metodami liniowymi.

Przetwarzanie sygnału wielomianowego jest rodzajem przetwarzania sygnału nieliniowego, w którym systemy wielomianowe mogą być interpretowane jako koncepcyjnie proste rozszerzenia systemów liniowych do przypadku nieliniowego.

Statystyczny

Statystyczne przetwarzanie sygnałów to podejście, które traktuje sygnały jako procesy stochastyczne , wykorzystując ich statystyczne właściwości do wykonywania zadań przetwarzania sygnałów. Techniki statystyczne są szeroko stosowane w aplikacjach przetwarzania sygnałów. Na przykład można modelować rozkład prawdopodobieństwa szumu powstającego podczas fotografowania obrazu i skonstruować techniki oparte na tym modelu, aby zredukować szum w wynikowym obrazie.

Pola aplikacji

Przetwarzanie sygnału sejsmicznego

W systemach komunikacyjnych przetwarzanie sygnału może nastąpić w:

Typowe urządzenia

Zastosowane metody matematyczne

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki