План лекции Цифровая обработка сигналов: лекция 1 Информационные источники Историческая справка Предмет курса и основные разделы ЦОС Аппаратная и программная. - презентация

1 План лекции Цифровая обработка сигналов: лекция 1 Информационные источники Историческая справка Предмет курса и основные разделы ЦОС Аппаратная и программная реализация алгоритмов

2 Информационные источники В.В. Крюков. Цифровая обработка сигналов. Конспект лекций. Влад. ВГУЭС Крюков В.В., Широбокова К.И. Учебное пособие к лабораторному практикуму по дисциплине.- Влад., ДВГТИ, Л. Рабинер, Б. Гоулд. Теория и применение цифровой обработки сигналов: Пер. с английского - М.: Мир, С.Л.Марпл-мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с английского - М.: Мир, У.М. Сиберт. Цепи, сигналы, системы: Перевод с английского - М.: Мир, 1988 г. С.252. Лекции по DSP (Digital Signal Processing), университет Карнеги, кафедра компьютерной техники. Лекции по Сбору данных, Спектральному анализу, фильтрам и фильтрации: «Научное и техническое руководство по обработке сигналов» Курс «Введение в DSP». Курс в Аванте – Цифровая обработка сигналов: лекция 1

3 Историческая справка 40-е годы: исследование сотрудниками фирмы Bell Telephone возможности использования цифровых элементов для создания фильтров 50-е годы: в Массачусетском технологическом институте были исследованы принципы дискретизации колебаний и возникающие при этом эффекты, а так же вопросы применения в радиоэлектронике математического аппарата теории Z- преобразования Кайзер (фирма Bell) показал, как можно рассчитывать цифровые фильтры с нужными характеристиками, используя билинейное преобразование 60-е годы: начала формироваться теория цифровой обработки сигналов (ЦОС) 1965 г. - опубликована статья Кули и Тьюки о быстром методе вычисления дискретного преобразования Фурье, давшая мощный толчок развитию этого нового технического направления - цифровой спектральный анализ Цифровая обработка сигналов: лекция 1

4 Историческая справка 70-е годы: оценены потенциальные возможности интегральных микросхем, что позволило представить полную систему обработки сигналов, для которой наилучшая техническая реализация была бы именно цифровой Современная тенденция развития ЦОС - усилением взаимодействия нескольких областей: анализа сигналов, теории систем, статистических методов и вычислительной математики. Революция в технологии сверхбольших интегральных схем (СБИС) способствовала слиянию областей разработки интегральных схем для вычислительной техники и обработки сигналов В начале 80-х годов фирмами Texas Instruments, IBM, Analog Devices, Motorola, AT&T были выпущены СБИС (их стали называть цифровые процессоры сигналов – DSP, Digital Signal Processing) со специальной архитектурой и набором команд для построения систем цифровой обработки сигналов Цифровая обработка сигналов: лекция 1

5 Предмет курса Типовая блок-схема устройства ЦОС Цифровая обработка сигналов: лекция 1

6 Предмет курса Основные преимущества систем ЦОС по сравнению с традиционными аналоговыми устройствами: точность обработки и повторяемость параметров при тиражировании; стабильность характеристик и высокая помехоустойчивость; простота модификации алгоритмов обработки; слабая зависимость цены аппаратной части от сложности алгоритма обработки; простота обслуживания и настройки. Недостатки систем ЦОС: ограниченный частотный диапазон обрабатываемых сигналов; ограниченный динамический диапазон (с появлением 32-х разрядных устройств этот недостаток преодолен); наличие шумов квантования. Цифровая обработка сигналов: лекция 1

7 Предмет курса Определение. Цифровая обработка сигналов - отдельная область знаний, которая описывает методы сбора и обработки цифровых сигналов, а также способы построения процессорных систем, предназначенных для обработки цифровых сигналов. С практической точки зрения ЦОС - это одна из наиболее мощных технологий, которая будет определять методы сбора и обработки информации, а значит развитие электронной техники в 21 веке. Цифровая обработка сигналов: лекция 1

8 Направления развития ЦОС развитие эффективных алгоритмов обработки с целью уменьшения времени выполнения операций ЦОС, повышения точности результатов, улучшения качественных характеристик систем ЦОС; развитие операционных сред, в том числе операционных систем реального времени, для решения прикладных задач; внедрение методов ЦОС в изделия массового спроса (мобильная телефония, звуковая и видео запись/воспроизведение, телевизионная техника); создание универсальных ЦОС процессоров с целью внедрения методов ЦОС в коммерческие приложения (телекоммуникация, обработка речи, изображений, сжатие данных, мультимедиа, медицина). Цифровая обработка сигналов: лекция 1

9 Основные разделы ЦОС Цифровая обработка сигналов: лекция 1 ПРИЛОЖЕНИЯ: - обработка изображений - телекоммуникации - исследование речи - радио/гидролокация - медицина - системы реального времени - навигация - мультимедиа - системы управления и контроля - мобильная телефония - запись и воспроизведение звуковых и видео данных - музыкальные инструменты ПРИЛОЖЕНИЯ: - обработка изображений - телекоммуникации - исследование речи - радио/гидролокация - медицина - системы реального времени - навигация - мультимедиа - системы управления и контроля - мобильная телефония - запись и воспроизведение звуковых и видео данных - музыкальные инструменты Дискретное преобразование Фурье Теория дискретных линейных систем Вычислительная математика Цифровая фильтрация Спектральный анализ Статистический анализ Синтез фильтров Реализация фильтров Разработка алгоритмов Реализация алгоритмов Предварительный анализ данных Корреляционный анализ Выделение и обнаружение сигналов Оценка параметров сигналов Wavelet - анализ

10 Аппаратная и программная реализация Особенности аппаратной реализации ЦУ: автономность ЦУ; целесообразна при большом количестве изделий; производительность потенциально выше, чем при программной реализации; проблемы с конечной разрядностью операционных устройств. Особенности программной реализации на базе универсальных компьютеров и DSP: гибкость систем; задачи ЦОС решаются комплексно (обработка, хранение результатов, графический анализ); нет проблем с разрядностью операционных устройств Цифровая обработка сигналов: лекция 1

11 Этапы построения систем ЦОС Цифровая обработка сигналов: лекция 1 Вых. сигнал Алгоритм цифровой обработки Задача (техническая) Метод решения Функциональная схема ЦУ Программный способ Аппаратный способ Аппаратный способ Принципиальная схема ЦУ Цифровое устройство Блок-схема программы Блок-схема программы Текст программы Текст программы Исполнимый модуль Исполнимый модуль Вх. сигнал Вх. данные Результаты

12 Вводные сведения по комплексной арифметике Квадратный корень от -1 принято обозначать символом j, т.е. Комплексное число c может быть записано в виде c = a + jb, где a и b - вещественная и мнимая части числа c Re [c] = вещественная часть от c = a Im [c] = мнимая часть от c = b Если a, b, g, h являются вещественными числами, то сложение, умножение и деление комплексных чисел (a + jb) и (g + jh) выполняется по следующим формулам (a + jb) + (g + jh) = (a + jb) х (g + jh) = Цифровая обработка сигналов: лекция 1

13 Вводные сведения по комплексной арифметике Операция комплексного сопряжения и произведение комплексного числа на комплексно сопряженное определяются c* = Re[c] - jIm[c] cc* = (a + jb)(a - jb) = a 2 + b 2 Комплексное число (a + jb) может быть представлено в полярных координатах r и Цифровая обработка сигналов: лекция 1 cajbccab * 22 ejxxjx exp()cossin rajbba a rj,arctan exp() zrj 111 exp() zrj 222 exp() zrrj 1212 exp(()) z z z r r j exp(()) zz zzx 2 zzjy 2 zzy 0 zzz 2 zz arg zz zzzz 1212 zzzz 1212 zzzz 1212 //