Кіріспе

Компьютерлер арқылы математикалық сигналдарды өңдеу. Цифрлық сигналдарды өңдеу (DSP) – компьютерлер немесе арнайы цифрлық сигналдарды өңдеу процессорлары сияқты цифрлық өңдеуді қолдану арқылы сигналдарды өңдеудің кең ауқымындағы операцияларды жүзеге асыру болып табылады. Осылай өңделген цифрлық сигналдар – уақыт, кеңістік немесе жиілік сияқты салалардағы үздіксіз айнымалының дискреттік үлгілерін көрсететін сандар тізбегі. Цифрлық электроникада цифрлық сигнал импульстік қатар түрінде бейнеленеді, ол әдетте транзистордың қосу-өшіруі арқылы жасалады. Цифрлық сигналдарды өңдеу және аналогтық сигналдарды өңдеу – сигналдарды өңдеудің салалары. DSP қолданылуларының қатарында аудио және сөйлеуді өңдеу, сонар, радар және басқа да сенсорлық массивтерді өңдеу, спектрлік тығыздық бағалау, статистикалық сигналдарды өңдеу, цифрлық кескіндерді өңдеу, деректерді сығу, бейне кодтау, аудио кодтау, кескіндерді сығу, телекоммуникация үшін сигналдарды өңдеу, басқару жүйелері, биомедициналық инженерия және сейсмология бар. DSP сызықтық немесе сызықтық емес операцияларды қамтуы мүмкін. Сызықтық емес сигналдарды өңдеу сызықтық емес жүйелерді идентификациялаумен тығыз байланысты және оны уақыт, жиілік және кеңістік-уақыт домендерінде жүзеге асыруға болады. Цифрлық есептеуді сигналдарды өңдеуге қолдану, көптеген қолданыстарда аналогтық өңдеуге қарағанда көптеген артықшылықтар береді, мысалы, беру кезінде қателерді анықтау және түзету, сондай-ақ деректерді сығу. Цифрлық сигналдарды өңдеу – цифрлық телекоммуникация және сымсыз байланыс сияқты цифрлық технологияның дамуына негізгі фактор. DSP ағынды да, статикалық (сақталған) да деректерге қолданылады.

Сигналды іріктеу

Аналогты сигналды цифрлық талдау және өңдеу үшін оны аналог-цифрлық түрлендіргіш (АЦТ) арқылы цифрландыру қажет. Үлгі алу әдетте екі кезеңде жүзеге асырылады: дискреттеу және кванттау. Дискреттеу – сигналдың тең уақыт интервалдарына бөлінуі, әр интервал амплитуданың бір өлшемімен көрсетіледі. Кванттау – әр амплитуда өлшемі шекті жиынтықтан алынған мәнмен жуықтатылады. Нақты сандарды бүтін сандарға домалату осыған мысал. Найквист-Шеннон үлгі алу теоремасы бойынша, егер үлгі алу жиілігі сигналдың ең жоғары жиілік компонентінің екі есесінен артық болса, сигналды оның үлгілерінен нақты қайта құруға болады. Іс жүзінде, үлгі алу жиілігі көбінесе осыдан әлдеқайда жоғары болады. Үлгі алу теоремасына сәйкес сигналдың жолақтығын шектеу үшін антиалиасингтік сүзгі қолдану жиі кездеседі, бірақ бұл сүзгіні мұқият таңдау қажет, себебі қайта құрылған сигнал бастапқы (сүзгіленбеген) сигналдың орнына сүзгіленген сигнал және тоқтату жолағының жетілмеген тосқауылынан қалған алиасинг болады. Теориялық DSP талдаулары мен есептеулері әдетте амплитудалық қателіктері (кванттау қатесі) жоқ дискретті уақыт сигналдарының модельдерінде жүргізіледі, олар үлгі алудың абстрактілі процесінде жасалады. Сандық әдістерге квантталған сигнал қажет, мысалы, АЦТ-де алынған сигналдар. Өңделген нәтиже жиілік спектрі немесе статистикалар жиынтығы болуы мүмкін. Бірақ көбінесе бұл басқа квантталған сигнал болады, ол цифрлық-аналог түрлендіргіш (ЦАТ) арқылы аналогтық формаға түрлендіріледі.

Домендер

DSP инженерлері әдетте цифрлық сигналдарды келесі салалардың бірінде зерттейді: уақыт домені (бір өлшемді сигналдар), кеңістік домені (көп өлшемді сигналдар), жиілік домені және толқын домендері. Олар сигналдың маңызды ерекшеліктерін және оған қолданылатын өңдеуді қай домен жақсырақ көрсететінін білу арқылы (немесе әртүрлі мүмкіндіктерді сынап көру арқылы) сигналды өңдеу үшін доменді таңдайды. Өлшеу құрылғысынан алынған үлгілер тікелей уақыт немесе кеңістік доменінде бейнеленеді, ал дискретті Фурье түрлендірмесі жиілік доменінде бейнеленеді.

Уақыт пен кеңістіктің домендері

Уақыт домені – сигналдарды уақытқа қатысты талдауды білдіреді. Сол сияқты, кеңістік домені – сигналдарды позицияға қатысты талдауды білдіреді, мысалы, бейне өңдеуде пикселдің орналасуы. Уақыт немесе кеңістік доменіндегі ең көп қолданылатын өңдеу әдісі – кіріс сигналын сүзгілеу арқылы жақсарту болып табылады. Цифрлық сүзгілеу, әдетте, кіріс немесе шығыс сигналының ағымдағы үлгісінің төңірегіндегі бірнеше жақын орналасқан үлгілердің сызықтық түрлендіруінен тұрады. Жақын орналасқан үлгілер уақытқа немесе кеңістікке қатысты анықталуы мүмкін. Сызықтық цифрлық сүзгінің кез келген кіріс сигналына жауабын, кіріс сигналын импульстік жауаппен конволюциялау арқылы есептеуге болады.

Жиілік доманы

Сигналдар уақыт немесе кеңістік доменінен жиілік доменіне көбінесе Фурье түрлендіруін қолдану арқылы түрлендіріледі. Фурье түрлендіруі уақыт немесе кеңістік ақпаратын әр жиіліктің амплитудалық және фазалық компонентіне айналдырады. Кейбір қолдануларда фазаның жиілікке қатысты өзгеруі маңызды рөл атқаруы мүмкін. Фаза маңызды болмаған жағдайда, Фурье түрлендіруі көбінесе қуат спектріне түрлендіріледі, ол әр жиілік компонентінің квадратынан алынған амплитудасы болып табылады. Жиілік доменіндегі сигналдарды талдаудың басты мақсаты – сигналдың қасиеттерін талдау. Инженер спектрді зерттеу арқылы кіріс сигналдағы бар және жоқ жиіліктерді анықтай алады. Жиілік доменіндегі талдау спектрлік талдау немесе спектр деп те аталады. Сүзгілеу, әсіресе нақты уақыт режимінде жұмыс істемейтін жағдайларда, жиілік доменінде жүзеге асырылуы мүмкін, сүзгі қолданылып, содан кейін сигнал уақыт доменіне қайта түрлендіріледі. Бұл тиімді әдіс болуы мүмкін және кез келген сүзгінің сипаттамасын, тіпті "кірпіш қабырға" сүзгілеріне жақын нәтижелерді де қамтамасыз етеді. Жиі қолданылатын жиілік доменінің түрлендірулері бар. Мысалы, цепструм сигналын Фурье түрлендіруі арқылы жиілік доменіне түрлендіреді, логарифмін есептейді, содан кейін тағы бір Фурье түрлендіруін қолданады. Бұл бастапқы спектрдің гармоникалық құрылымын күшейтеді.

Z жазықтығы талдауы

Цифрлық сүзгілер шексіз импульстік жауап (IIR) және шекті импульстік жауап (FIR) түрлерінде келеді. FIR сүзгілері әрқашан тұрақты болса, IIR сүзгілері кері байланыс тізбектеріне ие, олар тұрақсыз болуы және қозғалысқа түсуі мүмкін. Z-трансформациясы цифрлық IIR сүзгілерінің тұрақтылығын талдауға арналған құралды ұсынады. Ол аналогты IIR сүзгілерін жобалау және талдау үшін қолданылатын Лаплас трансформациясына ұқсас.

Авторегрессиялық талдау

Сигнал өзінің бұрынғы үлгілерінің сызықтық комбинациясы ретінде көрсетіледі. Комбинацияның коэффициенттері авторегрессия коэффициенттері деп аталады. Бұл әдіс жоғары жиілік ажыратымдылығына ие және Фурье түрлендіруімен салыстырғанда қысқа сигналдарды өңдеуге мүмкіндік береді. Прони әдісі сигнал компоненттерінің фазаларын, амплитудаларын, бастапқы фазаларын және өшкіндерін бағалау үшін қолданылуы мүмкін. Сызықтық емес (мысалы, Вигнер-Виль түрлендіргіші) сигналды уақыт-жиілік жазықтығында көрсету үшін пайдаланылады. Сызықтық емес және сегменттелген Прони әдістері жоғары ажыратымдылықты қамтамасыз ете алады, бірақ қажетсіз артефакттар тудыруы мүмкін. Уақыт-жиілік талдауы көбінесе стационарлық емес сигналдарды талдау үшін қолданылады. Мысалы, RAPT және PEFAC сияқты негізгі жиілікті бағалау әдістері терезеленген спектрлік талдауға негізделген.

Ұңғыма

Сандық талдау және функционалдық талдауда дискретті толқынша түрлендіру – толқыншалар дискретті түрде алынатын кез келген толқынша түрлендіруі. Басқа толқынша түрлендірулер сияқты, оның Фурье түрлендіруінен басты артықшылығы – уақыт бойынша айқындалуы: ол жиілік және орналасу туралы мәліметтерді қамтиды. Бірлескен уақыт-жиілік ажыратымдылығының дәлдігі уақыт-жиілік белгісіздік принципімен шектеледі.

Эмпирикалық режимдегі ыдырау

Эмпирикалық режимдік ыдырау сигналды ішкі режимдік функцияларға (IMF) ыдыратуға негізделген. IMF – сигналдан бөліп алынған дерлік гармоникалық осцилляциялар.

Іске асыру

DSP алгоритмдері жалпы мақсаттағы компьютерлерде және цифрлық сигнал процессорларында орындалуы мүмкін. DSP алгоритмдері сондай-ақ арнайы құрылған аппараттық құрылғыларда, мысалы, арнайы интегралдық схемалар (ASIC) арқылы жүзеге асырылады. Цифрлық сигналды өңдеудің қосымша технологияларына қуатты жалпы мақсаттағы микропроцессорлар, графикалық өңдеу блогы, өрістегі бағдарламаланатын қақпа массиві (FPGA), цифрлық сигнал контроллері (көбінесе моторды басқару сияқты өнеркәсіптік қолданыстар үшін) және ағын процессорлары кіреді. Нақты уақыт есептеу қажеттілігі жоқ және сигнал деректері (кіріс немесе шығыс) дерек файлдарында сақталса, өңдеуді жалпы мақсаттағы компьютермен тиімді жүзеге асыруға болады. Бұл, басқа деректерді өңдеуден ешқандай айырмасы жоқ, тек DSP математикалық әдістері (DCT және FFT сияқты) қолданылады және іріктеме алынған деректер уақыт немесе кеңістікте біркелкі іріктелген деп есептеледі. Мұндай қолданысқа мысал – Photoshop сияқты бағдарламалық қамтамасыз ету арқылы цифрлық фотосуреттерді өңдеу. Егер қолданыс нақты уақытты талап етсе, DSP көбінесе арнайы процессорлар немесе микропроцессорлар, кейде бірнеше процессорлар немесе өңдеу ядроларын пайдалана отырып іске асырылады. Олар деректерді қатаң нүктелік немесе қозғалмалы нүктелік арифметика арқылы өңдей алады. Күрделірек қолданыстар үшін FPGA қолданылуы мүмкін. Ең күрделі қолданыстар немесе көп көлемді өнімдер үшін ASIC арнайы осы қолданыс үшін жобалануы мүмкін. Көп ядролы CPU және көп ядролы GPU архитектураларын пайдаланатын DSP алгоритмдерінің параллельдік іске асырылуы осы алгоритмдердің жауап беру уақытын жақсарту үшін жасалады. Бұл компьютердің CPU-ымен емес, DSP немесе сыртқы өңдеумен жасалады, ол кеңейту карталарында немесе сыртқы аппараттық құрылғыларда орналасқан қосымша үшінші тарап DSP чиптері арқылы жүзеге асырылады. Logic Pro, Cubase, Digital Performer және Pro Tools LE сияқты көптеген цифрлық аудио жұмыс станциялары жергілікті өңдеуді қолданады. Pro Tools HD, Universal Audio-ның UAD 1 және TC Electronic-тің Powercore сияқты басқалары DSP өңдеуін қолданады.