 |
Технические средства реализации основных алгоритмов обработки сигналов
|
|
|
|
Обработка выполнялась на основе следующих электрические элементов:
1) активные (генерирующие электрическую энергию) – управляемые и неуправляемые источники тока и напряжения,
2) пассивные - резисторы, конденсаторы и индуктивности.
Примеры:
Интегратор. Дифференциатор. Фильтр НЧ, ВЧ. Постоянная времени, частота среза, порядок фильтра.
Делитель.
Сумматор.
Выпускалась широкая номенклатура интегрированных элементов позволяющих выполнять различные арифметические и логические преобразования непрерывных сигналов: интегрирование, дифференцирование, суммирование, умножение, деление, возведение в 2 и 3 степень, корень, логарифмирование, сравнение, коммутация сигналов. Достоинствами являются быстродействие и простота, но существенный недостаток это низкая точность и зависимость от внешних воздействий (температура, питание и пр.).
Методы цифровой обработки разрабатывались с 60-х годов 20ст. с целью использования цифровых вычислительных систем для моделирования реальных физических сигналов и систем. В результате значительная часть теории цифровых систем строилась по образу теории аналоговых систем: терминология, методы расчета по аналоговому прототипу и пр.
Практически все физические сигналы являются непрерывными функциями и проблема корректного отображения в цифровую форму одна из центральных. Цифровые сигналы являются подмножеством непрерывных сигналов, что создает как преимущества, так и недостатки. Преимущества цифровых систем обработки заключаются, прежде всего, в помехоустойчивости и точности, что позволяет обеспечить высокие показатели качества передачи и воспроизведения сигнала, а также в возможности длительного хранения больших количеств данных. Недостатками являются снижения быстродействия и повышение требований к производительности линий связи. Основные векторы развития это повышение быстродействия и функциональности (степень интегрирования и гибкость модификации выполняемых функций), снижение стоимости элементов и сложности использования (последнее с переменным успехом).
|
|
|
Преобразование непрерывных сигналов в цифровые и обратно выполняется с помощью АЦП, ЦАП. Представление сигналов в виде цифровых данных позволяет использовать для их обработки цифровые процессоры и описывать операторы как алгоритмы, которые выполняются с помощью элементарных операций ЦОС сложения, умножения на константу и линейного сдвига. Также используются операции вычисления модуля, квадрата, логарифма, тригонометрических функций, реализация которых обычно выполняется с помощью приближенных выражений или таблично (Будет разобрано на практических занятиях). Базовая операция цифровой фильтрации, определяющая структуру аппаратных средств – умножение на коэффициент с накоплением.
Пример:
НЧ сигнал с небольшой ВЧ составляющей(или шума)
Интегрирование – удаление ВЧ (скользящее суммирование соседних отсчетов).
Дифференцирование – удаление НЧ (скользящее вычитание соседних отсчетов).
Интегрирование с весовой функцией(свертка)
Схема цифровой фильтрации - КИХ – цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой.
если h(n) - массив констант, то выполнение свертки реализует цифровой фильтр, который при изменении значений массива позволяет произвести нужные изменения сигнала;
если h(n)=х(n), то выполнение свертки дает информацию о структуре сигнала и его поведении во времени; если x(n)=х1(n), а h(n)=х2(n), то выполнение свертки дает информацию о величине сходства сигналов и его изменения во времени.
|
|
|
В настоящее время для реализации алгоритмов обработки используются цифровые сигнальные процессоры (ЦСП) и ПЛИС (Будет разобрано на практических занятиях).
Достоинствами ЦСП являются возможность построения сложных алгоритмов, точность. Вместе с тем ЦСП имеют и ряд недостатков. Во-первых, производительность ЦСП обычно не превышает нескольких сот MIPS, что ограничивает их область применения. При реализации сложных структур или высоких требованиях к производительности приходится увеличивать число процессоров и обеспечивать их работу в мультипроцессорном режиме. Во-вторых, каждое семейство ЦСП имеет собственные системы команд и архитектуру АЛУ, поэтому необходима тщательная адаптация алгоритма под ресурсы конкретного ЦСП. Даже ориентированные на конкретные ЦСП компиляторы с языков высокого уровня не снимают данную проблему.
До недавнего времени качество ЦСП определялось только скоростью выполнения операций умножения/сложения или количеством операций в секунду. Однако сегодня, на первое место выходят другие требования. Они связаны с архитектурными решениями процессора и расширенными функциональными возможностями - наличием высокоскоростных гибких арифметических средств, встроенных и внекристальных средств циклической буферизации и т. п.
Альтернативой ЦСП являются ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы). В числе главных достоинств возможность создания оптимальной вычислительной архитектуры, возможность реализации сложных параллельных алгоритмов. Современные САПР позволяют проводить полное моделирование систем и обеспечивается совместимость на уровне языков описания аппаратуры (VHDL, Verilog и др.) и наличие библиотек программ, описывающих сложные алгоритмы(Core).
Наиболее производительны системы обработки с целочисленными операндами (фиксированная точка - ФТ), но т.к. практически все сигналы имеют непрерывную природу (речь, изображения, параметры естественных и технических систем), то широко применяются вычисления с плавающей точкой (ПТ). ЦСП ориентировано на обработку небольших потоков данных с высокой точностью (с ПТ), а ПЛИС на обработку больших потоков данных с ограниченной точностью (с ФТ и числом разрядов до 16).
На современном этапе практически происходит сращивание этих технологий в ПЛИС встраиваются процессоры и к процессорам добавляется конфигурируемое АЛУ для оптимизации выполнения алгоритма.
|
|
|
