Кафедра Радиоэлектроники РЕФЕРАТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «Цифровая обработка сигнала» ТЕМА: «Применение Цифровой обработки сигналов в средствах связи» Выполнила: Научный руководитель: Преподаватель кафедры: радиоэлектроники г. Калининград 2024 Содержание 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Ведение……………………………………….………………..3 Цифровая обработка сигнала в общем смысле……………...4 Задачи и цели ЦОС……………………………………………7 Методы ЦОС…………………………………………………..8 Сравнение цифровой и аналоговой обработки сигнала….. 10 ЦОС в современном мире………………………………...….11 Использование ЦОС в радиотехнике ……………………….13 Компании, использующие цифровую обработку сигнала…16 Заключение……………………………………………………17 Список использованных источников и литературы………..18 2 Введение Цифровая обработка сигналов (ЦОС) имеет большое фундаментальное и прикладное значение в современной радиотехнике и смежных с нею областях. Ее методы используются для разработки и исследования радиоэлектронных устройств и систем различного назначения, а ее средства – для их аппаратно-программной реализации. Цифровая обработка сигналов (ЦОС) является важной областью математики, информатики и вычислительной техники, находящей широкое применение в различных отраслях науки и техники, включая электронику, связь, телевидение, фотографию и многое другое. Одним из применений цифровой обработки сигнала является обработка речи. С помощью цифровой обработки сигнала можно распознавать речь, синтезировать речевые сигналы или улучшать качество звукового сопровождения. 3 Цифровая обработка сигнала в общем смысле Цифровая обработка сигнала – это процесс преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму и последующего их обработки с использованием математических алгоритмов и специального программного обеспечения, и при необходимости обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый. Исторически ЦОС как новое научное и техническое направление начала формироваться в начале 60-х гг. ХХ в. Она опиралась на достижения цифровой вычислительной техники и известные задолго до этого в математике Z-преобразование, преобразования Лапласа, Фурье, линейные разностные уравнения и др. Фундаментальными для ЦОС стали проведенные в 30– 40-е гг. прошлого века работы по теории дискретизации и восстановления сигналов Котельникова–Шеннона–Найквиста. Большую роль в развитии ЦОС сыграли исследования Кайзера по цифровой фильтрации и предложенные в 1965 г. Кули и Тьюки алгоритмы быстрого преобразования Фурье (БПФ). К историческим вехам ЦОС можно отнести также создание в 60-х гг. ХХ в. цифрового полосного вокодера, изобретенного еще в 1939 г. Дадли, многоканального цифрового приемника (Стивенсон, 1971), цифрового сигнального процессора (1982). В эти же годы были получены и значительные теоретические результаты по адаптивной обработке сигналов, спектральнокорреляционному анализу, вейвлет-анализу и их приложениям. Содержание теоретического курса ЦОС включает ее такие направления, как цифровая фильтрация, спектрально-корреляционный анализ, специальные методы и приложения, методы и средства аппаратно-программной реализации. Сущность цифровой обработки состоит в том, что физический преобразуется в последовательность чисел, которая затем подвернется математическим преобразованиям в вычислительном устройстве. Трансформированный цифровой сигнал (последовательность чисел) при необходимости может быть преобразована обратно в напряжение или ток. Цифровая обработка сигналов (ЦОС) – это одно из наиболее динамично развиваемых и перспективных направлений современной радиотехники. Важнейшими свойствами ЦОС являются высокая точность, технологичность, нечувствительность к дестабилизирующим факторам, функциональная гибкость. Поэтому удельный вес ЦОС в радиоэлектронных устройствах и системах по мере повышения ее быстродействия и снижения стоимости все более возрастает. Под цифровым сигналом понимается любая пронумерованная последовательность чисел (цифровых кодов), например, 3, 7, 11, 9, …, в том числе значений оцифрованного аналогового сигнала, являющаяся функцией некоторого эквидистантного дискретного аргумента (например, порядкового номера, расстояния или по умолчанию – времени). Алгоритмы ЦОС, в отличие от других вычислений на ЭВМ, предусматривают, как правило, их выполнение в реальном масштабе времени. Средствами реализации ЦОС являются жесткая логика, программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), 4 микропроцессоры общего назначения, микроконтроллеры, персональные компьютеры (компьютерная обработка сигналов), одноплатные компьютеры и цифровые сигнальные процессоры (ЦСП). Последние аппаратно и программно оптимизированы на задачи ЦОС и образуют ее специализированную элементную базу. Совокупность аппаратных средств, осуществляющих цифровую обработку сигналов, называют процессором ЦОС. Важнейшее значение для ЦОС имеют также средства автоматизации проектирования аппаратного и программного обеспечения процессоров на основе ЦСП, ПК, ПЛИС и других цифровых средств (системы разработки). Таким образом, ЦОС обобщенно можно определить формулой ЦОС = Алгоритм + Программа (микропрограмма, схема) + + Процессор. Ее слагаемые образуют, соответственно, алгоритмическое, программное (микропрограммное или схемотехническое) и аппаратное обеспечение ЦОС. Обработка аналоговых сигналов является наиболее общей задачей ЦОС. Она включает преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму, их алгоритмическую обработку и при необходимости обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый. Общая структурная схема системы цифровой обработки аналоговых сигналов приведена на (рис. 1) x(t)-аналоговый сигнал x(nTд)-дискретный сигнал xкв(nTд)- квантованный сигнал Рис. 1. Общая структура системы ЦОС Входной аналоговый сигнал хвх(t) в этой схеме поступает на аналогоцифровой преобразователь (АЦП) через аналоговый фильтр нижних частот ФНЧ1 с частотой среза fс. Фильтр обеспечивает ограничение полосы частот входного сигнала (включая и сопутствующие сигналу шумы и помехи) максимальной частотой fm ≈ fс, соответствующей используемой в АЦП частоте дискретизации сигнала по времени fд > 2fm. Он ослабляет искажения наложения при дискретизации сигналов с неограниченным по частоте спектром и называется противомаскировочным фильтром, или аналоговым преселектором. 5 Аналого-цифровое преобразование включает дискретизацию сигнала по времени, квантование по уровню и цифровое кодирование (рис. 2). Рис. 2. Последовательность операций аналого-цифрового преобразования сигнала. В результате АЦП образуются дискретный сигнал х(nТд), соответствующий выборкам аналогового сигнала x(t) в дискретные равноотстоящие моменты времени nТд (Тд = 1/fд − период дискретизации сигнала), дискретный квантованный сигнал хкв(nТд), отличающийся конечным множеством принимаемых им значений, и цифровой сигнал хц(nТд) в виде последовательности цифровых двоичных кодов с числом разрядов, соответствующим разрядности АЦП. Процессором ЦОС в соответствии с заданным алгоритмом цифровой обработки (оператором Ф) входной цифровой сигнал хц(nТд) преобразуется в выходной цифровой сигнал системы yц(nТд ) = Ф[хц(nТд )]. Аналоговый выходной сигнал системы yвых(t) получается (или восстанавливается) из цифрового сигнала yц(nТд) с помощью цифроаналогового преобразователя ЦАП, преобразующего его в квантованный по уровню аналоговый сигнал yˆ(t)ступенчатой формы, и аналогового ФНЧ2, которым ограничивается частотный спектр и подавляются высокочастотные компоненты выходного сигнала. Этот фильтр с частотой среза fс < fд /2 называют также сглаживающим. Совокупность элементов ФНЧ1, АЦП, ЦАП и ФНЧ2 системы цифровой обработки аналоговых сигналов, выполняющих преобразования сигналов вида А/А, А/Ц и Ц/А, образует подсистему аналогового ввода-вывода, или аналогоцифрового интерфейса, системы ЦОС. С преобразованиями сигналов при цифровой обработке связаны искажения и погрешности, анализ и оценка которых основываются на их математических моделях и описаниях. 6 Задачи и цели ЦОС Цель обработки физических сигналов заключается в получении содержащейся в них информации, которая обычно присутствует в амплитуде сигнала, в частоте или в спектральном составе, в фазе или в относительных временных зависимостях нескольких сигналов. Основные задачи ЦОС: Оценивание сигнала. Определение основных характеристик сигнала, к которым относятся фаза, амплитуда и частота. Линейная фильтрация. Синтез фильтров, которые согласованы с сигналом, выбор нужного сигнала в частотной области, корректировка характеристик каналов связи, частотное разделение каналов. Различение сигнала. Распознавание нужного сигнала на фоне других, обладающих подобными характеристиками. Спектральный анализ. Обработка речевых, сейсмических, звуковых и гидроакустических сигналов, а также распознавание образов. Обнаружение сигнала. Обнаружение нужного сигнала на фоне помех и шума. Эквализация (исправление сигнала). Задача поиска входного сигнала при известных параметрах системы и выходного сигнала. Идентификация системы. Применяется в том случае, когда измерить точные параметры среды прохождения сигнала не представляется возможным, и нужна модель среды. Сжатие сигнала. Применяется в тех случаях, когда нужно уменьшить количество передаваемой или хранимой информации. Одной из основных задач цифровой обработки сигнала является фильтрация сигналов. Фильтрация позволяет устранить шумы и помехи, которые могут возникать при передаче или записи аналоговых сигналов. Для этого применяются различные фильтры, такие как фильтры низких, высоких или полосовых частот. Еще одной важной задачей цифровой обработки сигнала является сжатие данных. Сжатие данных позволяет уменьшить объем информации, необходимой для хранения или передачи сигнала. Для этого применяются различные алгоритмы сжатия, такие как алгоритмы Хаффмана или алгоритмы сжатия без потерь. 7 Методы ЦОС Методы цифровой обработки сигналов (ЦОС) — это математические соотношения или алгоритмы, в соответствии с которыми выполняются вычислительные операции над цифровыми сигналами. Некоторые из них: Алгоритмы цифровой фильтрации. К ним относятся метод накопления, частотная фильтрация, корреляционный метод, согласованная фильтрация, нелинейная фильтрация. Эти методы основаны на использовании различий свойств полезного сигнала и помехи. Спектрально-корреляционный анализ. Модуляция и демодуляция сигналов. Адаптивная обработка. Также к методам ЦОС относят преобразования информации, такие как фильтрация (сглаживание) и предсказание, кодирование и сжатие, обнаружение и коррекция ошибок. Цифровой фильтр — это аппаратная или программная реализация алгоритма фильтрации, в которой используются оцифрованные отсчёты аналоговых сигналов или хранящиеся в памяти числа. Алгоритм цифровой фильтрации используется для улучшения качества сигнала — выделения сигнала из последовательности данных, либо для подавления определённых сигналов в приходящих последовательностях отсчётов. Основные методы цифровой фильтрации: Частотная селекция сигналов. Оптимальная (адаптивная) фильтрация. Классификация цифровых фильтров обычно базируется на функциональных признаках алгоритмов цифровой фильтрации, согласно которому фильтры подразделяются на 4 группы: фильтры частотной селекции, оптимальные (квазиоптимальные), адаптивные и эвристические. Спектрально-корреляционный анализ — это один из методов ЦОС, который предполагает определение спектра исследуемого сигнала — совокупности коэффициентов разложения по выбранной системе базисных функций. Математически спектральный анализ предполагает разложение сигналов в ряд по тригонометрическим функциям — синусам и косинусам. Эти функции описывают гармонические колебания, которые сохраняют свою форму в процессе преобразований линейными устройствами (изменяются только амплитуда и фаза). В современном спектрально-корреляционном анализе используются алгоритмы цифровой фильтрации, быстрых ортогональных преобразований, линейного моделирования исследуемого сигнала и статистической обработки. Аппаратная база включает специализированные сигнальные процессоры и аналого-цифровые преобразователи, адаптированные к решаемым задачам. 8 Адаптивная обработка сигнала — это направление цифровой обработки, при котором информация об объекте и внешних воздействиях собирается во время работы устройства и используется для изменения параметров блоков обработки. Адаптивные устройства обработки сигнала действуют по принципу замкнутого контура: 1. Входной сигнал фильтруется или взвешивается в программируемом фильтре для получения выходного сигнала. 2. Этот выходной сигнал сравнивается с полезным, стандартным или обучающим сигналом для нахождения сигнала ошибки. 3. Затем этот сигнал ошибки используется для корректировки весовых параметров процессора обработки с целью постепенной минимизации ошибки. 9 Разница цифровой и аналоговой обработки сигнала. Разница цифровой и аналоговой обработки сигнала заключается в типе сигнала: аналоговые сигналы непрерывны, а цифровые — дискретные (двоичные). Преимущества аналоговой обработки: представление в реальном мире: фиксируется истинный формат сигналов реального мира; простота выполнения: легко реализовать для простых задач; более низкие первоначальные затраты: простые приложения, как правило, обходятся дешевле. Недостатки аналоговой обработки: подвержен шуму: может легко пострадать от шума и размывания сигнала; негибкий: сигналы трудно изменить или обновить; проблемы с хранением: требуется большой объём физического носителя информации; ограниченная точность: менее точное представление сигнала; немасштабируемый: плохо масштабируемый для сложных заданий. Преимущества цифровой обработки: высокая точность: обеспечивает точное представление сигнала; гибкость: может быть легко изменён или обновлён; надёжная передача данных на расстояние: сохраняет их целостность на больших расстояниях; компактное решение для хранения данных; легко масштабируемый: может быть легко расширен для больших и сложных приложений. Недостатки цифровой обработки: более высокие первоначальные затраты: на первый взгляд установка обходится дорого; сложная реализация: для реализации требуются сложные аппаратные и программные средства; задержки обработки: при обработке в режиме реального времени могут возникать задержки; проблема энергопотребления: с ней обычно связано более высокое энергопотребление; уязвимость к киберугрозам: подвержена взлому и утечке данных. 10 ЦОС в связи и телекоммуникациях Цифровая обработка сигналов (ЦОС) — это ИНФОРМАТИКА реального времени, призванная решать задачи приема, обработки, сокращения избыточности и передачи информации в реальном времени. Методы и техника ЦОС вызывают повышенный интерес ученых и специалистов, работающих в различных областях, таких как связь и системы управления, радиотехника и электроника, акустика и сейсмология, радиовещание и телевидение, измерительная техника и приборостроение. Видеоинформационные системы — пример эффективной реализации цифровой обработки сигналов. Необходимость перехода к системам цифровой обработки и доставки потребителям видео и звука связана не только с требованиями повышения качества воспроизводимой информации и замены изношенных технических средств связи и вещания, но и с экономической целесообразностью более эффективного использования полос аналогового спектра, удовлетворения возросших запросов на частотные присвоения, требованиями увеличения числа одновременно транслируемых телевизионных программ в каждом населенном пункте и т.д. Широкое применение такого рода цифровых систем позволит интегрировать сети и системы связи России в общемировую систему цифровых телекоммуникаций, включая создание: • систем и сетей многопрограммного телевидения с передачей нескольких программ в одном стандартном телевизионном канале; • систем и сетей телевидения высокой четкости при сохранении действующих частотных планов; • компьютерных сервисных ТВ-сетей, включая интерактивные системы; • высокоэффективных систем видеотелефонной и видеоконференцсвязи; • высокоэффективных охранных систем; • транспортных видеоинформационных систем и систем безопасности движения; • новых систем защиты видеоинформации от несанкционированного доступа и др. Новые технологии ЦОС, возникшие на стыке электросвязи и компьютерной техники, становятся основой современных локальных и глобальных коммуникационных систем. В этих обстоятельствах установка на развертывание цифровых систем передачи видеоинформации как статических, так и динамических изображений различного разрешения, представляется наиболее целесообразной. Решение этих проблем, по сути, может устранить наше отставание в развитии информационных технологий. Все системы цифрового телевидения (ЦТВ) используют алгоритмы обработки изображений и звука, предусмотренные стандартом MPEG-2, состоящим из трех основных частей — системной, видео и звуковой. Видеочасть стандарта описывает кодированный битовый поток для высококачественного цифрового видео. Стандарт позволяет обеспечить обмен битовыми потоками между различными приложениями, поддерживает 11 как постоянную, так и переменную скорость передачи, произвольный доступ, переключение каналов, масштабируемое декодирование, редактирование битового потока, а также такие специальные функции, как быстрое воспроизведение, быстрое обратное воспроизведение, обратное воспроизведение с нормальной скоростью, медленное движение, паузу и неподвижные изображения. 12 Использование ЦОС в радиотехнике Цифровая обработка сигнала находит широкое применение в средствах связи. В современной аппаратуре связи широко используются различные процедуры анализа, фильтрации, детектирования, декодирования, реализованные цифровыми методами. Области применения цифровой обработки сигнала в средствах связи: Устранение шумов и помех. Адаптивные фильтры и методы повышения отношения сигнал/шум позволяют улучшить качество передаваемой информации, минимизируя потери данных и ошибки в передаче. Например, адаптивная фильтрация используется в системах мобильной связи, где она помогает улучшить качество звука и устойчивость соединения в условиях меняющейся радиообстановки. Развитие беспроводных коммуникаций. Современные стандарты, такие как 4G и 5G, основываются на сложных алгоритмах цифровой обработки для обеспечения высокой скорости передачи данных и надёжности связи. Обеспечение конфиденциальности связи. Шифрование, которое обеспечивается методами цифровой обработки сигнала, делает сигналы менее уязвимыми к воздействию шума и помех, которые приводят к появлению ошибок в передаче информации. Технологические свойства цифровых сигналов. По своей физической сущности цифровые сигналы представляют собой одну из возможных форм представления информационных (напр. аналоговых) сигналов, в которых за счет последовательной реализации этапов дискретизации по амплитуде и кодирования реализуются возможности для передачи и обработки информации с использованием строго ограниченного («счетного») числа возможных мгновенных значений амплитуд модулирующих сигналов. Передача здесь обычно осуществляется в виде пачек импульсов в соответствии с выбранной системой исчислений, это свойство отражено на примере передаваемого по основному цифровому каналу (ОЦК). Цифрового сигнального процессора телефонного сообщения с использованием двоичных сигналов и восьмиразрядного кодирования («передаваемыми числами» здесь служат: 00000001, 00000010, 00000011 и т.д.). Для ряда практических приложений такое представление модулирующих (информационных) сигналов (в «цифровом» виде) имеет ряд несомненных достоинств, к числу которых могут быть отнесены такие как: – возможность обеспечения высоких значений достоверности (точности) обработки сигналов в цифровых устройствах с низкими собственными шумами. Так, в ПЭВМ при типовых значениях импульсных цифровых сигналов кодовых групп UC 1…5 Вольт и собственных шумов ее электронных компонентов UШ 0.1…1мкВ реализуемые отношения UC / UШ обычно составляют 106…107. При таких отношениях вероятные значения сбойных регистраций 13 обрабатываемых в ПЭВМ сигналов обычно не превышают РОШ 10 – 10…10 –12; – возможность без искаженной передачи информации по протяженным линиям связи с большим числом промежуточных усилителей (т. наз. регенераторов) при условии обеспечения на входах усилителей постоянства приема сигналов с отношениями UC / UШ 102…103; – возможность длительного хранения и без искаженного воспроизведения записанной на магнитные и иные носители информации (так, при цифровой записи на магнитных носителях обычные значения отношений UC / UШ составляют 104…106); – возможность построения многоканальных электронных коммутаторов каналов (напр. АТС) и сообщений с использованием современной дискретной схемотехники (с особо малыми значениями энергопотребления и массогабаритных показателей). Известно, что выше отмеченные и ряд смежных с ними свойств цифровых сигналов находят самое широкое применение в современном промышленном телекоммуникационном и ином оборудовании. Вместе с тем аналоговые и цифровые сигналы имеют ряд существенных технологических отличий, имеющих прямое отношение к возможным и целесообразным сферам их практического применения в военной связи. В их число входят отличия в свойствах динамического диапазона (в предельных значениях пропускной способности в заданной полосе частот), в занимаемой полосе частот, в энергетической эффективности (по удельным затратам энергии на передачу информации), в помехозащищенности (по устойчивости к воздействиям интенсивных помех), в свойствах систем синхронизации и безопасности управления. Наиболее наглядным образом подобное сопоставление может быть осуществлено на примере каналов ТЧ АСП и ОЦК ЦСП и соответствующих им линий связи Положительные свойства цифровых сигналов, несомненно, указывают на пользу их расширенного применения в военных оконечных (абонентских), промежуточных (коммутационных) и иных станционных устройствах, где особую значимость имеют незначительные массогабаритные показатели, энергопотребление, повышенная надежность, высокие технологические свойства в области выделения, хранения, обработки, перераспределения и отображения информационных сигналов. Происходящие в локальных (замкнутых) объемах подобного оборудования (на основе цифровой электроники) существенные изменения динамического диапазона обрабатываемых сигналов, занимаемой ими полосы частот, отношений сигнал / шум, изменения тактовых скоростей и пр. не имеют принципиального значения за счет совершенства применяемой здесь элементной базы и специальных высокочастотных технологий. Вместе с тем любые практические шаги по реализации цифровых технологий вне локальных по линейным размерам технических средств с применением распределенных по значительным объемам электронных компонентов, протяженных соединительных линий, сред распространения и пр. 14 неизбежно сопровождаются проявлением негативных свойств цифровых сигналов, связанных с их ограниченным динамическим диапазоном, с особой широкополосностью, с чувствительностью к внешним помехам, к нарушениям синхронизма. Распространение цифровых технологий на распределенные в пространстве и протяженные физические объекты (соединительные линии, каналы, многоканальные линии, первичные сети) неизбежно сопровождается комплексом весьма сложных технологических, технических, организационных, эксплуатационных и иных проблем, связанных с природой самих цифровых сигналов. 15 Компании, использующие цифровую обработку сигнала Некоторые компании, использующие цифровую обработку сигналов: Научно-исследовательский центр «Нейроинформатика». Разрабатывает оборудование и программное обеспечение для интегрированных систем безопасности и цифрового видеонаблюдения. АО НПЦ «Электронные вычислительно-информационные системы» (АО НПЦ «ЭЛВИС»). Один из ведущих центров проектирования микросхем в стране. АО «НИИЭТ» (Научно-исследовательский институт электронной техники). Производитель электронных компонентов и одна из старейших отечественных школ разработки электронной техники. 16 Заключение Цифровая обработка сигналов приобретает все большую и большую актуальность в последнее время в связи с бурным развитием цифровой техники. В радиотехнике и телекоммуникациях цифровая обработка сигнала играет ключевую роль. С ее помощью осуществляется передача и прием сигналов, их фильтрация и усиление. Благодаря цифровой обработке сигнала возможно передавать большее количество информации на большие расстояния с минимальными искажениями и помехами. Действительно, сложность и возможности цифровой обработки сигналов интенсивно растут, начиная с 1980-х годов, и пока нет никаких признаков замедления темпов развития. Пока техника интегральных схем ускоренно развивается, можно создавать очень сложные, но дешевые системы обработки дискретных сигналов миниатюрных размеров и низкой потребляемой мощности. Следовательно, значение обработки дискретных сигналов будет постоянно повышаться. Техника обработки дискретных сигналов уже содействует революционному прорыву в некоторых областях приложений. Яркий пример лежит в области телекоммуникаций, где техника обработки дискретных сигналов, технологии микроэлектроники и волоконнооптическая передача данных комбинируются для поистине революционного изменения природы коммуникационных систем. Подобные процессы можно ожидать и во многих других областях техники. В то время как обработка дискретных сигналов динамично развивается, ее фундаментальные принципы остаются неизменными. В целом, цифровая обработка сигнала является важной и широко применяемой областью науки и техники. Она позволяет улучшить качество передачи и обработки сигналов, а также снизить объем информации, необходимой для их хранения и передачи. 17 Список использованной литературы 1. Цифровая обработка сигналов / А.Б. Сергиенко - СПб.: Питер, 2002. - 608 с 2. Интернет ресурс: https://dl.booksee.org/genesis/43000/0d06ddd492b9413c9dd6999773695a56/_as/[ Glinchenko_A.S.]_Cifrovaya_obrabotka_signalov(BookSee.org).pdf 3. Интернет ресурс: https://studwork.ru/spravochnik/radiofizika/cifrovaya-obrabotka-radiosignalov 18
