Цифровая обработка сигналов. Основные понятия и определения. Сигналы и их спектральное представление

Сибирский Государственный Университет

Телекоммуникаций и Информатики

Хабаровский филиал

ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ

Конспект лекций

Хабаровск

2002

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение

Цифровая обработка сигналов (ЦОС) как направление развития науки и техники зародилась в 1950-х годах и поначалу представляла собой экзотическую отрасль радиотехники, практическая ценность которой была далеко не очевидной. Однако за прошедшие 50 лет благодаря успехам микроэлектроники системы ЦОС не только воплотились в реальность, но и вошли в нашу повседневную жизнь в виде CD- и DVD-проигрывателей, модемов, сотовых телефонов и многого другого. Более того, в некоторых прикладных областях ЦОС стала вытеснять “традиционную” (аналоговую). В значительной степени это произошло в аудиотехнике, телефонии. Интенсивно идет процесс перехода телевизионного вещания на цифровую основу.

Бурное развитие цифровых технологий во многом изменило как стиль самого понятия “радиотехника”, так и требования, предъявляемые к подготовке специалистов в этой области, сделав необходимыми новые знания и умения.

Для приобретения знаний нужна соответствующая литература, однако выбор книг, содержащих информацию о ЦОС, весьма невелик. Учебники и учебные пособия по курсу “Радиотехнические цепи и сигналы” и родственным дисциплинам содержат лишь минимальные сведения о теории дискретных сигналов и фильтров. Фундаментальные труды [1], [2] изданы давно и в настоящее время малодоступны. Начавшие появляться в последнее время книги, посвященные цифровым сигнальным процессорам, (например [3]), уделяет большое внимание архитектуре процессоров и средствам разработки программ для них, нежели теоретическим вопросам и алгоритмам.

Данное пособие является попыткой хотя бы частично восполнить этот пробел, рассматривая теоретические основы некоторых базовых алгоритмов ЦОС, продемонстрировав их сущность, взаимосвязь и области применения.

1 Цифровая обработка сигналов. Основные понятия и определения

1.1 Области применения ЦОС. Преимущества и недостатки

В настоящее время методы цифровой обработки сигналов (digital signal processing – DSP) находят все более широкое применение, вытесняя постепенно методы, основанные на аналоговой обработке. В данном курсе рассматриваются основы теории и наиболее употребляемые алгоритмы обработки.

Области применения ЦОС:

-  системы обработки изображения;

-  системы распознавания речи;

-  системы синтеза речи;

-  нейронные системы (искусственный интеллект);

-  телефонные системы;

-  радиолокационные системы;

-  звуковая локация;

-  системы наведения;

-  системы засекречивания информации;

-  системы автоматики;

-  системы навигации;

-  системы цифрового радиовещания и телевидения;

-  системы телекоммуникаций;

-  диагностическое оборудование;

-  сейсмическая обработка;

-  музыкальные синтезаторы.

Преимущества цифровых систем обусловлены рядом факторов:

1)  прежде всего – это фактор качества – высокая помехоустойчивость. При ЦОС информация представляется в виде последовательности импульсов, как правило, с двумя разрешенными состояниями (0 и 1) и с известной частотой следования. Это позволяет регенерировать (восстанавливать) сигналы при передаче в линиях связи, что резко снижает влияние помех и искажений на качество передачи информации;

2)  независимость качества передачи от длины линии. Благодаря возможности регенерации сигналов искажения в пределах регенерационного участка ничтожны. При увеличении длины линии в 100 раз длина участка уменьшается всего на 2-3 % при сохранении неизменной верности передачи;

3)  стабильность параметров сигнала. Нестабильность параметров сигнала (АЧХ, ФЧХ, нелинейные искажения и др.) определяются, в основном, устройствами аналоговой обработки сигнала. Такие устройства составляют незначительную часть аппаратуры комплекса ЦСП, поэтому их влияние мало;