Prelucrarea numerica a semnalelor (PNS)
Prelucrarea numerica
a semnalelor (PNS) este un domeniu al stiintei care s-a dezvoltat foarte rapid
in ultimii 30 de ani, ca urmare a progresului inregistrat de tehnologia
calculatoarelor si fabricarea circuitelor integrate. Au fost elaborate medii de dezvoltare de
aplicaţii software specifice sistemelor de achiziţie şi prelucrare de date,
dintre care cele mai larg utilizate sunt MATLAB şi LabView. Mediul MATLAB, utilizat
cu precădere în cercetare şi în învăţământ, include o serie de unelte
(toolbox-uri) specifice pe domenii, care permit soluţionarea eficientă a
următoarelor categorii de probleme: procesare date, simulare, vizualizare grafică
a rezultatelor obţinute. Prelucrarea numerica a semnalelor are aplicatii in
orice domeniu in care informatia poate fi prezentata sub forma numerica. Dintre acestea se
amintesc:
1. Procesarea de imagini este extinderea /расширение / prelucrării digitale a
semnalelor pe suport bidimensional : facsimil, harta vremii prin satelit/ синоптическая
карта /, animatie imagini satelit (meteorologice, topografice, militare) etc.
2. Instrumentatie/control: analiza spectrala, controlul pozitiei si al vitezei,
compresie de date etc.
3. Vorbire/audio: recunoasterea vocii, sinteza vorbirii, egalizare etc.
De exemplu DSpeech, un program gratuit, portabil, ce utilizează caracteristica ASR (Automatic Speech Recognition) pentru a controla calculatorul cu vocea
Cu ajutorul DSpeech vă puteți înregistra /записать/ vocea prin intermediul microfonului instalat,
salvarea fișierului audio făcându-se în format WAV, iar a vocii textului redat
în formatele WAV, .MP3, AAC, WMA, sau OGG.
4. Militar: securitatea comunicatiilor, procesare radar, procesare sonar,
ghidarea proiecțilelor etc./управление ракетами/
5. Telecomunicatii: anulare ecou / Эхоподавление /, egalizare adaptiva,
conferinte video, comunicatii de date etc.
6. Biomedical: scanare computer-tomografie, electroencefalografie,
electrocardiografie, electromiografie etc.
7. GSM, CDMA, ТФОП
Aceasta enumerare ilustreaza importanta prelucrarii numerice a semnalelor in
diverse domenii de activitate. Câteva dintre avantajele acestui mod de
prelucrare a semnalelor sunt:
1. precizie/(точность)/ garantata – determinata de numarul de biti
folositi in reprezentarea semnalului;
2. Reproductibilitate/ Воспроизводимость / perfecta – se obtin performante identice de la
unitate la unitate, daca nu variaza tolerantele componentelor, de exemplu o
inregistrare numerica/ цифровая запись/ poate fi copiata sau reprodusa fara vreo
degradare a calitatii semnalului;
3. Nu are abateri cu temperatura sau vechimea;
4. Sistemele de PNS pot fi realizate sub forma de circuite integrate care prezinta
siguranta crescuta, gabarit redus, putere mica, cost mic;
5. Flexibiliate crescuta – sistemele de PNS pot fi programate si reprogramate
pentru a realiza o varietate de functii, fara modificarea hardului;
6. Performante superioare – sistemele de PNS pot realiza functii inaccesibile
prelucrarii analogice, de exemplu obtinerea unui raspuns de faza liniara,
implementarea de algoritmi pentru filtrarea adaptiva.
Evident (очевидно), exista si dezavantaje
ale PNS:
1. Viteza si cost – sistemele de PNS pot fi scumpe când sunt implicate semnale
de banda larga. în prezent, convertoarele
analog/numerice si numeric/analogice sunt costisitoare (дорогостоящие) sau nu au suficienta rezolutie
pentru aplicatii PNS de banda larga. Timpul necesar conversiei limiteaza viteza
de lucru. Obisnuit, numai circuitele integrate specializate pot procesa semnale
in domeniul MHz si sunt scumpe. Semnale de banda mai mare de 100 MHz se
prelucreaza numai analogic;
2. Timpul de proiectare – uneori proiectarea unui circuit poate consuma
nejustificat (необоснованно) de mult timp;
инструменты
3D-проектирования (CAD), инженерных расчетов (CAE)
3. Problema lungimii finite a cuvintelor – in situatiile de prelucrare in timp
real, consideratii economice impun ca algoritmii PNS sa fie implementati pe un
numar limitat de biti. Daca acesta nu este suficient (достаточно) pentru a reprezenta
variabilele, apar degradari serioase ale performantelor (производительность) circuitului. Sistemele
numerice sunt afectate de zgomotul de cuantizare al convertoarelor analog/numerice,
care este cu atât mai mare cu cât numarul de biti folosit in reprezentarea
esantioanelor semnalului de intrare este mai mic. Mai mult, in timpul
prelucrarii, datorita operatiei de rotunjire (округление), apare un zgomot care, prin acumulare, poate
conduce la instabilitate pentru sistemele de ordin superior.
Prelucrarea numerica a semnalelor implica reprezentarea, transmisia si
prelucrarea semnalelor folosind tehnici numerice si procesoare numerice, deci,
se poate spune ca PNS se ocupa cu reprezentarea numerica a semnalelor si
utilizarea procesoarelor numerice pentru a analiza, modifica sau extrage
informatii din semnale.
Terminologie în Preclucrarea digitală a semnalelor
1. ["bɪt 'reɪt] Bitrate (BR, Bit Rate) - măsurare a vitezei de rata de transfer de
date. ▫ viteza la care datele sunt codificate şi transmise (date) De obicei, măsurată în kilobiţi pe secundă. (Kb / s) şi pot fi în intervalul de 8 - 320 kbit /
2.Termenul "timp discret" înseamnă că timpul (variabila independentă) este cuantificat. semnale discrete de timp sunt definite numai pentru valori discrete ale variabilei independente.
3 Termenul "» digital (digital), înseamnă că si timp şi amplitudine sunt cuantificate. Sistem digital este un sistem în care semnalele sunt reprezentate ca secvenţe de numere, luând numai un număr finit de valori..
4.CAN sau Convertor Analogic Numeric reprezintă un bloc sau un circuit care poate accepta o mărime analogică (curent, tensiune) la intrare, furnizând la ieșire un număr care constituie o aproximare (mai mult sau mai puțin exactă) a valorii analogice a semnalului de la intrare.
5 Cuantificare
Divizarea intervalului de variație (tensiune, curent) al unei mărimi analogice într-un număr determinat de trepte („cuante") de amplitudine egală, în scopul exprimării valorii analogice sub formă de număr, constituie procesul de cuantificare al unui semnal analogic. Mărimea treptelor rezultate în urma cuantificării este egală cu raportul dintre valoarea intervalului maxim de variație și numărul lor, fiecare astfel de „cuantă”fiind delimitată de două nivele de cuantificare succesive.
Intermodulatie
Proces prin care neliniaritatea retelei provoaca la iesire semnale parazite (numite produse in intermodulatie) pe frecvente care sunt combinatii lineare ale frecventelor semnalelor de intrare.
Semnalele şi descrierea lor
Prin semnal se înţelege orice cantitate sau calitate fizică care variază in timpul,
spaţiul sau oricare altă sau alte variabile independente ce transportă sau conţine informaţie.
Matematic, semnalele sunt modelate ca funcţii de una sau mai multe variabile independente.
Un semnal se numeşte unidimensional dacă este reprezentat în funcţie de o singură variabilă independentă. Un semnal se numeşte M-dimensional dacă valoarea sa este o funcţie de M variabile independente.
Prelucrarea numerică a semnalelor se ocupă cu reprezentarea numerică a semnalelor originale în domeniul variabilei sau al variabilelor sau într-un domeniu transformat şi cu modificarea algoritmică a acestora cu ajutorul procesoarelor numerice pentru a analiza, modifica sau extrage informaţii din semnale.
Semnalul -un proces obiectiv care se petrece în timp. Forma principală de exprimare analitică a semnalului este reprezentarea lui prin oscilaţiile sau prin spectrului.
Oscilaţiile descriu semnalul ca o funcţie de timp S(t). O altă formă de exprimare a semnalului este reprezentarea lor cu ajutorul spectrului. Orice semnal poate fi cercetat ca o uniune de oscilaţii hk(t) înmulţite cu coeficientul Ck şi care prezintă un sistem al funcţiei de timp {hk(t)} de un anumit tip. De exemplu: sinusoida funcţiei exponenţiale, funcţia Bassel. Parantezele figurate înseamn ă că avem de a face nu cu o funcţie, dar cu un sistem de funcţii care cuprind / включать /:
h0(t), h1(t), ... .
Semnalul S(t) reprezintă:
(t)
Sistemul de funcţii {hk(t)} are denumirea de sistem de functii de bază, iar reprezentarea semnalului sub formă de sumă a funcţiilor înseamnă descompunerea (decompoziţia) lui după sistema funcţiilor de bază. Dacă sistemul de funcţii este ales atunci semnalul poate fi complet caracterizat prin dependenţa C(k), care se numeşte caracteristica de spectru sau pur şi simplu spectre. Alegerea sistemului de funcţii pentru reprezentarea spectrală a semnalelor este făcută în dependenţă de condiţiile practice sau matematice.
Semnalele reale e necesar să le idealizăm. Se folosesc următoarele permisiuni:
1. Semnalele reale sunt limitate în timp: în teorie deseori /часто // se cercetează semnalele care sunt expuse în timp la semiinfinit 0≤t≤∞ sau la infinit - ∞≤t≤∞. Pentru limitare începutul cronometrării îl vom considera odată cu începutul semnalului. Semnalele reale întotdeauna sunt întâmplătoare.
2. Semnalele reale sunt aleatoare, dar în teorie deseori sunt cercetate semnalele care sunt total (integral) cunoscute în timp. Astfel de semnale sunt numite determinate.
Să definim unele tipuri de oscilaţii:
ü cauzale – se numesc oscilaţiile care au un început în timp (o cauză);
ü periodice – se numesc oscilaţiile orice valoare a cărora se repetă peste intervale de timp egale cu perioada T.
S(t)=S(t+kT)
ü finite – se numesc oscilaţiile localizate în timp, adică oscilaţiile sunt perfect egale cu zero în afara unui interval de timp ta ≤ t ≤ tb. Toate semnalele reale pot fi cercetate ca finite.
ü continue – se numesc oscilaţiile care sunt cercetate în fiecare punct al treptei de timp. Aşa oscilaţie e redată prin o mulţime infinită de puncte. O succesiune de impulsuri la fel e un semnal continuu. Aici se cerceteză valoarea semnalului nu numai în timpul existenţei impulsurilor, dar şi între ele.
ü discrete – se numesc oscilaţiile care sunt cercetate numai în momente fixate de timp ti, adică cele fixate în mulţimea de puncte ale treptei de timp.