ГЛАВА 1. СИГНАЛЫ И ИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКЕ

В зависимости от вида перерабатываемой информации вычислительные машины подразделяют на два основных класса: аналоговые и цифровые.

Аналоговый компьютер – это вычислительная машина, оперирующая информацией, представленной в виде непрерывных изменений некоторых физических величин. При этом в качестве физических переменных выступают сила тока электрической цепи, угол поворота вала, скорость и ускорение движения тела и т.п. Используя тот факт, что многие явления в природе математически описываются одними и теми же уравнениями, аналоговые вычислительные машины позволяют с помощью одного физического процесса моделировать различные другие процессы.

Цифровой компьютер – это вычислительная машина, оперирующая информацией, представленной в дискретном виде. В настоящее время разработаны методы численного решения многих видов уравнений, что дало возможность решать на цифровых вычислительных машинах различные уравнения и задачи с помощью набора простых арифметических и логических операций. Поэтому если аналоговые вычислительные машины обычно предназначены для решения определенного класса задач, т.е. являются специализированными, то цифровой компьютер, как правило, универсальное вычислительное средство. Наибольшее распространение получили электронные вычислительные машины, выполненные с использованием новейших достижений электроники.

В СССР цифровые вычислительные системы "Наᴨȇв" и "Айлама" предназначались для обработки гидроакустического сигнала и были предложены ЦНИИ "Агат" в 1978-1979 годах по техническому заданию Военно-морского флота (ВМФ)

Вышеприведенные разработки в силу исторических причин не послужили непосредственной основой создания аппаратной части современных микропроцессоров цифровой обработки сигналов, однако приобретенный опыт проектирования программных и аппаратных компонентов позволяет коллективам-разработчикам поддерживать мировой уровень в своих дальнейших исследованиях.

Современное гражданское применение методов цифровой обработки лежит в области мультимедийных технологий, то есть обработки звука и изображений, включающей их сжатие, кодировку. В области цифровой связи цифровыми методами выполняется модуляция и демодуляция данных для ᴨередачи по каналам связи.

ГЛАВА 1. СИГНАЛЫ И ИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКЕ

Цифровая обработка сигналов (ЦОС) – это одно из наиболее динамично развиваемых и перспективных направлений. 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 (тенденция приближения ЦОС к антенне).

По определению ЦОС – это обработка цифровых сигналов цифровыми методами и цифровыми средствами.

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).

Методами ЦОС являются математические соотношения или алгоритмы, в соответствии с которыми выполняются вычислительные операции над цифровыми сигналами. К ним относятся алгоритмы цифровой фильтрации, спектрально-корреляционного анализа, модуляции и демодуляции сигналов, адаптивной обработки и др. 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), 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) +

Ее слагаемые образуют, соответственно, алгоритмическое, программное (микропрограммное или схемотехническое) и аппаратное обеспечение ЦОС.

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, спектрально - корреляционному 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 аппаратнорограммной реализации.

Спектральную плотность, или спектральную функцию, дискретного сигнала, называемую для упрощения спектром, можно найти, дискретизировав по времени преобразование Фурье соответствующего ему аналогового сигнала

Заменив t на nТд, интеграл на сумму и dt на Тд, получим

Это выражение имеет размерность спектральной плотности [сиг нал/частота].

Кроме того, спектр может быть найден и прямым преобразованием Фурье дискретного сигнала, представленного функцией непрерывного времени (1.1):

Используя фильтрующее свойство δ-функции получим

Выражение (1.3) имеет размерность [сигнал], так как является Фурье преобразованием сигнала xд(t), размерностью [сигнал/время] или [сигнал - частота].

Таким образом, выражения (1.2) и (1.3) отличаются только масштабным (и размерным) множителем Тд. Обычно для спектра дискретного сигнала (его непрерывного преобразования Фурье) используется принимаемое далее определение (1.3). С помощью выражения (1.2) спектральная плотность дискретного сигнала при необходимости приводится к соответствующей ей размерности [В/Гц], как и у аналогового сигнала. Определением спектра (1.2) пользуются также в многоскоростных системах ЦОС с изменяемой в процессе обработки частотой дискретизации. Обозначают спектр дискретного сигнала как с индексом «д» (Xд(j)) – при совместном описании дискретных и аналоговых сигналов, так и без индекса (Х(j)), если рассматриваются только дискретные сигналы.

В силу периодичности комплексной экспоненты

спектр дискретного сигнала, в отличие от аналогового, периодичен по частоте с периодом д: Хд(j) = Xд[j( + kд)], k = 0, 1, 2,  (рис. 1.5). Периодизация спектра обусловлена дискретизацией сигнала по времени. Справедливо и обратное утверждение о периодичности сигналов с дискретным по частоте (или линейчатым) спектром. Оба эти свойства отвечают фундаментальному положению о взаимосвязи дискретизации и периодизации сигналов во временной и частотной областях [1].

Определяют спектр дискретного сигнала в основной полосе частот (0

 д/2), ограниченной по модулю частотой Найквиста: д/2.

Дискретный сигнал можно вычислить по его спектру (1.3) в основной полосе частот с помощью обратного преобразования Фурье:

Выражение (1.4) получается дискретизацией по времени непрерывного обратного преобразования Фурье аналогового сигнала

путем замены t на nТд и использования вместо спектральной плотности аналогового сигнала Ха(j ω) соответствующей ей по размерности спектральной плотности дискретного сигнала ТдХд(j ω) в полосе частот ±ωд/2

Структура сигнального процессора (рис. 16.2), соответствующая модифицированной гарвардской архитектуре, отражает базовый состав его функциональных устройств, их связи и взаимодействие. Устройство управления программой осуществляет генерацию адреса памяти программ (команд), выборку команд, их дешифрацию, управляет вводом-выводом, прерываниями, пдп, периферийными модулями, размещенными на кристалле (таймеры, средства аналогового ввода-вывода и др.), вычислительными устройствами (алу, сдвигатель, умножитель-накопитель), выполняющими обработку данных и дополнительными функциональными модулями – сопроцессорами (цифровые фильтры, декодеры и др.). Устройство генерации адреса обеспечивает адресацию памяти данных. Межмодульные связи осуществляются по шинам адреса и данных памяти программ и памяти данных и шине управляющих сигналов (шу).

Структуры конкретных семейств цсп, отражая признаки базовой структуры, имеют свойственные каждому семейству архитектурные особенности.

Базовые принципы цсп предложены в начале 80-х г. И реализованы в одном из первых сигнальных процессоров tms320c10 фирмы texas instruments с производительностью 5 млн операций в секунду. Современное состояние цсп характеризуется огромным разнообразием их типов и производительностью от единиц миллионов до нескольких миллиардов инструкций в секунду. Ведущими фирмами-производителями цсп являются: texas instruments, motorola, analog devices, lucent technologies и др. Наиболее популярные семейства цсп этих фирм:

♦ tms320cхх, tms320c5хх, tms320c5ххх, tms320c6ххх (фирма texas in- struments);

♦ dsp560хх, dsp563хх, dsp566хх, dsp568хх, dsp96ххх (фирма motorola);

Они включают цсп как с фиксированной точкой, так и не уступающие им по быстродействию цсп с плавающей точкой, появившиеся в конце 80-х гг. Такие цсп имеют широкий динамический диапазон сигналов и данных, что обеспечивает высокое соотношение сигнал–шум и снимает проблему масштабирования сигналов при цифровой обработке. B процессоре tms320c50 впервые использована кольцевая (модульная) адресация памяти, позволяющая одновременно создавать 2 кольцевых буфера и эффективно вычислять свёртки и корреляции.

Улучшение стандартной архитектуры за счет размещения на кристал ле двух и более вычислительных ядер и специализированных сопроцессоров позволило увеличить количество одновременно выполняемых операций под управлением одной команды. Такой способ реализован в процессорах adsp- 211xx sharc (super harvard architecture computer) производительностью 600 mflops, dsp16xxx (800 mips), 320vc5510 (400 mips) и других.

В цсп на основе vliw-архитектуры – очень длинное слово команды – с помощью независимо работающих операционных модулей обеспечено одновременное выполнение образующих такую команду простых коротких команд, каждая из которых определяет одну операцию (принцип работы risc процессоров). Примерами цсп с такой архитектурой являются tms320c62хх, tms320c64хх, tms320c67хх, каждый из которых содержит 8 операционных модулей, разбитых на две группы и два регистровых файла объемом 3232 бит. Производительность их составляет 4800 mips для цсп tms320c6416, 2000 mips для tms320c6202 и 1000 mflops для tms320c6416. Процессор msc810x фирмы motorola производительностью 1200 mips содержит на кристалле 4 алу и фильтр-сопроцессор.

Высокую производительность имеют также цсп с параллельной суперскалярной vliw-архитектурой. К ним относятся tigersharc процессоры adsp-ts001 (300 mflops) и adsp-ts201s (1200 ммасs для 32-битных данных и 4800 mмасs для 16-битных данных).

К новому поколению относятся цсп с фиксированной точкой семейства adsp-219x c улучшенной архитектурой и повышенной производительностью (150–300 mips) и высокопроизводительные малопотребляющие (до 0,5 мвт/mips) процессоры blackfin: adsp-bf535p (350мгц, 700 mips), adsp-bf531(2) (400мгц, 800 mips), adsp-bf533 (600мгц, 1200 mips). Это гибридные процессоры (цсп плюс контроллер) с переменной длиной слова (8, 16, 32 бита), оптимизированные на видео, интернет, коммуникационные приложения.

Существуют многочисленные средства разработки и автоматизации проектирования для цсп. Они разделяются на программные и аппаратные.

Программные средства – это ассемблер, с-компилятор, компоновщик, библиотекарь, симулятор, отладчик, и др.; аппаратные – демонстрационные и оценочные модули (платы); внутрисхемный эмулятор; полномасштабный эмулятор.

Программные и аппаратные средства разработки совмещаются в интегрированных наборах, образующих интегрированную среду разработчика.

К возможным способам и средствам автоматической генерации программ для цсп относятся: использование библиотек, компиляторов языков высокого уровня (с) или проблемно-ориентированных языков, кодо-генераторов – специальных программ, генерирующих код цсп по описанию реализуемого алгоритма (в том числе matlab, labview).

Телекоммуникация осуществляет передачу информации из одного местоположения в другое. Типы информации включают в себя: телефонные разговоры, телевизионные сигналы, компьютерные файлы и др. Чтобы передать информацию требуется канал связи, соединяющий два пункта. Это может быть витая пара, радио сигнал, светопровод и т.д. Телекоммуникационные компании взимают плату за передачу информации заказчика, поскольку они должны оплатить проведение канала и поддерживать его работоспособность. Финансовая стратегия компании проста: чем больше информации она может пропустить через один канал, тем больше денег будет заработано. ЦОС совершила революцию телекоммуникационной индустрии во многих областях: генерирование и детектирование тоновых сигналов, сдвиг полосы частот, фильтрация сетевых радиопомех и т.д. Мы обсудим три специфических примера из телефонных сетей: мультиплексирование, сжатие и подавление отраженных сигналов.

В мире приблизительно один биллион телефонов. При нажатии нескольких кнопок коммутируемая сеть позволяет за пару секунд установить соединение между двумя людьми. Необъятность этой задачи просто поражает! До 60-х годов соединение требовало прохождения аналоговых речевых сигналов через механические ключи и усилители. Одно соединение требовало одну пару проводов. ЦОС преобразует звуковые сигналы в поток последовательных цифровых данных. Поскольку биты могут быть упаковываться и далее разделяться, несколько телефонных разговоров могут передаваться по одному каналу связи. Например, телефонный стандарт, известный как система T-carrier, может одновременно передавать 24 речевых сигнала. Каждый речевой сигнал дискретизируется 8000 раз в секунду с использованием 8-битного аналого- цифрового преобразования с компандированием (логарифмическое сжатие). Результат по каждому речевому сигналу будет представлять собой поток со скоростью 64000 бит/с, а все 24 канала будут заключены в потоке 1.544 Мб/с. Этот сигнал может передаваться по обыкновенной телефонной линии на расстояние до 1800 м. Экономическое преимущество цифровой передачи громадно. Провода и аналоговые ключи дорогостоящие, цифровые логические элементы дешевы.

Когда речевой сигнал оцифровывается с дискретизацией 8000 выборок в секунду, большая часть полученной информации избыточна. То есть, информация, содержащаяся в одном отсчете, часто повторяется в последующих отсчетах. Для того чтобы уменьшить поток данных разработаны множество алгоритмов сжатия данных. Для восстановления оригинальной формы сигнала применяются соответствующие алгоритмы распаковки данных. Эти алгоритмы различаются по степени достигаемого сжатия и качества восстановленного звука. Например, уменьшение потока от 64 Кб/с до 32 Кб/с не оказывает особенного влияния на качество звука. При сжатии потока данных до 8 Кб/с, качество звукового сигнала заметно ухудшается, но является приемлемым для передачи по телефонным линиям. Наибольшее достигаемое сжатие потока данных составляет около 2 Кб/с. При этом звуковой сигнал получается значительно искаженным, но может использоваться в некоторых приложениях, например, в военной или подводной коммуникации.

Два основных чувства восприятия человека – это зрение и слух. Поэтому большая часть ЦОС посвящена обработке изображений и звуковых сигналов. Люди слушают как музыку, так и речь. ЦОС совершила революционные изменения в этих областях.

Путь от микрофона музыканта до акустической системы любителя музыки очень долог. Цифровое представление данных в основном используется для предотвращения ухудшения, связанного с аналоговыми запоминающими устройствами и их работой. Это легко понять, если сравнить качество музыки, записанной на аудиокассете и компакт-диске. Обычно музыкальное произведение записывается в звуковой студии на нескольких каналах или дорожках. В некоторых случаях, каждый инструмент и голос исполнителя записываются отдельно. Это предоставляет звукорежиссеру большую гибкость в работе над финальным продуктом. Комплексный процесс объединения отдельных треков называется сведением фонограмм. ЦОС обеспечивает множество важных функций, необходимых пари сведении фонограмм, включая: фильтрацию, сложение и вычитание сигналов, редактирование сигнала и т.п.

Одним из самых интересных приложений ЦОС в подготовке музыки – это искусственная реверберация. Если отдельные каналы просто складываются вместе, полученный звук будет слабым и приглушенным, как если бы музыканты играли на открытом воздухе. ЦОС позволяет добавить искусственное эхо и реверберацию, чтобы имитировать различные условия, окружающие слушателя. Например, эхо с задержкой несколько сотен миллисекунд дает эффект исполнения музыкального произведения в кафедральном соборе. Добавление эха с задержкой 10-20 секунд вызывает ощущения прослушивания музыки в меньшем по размерам помещении.

Генерация и распознавание речи используется для установления связи между человеком и машиной. Человек чаще использует свои рот и уши, чем руки и глаза. Это особенно удобно, если руки и глаза заняты чем-то другим, например, вождением автомобиля или проведением хирургической операции. Для генерации речи используются два подхода: цифровая запись и имитация речевого тракта. При цифровой записи, речевой сигнал дискретизируется и хранится, обычно в сжатой форме. При воспроизведении записанные данные восстанавливаются и преобразуются в аналоговый сигнал. Целый час записанного речевого сигнала требует всего лишь три мегабайта памяти и может быть размещен даже на машинах с небольшими аппаратными ресурсами. Такой подход является на сегодняшний день самым распространенным.

Имитаторы речевого тракта значительно сложнее, так как они пытаются имитировать физический механизм, которым люди создают речь. Речевой тракт человека – это акустический резонатор с частотами, определяемыми размерами и формой полости. Звук в речевом тракте создается из двух основных компонент, названных вокализованными и фрикативными звуками. При вокализованных звуках, вибрация голосовых связок производит близкие к периодическим вибрации воздуха в ротовой полости. Фрикативные звуки порождаются при прохождении воздуха через сжатые губы или зубы. Действие имитаторов речевого тракта основано генерации цифровых сигналов, которая имеет похожие два типа возбуждения. Характеристики акустического резонатора имитируются прохождением сигнала через цифровой фильтр с подобными резонансами. Этот подход использовался в одном из успешных ранних применений ЦОС – Speak & Spell, электронном обучающем помощнике для детей.

Автоматизированное распознавание речи гораздо сложнее, чем генерация. Распознавание речи это классический пример того, что человеческий делает хорошо, а цифровой компьютер плохо. Цифровой компьютер может хранить и вызывать большое количество данных, выполнять математические расчеты с огромной скоростью и повторять одну и ту же задачу, не уставая и без потери качества. К сожалению, современные компьютеры работают плохо, когда сталкиваются с необработанными данными от датчиков. Обучить компьютер ежемесячно посылать счет на оплату легко. Научить тот же компьютер распознавать ваш голос - сложное дело. ЦОС пытается решить проблему распознавания речи в два этапа: выделение признаков с последующим сопоставлением признаков. Каждое слово речевого сигнала выделяется и анализируется, чтобы определить тип возбуждения и резонансные частоты.

Эти параметры сравниваются с записанными ранее примерами слов, чтобы найти среди них наиболее похожее. Часто такие системы ограничены одной или несколькими сотнями слов; способны воспринимать речь с отчетливыми паузами между словами; должны быть натренированы для индивидуального голоса. Эти ограничения некритичны для некоторых коммерческих приложений, однако в этой области предстоит еще большая работа.

Самый распространенный метод получения информация об удаленном объекте состоит в получении от них отраженных волн. Например, радар посылает импульсы радиоволн и принимает отраженный сигнал от воздушных объектов. В сонаре для определения подводных объектов через воду посылаются звуковые волны. Геофизики зондируют землю, производя взрывы и анализируя отраженный сигнал от залегающих горных пород. В то время как эти приложения имеют некоторое общие принципы, каждое из них обладает собственными специфическими проблемами и потребностями. ЦОС произвела революционные преобразования во всех трех областях.

Слово radar (радар) является аббревиатурой от RAdio Detection And Ranging (радиообнаружение и определение расстояния). В простейшей радиолокационной системе радиопередатчик излучает импульсы радиочастотной энергии длительностью несколько микросекунд. Этот импульс подается на передающую антенну, откуда радиоволна распространяется со скоростью света. Воздушное пространство на пути этой волны будет отражать некоторую часть энергии обратно в направлении приёмной антенны, размещенной около передающей. Дистанция до объекта вычисляется из прошедшего времени между переданным импульсом и принятым отражением. Направление на объект находят просто, так как известно, куда была направлена антенна, когда был принят отраженный сигнал.

Диапазон действия радиолокационной системы определяется двумя параметрами: энергией в начальном импульсе и уровнем шума радиоприёмника. К сожалению, увеличение энергии в импульсе обычно сопровождается его удлинением. В свою очередь, увеличение продолжительности импульса понижает точность измерения времени запаздывания. Это отражается в противоречии двух важных параметров: возможностью определения объектов на дальних расстояниях и возможностью точно определить расстояние до объекта.

ЦОС произвела революцию в трех областях радиолокации, которые все относятся к основным проблемам. Во-первых, ЦОС может сжать импульс после приёма, что приводит к лучшему определению расстояния до объекта без уменьшения рабочего диапазона. Во-вторых, ЦОС может фильтровать принятый сигнал, чтобы снизить шум. Это увеличивает диапазон, без снижения точности определения расстояния. В-третьих, ЦОС способна быстро выбирать и генерировать импульсы различной формы и длительности. Кроме прочего, это позволяет оптимизировать импульс для специфичных задач обнаружения. И самое удивительное: многие эти функции выполняются со скоростью выборок, сравнимыми с используемой радиочастотой – выше нескольких сотен мегагерц! После прихода ЦОС в радиолокацию, потребовалось как проектирование высокоскоростного оборудования, так и разработка эффективных алгоритмов.

Слово sonar (сонар)это аббревиатура от SOund Navigation And Ranging (звуковая навигация и определение расстояния). Сонары (звуковые локаторы) делятся на две категории: активную и пассивную. В активном звуковом локаторе, звуковые импульсы в диапазоне от 2 КГц до 40 КГц передаются в воду, и полученные отраженные сигналы обнаруживаются и анализируются. Использование активного сонара включает в себя: обнаружение и фиксация местоположения подводных объектов, навигация, связь, картографирование морского дна. Типичный максимальный диапазон действия составляет от 10 до 100 километров.

Пассивным звуковым локатором просто прослушивают подводные звуки, которые включают в себя: природную турбулентность, морскую жизнь и механические звуки от подводных лодок и надводных кораблей. Поскольку пассивный сонар не излучает энергии, он является идеальным для секретных операций, поскольку можно обнаружить кого-либо без того, чтобы обнаружили вас. Основное применение пассивной звуковой локации – военные разведывательные системы, которые обнаруживают курсы подводных лодок. Пассивный сонар обычно использует более низкие частоты, чем активный, так как они распространяются в воде с меньшими потерями. Диапазон обнаружения может составлять тысячи километров.

В гидролокации ЦОС произвела революцию в тех же областях, что и в радиолокации: генерация импульса, сжатие импульса и фильтрация обнаруженных сигналов. На первый взгляд, сонар проще, чем радар, потому что он связан с более низкими частотами. С другой стороны, сонар более сложен, чем радар, потому что окружающая среда намного менее однородна и стабильна. Системы гидролокации обычно включают в себя множество передающих и приемных элементов. При корректном управлении и смешивании сигналов в этом множестве элементов, сонары могут фокусировать передаваемый импульс в желаемом направлении и определять направление, откуда принят отраженный сигнал. Чтобы управлять этим множеством каналов, системы гидролокации требуют такую же вычислительную мощность массив, как и радары.

Изображения являются сигналами с особенными характеристиками. Во-первых, они измеряются параметрами пространства (расстояния), в то время как большинство сигналов измеряются параметрами во времени. Во-вторых, они содержат много информации, например, для записи одной секунды телевизионного видео может потребоваться более 10 Мб. Это в тысячу раз больше, чем для речевого сигнала той же продолжительности. В-третьих, окончательная оценка качества чаще зависит от человеческого вкуса, чем от объективных критериев. Эти особенные характеристики сделали обработку изображений отдельной подгруппой в ЦОС.

В 1895 году Вильгельм Конрад Рентген обнаружил, что X-rays (рентгенолучи) могут проходить через материю. С возможностью наблюдать изнутри человеческое тело, в медицине произошла революция. Медицинские системы на рентгенолучах распространились в мире за несколько лет. Несмотря на этот очевидный успех, рентгеновские изображения были ограничены четырьмя проблемами, до тех пор пока в 70-х годах не появилась ЦОС и соответствующая техника. Во-первых, перекрывающиеся структуры в теле могли закрываться одна другой. Например, часть сердца могла быть не увидена за рёбрами. Во-вторых, не всегда возможно различить похожие ткани. Например, можно отличить кости от мягких тканей, но не опухоль от лёгких. В-третьих, рентгеновские лучи показывают анатомию, структуру тела, но не физиологию, процессы в организме. Рентгеновское изображение живого человека точно такое же, как изображение мертвого! В-четвёртых, рентгеновское воздействие может быть причиной возникновения рака и требует умеренного использования.

Проблема перекрывающих структур была решена в 1971 году с появлением первого компьютерного томографического сканера (прежде называемой компьютерной осевой томографией, или КОТ сканер). Компьютерная томография (КТ) это классический пример ЦОС. Анализируются рентгеновские лучи, пропущенные через часть тела пациента с нескольких направлений. Вместо простого формирования изображения по принятым рентгеновским лучам, сигналы преобразуются в цифровые данные и записываются в компьютер. Эта информация используется, чтобы вычислить изображения, которые представляют собой срезы исследуемой части. Эти изображения показывают гораздо больше деталей и позволяют проводить существенно лучшее диагностирование и лечение. Революция, которую произвела компьютерная томография, была так же велика, как внедрение самих рентгеновских изображений. В течение только нескольких лет, каждый крупный госпиталь в мире получил доступ к сканеру КТ. В 1979 году два из основоположника компьютерной томографии, Годфри Хаунсфилд (Godfrey N. Hounsfield) и Алан Кормак (Allan M. Cormack), были удостоены Нобелевской премии в области медицины. Благодаря ЦОС!

Оставшиеся три проблемы рентгеновских лучей были решены с использованием, другой, нежели рентгеновские лучи, проникающей энергии, такой как радио и звуковые волны. ЦОС играет здесь ключевую роль. Например, магниторезонансное изображение (МРИ) использует магнитные поля в сочетании с радиоволнами для исследования внутренностей человеческого тела. Соответствующая установка силы и частоты полей вызывает резонанс атомных ядер между состояниями энергии квантов в локализованных областях тела. В результате резонанса возникает вторичное радиоизлучение, которое обнаруживается антенной, размещаемой вблизи тела. Мощность и другие характеристики этого сигнала дает информацию о локализованной области в состоянии резонанса. Регулирование магнитного поля позволяет сканировать область резонанса через тело, фиксируя внутренние структуры. Эта информация обычно представляется в виде изображения, как и в компьютерной томографии. Кроме способности точного разных типов мягких тканей, МРИ может сообщать информацию о физиологии, например, кровоток через артерии. Метод МРИ полностью реализован на алгоритмах ЦОС.

Иногда необходимо улучшить качество плохого изображения. Эта задача часто встречается в случаях с изображениями, взятыми со спутников и космических исследовательских кораблей. Никто не согласиться быть репортёром, посланным на Марс только для того, чтобы нажать кнопку на камере! ЦОС может улучшить качество изображений, полученных в экстремальных неблагоприятных условиях, несколькими способами: регулирование яркости и контрастности, выделение контуров, подавление шума, регулировка фокуса, коррекция нерезкости, вызванной движением и т.д. Изображения, которые имеют пространственные искажения, например, когда плоское изображение снимается со сферических планет, могут быть преобразованы в корректное представление. Несколько изображений могут быть соединены в единую базу данных, позволяющую представлять информацию особенным способом. Например, последовательность видеокадров, представляющих полет над поверхностью удаленной планеты.

Большое количество информации, содержащееся в изображениях, является проблемой для систем, продаваемых массовым потребителям. Продаваемые системы должны быть дешевы, при том всем, что они включают в себя большое количество памяти и устройства с высокой скоростью передачи. Единственным решением этой проблемы является сжатие изображения. Как и речевые сигналы, изображение содержит большое количество избыточной информации, и может быть обработано специальными алгоритмами, которые понижают количество разрядов требуемых для его представления. Телевидение и кинофильмы особенно предрасположены к сжатию, поскольку большая часть изображения остаётся неизменной от кадра к кадру. Коммерческие видео продукты, которые используют эту технологию, включают в себя: видеотелефоны, компьютерные программы для демонстрации кинофильмов, цифровое телевидение.

АКФ – автокорреляционная функция АФНЧ – аналоговый фильтр нижних частот АФП – аналоговый фильтр-прототип

АФПНЧ – аналоговый фильтр-прототип нижних частот АЦП – аналого-цифровой преобразователь

АЧХ – амплитудно-частотная характеристика БИХ – бесконечная импульсная характеристика БПФ – быстрое преобразование Фурье

ВКФ – взаимная корреляционная характеристика ВСПМ – взаимная спектральная плотность мощности ДВС – дискретная временная свертка

ДЧХ – дискретизированная частотная характеристика КИХ – конечная импульсная характеристика

КЧД – компрессор частоты дискретизации МКС – многоканальная система

НФ, НЦФ – нерекурсивный (нерекурсивный цифровой) фильтр ОДПФ – обратное дискретное преобразование Фурье ПЛИС – программируемая логическая интегральная схема ППФ, ПФ – полосно-пропускающий (полосовой) фильтр

ПЦОС – процессор цифровой обработки сигналов РГС – разделение группового сигнала

РФ, РЦФ – рекурсивный (рекурсивный цифровой) фильтр СФ – сглаживающий фильтр

СПМ – спектральная плотность мощности УВХ – устройство выборки-хранения ФГС – формирование группового сигнала ФВЧ и ФНЧ – фильтры верхних и нижних частот ФЧХ – фазочастотная характеристика ЦАП – цифроаналоговый преобразователь ЦОС – цифровая обработка сигналов ЦСП – цифровой сигнальный процессор ЦФ – цифровой фильтр

Очевидно, что круг вопросов, рассмотренных в курсе лекций, не охватывает всего многообразия существующих и перспективных направлений, методов и средств ЦОС. Это связано как с ограниченным объемом курса, так и методической сложностью изучения и отражения в учебном издании новых научных результатов. Однако по мере методической адаптации результаты новых теоретических исследований и достижений технологии будут замещать и дополнять вопросы ЦОС, изучаемые в настоящее время.

Отметим наиболее важные и актуальные направления и методы ЦОС, не охваченные учебной программой лекционного курса. К ним, по мнению автора, относятся методы цифрового представления сигналов с использованием сигма–дельта-модуляции, неоднородного и векторного квантования и кодирования; параметрические методы спектральнокорреляционного анализа – авторегрессии, скользящего среднего, минимума дисперсии, сингулярного анализа; методы вейвлет-анализа сигналов; быстрые вычислительные алгоритмы ЦОС – Винограда, полиномиальные, теоретико-числовые; методы адаптивной, нелинейной и многомерной цифровой обработки

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: