Was ist digitale Signalverarbeitung?

Was ist digitale Signalverarbeitung? 
DSP verarbeitet verschiedene Signaltypen mit der Absicht, analoge Signale zu filtern, zu messen oder zu komprimieren und zu erzeugen. Analoge Signale unterscheiden sich dadurch, dass sie Informationen aufnehmen und in elektrische Impulse unterschiedlicher Amplitude umwandeln, während digitale Signalinformationen in ein Binärformat umgewandelt werden, in dem jedes Datenbit durch zwei unterscheidbare Amplituden dargestellt wird. Ein weiterer bemerkenswerter Unterschied besteht darin, dass analoge Signale als Sinuswellen und digitale Signale als Rechtecksignale dargestellt werden können. DSP ist in nahezu allen Bereichen zu finden, ob Ölverarbeitung, Tonwiedergabe, Radar und Sonar, medizinische Bildverarbeitung oder Telekommunikation - im Wesentlichen in jeder Anwendung, in der Signale komprimiert und reproduziert werden. 

Was genau ist die digitale Signalverarbeitung? Bei der digitalen Signalverarbeitung werden bereits digitalisierte Signale wie Audio, Sprache, Video, Temperatur oder Druck erfasst und anschließend mathematisch verarbeitet. Diese Informationen können dann als diskrete Zeit, diskrete Frequenz oder andere diskrete Formen dargestellt werden, so dass die Informationen digital verarbeitet werden können. In der realen Welt wird ein Analog-Digital-Wandler benötigt, um analoge Signale (Schall, Licht, Druck oder Temperatur) aufzunehmen und in 0- und 1-Signale für ein digitales Format umzuwandeln. 

Ein DSP enthält vier Schlüsselkomponenten: 
 Computing Engine: Mathematische Manipulationen, Berechnungen und Prozesse durch Zugriff auf das Programm oder die Aufgabe aus dem Programmspeicher und  die im Datenspeicher gespeicherten Informationen.
 Datenspeicher: Speichert die zu verarbeitenden Informationen und arbeitet Hand in Hand mit dem Programmspeicher. 
 Programmspeicher: Hier werden die Programme oder Aufgaben gespeichert, mit denen der DSP Daten verarbeitet, komprimiert oder bearbeitet.
 E / A: Dies kann für verschiedene Zwecke verwendet werden, je nachdem, für welches Feld der DSP verwendet wird, z. B. für externe Ports, serielle Ports, Timer und Verbindungen zur Außenwelt. 

Im Folgenden sehen Sie eine Abbildung, wie die vier Komponenten eines DSP in einer allgemeinen Systemkonfiguration aussehen. 

DSP-Filter 
Das Chebyshev-Filter ist ein digitales Filter, mit dem ein Frequenzband von einem anderen getrennt werden kann. Diese Filter sind für ihr primäres Attribut und ihre Geschwindigkeit bekannt. Obwohl sie in der Leistungskategorie nicht die besten sind, sind sie für die meisten Anwendungen mehr als ausreichend. Das Design des Chebyshev-Filters basiert auf der als Z-Transformation bekannten matematischen Technik. Grundsätzlich konvertiert die z-Transformation ein zeitdiskretes Signal, das aus einer Folge von reellen oder komplexen Zahlen besteht, in eine Frequenzdomänendarstellung. Die Chebyshev-Antwort wird im Allgemeinen verwendet, um ein schnelleres Abrollen zu erreichen, indem eine Welligkeit in der Frequenzantwort zugelassen wird. Diese Filter werden als 1-Filter bezeichnet. Dies bedeutet, dass die Welligkeit im Frequenzgang nur im Durchlassbereich zulässig ist. Dies bietet die beste Annäherung an die ideale Reaktion eines Filters für eine bestimmte Reihenfolge und Welligkeit. Es wurde entwickelt, um bestimmte Frequenzen zu entfernen und anderen den Durchgang durch den Filter zu ermöglichen. Das Chebyshev-Filter reagiert im Allgemeinen linear, und ein nichtlineares Filter könnte dazu führen, dass das Ausgangssignal Frequenzkomponenten enthält, die im Eingangssignal nicht vorhanden waren. 


Warum digitale Signalverarbeitung verwenden?
Um zu verstehen, wie digitale Signalverarbeitung oder DSP mit analogen Schaltungen verglichen werden kann, werden die beiden Systeme mit jeder Filterfunktion verglichen. Während ein analoges Filter Verstärker, Kondensatoren, Induktivitäten oder Widerstände verwenden würde und erschwinglich und einfach zusammenzubauen wäre, wäre es ziemlich schwierig, die Filterreihenfolge zu kalibrieren oder zu modifizieren. Mit einem DSP-System können jedoch dieselben Aufgaben ausgeführt werden, da es einfacher zu entwerfen und zu ändern ist. Die Filterfunktion in einem DSP-System ist softwarebasiert, sodass mehrere Filter ausgewählt werden können. Um flexible und anpassbare Filter mit Reaktionen höherer Ordnung zu erstellen, ist lediglich die DSP-Software erforderlich, während für Analoge zusätzliche Hardware erforderlich ist. 

Zum Beispiel sollte ein praktisches Bandpassfilter mit einem gegebenen Frequenzgang eine Stopband-Roll-Off-Steuerung, eine Durchlassbandabstimmung und -breitensteuerung, eine unendliche Dämpfung im Stopband und eine Reaktion innerhalb des Durchlassbands aufweisen, die mit einer Phasenverschiebung von Null vollständig flach ist. Wenn analoge Verfahren verwendet würden, würden Filter zweiter Ordnung viele gestaffelte Abschnitte mit hohem Q erfordern, was letztendlich bedeutet, dass es extrem schwierig sein wird, zu stimmen und einzustellen. Während dies mit der DSP-Software unter Verwendung einer endlichen Impulsantwort (FIR) erreicht wird, ist die zeitliche Antwort des Filters auf einen Impuls die gewichtete Summe der gegenwärtigen und einer endlichen Anzahl von vorherigen Eingabewerten. Ohne Rückmeldung endet die einzige Antwort auf eine bestimmte Probe, wenn die Probe das "Ende der Linie" erreicht. Angesichts dieser Konstruktionsunterschiede wird DSP-Software aufgrund ihrer Flexibilität und Einfachheit gegenüber Filtern für analoge Schaltungen ausgewählt. 

Bei der Erstellung dieses Bandpassfilters ist die Verwendung von DSP keine schreckliche Aufgabe. Das Implementieren und Herstellen der Filter ist viel einfacher, da Sie die Filter nur bei jedem DSP-Chip, der in das Gerät einfließt, gleich programmieren müssen. Bei Verwendung von Analogkomponenten besteht jedoch das Risiko, dass Komponenten fehlerhaft sind, die Schaltung angepasst und der Filter für jede einzelne Analogschaltung programmiert wird. DSP schafft eine erschwingliche und weniger langwierige Methode für die Filtergestaltung bei der Signalverarbeitung und erhöht die Genauigkeit bei der Abstimmung und Einstellung von Filtern im Allgemeinen.


ADC & DAC
Elektrogeräte werden in nahezu allen Bereichen stark eingesetzt. Analog-Digital-Wandler (ADC) und Digital-Analog-Wandler (DAC) sind wesentliche Komponenten für jede Variation von DSP in jedem Bereich. Diese beiden Konvertierungsschnittstellen sind erforderlich, um reale Signale zu konvertieren, damit digitale elektronische Geräte jedes analoge Signal aufnehmen und verarbeiten können. Nehmen wir zum Beispiel ein Mikrofon: Der ADC wandelt das von einem Eingang zu einem Audiogerät gesammelte analoge Signal in ein digitales Signal um, das von Lautsprechern oder Monitoren ausgegeben werden kann. Während es durch das Audiogerät zum Computer geleitet wird, kann die Software Echos hinzufügen oder das Tempo und die Tonhöhe der Stimme anpassen, um einen perfekten Klang zu erzielen. Andererseits wandelt der DAC das bereits verarbeitete digitale Signal wieder in das analoge Signal um, das von Audioausgabegeräten wie z. B. Monitoren verwendet wird. Die folgende Abbildung zeigt, wie das vorherige Beispiel funktioniert und wie die Audioeingangssignale durch Wiedergabe verbessert und dann als digitale Signale über Monitore ausgegeben werden können.

Eine Art von Analog-Digital-Wandler, bekannt als digitaler Rampen-ADC, beinhaltet einen Komparator. Der Wert der analogen Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt wird mit einer bestimmten Standardspannung verglichen. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, die analoge Spannung an einen Anschluss des Komparators und des Triggers anzulegen, der als Binärzähler bezeichnet wird und einen DAC ansteuert. Während der Ausgang des DAC an den anderen Anschluss des Komparators angelegt wird, wird ein Signal ausgelöst, wenn die Spannung den analogen Spannungseingang überschreitet. Der Übergang des Komparators stoppt den Binärzähler, der dann an diesem Punkt den der analogen Spannung entsprechenden Digitalwert hält. Die folgende Abbildung zeigt ein Diagramm eines digitalen Rampen-ADC. 

Anwendungen von DSP
Es gibt zahlreiche Varianten eines digitalen Signalprozessors, die je nach Anwendung unterschiedliche Aufgaben ausführen können. Einige dieser Varianten sind Audiosignalverarbeitung, Audio- und Videokomprimierung, Sprachverarbeitung und -erkennung, digitale Bildverarbeitung und Radaranwendungen. Der Unterschied zwischen diesen Anwendungen besteht darin, wie der digitale Signalprozessor jeden Eingang filtern kann. Es gibt fünf verschiedene Aspekte, die sich von jedem DSP unterscheiden: Taktfrequenz, RAM-Größe, Datenbusbreite, ROM-Größe und E / A-Spannung. Alle diese Komponenten werden nur das Rechenformat, die Geschwindigkeit, die Speicherorganisation und die Datenbreite eines Prozessors beeinflussen. 

Ein bekanntes Architekturlayout ist die Harvard-Architektur. Dieser Entwurf ermöglicht es einem Prozessor, gleichzeitig auf zwei Speicherbänke unter Verwendung zweier unabhängiger Busgruppen zuzugreifen. Diese Architektur kann mathematische Operationen ausführen, während weitere Anweisungen abgerufen werden. Eine andere ist die Von Neumann-Speicherarchitektur. Während es nur einen Datenbus gibt, können Operationen nicht geladen werden, während Anweisungen abgerufen werden. Dies führt zu einem Stau, der letztendlich die Ausführung von DSP-Anwendungen verlangsamt. Während diese Prozessoren einem in einem Standardcomputer verwendeten Prozessor ähnlich sind, sind diese digitalen Signalprozessoren spezialisiert. Dies bedeutet häufig, dass die DSPs zur Ausführung einer Aufgabe Festkommaarithmetik verwenden müssen. 

Eine andere ist die Abtastung, bei der ein kontinuierliches Signal auf ein diskretes Signal reduziert wird. Eine Hauptanwendung ist die Umwandlung einer Schallwelle. Audio-Sampling verwendet digitale Signale und Pulscodemodulation zur Wiedergabe von Ton. Es ist notwendig, Audio zwischen 20 und 20,000 Hz aufzunehmen, damit Menschen es hören können. Höhere Abtastraten als etwa 50 kHz - 60 kHz können dem menschlichen Ohr keine weiteren Informationen liefern. Mit verschiedenen Filtern mit DSP-Software und ADCs und DACs können Audioproben mit dieser Technik reproduziert werden. 

Die digitale Signalverarbeitung wird häufig im täglichen Betrieb eingesetzt und ist für viele Zwecke von entscheidender Bedeutung, um analoge Signale in digitale Signale umzuwandeln.

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