Digitale seinverwerking
Digitale seinverwerking (DSV; Engels: Digital Signal Processing, DSP) is die gebruik van digitale verwerking - deur rekenaars of gespesialiseerde digitale seinverwerkers - om 'n wye verskeidenheid seinverwerkingsoperasies uit te voer.[1] Die digitale seine wat so verwerk word, is reekse getalle wat monsters van 'n kontinue veranderlike in 'n domein soos tyd, ruimte of frekwensie verteenwoordig.[2]
DSV en analoë seinverwerking is deelgebiede van seinverwerking. DSV is van toepassing op beide stroomdata en statiese (gestoorte) data.
Werking
[wysig | wysig bron]Van analoog na digitaal
[wysig | wysig bron]Om 'n analoogsein digitaal te ontleed en te manipuleer, moet dit gedigitaliseer word deur 'n analoog-na-digitaal-omsetter (ADO; Engels: Analog-to-Digital Converter, ADC).[3] Monsterneming geskied in twee fases:
- Diskretisering - die sein word in gelyke tydintervalle verdeel, elk verteenwoordig deur 'n enkele amplitudemeting.
- Kwantisering - elke meting word aan 'n eindige stel diskrete waardes toegewys.[4]
Na verwerking kan die resultaat deur 'n digitaal-na-analoog-omsetter (DAO; Engels: DAC) na analoogvorm teruggekeer word.
Domeine
[wysig | wysig bron]DSV-ingenieurs bestudeer seine gewoonlik in een van die volgende domeine:[5]
- Tyddomein - eendimensionele seine
- Ruimtedomein - meerdimensionele seine
- Frekwensiedomein - via die Fourier-transform
- Golfietjiedomein (wavelet) - vir tyd-frekwensieontleding
Filtrering
[wysig | wysig bron]Die mees algemene verwerkingsbenadering in die tyd- of ruimtedomein is verbetering van die insetsein deur filtrering.[6] Digitale filters word in twee hooftipes verdeel:
| Tipe | Afkorting | Kenmerk |
|---|---|---|
| Eindige impulsrespons | EIR (FIR) | Altyd stabiel; geen terugvoerlus |
| Oneindige impulsrespons | OIR (IIR) | Terugvoerlus; kan onstabiel word; ontleed met Z-transform |
Die Z-transform verskaf 'n tegniek om stabiliteitskwessies van digitale OIR-filters te ontleed, analoog aan die Laplace-transform vir analoogfilters.[7]
'n Verwante tegniek is outokorrelasie - die kruiskorrrelasie van 'n sein met ditself na 'n baie kort tydvertragings. Dit word gebruik om herhalende patrone in 'n sein op te spoor, die fundamentele frekwensie te bepaal, en ruisvlakke te skat.[8]
Geskiedenis
[wysig | wysig bron]Grondslag: Shannon se inligtingsteorie
[wysig | wysig bron]In 1948 het Claude Shannon die baanbrekende artikel A Mathematical Theory of Communication gepubliseer, wat die wiskundige grondslag vir digitale kommunikasie en seinverwerking gelê het.[9]
Eerste gespesialiseerde DSP-skyfie (1978)
[wysig | wysig bron]Die eerste gespesialiseerde digitale seinverwerkerchip was die TMS5100 van Texas Instruments, ontwikkel vir die Speak & Spell-opvoedkundige speelding wat in Junie 1978 by die Consumer Electronics Show bekendgestel is.[10] Dit was die eerste chip wat lineêre voorspellende kodering (Linear Predictive Coding, LPC) vir spraaksintese op 'n enkele skyfie gebruik het.[11] Die Speak & Spell is in 2009 as 'n IEEE-mylpaal erken.[12]
Wyeverspreiding in die 1980's
[wysig | wysig bron]Frantz en sy kollegas by Texas Instruments het gou besef dat hul DSP-ontwerp vir spraaksintese ook in modems, hardeskywe en driedimensionele grafika gebruik kon word.[13] Texas Instruments het die opvolgchip TMS32010 as 'n algemenedoeleindes DSP-platform bemark, wat die moderne DSV-nywerheid ten volle van stapel gestuur het.
Toepassings
[wysig | wysig bron]DSV het toepassings oor 'n wye reeks gebiede:[14][15]
- Klank en spraak - MP3-kompressie, ruisverwydering, spraakherkenning, selfoonkommunikasie
- Beeld en video - JPEG-beeldkompressie, rekenaartomografie (CAT), MRI
- Kommunikasie - draadlose telegrafie, radar, sonar, satellietkommunikasie
- Beheerselsel - industriële prosesbeheer, motorkontrole
- Biomediese wetenskap - elektrokardiografie (EKG), mediese beelding
- Geofisika - seismiese dataverwerking
Voordele bo analoogverwerking
[wysig | wysig bron]| Voordeel | Verduideliking |
|---|---|
| Programmeerbaarheid | Sagteware kan vinnig gewysig word, anders as analoogkringe wat fisies herskik moet word[16] |
| Ruisimmuniteit | Digitale seine is bestand teen klein steurnisse wat analoogseine degradeer[17] |
| Datakompressie | Inligting kan teen baie hoër digtheid gestoor word as met analoogseine[18] |
| Foutkorrigering | Foutopsporing en -regstelling kan ingebou word deur oortolligheid[19] |
Hardeware
[wysig | wysig bron]Gespesialiseerde digitale seinverwerkers (DSP-skyfies) is mikroprosessorskyfies waarvan die argitektuur geoptimeer is vir DSV-bedrywighede soos vermenigvuldig-en-akkumuleer (multiply-accumulate) bewerkings.[20] Hulle word wyd gebruik in selfone, skyfskywe, HDTV-produkte, radar, sonar en spraakherkenning.
Ander hardewareplasforms vir DSV sluit in:
- Algemene mikroprosessors
- Veldprogrammeerbare hekskikkings (FPGA)
- Gespesialiseerde ASIC-skyfies
Sien ook
[wysig | wysig bron]Verwysings
[wysig | wysig bron]- ↑ Oppenheim, Alan V.; Schafer, Ronald W. Discrete-Time Signal Processing (3 uitg.). Pearson. ISBN 978-0131988422.
- ↑ Tan, Li; Jiang, Jean. Digital Signal Processing: Fundamentals and Applications (3 uitg.). Academic Press. ISBN 978-0128150719.
- ↑ Tan, Li; Jiang, Jean. Digital Signal Processing: Fundamentals and Applications (3 uitg.). Academic Press. ISBN 978-0128150719.
- ↑ Smith, Steven W. The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing. California Technical Publishing. ISBN 978-0966017632.
- ↑ Oppenheim, Alan V.; Schafer, Ronald W. Discrete-Time Signal Processing (3 uitg.). Pearson. ISBN 978-0131988422.
- ↑ Smith, Steven W. The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing. California Technical Publishing. ISBN 978-0966017632.
- ↑ Oppenheim, Alan V.; Schafer, Ronald W. Discrete-Time Signal Processing (3 uitg.). Pearson. ISBN 978-0131988422.
- ↑ Proakis, John G.; Manolakis, Dimitris G. Digital Signal Processing: Principles, Algorithms, and Applications (4 uitg.). Pearson Prentice Hall. pp. 120–125. ISBN 978-0131873742.
- ↑ Shannon, C.E. "A Mathematical Theory of Communication". Bell System Technical Journal. 27: 379–423. doi:10.1002/j.1538-7305.1948.tb01338.x.
- ↑ "Milestones: Speak & Spell, the First Use of a Digital Signal Processing IC for Speech Generation, 1978". Engineering and Technology History Wiki. Besoek op 2024.
{{cite web}}: Gaan datum na in:|toegangsdatum=(hulp) - ↑ Baguley, Richard. "The Gadget We Miss: The Texas Instruments Speak & Spell". Medium.
- ↑ "Milestones: Speak & Spell". Engineering and Technology History Wiki.
- ↑ Frantz, Gene. "Digital Signal Processor". InspireIP. Besoek op 2024.
{{cite web}}: Gaan datum na in:|toegangsdatum=(hulp) - ↑ Tan, Li; Jiang, Jean. Digital Signal Processing: Fundamentals and Applications (3 uitg.). Academic Press. ISBN 978-0128150719.
- ↑ Dyer, Stephen A.; Harms, Brian K. "Digital Signal Processing". Advances in Computers. Vol. 37. Academic Press. pp. 59–118. doi:10.1016/S0065-2458(08)60403-9.
{{cite book}}: Onbekende parameter|hoofstuk=geïgnoreer (hulp) - ↑ Smith, Steven W. The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing. California Technical Publishing. ISBN 978-0966017632.
- ↑ Tan, Li; Jiang, Jean. Digital Signal Processing: Fundamentals and Applications (3 uitg.). Academic Press. ISBN 978-0128150719.
- ↑ Smith, Steven W. The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing. California Technical Publishing. ISBN 978-0966017632.
- ↑ Dyer, Stephen A.; Harms, Brian K. "Digital Signal Processing". Advances in Computers. Vol. 37. Academic Press. pp. 59–118. doi:10.1016/S0065-2458(08)60403-9.
{{cite book}}: Onbekende parameter|hoofstuk=geïgnoreer (hulp) - ↑ Kuo, Sen M.; Gan, Woon-Seng. Digital Signal Processors: Architectures, Implementations, and Applications. Prentice Hall. ISBN 978-0130352293.