Цифровая обработка сигналов и цифровые сигнальные процессоры
В мире сегодня становится все больше и больше различных электронных устройств, некоторые из них нужны в практических целях, другие же служат роскошью. Независимо от категории, в которую они попадают, мы можем заметить основной факт, что все они используют «сигналы» для выполнения своих задач.
Когда у нас есть сигналы, то у нас, конечно же, появится необходимость их обработки. Все такие операции манипулирования сигналами могут быть сгруппированы под общей, но очень широкой областью под названием «Обработка сигналов».
В зависимости от сложности обработки сигналов мы можем классифицировать операции с сигналами на две широкие категории: основные операции с сигналами (такие как сложение и вычитание) и расширенные операции с сигналами (такие как корреляция и фильтрация). Для второй категории были разработаны специальные устройства под названием цифровые сигнальные процессоры (DSP). Какие же какие приложения ими выполняются, и какие задачи ставятся перед DSP?
Обработка изображений
Обработка изображений в пространственной области – это визуально богатая область исследований, посвященная методам манипуляции пикселями. Над изображениями выполняются различные операции, которые обрабатываются просто как двумерные массивы. Обычно все эти операции на основе матрицы выполняются между большей матрицей (представляющей полное изображение) и меньшей матрицей (которая известна как двумерное ядро). Размер ядра и связанные с ним значения определяют влияние, оказываемое им на рассматриваемое изображение.
Фильтрация сигналов
Фильтрация представляет собой процесс, который удаляет из сигнала некоторые нежелательные компоненты или функции. Фильтрация – это класс обработки сигналов; определяющей особенностью фильтров является полное или частичное подавление какого-либо аспекта сигнала. Чаще всего это означает удаление некоторых частот или полос частот. Таким образом, цифровые сигнальные процессоры широко используются в промышленном оборудовании для фильтрации помех 50 Гц и других, которые присущи зашумленной промышленной среде с большим количеством сильноточного оборудования. Также DSP применяются в радиотехнике для фильтрации и борьбы с помехами.
Обработка звука
Аудитории, кинозалы и другие подобные конструкции в значительной степени полагаются на концепцию реверберации, поскольку она значительно повышает качество звука.
Процесс, при котором реверберация подвергается цифровому моделированию, технически называется «сверточным ревербератором». С помощью сверточного ревербератора вы можете выделить известный импульсный отклик области с желаемым звуком, чтобы имитировать эффект реверберации определенной области. С помощью цифровой обработки сигналов мы можем понять влияние акустики аудитории на игру скрипача, не присутствуя там физически. Еще один способ использования этой техники – объединение двух звуков – например, голос певицы с виной (индийский щипковый музыкальный инструмент), чтобы создать новый звук.
Искусственный интеллект и нейронные сети
Нейронные сети – это область искусственного интеллекта, которая описывает схемы, имитирующие связи в человеческом мозге. Взаимосвязь между нейронами в мозге моделируется как взаимосвязь между узлами нескольких слоев, составляющих сеть. На рисунке ниже показана такая искусственная нейронная сеть в ее простейшей форме. В примере есть один скрытый слой, который направляет сигналы входных узлов к выходным узлам. Узлы показаны как круги, а синие линии обозначают взаимосвязи.
В такой сети каждое соединение связано с параметром, называемым весом. Эти веса показывают, насколько конкретный узел влияет на конкретный выход. Некоторые нейронные сети также включают свертку – они известны как сверточные нейронные сети, и они являются мощными инструментами для обработки изображений.
Сейсмографы
Сейсмология – это отрасль геофизики, в первую очередь относящаяся к изучению землетрясений и других случаев упругих волн, распространяющихся по Земле или даже другим планетам. Сейсмические волны могут проходить через разные слои Земли, каждый из которых имеет свой собственный состав и отражательную способность. Суммарную отраженную волну можно получить суммированием всех отраженных волн. Полученный график технически называется «синтетической сейсмограммой».
Процесс умножения коэффициентов отражения отдельных слоев земли с помощью входящего сигнала и последующего суммирования результирующих волн можно эффективно моделировать с помощью операции свертки. Другими словами, можно сказать, что ряд отражательной способности Земли, который можно рассматривать как аналогичный импульсной характеристике Земли, может создавать синтетическую сейсмограмму при свертывании с входящей сейсмической волной (сейсмическое моделирование и распознавание образов при разведке нефти).
Оптика
Когда коллимированный свет проходит через отверстие с щелью в нем, этот свет рассеивается. Это приводит к формированию функции sinc на плоскости, расположенной на бесконечности, которая называется дифракционной картиной света, проходящего через щель. Аналогично, для круговой апертуры результирующая дифракционная картина будет функцией «сомбреро».
Теперь предположим, что у нас есть апертура, которая представляет собой комбинацию обоих этих (щелей и круговых форм). Можем ли мы прийти к дифракционной картине этой сложной структуры, не повторяя процесс? Да, мы можем. Фактически, результирующим паттерном будет шаблон, полученный путем свертки функции sinc с функцией «сомбреро».
Это указывает на то, что, когда мы знаем дифракционные картины для каждого вида апертуры, дифракционная картина их комбинации может быть получена путем свертывания этих отдельных узоров. Такое поведение, подобное суперпозиции, проявляется большинством линейных систем, которые цифровая свертка, применяемая цифровыми сигнальными процессорами, может упростить.
Компьютерная томография
Томография – это метод получения определенного планарного вида объекта. Узкий луч рентгеновского излучения (или любого другого подобного проникающего излучения), создаваемого источником, пропускается через желаемый объект. Затем эти лучи регистрируют детекторами, обычно размещенными на другой стороне объекта.
Полученное изображение представляет собой свертку исходных лучей с составом объекта, раскрывающую его внутреннюю структуру. Однако качество полученного изображения относительно невелико.
Теперь рассмотрим случай, когда источник и блок детектора переводятся в разных угловых положениях по объекту. Этот процесс создает несколько представлений объекта в одной и той же предполагаемой плоскости. Затем на эти картины воздействуют алгоритмы реконструкции, выполняемые цифровыми сигнальными процессорами,, чтобы получить изображение высокого качества.
© digitrode.ru