Signal Prosessering - Signal processing

Signaloverføring ved hjelp av elektronisk signalbehandling. Transdusere konverterer signaler fra andre fysiske bølgeformer til elektrisk strøm eller spenningsbølgeformer , som deretter behandles, overføres som elektromagnetiske bølger , mottas og konverteres av en annen transduser til endelig form.

Signalet til venstre ser ut som støy, men signalbehandlingsteknikken kjent som Fouriertransformasjonen (til høyre) viser at den inneholder fem veldefinerte frekvenskomponenter.

Signalbehandling er et elektroteknisk underfelt som fokuserer på å analysere, modifisere og syntetisere signaler som lyd , bilder og vitenskapelige målinger. Signalbehandlingsteknikker kan brukes til å forbedre overføring, lagringseffektivitet og subjektiv kvalitet og for også å understreke eller oppdage komponenter av interesse i et målt signal.

Historie

I følge Alan V. Oppenheim og Ronald W. Schafer kan prinsippene for signalbehandling finnes i de klassiske numeriske analyseteknikkene fra 1600 -tallet. De uttaler videre at den digitale foredlingen av disse teknikkene finnes i de digitale kontrollsystemene på 1940- og 1950 -tallet.

I 1948 skrev Claude Shannon det innflytelsesrike papiret " A Mathematical Theory of Communication " som ble publisert i Bell System Technical Journal . Papiret la grunnlaget for senere utvikling av informasjonskommunikasjonssystemer og behandling av signaler for overføring.

Signalbehandling modnet og blomstret på 1960- og 1970 -tallet, og digital signalbehandling ble mye brukt med spesialiserte digitale signalprosessorbrikker på 1980 -tallet.

Kategorier

Analog

Analog signalbehandling er for signaler som ikke er digitalisert, som i de fleste radio-, telefon-, radar- og TV-systemer fra 1900-tallet. Dette innebærer lineære elektroniske kretser så vel som ikke -lineære. Førstnevnte er for eksempel passive filtre , aktive filtre , additive miksere , integratorer og forsinkelseslinjer . Ikke-lineære kretser inkluderer kompandorer , multiplikatorer ( frekvensblandere , spenningsstyrte forsterkere ), spenningsstyrte filtre , spenningsstyrte oscillatorer og faselåste sløyfer .

Kontinuerlig tid

Kontinuerlig signalbehandling er for signaler som varierer med endringen av det kontinuerlige domenet (uten å vurdere noen individuelle avbrutte punkter).

Metodene for signalbehandling inkluderer tidsdomene , frekvensdomene og komplekst frekvensdomene . Denne teknologien diskuterer hovedsakelig modellering av lineært tid-invariant kontinuerlig system, integrert av systemets nulltilstandsvar, konfigurering av systemfunksjon og kontinuerlig tidsfiltrering av deterministiske signaler

Diskret tid

Diskret tidssignalbehandling er for samplede signaler, definert bare på diskrete tidspunkter, og er som sådan kvantisert i tid, men ikke i størrelse.

Analog diskret-tid signalbehandling er en teknologi basert på elektroniske enheter som prøve- og holdekretser, analog tidsdelt multipleksere , analoge forsinkelseslinjer og analoge feedback skiftregistre . Denne teknologien var en forgjenger for digital signalbehandling (se nedenfor), og brukes fremdeles i avansert behandling av gigahertz -signaler.

Begrepet diskret-tid signalbehandling refererer også til en teoretisk disiplin som etablerer et matematisk grunnlag for digital signalbehandling, uten å ta hensyn til kvantiseringsfeil .

Digital

Digital signalbehandling er behandling av digitaliserte diskrete tidssamplede signaler. Behandlingen utføres av datamaskiner med generelle formål eller av digitale kretser som ASIC , feltprogrammerbare gate-matriser eller spesialiserte digitale signalprosessorer (DSP-brikker). Typiske aritmetiske operasjoner inkluderer fastpunkt og flytende punkt , virkelig verdi og kompleks verdt, multiplikasjon og tillegg. Andre typiske operasjoner som støttes av maskinvaren er sirkulære buffere og oppslagstabeller . Eksempler på algoritmer er den raske Fourier -transformasjonen (FFT), filteret for endelig impulsrespons (FIR), filteret Infinite impulse response (IIR) og adaptive filtre som Wiener- og Kalman -filtrene .

Ikke-lineær

Ikke-lineær signalbehandling innebærer analyse og behandling av signaler produsert fra ikke-lineære systemer og kan være i tid, frekvens eller romtids-domener. Ikke -lineære systemer kan produsere svært komplekse atferd, inkludert bifurkasjoner , kaos , harmoniske og subharmoniske tegn som ikke kan produseres eller analyseres ved hjelp av lineære metoder.

Polynomisk signalbehandling er en type ikke-lineær signalbehandling, der polynomiske systemer kan tolkes som konseptuelt rett fremover utvidelser av lineære systemer til det ikke-lineære tilfellet.

Statistisk

Statistisk signalbehandling er en tilnærming som behandler signaler som stokastiske prosesser , og bruker deres statistiske egenskaper til å utføre signalbehandlingsoppgaver. Statistiske teknikker er mye brukt i programmer for signalbehandling. For eksempel kan man modellere sannsynlighetsfordelingen for støy som oppstår ved fotografering av et bilde, og konstruere teknikker basert på denne modellen for å redusere støyen i det resulterende bildet.

Søknadsfelt

Seismisk signalbehandling

• Lydsignalbehandling  - for elektriske signaler som representerer lyd, for eksempel tale eller musikk
• Bildebehandling  - i digitale kameraer, datamaskiner og ulike bildesystemer
• Videobehandling  - for å tolke bevegelige bilder
• Trådløs kommunikasjon  - bølgeformgenerasjoner, demodulering, filtrering, utjevning
• Kontrollsystemer
• Arraybehandling  - for behandling av signaler fra sensorer
• Prosesskontroll  -en rekke signaler brukes, inkludert industristandarden 4-20 mA strømsløyfe
• Seismologi
• Finansiell signalbehandling  - analyse av finansielle data ved hjelp av signalbehandlingsteknikker, spesielt for prediksjon.
• Ekstrahering av funksjoner , for eksempel bildeforståelse og talegjenkjenning .
• Kvalitetsforbedring, for eksempel støyreduksjon , bildeforbedring og ekkokansellering .
• Kildekoding inkludert lydkomprimering , bildekomprimering og videokomprimering .
• Genomisk signalbehandling

I kommunikasjonssystemer kan signalbehandling forekomme ved:

• OSI -lag 1 i OSI -modellen med syv lag, det fysiske laget ( modulering , utjevning , multiplexering , etc.);
• OSI -lag 2, datalink -laget ( feilkorrigering fremover );
• OSI-lag 6, presentasjonslaget (kildekoding, inkludert analog-til-digital konvertering og datakomprimering ).

Typiske enheter

• Filtre  - for eksempel analoge (passive eller aktive) eller digitale ( FIR , IIR , frekvensdomene eller stokastiske filtre , etc.)
• Samplere og analog-til-digital-omformere for signalinnsamling og rekonstruksjon, som innebærer å måle et fysisk signal, lagre eller overføre det som digitalt signal, og muligens senere gjenoppbygge det originale signalet eller en tilnærming til det.
• Signalkompressorer
• Digitale signalprosessorer (DSPer)

Matematiske metoder brukt

• Differensiallikninger
• Gjentagelsesforhold
• Transform teori
• Tidsfrekvensanalyse-  for behandling av ikke-stasjonære signaler
• Spektralestimering  - for å bestemme spektralinnholdet (dvs. fordelingen av effekt over frekvensen) i en tidsserie
• Statistisk signalbehandling  - analysere og trekke ut informasjon fra signaler og støy basert på deres stokastiske egenskaper
• Lineær tid-invariant systemteori og transform-teori
• Polynomisk signalbehandling  - analyse av systemer som relaterer input og output ved hjelp av polynom
• Systemidentifikasjon og klassifisering
• Beregning
• Kompleks analyse
• Vektorrom og lineær algebra
• Funksjonell analyse
• Sannsynlighet og stokastiske prosesser
• Deteksjonsteori
• Estimasjonsteori
• Optimalisering
• Numeriske metoder
• Tidsserier
• Data mining  - for statistisk analyse av forholdet mellom store mengder variabler (i denne sammenhengen som representerer mange fysiske signaler), for å trekke ut tidligere ukjente interessante mønstre

Se også

• Lydfilter
• Avgrenset variasjon
• Digital bildebehandling
• Dynamisk kompresjon , kompandering , begrenser , og støy port
• Informasjonsteori
• Ikke-lokale midler
• Etterklang

Referanser

Videre lesning

• P Stoica, R Moses (2005). Spektral analyse av signaler (PDF) . NJ: Prentice Hall.
• Kay, Steven M. (1993). Grunnleggende om statistisk signalbehandling . Upper Saddle River, New Jersey : Prentice Hall . ISBN 0-13-345711-7. OCLC  26504848 .
• Papoulis, Athanasios (1991). Sannsynlighet, tilfeldige variabler og stokastiske prosesser (tredje utg.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-100870-5.
• Kainam Thomas Wong [1] : Forelesningsnotater fra statistisk signalbehandling ved University of Waterloo, Canada.
• Ali H. Sayed , adaptive filtre, Wiley, NJ, 2008, ISBN  978-0-470-25388-5 .
• Thomas Kailath , Ali H. Sayed og Babak Hassibi , Linear Estimation, Prentice-Hall, NJ, 2000, ISBN  978-0-13-022464-4 .

Eksterne linker

• Signalbehandling for kommunikasjon - gratis online lærebok av Paolo Prandoni og Martin Vetterli (2008)
• Scientists and Engineers Guide to Digital Signal Processing - gratis online lærebok av Stephen Smith