9.CYFROWA OBRÓBKA SYGNAŁÓW


  Wzrastająca szybkość pracy układów komputerowych otwiera przed nimi nową dziedzinę zastosowań - cyfrową obróbkę sygnałów COS (ang. Digital Signal Processing - DSP). Technika ta jest coraz szerzej stosowana nie tylko w profesjonalnej aparaturze łączności, sprzęcie akustycznym i komputerowym, ale także w sprzęcie amatorskim w:
- radiostacjach,
- odbiornikach,
- filtrach akustycznych,
- modemach i kontrolerach TNC/PTC.
    Zrozumienie zasady działania układów cyfrowej obróbki sygnałów wymaga przytoczenia pewnego minimum wzorów i schematów blokowych. Ich wyprowadzenia wymagające znajomości rachunku różniczkowego i całkowego zostały pominięte. Czytelnicy, którym zrozumienie wzorów sprawi mimo to trochę trudności, mogą pominąć je za pierwszym razem i zapoznać się z nimi później.
    W ostatnim czasie na rynku pojawiły się niedrogie zestawy eksperymentalne zawierające procesory sygnałowe. Pozwalają one szerszym rzeszom amatorów na podjęcie eksperymentów z techniką COS. Programy tego typu spotykane są nawet w skrzynkach elektronicznych pakiet radio. W procesory sygnałowe wyposażone są również płytki muzyczne do komputerów PC. Ich rozpowszechnienie i coraz niższa cena predystynują je do eksperymentów amatorskich. Eksperymenty te nie są jednak możliwe bez minimalnego przygotowania teoretycznego.

9.1. ZASADY PRACY

    Zasadę działania obróbki cyfrowej wyjaśnia rysunek 9.1. Analogowy sygnał zmienny przetwarzany jest w stałych odstępach czasu na postać cyfrową w przetworniku analogowo-cyfrowym. Zasada próbkowania sygnałów wymaga, aby dla bezbłędnego uchwycenia przebiegu częstotliwość próbkowania była co najmniej dwa razy wyższa od maksymalnej częstotliwości sygnału próbkowanego (zasada Nyquista). Pasmo sygnału wejściowego musi więc być ograniczone za pomocą filtru dolnoprzepustowego. Charakterystyka filtrów rzeczywistych odbiega od idealnie prostokątnej, co w praktyce oznacza, że częstotliwość graniczna filtru musi być mniejsza od połowy częstotliwości próbkowania. W niektórych systemach częstotliwość próbkowania jest nawet wielokrotnie wyższa od minimalnej, wynikającej z zasady Nyquista (ang. oversampling). Liczby odpowiadające wartościom sygnału w momentach próbkowania są zapisywane w pamięci i używane do obliczeń matematycznych naśladujących funkcje elementów i podzespołów elektronicznych - np. filtrów, detektorów amplitudy i fazy, wzmacniaczy, generatorów, modulatorów itp. Wynik obliczeń jest zamieniany w przetworniku cyfrowo-analogowym na sygnał analogowy sterujący dalsze stopnie urządzenia akustycznego lub radiokomunikacyjnego. Dane wyjściowe podawane są na przetwornik analogowo-cyfrowy w regularnych odstępach czasu równych cyklowi próbkowania i obliczeń. Wyjściowy filtr dolnoprzepustowy odfiltrowuje wyższe harmoniczne schodkowego sygnału przetwornika analogowo-cyfrowego (a/c).
    Cyfrowy układ przetwarzający może być oczywiście zbudowany w postaci klasycznego układu logicznego, realizuje on jednak wówczas jedną wybraną funkcję lub zespół funkcji pokrewnych i nie pozwala na łatwe zmiany i dopasowanie do zmieniających się potrzeb.
    Zastosowanie układów mikroprocesorowych zapewnia pożądaną elastyczność - możliwość zmiany parametrów lub całych funkcji układu przez prostą wymianę programu lub wywołanie innego zbioru zainstalowanych podprogramów. Stosunkowo skomplikowana konstrukcja klasycznych układów logicznych powoduje konieczność upraszczania algorytmów i stosowania daleko idących przybliżeń. Ich zaletą jest za to dużo większa, niż w przypadku systemów mikroprocesorowych, szybkość działania. Układy te mogą pracować w zakresie wyższych częstotliwości - do kilkudziesięciu, a nawet kilkuset MHz. Do tych zastosowań produkowanych jest wiele typów obwodów realizujących określone funkcje. Są to m.in. syntezery częstotliwości i dekodery systemu telewizyjnego D2MAC. Niektóre z nich przewidziane do rozszerzenia możliwości systemów mikroprocesorowych są odrazu dostosowane do bezpośredniego podłączenia do szyn adresowych i danych mikroprocesorów. W zależności od pożądanej szybkości pracy są one konstruowane w technice TTL lub ECL. Obwody te wytwarzane wielkoseryjnie pozwalają na obniżenie kosztów gotowego sprzętu, do celów amatorskich i eksperymentalnych korzystniejsze jest jednak zastosowanie rozwiązania mikroprocesorowego lub wspomnianych już gotowych zestawów eksperymentalnych zawierających procesor sygnałowy i produkowanych przez znane firmy j.np. "Texas Instruments".

    [rys. 9_01]

    Cyfrowa obróbka sygnałów niesie ze sobą wiele korzyści dla konstruktorów i użytkowników urządzeń elektronicznych. Raz sprawdzony i funkcjonujący zadowalająco program może być powielany i instalowany w produkowanych seryjnie urządzeniach bez konieczności skomplikowanego zestrajania i regulacji. Upraszcza to nie tylko produkcję, ale i naprawy aparatury oraz pozwala na obniżenie kosztów.
    Dalsze obniżenie kosztów osiągane jest dzięki uniknięciu stosowania drogich elementów, jak np. filtrów kwarcowych, a wymiana oprogramowania na nowsze wersje pozwala na łatwe dopasowywanie możliwości sprzętu do nowych wymagań techniki bez jego rozbudowy i przeróbek. Rozpowszecznienie się nowego rodzaju modulacji wymaga od użytkowników klasycznych rozwiązań kontrolerów TNC nabycia dodatkowego modemu o ile w układzie jest przewidziany wtyk do jego podłączenia i w trakcie użytkowania mniej lub bardziej skomplikowanego przełączania modemów w zależności od potrzeb. Liczba zainstalowanych fabrycznie modemów jest mocno ograniczona i zależna m.in. od rozmiarów obudowy. W przypadku gdy rozbudowa nie jest możliwa lub okazuje się zbyt skomplikowana konieczne jest nabycie nowego urządzenia. Kontrolery TNC zrealizowane w technice COS mogą być odrazu wyposażone w znaczną liczbę modemów np. kilkanaście, a ich liczba ograniczona jest jedynie pojemnością pamięci programu. Dodanie nowej odmiany modemu wymaga jedynie wymiany programu na nowszą wersję. Analogicznie jak w powyższym przykładzie wygląda rozbudowa innych urządzeń COS.
    Funkcje zrealizowane za pomocą odpowiednich algorytmów matematycznych (np. filtry) są niewrażliwe na tolerancje użytych elementów, wpływy temperatury i starzenie się podzespołów, a uzyskane wyniki są w wysokim stopniu powtarzalne i pozwalają na konstrukcję układów trudnych do uzyskania w wydaniu analogowym (filtrów o b. dużej dobroci) lub zbyt skomplikowanych, by mogły być skonstruowane w sposób klasyczny (analogowy).
    Stosowane obecnie procesory sygnałowe nadają się do użycia w układach cyfrowej obróbki sygnałów pracujących w zakresach częstotliwości akustycznych, wizyjnych lub co najwyżej na niższych częstotliwościach pośrednich odbiorników. W niedługim czasie z pewnością możliwe będzie rozszerzenie zakresu pracy do członów wielkiej częstotliwości.
    Ze względu na konieczną bardzo dużą szybkość przetwarzania, realizacja układów cyfrowej obróbki sygnałów stała się możliwa dopiero po wprowadzeniu szybkich procesorów 16- i 32- bitowych. W ostatnim czasie skonstruowano wiele typów procesorów specjalnie przewidzianych do tego celu - procesorów o odpowiednio dobranej architekturze i zestawie rozkazów (tzw. procesorów sygnałowych).
    Pożądana szybkość pracy osiągana jest w nich m.in. dzięki użyciu większej liczby szybkich rejestrów wewnętrznych, rozdzieleniu obszarów adresowych programu i danych (architektura Harvard) co pozwala na ich równoległy odczyt, wczytywaniu kolejnych rozkazów do wewnętrznej kolejki - rejestru FIFO (ang. First In First Out) oraz zastąpieniu mikroprogramów ich realizacją układową wewnątrz procesora.
    W klasycznych mikroprocesorach każdy z rozkazów języka maszynowego (asemblera) powoduje wywołanie odpowiedniego mikroprogramu zawartego w jednostce arytmetyczno-logicznej (ang. ALU). Mikroprogram taki składa się z wielu kroków, w każdym z nich dokonywane są odpowiednie przełączenia wejść i wyjść rejestrów, układów sumacyjnych, przesunięcia danych w rejestrach itp. Poszczególne kroki mikroprogramu wykonywane są kolejno. Czas wykonywania mikroprogramu zależny jest od stopnia komplikacji rozkazu i wynosi od kilku do kilkuset okresów sygnału zegarowego (taktów). W jednostkach arytmetyczno-logicznych procesorów sygnałowych zawarte są odpowiednie układy sumatorów, układy mnożące itp. złożone z bramek logicznych. Operacja wykonywana jest równolegle na wszystkich bitach wchodzących w skład słowa maszynowego, a czas jej wykonania może być nawet równy tylko jednemu okresowi sygnału zegarowego.
    Wprowadzenie cyfrowej obróbki sygnałów spowodowało też zmiany w realizowanych układach. Niektóre, dotąd mało popularne rozwiązania (np. trzecia metoda generacji sygnału SSB albo metoda fazowa) są łatwiejsze do przedstawienia w postaci algorytmu matematycznego niż obecnie stosowane rozwiązania klasyczne (w tym przypadku niż metoda filtrowa).
    Występującym w układach analogowych podstawowym grupom układów, jak wzmacniacze, tłumiki, filtry, generatory i układy nieliniowe (mieszacze i detektory) można przyporządkować odpowiednie grupy algorytmów stosowanych w technice COS.
    Wzmocnienie lub tłumienie sygnału osiągane jest przez pomnożenie sygnału wejściowego przez odpowiedni stały współczynnik (lub jego odwrotność dla uniknięcia czasochłonnego dzielenia).
    Algorytmy filtrów wykorzystują odpowiednio dobrane opóźnienia czasowe, na ogół równe wielokrotności okresu próbkowania, natomiast układy nieliniowe zastąpione są odpowiednimi funkcjami nieliniowymi - np. prostowanie sygnału sprowadza się do zwykłej zmiany jego znaku.
    W przypadku bardziej skomplikowanych obliczeń trygonometrycznych, pierwiastkowania itp. algorytm obliczający może korzystać z tablic wartości zapisanych w pamięci systemu. Operacja obliczenia sprowadza się wówczas do odczytu z pamięci odpowiednio zaadresowanego słowa a ew. przeliczenia adresów są naogół mniej skomplikowane.

Wydanie z dn. 20.03.1999.

© Prawa autorskie Krzysztof Dąbrowski, OE1KDA.