4. Цифровая обработка сигналов

В общем случае, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации.

В процессе дискретизации возможна потеря информации, заключенной в значениях сигнала в интервалах между отсчетами. Условия, при которых осуществимо восстановление аналогового сигнала по полученному из него цифровому, то есть сохранение всей исходно содержавшейся в сигнале информации, выражаются теоремой Найквиста-Котельникова.

Для этого требуется, чтобы полоса частот входного сигнала была бы не менее чем вдвое уже, чем частота дискретизации, то есть f_c=1/2f_d.

При применении ЦОС существует ряд проблем:

1. ограниченное быстродействие цифровой элементной базы

2. ограниченные разрядность и быстродействие преобразователей аналоговых сигналов в цифровые

3. возникающие при ЦОС дополнительные искажения и шумы.

Преимущества ЦОС перед аналоговой обработкой:

1. ЦОС имеет более высокую точность обработки сигналов по сложным алгоритмам;

2. гибкая оперативная перестройка алгоритмов обработки сигналов ЦОС;

3. высокую технологичность изготовления устройств ЦОС, связанную с отсутствием необходимости настройки при изготовлении и регулировки при эксплуатации;

4. ЦОС имеет высокую степень совпадения и повторяемости характеристик реализованных устройств с расчетными характеристиками;

5. ЦОС имеет возможность построения развивающихся интеллектуальных систем, способных к реконфигурации, поиску и обнаружению неисправностей;

6. большие возможности автоматизации проектирования устройств с ЦОС;

7. высокостабильные эксплуатационные характеристики устройств с ЦОС.

В качестве основного вычислительного блока цифровой обработки сигналов используются либо DSP (Digital System Processing), либо FPGA (Field Programmable Gate Array). Программируемая логическая интегральная схема - это большие интегральные микросхемы матричного типа, позволяющие программным способом реализовать логические функции большой сложности.

Архитектура ПЛИС имеют потенциально большее быстродействие по сравнению с микроконтроллерами и DSP процессорами.

При разработке систем цифровой обработки сигналов (Digital System Processing, DSP) традиционным является подход, при котором используются DSP-процессоры общего назначения, а требуемые специфические алгоритмы обработки реализуются программно (в основном на языке С).

Применение аппаратных методов, основанных на использовании ПЛИС с архитектурой FPGA (Field Programmable Gate Array) в качестве препроцессоров и сопроцессоров, позволяет получить существенный прирост производительности, снизить стоимость и потребляемую мощность системы.

Архитектура FPGA обладает большой гибкостью, на ее базе можно реализовывать распараллеливание операций, что позволяет существенно повысить производительность всей DSP-системы. Пример такого использования FPGA – реализация КИХ-фильтров, быстрого преобразования Фурье, цифрового преобразования с понижением частоты, блоков прямого исправления ошибок.