Signalverarbeitung - Signal processing

Signalübertragung mittels elektronischer Signalverarbeitung. Wandler wandeln Signale von anderen physikalischen Wellenformen in elektrische Strom- oder Spannungswellenformen um , die dann verarbeitet, als elektromagnetische Wellen übertragen , empfangen und von einem anderen Wandler in die endgültige Form umgewandelt werden.
Das Signal auf der linken Seite sieht aus wie Rauschen, aber die als Fourier-Transformation bekannte Signalverarbeitungstechnik (rechts) zeigt, dass es fünf wohldefinierte Frequenzkomponenten enthält.

Die Signalverarbeitung ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik , das sich auf das Analysieren, Modifizieren und Synthetisieren von Signalen wie Ton , Bildern und wissenschaftlichen Messungen konzentriert. Signalverarbeitungstechniken können verwendet werden, um die Übertragung, die Speichereffizienz und die subjektive Qualität zu verbessern und auch interessierende Komponenten in einem gemessenen Signal hervorzuheben oder zu detektieren.

Geschichte

Nach Alan V. Oppenheim und Ronald W. Schafer finden sich die Prinzipien der Signalverarbeitung in den klassischen numerischen Analysetechniken des 17. Jahrhunderts wieder. Sie geben weiter an, dass die digitale Verfeinerung dieser Techniken in den digitalen Steuerungssystemen der 1940er und 1950er Jahre zu finden ist.

1948 verfasste Claude Shannon die einflussreiche Arbeit " A Mathematical Theory of Communication ", die im Bell System Technical Journal veröffentlicht wurde . Das Papier legte den Grundstein für die spätere Entwicklung von Informationskommunikationssystemen und die Verarbeitung von Signalen für die Übertragung.

Die Signalverarbeitung reifte und florierte in den 1960er und 1970er Jahren, und die digitale Signalverarbeitung wurde in den 1980er Jahren mit spezialisierten digitalen Signalprozessorchips weit verbreitet .

Kategorien

Analog

Die analoge Signalverarbeitung ist für Signale, die nicht digitalisiert wurden, wie in den meisten Radio-, Telefon-, Radar- und Fernsehsystemen des 20. Jahrhunderts. Dabei handelt es sich sowohl um lineare elektronische Schaltungen als auch um nichtlineare. Erstere sind zum Beispiel passive Filter , aktive Filter , additive Mischer , Integratoren und Verzögerungsleitungen . Nichtlineare Schaltungen umfassen Kompandoren , Multiplizierer ( Frequenzmischer , spannungsgesteuerte Verstärker ), spannungsgesteuerte Filter , spannungsgesteuerte Oszillatoren und Phasenregelkreise .

Kontinuierliche Zeit

Die zeitkontinuierliche Signalverarbeitung ist für Signale vorgesehen, die sich mit der Änderung der kontinuierlichen Domäne ändern (ohne Berücksichtigung einiger einzelner unterbrochener Punkte).

Die Verfahren der Signalverarbeitung umfassen den Zeitbereich , den Frequenzbereich und den komplexen Frequenzbereich . Diese Technologie befasst sich hauptsächlich mit der Modellierung eines linearen zeitinvarianten kontinuierlichen Systems, dem Integral der Nullzustandsantwort des Systems, dem Einrichten der Systemfunktion und der zeitkontinuierlichen Filterung deterministischer Signale

Diskrete Zeit

Die zeitdiskrete Signalverarbeitung ist für abgetastete Signale, die nur zu diskreten Zeitpunkten definiert sind und als solche zeitlich quantisiert sind, aber nicht in der Größe.

Die analoge zeitdiskrete Signalverarbeitung ist eine Technologie, die auf elektronischen Geräten wie Sample-and-Hold- Schaltungen, analogen Zeitmultiplexern , analogen Verzögerungsleitungen und analogen Rückkopplungsschieberegistern basiert . Diese Technologie war ein Vorläufer der digitalen Signalverarbeitung (siehe unten) und wird immer noch in der fortgeschrittenen Verarbeitung von Gigahertz-Signalen verwendet.

Der Begriff der zeitdiskreten Signalverarbeitung bezieht sich auch auf eine theoretische Disziplin, die eine mathematische Grundlage für die digitale Signalverarbeitung schafft, ohne Quantisierungsfehler zu berücksichtigen.

Digital

Digitale Signalverarbeitung ist die Verarbeitung digitalisierter zeitdiskreter abgetasteter Signale. Die Verarbeitung wird durch allgemeine Zwecke getan Computer oder durch digitale Schaltungen , wie beispielsweise ASICs , Field-Programmable Gate Arrays oder spezialisierte digitale Signalprozessoren (DSP - Chips). Typische arithmetische Operationen umfassen Festkomma und Gleitkomma , reellwertig und komplexwertig, Multiplikation und Addition. Andere typische Operationen, die von der Hardware unterstützt werden, sind Ringpuffer und Nachschlagetabellen . Beispiele für Algorithmen sind die schnelle Fourier-Transformation (FFT), ein Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR), ein Filter mit unendlicher Impulsantwort (IIR) und adaptive Filter, wie beispielsweise das Wiener- und das Kalman-Filter .

Nichtlinear

Die nichtlineare Signalverarbeitung umfasst die Analyse und Verarbeitung von Signalen, die von nichtlinearen Systemen erzeugt werden, und kann im Zeit-, Frequenz- oder Raum-Zeit-Bereich erfolgen. Nichtlineare Systeme können hochkomplexe Verhaltensweisen wie Bifurkationen , Chaos , Harmonische und Subharmonische erzeugen, die mit linearen Methoden nicht erzeugt oder analysiert werden können.

Die polynomiale Signalverarbeitung ist eine Art der nichtlinearen Signalverarbeitung, bei der polynomiale Systeme als konzeptionell einfache Erweiterungen linearer Systeme auf den nichtlinearen Fall interpretiert werden können.

Statistisch

Statistische Signalverarbeitung ist ein Ansatz, der Signale als stochastische Prozesse behandelt und ihre statistischen Eigenschaften nutzt , um Signalverarbeitungsaufgaben auszuführen. Statistische Techniken werden häufig in Signalverarbeitungsanwendungen verwendet. Beispielsweise kann man die Wahrscheinlichkeitsverteilung des Rauschens modellieren, das beim Fotografieren eines Bildes entsteht, und basierend auf diesem Modell Techniken konstruieren, um das Rauschen im resultierenden Bild zu reduzieren .

Anwendungsgebiete

Seismische Signalverarbeitung

In Kommunikationssystemen kann die Signalverarbeitung erfolgen an:

Typische Geräte

Angewandte mathematische Methoden

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links