Qu'est-ce que le traitement du signal numérique?

Qu'est-ce que le traitement du signal numérique? 
Le DSP manipule différents types de signaux dans l’intention de filtrer, mesurer, compresser et produire des signaux analogiques. Les signaux analogiques diffèrent en prenant des informations et en les traduisant en impulsions électriques d'amplitude variable, tandis que les informations de signaux numériques sont traduites en format binaire, chaque bit de données étant représenté par deux amplitudes distinctes. Une autre différence notable est que les signaux analogiques peuvent être représentés par des ondes sinusoïdales et que les signaux numériques sont représentés par des ondes carrées. Les DSP peuvent être trouvés dans presque tous les domaines, qu'il s'agisse de traitement de l'huile, de reproduction du son, de radar et de sonar, de traitement d'images médicales ou de télécommunications, essentiellement de toute application dans laquelle des signaux sont compressés et reproduits. 

En quoi consiste exactement le traitement du signal numérique? Le processus de signal numérique prend des signaux tels que l'audio, la voix, la vidéo, la température ou la pression qui ont déjà été numérisés, puis les manipule mathématiquement. Ces informations peuvent ensuite être représentées sous forme de temps discret, de fréquence discrète ou d'autres formes discrètes afin que les informations puissent être traitées numériquement. Un convertisseur analogique-numérique est nécessaire dans le monde réel pour prendre les signaux analogiques (son, lumière, pression ou température) et les convertir en formats 0 et 1 pour un format numérique. 

Un DSP contient quatre composants clés: 
 Moteur de calcul: manipulations, calculs et processus mathématiques en accédant au programme ou à la tâche à partir de la mémoire de programme et  les informations stockées dans la mémoire de données.
 Mémoire de données: Ceci stocke les informations à traiter et fonctionne de pair avec la mémoire de programme. 
 Mémoire de programme: Cette option stocke les programmes ou tâches que le DSP utilisera pour traiter, compresser ou manipuler des données.
 E / S: Ceci peut être utilisé pour différentes choses, selon le domaine utilisé, c'est-à-dire les ports externes, les ports série, les minuteries et la connexion au monde extérieur. 

Vous trouverez ci-dessous une illustration des quatre composants d’un DSP dans une configuration système générale. 

Champs DSP 
Le filtre Chebyshev est un filtre numérique qui peut être utilisé pour séparer une bande de fréquence d’une autre. Ces filtres sont connus pour leur attribut principal, leur vitesse et bien qu'ils ne soient pas les meilleurs de la catégorie de performances, ils sont plus que suffisants pour la plupart des applications. La conception du filtre de Chebyshev a été conçue autour de la technique mathématique, appelée transformation z. Fondamentalement, la transformation z convertit un signal à temps discret, constitué d’une séquence de nombres réels ou complexes, en une représentation dans le domaine fréquentiel. La réponse de Chebyshev est généralement utilisée pour obtenir une réduction plus rapide en permettant une ondulation dans la réponse en fréquence. Ces filtres sont appelés filtres de type 1, ce qui signifie que l’ondulation dans la réponse en fréquence n’est autorisée que dans la bande passante. Ceci fournit la meilleure approximation de la réponse idéale de tout filtre pour un ordre et une ondulation spécifiés. Il a été conçu pour supprimer certaines fréquences et permettre à d’autres de passer à travers le filtre. Le filtre de Chebyshev est généralement linéaire dans sa réponse et un filtre non linéaire pourrait avoir pour résultat que le signal de sortie contienne des composantes de fréquence qui n'étaient pas présentes dans le signal d'entrée. 


Pourquoi utiliser le traitement du signal numérique?
Pour comprendre comment le traitement du signal numérique, ou DSP, se compare aux circuits analogiques, comparez les deux systèmes avec n'importe quelle fonction de filtre. Un filtre analogique utiliserait des amplificateurs, des condensateurs, des inductances ou des résistances, serait abordable et facile à assembler, mais il serait plutôt difficile de calibrer ou de modifier l’ordre des filtres. Cependant, les mêmes choses peuvent être faites avec un système DSP, juste plus facile à concevoir et à modifier. La fonction de filtrage sur un système DSP étant basée sur un logiciel, vous pouvez choisir plusieurs filtres. De plus, la création de filtres flexibles et ajustables avec des réponses d'ordre élevé ne nécessite que le logiciel DSP, alors que l'analogique nécessite du matériel supplémentaire. 

Par exemple, un filtre passe-bande pratique, avec une réponse en fréquence donnée, devrait avoir une commande d'abaissement de la bande d'arrêt, un accord de bande passante et une commande de largeur, une atténuation infinie dans la bande d'arrêt et une réponse dans la bande passante complètement plate avec un déphasage nul. Si les méthodes analogiques étaient utilisées, les filtres de second ordre nécessiteraient un grand nombre de sections échelonnées à Q élevé, ce qui signifie qu’il sera extrêmement difficile d’accorder et d’ajuster. Lorsque vous approchez ceci avec le logiciel DSP, en utilisant une réponse impulsionnelle finie (FIR), la réponse temporelle du filtre à une impulsion est la somme pondérée de la valeur présente et d'un nombre fini de valeurs d'entrée précédentes. En l'absence de retour, sa seule réponse à un échantillon donné se termine lorsque l'échantillon atteint la "fin de la ligne". Compte tenu de ces différences de conception, le logiciel DSP est choisi pour sa flexibilité et sa simplicité par rapport aux conceptions de filtres à circuits analogiques. 

Lors de la création de ce filtre passe-bande, l’utilisation de DSP n’est pas une tâche accablante à accomplir. La mise en œuvre et la fabrication des filtres sont beaucoup plus faciles, car il vous suffit de programmer les filtres de la même manière pour chaque puce DSP intégrée à l'appareil. Cependant, en utilisant des composants analogiques, vous risquez des composants défectueux, vous devez ajuster le circuit et programmer le filtre sur chaque circuit analogique individuel. DSP crée une méthode de filtre abordable et moins fastidieuse pour le traitement du signal et augmente la précision de réglage et de réglage des filtres en général.


ADC et DAC
Le matériel électrique est très utilisé dans presque tous les domaines. Les convertisseurs analogique-numérique (ADC) et les convertisseurs numérique-analogique (DAC) sont des composants essentiels pour toute variation de DSP dans n'importe quel domaine. Ces deux interfaces de conversion sont nécessaires pour convertir les signaux du monde réel afin de permettre à un équipement électronique numérique de capter tout signal analogique et de le traiter. Prenons l'exemple d'un microphone: le CAN convertit le signal analogique recueilli par une entrée d'un équipement audio en un signal numérique pouvant être émis par des haut-parleurs ou des moniteurs. Lors du transfert de l'équipement audio vers l'ordinateur, le logiciel peut ajouter des échos ou ajuster le tempo et la hauteur de la voix pour obtenir un son parfait. D'autre part, le CAD convertira le signal numérique déjà traité en signal analogique utilisé par les équipements de sortie audio tels que les moniteurs. La figure ci-dessous montre le fonctionnement de l'exemple précédent et comment ses signaux d'entrée audio peuvent être améliorés grâce à la reproduction, puis restitués sous forme de signaux numériques via des moniteurs.

Un type de convertisseur analogique-numérique, appelé convertisseur numérique analogique à rampe numérique, implique un comparateur. La valeur de la tension analogique à un moment donné est comparée à une tension standard donnée. Un moyen d'y parvenir consiste à appliquer la tension analogique à une borne du comparateur et déclencheur, appelée compteur binaire, qui pilote un CNA. Alors que la sortie du CNA est implémentée sur l’autre borne du comparateur, elle déclenchera un signal si la tension dépasse l’entrée de tension analogique. La transition du comparateur arrête le compteur binaire, qui conserve alors la valeur numérique correspondant à la tension analogique en ce point. La figure ci-dessous montre un schéma d'un CAN numérique à rampe. 

Applications du DSP
Il existe de nombreuses variantes d'un processeur de signal numérique capable d'exécuter différentes tâches, en fonction de l'application exécutée. Certaines de ces variantes sont le traitement du signal audio, la compression audio et vidéo, le traitement et la reconnaissance de la parole, le traitement des images numériques et les applications radar. La différence entre chacune de ces applications réside dans la manière dont le processeur de signal numérique peut filtrer chaque entrée. Il existe cinq aspects différents qui varient selon chaque DSP: fréquence d'horloge, taille de la RAM, largeur du bus de données, taille de la ROM et tension d'E / S. Tous ces composants vont vraiment affecter le format arithmétique, la vitesse, l'organisation de la mémoire et la largeur des données d'un processeur. 

L’architecture de Harvard est une architecture bien connue. Cette conception permet à un processeur d’accéder simultanément à deux banques de mémoire en utilisant deux ensembles de bus indépendants. Cette architecture peut exécuter des opérations mathématiques tout en extrayant des instructions. Une autre est l’architecture de la mémoire Von Neumann. Bien qu'il n'y ait qu'un seul bus de données, les opérations ne peuvent pas être chargées tant que les instructions sont extraites. Cela provoque un bourrage qui ralentit l’exécution des applications DSP. Bien que ces processeurs soient similaires à un processeur utilisé dans un ordinateur standard, ces processeurs de signaux numériques sont spécialisés. Cela signifie souvent que, pour effectuer une tâche, les DSP doivent utiliser l'arithmétique en virgule fixe. 

Un autre est l'échantillonnage, qui est la réduction d'un signal continu en un signal discret. Une application majeure est la conversion d'une onde sonore. L'échantillonnage audio utilise des signaux numériques et une modulation par impulsions codées pour la reproduction du son. Il est nécessaire de capturer l'audio entre 20 et 20,000 50 Hz pour que les humains l'entendent. Des fréquences d'échantillonnage supérieures à celles d'environ 60 kHz - XNUMX kHz ne peuvent pas fournir plus d'informations à l'oreille humaine. En utilisant différents filtres avec le logiciel DSP et les ADC et DAC, des échantillons audio peuvent être reproduits grâce à cette technique. 

Le traitement du signal numérique est très utilisé dans les opérations quotidiennes et est essentiel pour recréer des signaux analogiques en signaux numériques à de nombreuses fins.

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