Signaalverwerking omvat verschillende stappen die kunnen variëren afhankelijk van de specifieke toepassing en de aard van de verwerkte signalen:
- Acquisitie: deze stap omvat het vastleggen of verwerven van het ruwe signaal van de bron. Bij analoge signaalverwerking kan het gaan om sensoren, transducers of andere apparaten die fysieke verschijnselen omzetten in elektrische signalen. Bij digitale signaalverwerking (DSP) omvat acquisitie doorgaans het met regelmatige tussenpozen bemonsteren van het analoge signaal met behulp van analoog-digitaalomzetters (ADC’s) om een digitale representatie te verkrijgen.
- Voorverwerking: Voorverwerking omvat het filteren en conditioneren van het verkregen signaal om ongewenste ruis, artefacten of vervormingen te verwijderen die mogelijk tijdens de acquisitie of verzending zijn geïntroduceerd. Filtertechnieken zoals laagdoorlaat-, hoogdoorlaat-, banddoorlaat- of notch-filters worden vaak gebruikt om bepaalde frequenties van het signaal selectief te verzwakken of door te laten.
- Functie-extractie: In veel signaalverwerkingstoepassingen is kenmerkextractie cruciaal om relevante kenmerken of patronen in het signaal te identificeren. Deze stap omvat het analyseren van het voorverwerkte signaal om specifieke kenmerken of parameters te extraheren die relevant zijn voor de toepassingsdoelstellingen. Bij spraakherkenning kan kenmerkextractie bijvoorbeeld de extractie van spectrale kenmerken omvatten, zoals CEPSstral Mel-Frequency Coefficients (MFCC).
- Verwerking en analyse: deze stap omvat het toepassen van wiskundige algoritmen, transformaties of bewerkingen op de geëxtraheerde kenmerken of het gehele signaal. Bij digitale signaalverwerking omvat dit doorgaans bewerkingen zoals Fourier-transformaties, convolutie, correlatie, statistische analyse of machine learning-algoritmen, afhankelijk van de toepassingsvereisten.
- Naverwerking: Naverwerking omvat verdere filtering, verbetering of wijziging van het verwerkte signaal om de gewenste uitgangskarakteristieken te bereiken. Deze stap kan het toepassen van inverse bewerkingen omvatten om het signaal te reconstrueren of te verfijnen, het toepassen van feedbacklussen voor adaptieve verwerking, of het voorbereiden van het signaal voor verdere verzending of opslag.
Het proces van signaalverwerking verwijst over het algemeen naar de systematische manipulatie, analyse en interpretatie van signalen om nuttige informatie te extraheren of specifieke doelen te bereiken. Het omvat een reeks technieken en methodologieën die geschikt zijn voor verschillende soorten signalen en toepassingen, van audio- en beeldverwerking tot telecommunicatie, biomedische technologie en wetenschappelijk onderzoek.
Digitale signaalverwerking (DSP) omvat specifieke stappen waarbij gebruik wordt gemaakt van digitale technieken en algoritmen om signalen te verwerken die worden weergegeven als reeksen binaire cijfers (bits):
- Digitale representatie: Het analoge signaal wordt met regelmatige tussenpozen bemonsterd om het om te zetten in een digitaal signaal in discrete tijd met behulp van analoog-naar-digitaal-conversie (ADC). Deze stap omvat het selecteren van een geschikte bemonsteringssnelheid om een nauwkeurige weergave van het originele analoge signaal te garanderen.
- Digitale filtering: Digitale filters worden op het digitale signaal toegepast om de frequentierespons te manipuleren of ongewenste ruis en artefacten te verwijderen. Digitale filtertechnieken omvatten impulsresponsfilters (FIR), oneindige impulsresponsfilters (IIR) en adaptieve filters, afhankelijk van de toepassingsvereisten voor frequentieselectiviteit en de faserespons.
- Transformatie: Signaaltransformatietechnieken zoals Fourier-transformaties, wavelet-transformaties of Z-transformaties worden gebruikt om het signaal om te zetten tussen tijdsdomein- en frequentiedomeinrepresentaties. Deze transformaties vergemakkelijken de analyse, filtering en interpretatie van signaalkarakteristieken in verschillende domeinen.
- Implementatie van algoritmen: Algoritmen voor digitale signaalverwerking worden geïmplementeerd om specifieke taken uit te voeren, zoals signaalanalyse, modulatie, demodulatie, codering, decodering of patroonherkenning. Deze algoritmen kunnen wiskundige bewerkingen, statistische analyses, signaalmodellering of machine learning-technieken omvatten, afhankelijk van het toepassingsdomein.
- Uitgangsreconstructie: Na verwerking kan het digitale signaal een reconstructie of synthese ondergaan om het naar analoge vorm te converteren met behulp van digitaal-naar-analoog conversie (DAC). Deze stap zorgt ervoor dat het verwerkte signaal kan worden uitgevoerd naar analoge apparaten of systemen voor verder gebruik of verzending.
Audiosignaalverwerking omvat specifieke stappen die geschikt zijn voor het manipuleren en verbeteren van audiosignalen, die vaak worden gebruikt in muziekproductie, telecommunicatie, multimediatoepassingen en spraakherkenning:
- Bemonstering en kwantisering: Analoge audiosignalen worden met regelmatige tussenpozen bemonsterd en met behulp van ADC’s gekwantiseerd tot discrete digitale waarden, waardoor een nauwkeurige weergave van de originele analoge golfvorm in digitale vorm wordt gegarandeerd.
- Filtering en egalisatie: Audiosignalen ondergaan filterprocessen om hun frequentierespons aan te passen met behulp van equalizers (EQS) en dynamisch bereikprocessors zoals compressoren en begrenzers. Deze processen vormen het timbre, de helderheid en de balans van audiosignalen om de gewenste audiokarakteristieken te bereiken.
- Effectverwerking: Audio-effectprocessors worden toegepast om het geluid van audiosignalen te wijzigen, inclusief reverb, delay, modulatie-effecten (chorus, vlucht), pitch shift en ruimtelijke verwerking. Deze effecten vergroten de creativiteit en het realisme bij de audioproductie, waardoor ruimtelijke diepte en textuur in geluidsopnamen worden gecreëerd.
- Compressie en codering: Audiosignalen kunnen worden gecomprimeerd met behulp van audiocodecs om de bestandsgrootte of de verzonden bandbreedte te verkleinen, terwijl de perceptuele kwaliteit behouden blijft. Codeertechnieken zoals pulscodemodulatie (PCM) of geavanceerde audiocodering (AAC) zorgen voor efficiënte opslag, verzending en weergave van digitale audiosignalen.
- Decoderen en afspelen: Verwerkte audiosignalen worden gedecodeerd van digitale naar analoge vorm met behulp van DACS voor weergave via luidsprekers of hoofdtelefoons. Deze stap reconstrueert de originele analoge golfvorm uit digitale samples, waardoor een nauwkeurige reproductie van het verwerkte audiosignaal met hoge betrouwbaarheid en helderheid wordt gegarandeerd.