Przetwarzanie sygnału obejmuje kilka etapów, które mogą się różnić w zależności od konkretnego zastosowania i charakteru przetwarzanych sygnałów:
- Akwizycja: ten krok polega na przechwyceniu lub pozyskaniu surowego sygnału ze źródła. W przetwarzaniu sygnału analogowego może to obejmować czujniki, przetworniki lub inne urządzenia przekształcające zjawiska fizyczne na sygnały elektryczne. W cyfrowym przetwarzaniu sygnału (DSP) akwizycja zazwyczaj polega na próbkowaniu sygnału analogowego w regularnych odstępach czasu przy użyciu przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) w celu uzyskania reprezentacji cyfrowej.
- Przetwarzanie wstępne: Przetwarzanie wstępne obejmuje filtrowanie i kondycjonowanie pozyskanego sygnału w celu usunięcia niepożądanych szumów, artefaktów lub zniekształceń, które mogły zostać wprowadzone podczas pozyskiwania lub transmisji. Techniki filtrowania, takie jak filtry dolnoprzepustowe, górnoprzepustowe, środkowoprzepustowe lub wycinające, są powszechnie stosowane w celu selektywnego tłumienia lub przepuszczania określonych częstotliwości sygnału.
- Ekstrakcja cech: W wielu zastosowaniach przetwarzania sygnału ekstrakcja cech ma kluczowe znaczenie dla identyfikacji odpowiednich cech lub wzorców w sygnale. Ten etap obejmuje analizę wstępnie przetworzonego sygnału w celu wyodrębnienia określonych cech lub parametrów, które są istotne dla celów aplikacji. Na przykład w rozpoznawaniu mowy ekstrakcja cech może obejmować ekstrakcję cech widmowych, takich jak współczynniki częstotliwości Mel CEPSstral (MFCC).
- Przetwarzanie i analiza: Ten etap polega na zastosowaniu algorytmów matematycznych, przekształceń lub operacji do wyodrębnionych cech lub całego sygnału. W cyfrowym przetwarzaniu sygnałów obejmuje to zazwyczaj operacje takie jak transformaty Fouriera, splot, korelacja, analiza statystyczna lub algorytmy uczenia maszynowego, w zależności od wymagań aplikacji.
- Przetwarzanie końcowe: Przetwarzanie końcowe obejmuje dalsze filtrowanie, ulepszanie lub modyfikację przetworzonego sygnału w celu uzyskania pożądanej charakterystyki wyjściowej. Ten etap może obejmować zastosowanie operacji odwrotnych w celu rekonstrukcji lub udoskonalenia sygnału, zastosowanie pętli sprzężenia zwrotnego do przetwarzania adaptacyjnego lub przygotowanie sygnału do dalszej transmisji lub przechowywania.
Proces przetwarzania sygnałów ogólnie odnosi się do systematycznej manipulacji, analizy i interpretacji sygnałów w celu wydobycia przydatnych informacji lub osiągnięcia określonych celów. Obejmuje szereg technik i metodologii odpowiednich dla różnych typów sygnałów i zastosowań, od przetwarzania dźwięku i obrazu po telekomunikację, inżynierię biomedyczną i badania naukowe.
Cyfrowe przetwarzanie sygnału (DSP) obejmuje określone kroki, które wykorzystują techniki i algorytmy cyfrowe do przetwarzania sygnałów reprezentowanych jako ciągi cyfr binarnych (bitów):
- Reprezentacja cyfrowa: Sygnał analogowy jest próbkowany w regularnych odstępach czasu w celu przekształcenia go w sygnał cyfrowy o czasie dyskretnym przy użyciu konwersji analogowo-cyfrowej (ADC). Ten krok obejmuje wybór odpowiedniej częstotliwości próbkowania, aby zapewnić dokładne odwzorowanie oryginalnego sygnału analogowego.
- Filtrowanie cyfrowe: Filtry cyfrowe są stosowane do sygnału cyfrowego w celu manipulowania jego charakterystyką częstotliwościową lub usuwania niepożądanych szumów i artefaktów. Cyfrowe techniki filtrowania obejmują filtry odpowiedzi impulsowej (FIR), filtry odpowiedzi impulsowej o nieskończonej odpowiedzi (IIR) i filtry adaptacyjne, w zależności od wymagań aplikacji dotyczących selektywności częstotliwościowej i odpowiedzi fazowej.
- Transformacja: Techniki transformacji sygnału, takie jak transformaty Fouriera, transformaty falkowe lub transformaty Z, są wykorzystywane do konwersji sygnału pomiędzy reprezentacjami w dziedzinie czasu i częstotliwości. Transformacje te ułatwiają analizę, filtrowanie i interpretację charakterystyk sygnału w różnych domenach.
- Implementacja algorytmów: Algorytmy przetwarzania sygnału cyfrowego są implementowane w celu wykonywania określonych zadań, takich jak analiza sygnału, modulacja, demodulacja, kodowanie, dekodowanie lub rozpoznawanie wzorców. Algorytmy te mogą obejmować operacje matematyczne, analizę statystyczną, modelowanie sygnałów lub techniki uczenia maszynowego, w zależności od dziedziny aplikacji.
- Rekonstrukcja sygnału wyjściowego: Po przetworzeniu sygnał cyfrowy można poddać rekonstrukcji lub syntezie w celu przekształcenia go w postać analogową za pomocą konwersji cyfrowo-analogowej (DAC). Ten krok zapewnia, że przetworzony sygnał może zostać przekazany do urządzeń lub systemów analogowych w celu dalszego wykorzystania lub transmisji.
Przetwarzanie sygnału audio obejmuje określone kroki odpowiednie do manipulowania i wzmacniania sygnałów audio, powszechnie stosowanych w produkcji muzycznej, telekomunikacji, zastosowaniach multimedialnych i rozpoznawaniu mowy:
- Próbkowanie i kwantyzacja: Analogowe sygnały audio są próbkowane w regularnych odstępach czasu i kwantowane na dyskretne wartości cyfrowe za pomocą przetworników ADC, zapewniając dokładne odwzorowanie oryginalnego przebiegu analogowego w formie cyfrowej.
- Filtrowanie i korekcja: Sygnały audio poddawane są procesom filtrowania w celu dostosowania ich charakterystyki częstotliwościowej za pomocą korektorów (EQS) i procesorów zakresu dynamiki, takich jak kompresory i ograniczniki. Procesy te kształtują barwę, klarowność i równowagę sygnałów audio, aby osiągnąć pożądaną charakterystykę dźwięku.
- Przetwarzanie efektów: Procesory efektów audio służą do modyfikowania dźwięku sygnałów audio, w tym pogłosu, opóźnienia, efektów modulacyjnych (chór, lot), zmiany wysokości tonu i przetwarzania przestrzennego. Efekty te zwiększają kreatywność i realizm w produkcji dźwięku, tworząc przestrzenną głębię i teksturę w nagraniach dźwiękowych.
- Kompresja i kodowanie: Sygnały audio można kompresować za pomocą kodeków audio, aby zmniejszyć rozmiar pliku lub przesyłaną przepustowość, zachowując jednocześnie jakość percepcyjną. Techniki kodowania, takie jak modulacja impulsowo-kodowa (PCM) lub zaawansowane kodowanie audio (AAC), zapewniają wydajne przechowywanie, transmisję i odtwarzanie cyfrowych sygnałów audio.
- Dekodowanie i odtwarzanie: Przetworzone sygnały audio są dekodowane z postaci cyfrowej na analogową przy użyciu systemu DACS w celu odtwarzania przez głośniki lub słuchawki. Ten krok rekonstruuje oryginalny przebieg analogowy z próbek cyfrowych, zapewniając dokładną reprodukcję przetworzonego sygnału audio z wysoką wiernością i przejrzystością.