Введение в цифровую обработку сигналов
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Общенаучное знание и теории
Издательство:
Инфра-Инженерия
Автор:
Улахович Дмитрий Андреевич
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 436
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-1128-8
Артикул: 808540.02.99
Рассматривается обобщённая схема цифровой обработки аналогового сигнала, понятие режима реального времени, понятие нормированного времени, изучаются типовые дискретные сигналы. Дано описание линейных дискретных систем (ЛДС) во временной области: свойства, условия физической реализуемости, разностные уравнения, рекурсивные и нерекурсивные ЛДС. Приводится пример экспресс-анализа частотных характеристик, устанавливается взаимосвязь между временными, операторными и частотными характеристиками ЛДС. Изучается арифметика и квантование чисел в цифровых системах. Даются основы цифрового спектрального анализа. Исследуется дискретизация относительно узкополосных сигналов, преобразования спектра, изучается дискретное преобразование Фурье. Изложен принцип организации многоскоростной обработки сигналов: однократных и многократных систем децимации и интерполяции, а также способы реализации интерполяторов и дециматоров. Изучаются методы компандирования речевых сигналов. Для студентов, аспирантов, преподавателей вузов связи. Учебник может быть полезен инженерам, занимающимся разработкой цифровых систем связи.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 11.03.02: Инфокоммуникационные технологии и системы связи
- ВО - Магистратура
- 11.04.02: Инфокоммуникационные технологии и системы связи
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Д. А. Улахович ВВЕДЕНИЕ В ЦИФРОВУЮ ОБРАБОТКУ СИГНАЛОВ Учебник Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023 1
УДК 004.383.3 ББК 32.811.3 У47 Рецензенты: зав. кафедрой теоретических основ электротехники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» д-р техн. наук, проф. Е. Б. Соловьёва; профессор кафедры автоматизированных систем управления и связи Военной академии связи им. Маршала Советского Союза С. М. Будённого д-р техн. наук, проф. А. М. Чуднов Улахович, Д. А. У47 Введение в цифровую обработку сигналов : учебник / Д. А. Улахович. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 436 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-1128-8 Рассматривается обобщённая схема цифровой обработки аналогового сигнала, понятие режима реального времени, понятие нормированного времени, изучаются типовые дискретные сигналы. Дано описание линейных дискретных систем (ЛДС) во временнóй области: свойства, условия физической реализуемости, разностные уравнения, рекурсивные и нерекурсивные ЛДС. Приводится пример экспресс-анализа частотных характеристик, устанавливается взаимосвязь между временными, операторными и частотными характеристиками ЛДС. Изучается арифметика и квантование чисел в цифровых системах. Даются основы цифрового спектрального анализа. Исследуется дискретизация относительно узкополосных сигналов, преобразования спектра, изучается дискретное преобразование Фурье. Изложен принцип организации многоскоростной обработки сигналов: однократных и многократных систем децимации и интерполяции, а также способы реализации интерполяторов и дециматоров. Изучаются методы компандирования речевых сигналов. Для студентов, аспирантов, преподавателей вузов связи. Учебник может быть полезен инженерам, занимающимся разработкой цифровых систем связи. УДК 004.383.3 ББК 32.811.3 ISBN 978-5-9729-1128-8 Улахович Д. А., 2023 Захарова М. А., обложка, 2023 Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 2
«Практическая деятельность человека представляет чрезвычайное разнообразие, и для удовлетворения всех её требований, разумеется, недостаёт науке многих и различных метод. Но из них особую важность имеют те, которые необходимы для решения различных видоизменений одной и той же задачи, общей для всей практической деятельности человека: как располагать средствами своими для достижения по возможности большей выгоды?» П. Л. Чебышёв 3
ОГЛАВЛЕНИЕ Принятые сокращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Г л а в а 1. Основные понятия цифровой обработки сигналов . . . . 14 1.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.1.1. Предмет дисциплины ЦОС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.1.2. Достоинства и недостатки ЦОС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2. Классификация сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.2.1. Основные типы сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.2.2. Цифровой сигнал . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.2.3. Типовые дискретные (цифровые) сигналы . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.2.4. Свойство селективности цифрового единичного импульса . . . . . . 29 1.3. Обобщённая схема цифровой обработки аналогового сигнала . . . 29 1.3.1. Режим реального времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 32 1.3.2. Принцип построения структурной схемы передачи речевых сообщений с использованием ЦОС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Г л а в а 2. Линейные дискретные системы (ЛДС) . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.1. Определение и свойства линейных дискретных систем (ЛДС). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2. Описание ЛДС во временной области . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.2.1. Понятия о разностных уравнениях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.2.2. Рекурсивные и нерекурсивные ЛДС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.2.3. Временные характеристики линейных дискретных систем . . . . . . 53 44 2.3. Устойчивость ЛДС, критерий устойчивости во временной области . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Г л а в а 3. Описание ЛДС в Z-области . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.1. Определение и основные свойства Z-преобразования . . . . . . . . 56 3.1.1. Определение Z-преобразования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.1.2. Основные свойства Z-преобразования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.1.3. Z-изображения функций типовых дискретных сигналов . . . . . . . 59 3.1.4. Обратное Z-преобразование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.2. Передаточные функции линейных дискретных систем . . . . . . . . 68 3.2.1. Определение передаточной функции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.2.2. Нули и полюсы передаточной функции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.2.3. Виды передаточных функций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4
3.2.4. Оценка устойчивости рекурсивной ЛДС по передаточной функции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.2.5. Карта нулей и полюсов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.3. Структурные схемы линейных дискретных систем . . . . . . . . . . . 79 3.3.1. Структуры нерекурсивных (КИХ) ЛДС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.3.2. Структуры рекурсивных (БИХ) ЛДС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Г л а в а 4. Частотные характеристики линейных дискретных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.1. Нормирование частоты. Основная полоса частот . . . . . . . . . . . . . 92 4.2. Определение частотных характеристик ЛДС . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.3. Свойства частотных характеристик ЛДС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.4. Расчёт частотных характеристик ЛДС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.5. Экспресс-анализ частотных характеристик . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.5.1. Экспресс-анализ частотных характеристик звена 1-го порядка . . 105 4.5.2. Экспресс-анализ частотных характеристик звена 2-го порядка . . 107 4.6. Взаимосвязь между характеристиками ЛДС . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Г л а в а 5. Арифметика и квантование чисел в цифровых системах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.1. Способы квантования чисел . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.1.1. Источники шума (ошибок) квантования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.1.2. Формы представления данных. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.1.3. Квантование чисел с фиксированной точкой . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.1.4. Кодирование чисел с фиксированной точкой . . . . . . . . . . . . . . . . 122 5.2. Шум аналого-цифрового преобразования . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.2.1. Собственный шум АЦП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.2.2. Шум АЦП, приведённый к выходу цифровой системы . . . . . . . 126 5.3. Собственный шум цифровой системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.3.1. Собственный шум умножителя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 5.3.2. Полный собственный шум цифровой системы . . . . . . . . . . . . . . 132 5.3.3. Полный выходной шум цифровой системы . . . . . . . . . . . . . . . . 135 5.4. Эффекты квантования коэффициентов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 5.4.1. Влияние квантования коэффициентов на характеристики ЛДС. . . 135 5.4.2. Понятия о предельных циклах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 5.4.3. Переполнение в сумматорах и коэффициенты масштабирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Г л а в а 6. Цифровые фильтры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 6.1. Основные определения и классификации цифровых фильтров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 5
6.1.1. Задание требований к цифровым фильтрам . . . . . . . . . . . . . . . . 144 6.1.2. Условия безыскажённой передачи сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . 149 6.2. КИХ-фильтры с линейной фазочастотной характеристикой . . . . 154 6.2.1. Утверждение о КИХ-фильтрах с линейной ФЧХ . . . . . . . . . . . . 154 6.2.2. Свойства КИХ-фильтров с линейной ФЧХ . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 6.3. Однородный фильтр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 6.3.1. Определение и структурные схемы однородного фильтра . . . . . 172 6.3.2. Частотные характеристики однородного фильтра . . . . . . . . . . . 174 6.3.3. Свойства однородных фильтров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 6.4. Синтез КИХ-фильтров методом окон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 6.4.1. Постановка задачи. Определение метода . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 6.4.2. Явление Гиббса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 6.4.3. Примеры окон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 6.4.4. Методика синтеза КИХ-фильтров на основе окон . . . . . . . . . . . 190 6.5. Синтез оптимальных (по Чебышёву) КИХ-фильтров . . . . . . . . . 194 6.5.1. Постановка задачи оптимального синтеза . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 6.5.2. Процедура решения задачи. Понятие о критерии Чебышёва . . . . 198 6.5.3. Полиномиальный обменный алгоритм Ремеза . . . . . . . . . . . . 207 6.6. Блочные КИХ-фильтры с целочисленными коэффициентами . . . 214 6.7. Синтез БИХ-фильтров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 6.7.1. Синтез БИХ-фильтров методом инвариантности импульсной характеристики аналогового прототипа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 6.7.1.1. Постановка задачи синтеза и её решение . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 6.7.1.2. Свойства БИХ-фильтров, синтезируемых методом инвариантности импульсной характеристики . . . . . . . . . . . . . . . 224 6.7.2. Синтез БИХ-фильтров методом билинейного Z-преобразования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 6.7.2.1. Определение билинейного Z-преобразования . . . . . . . . . . . . . . 226 6.7.2.2. Свойства билинейного Z-преобразования . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 6.7.2.3. Методика синтеза цифровых фильтров при билинейном Z-преобразовании . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 6.7.2.4. Расстановка и структура звеньев . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Г л а в а 7. Основы цифрового спектрального анализа . . . . . . . . . . . 243 7.1. Преобразование Фурье цифровых (дискретных) сигналов и его свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 7.1.1. Свойства спектров дискретных сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 7.1.2. Связь между спектрами аналогового и дискретного сигналов . . . 248 7.1.3. Дискретизация относительно узкополосных сигналов . . . . . . . . 253 7.1.4. Сдвиг (перенос) спектра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 6
7.1.5. Инверсия спектра вещественного сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 7.1.6. Формирование сигнала с одной боковой полосой . . . . . . . . . . . 265 7.1.7. Выбор частоты дискретизации при переносе спектра узко-полосного ВЧ сигнала в область нижних частот . . . . . . . . . 269 7.2. Дискретное преобразование Фурье . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 7.2.1. Определение дискретного преобразования Фурье (ДПФ) . . . . . . 275 7.2.2. Свойства ДПФ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 7.2.3. Пример вычисления ДПФ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 7.3. Быстрое преобразование Фурье (БПФ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 7.3.1. Алгоритм БПФ с прореживанием по времени . . . . . . . . . . . . . . . 286 7.3.2. Эффективность алгоритма БПФ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 7.3.3. Организация вычислений БПФ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 7.4. Применение алгоритма БПФ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 7.4.1. Вычисление обратного ДПФ (ОДПФ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 7.4.2. Вычисление свёрток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 7.4.3. Вычисление реакции ЛДС с использованием БПФ . . . . . . . . . . . 300 7.4.4. Пример решения задачи вычисления 4-точечного ДПФ . . . . . . . 301 7.4.5. Процедура формирования бит-реверсивного адреса . . . . . . . . . . 304 7.5. Дискретное преобразование Хартли (ДПХ) . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 Г л а в а 8. Специальные фильтры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 8.1. Цифровой преобразователь Гильберта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 8.1.1. Понятие о преобразовании Гильберта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 8.1.2. Дискретное преобразование Гильберта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 8.1.3. Частотные характеристики цифровых преобразователей Гильберта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 8.1.4. Импульсная характеристика ЦПГ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 8.1.5. Задание требований к цифровым преобразователям Гильберта . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 8.2. Цифровые согласованные КИХ-фильтры . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 8.2.1. Определение и основные характеристики согласованного фильтра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 8.2.2. Импульсная характеристика СФ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 8.2.3. Решающая схема обнаружителя сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 8.3. Амплитудные корректоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 8.4. Фазовые корректоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 8.4.1. Понятия о фазовом корректировании . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 8.4.2. Фазовые звенья . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 8.5. Адаптивные фильтры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 8.5.1. Назначение и место адаптивных фильтров . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 7
8.5.2. Принцип работы адаптивных фильтров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 8.5.3. Основное свойство адаптивного шумоподавителя . . . . . . . . . . . 350 8.5.4. Выбор критерия оценивания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 8.5.5. Оптимальное нерекурсивное винеровское оценивание . . . . . . . . 353 8.6. Медианная фильтрация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 Г л а в а 9. Многоскоростная обработка сигналов . . . . . . . . . . . . . . 366 9.1. Система децимации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 9.1.1. Однократные системы децимации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 9.1.2. Спектральное представление децимации . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370 9.1.3. Многократные системы децимации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 9.2. Системы интерполяции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 9.3. Преобразование частоты дискретизации с рациональным коэффициентом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 9.4. Способы реализации интерполяторов и дециматоров . . . . . . . . 382 9.4.1. Реализация интерполяторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 9.4.2. Реализация дециматоров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 Г л а в а 10. Цифровая обработка речевых сигналов . . . . . . . . . . . . 387 10.1. Методы компандирования речевых сигналов . . . . . . . . . . . . . . 388 10.1.1. Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388 10.1.2. Компрессия сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389 10.2. Введение в линейное предсказание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395 10.2.1. Постановка задачи линейного предсказания . . . . . . . . . . . . . . . 396 10.2.2. Вычисление коэффициентов линейного предсказания . . . . . . . . 400 10.3. Понятия о линейных спектральных корнях (ЛСК) . . . . . . . . . . . 405 10.4. Принцип построения вокодеров с линейным предсказанием . . . 411 10.4.1. Основные параметры и характеристики речевого сигнала . . . . . 412 10.4.2. Структурная схема вокодера с линейным предсказанием . . . . . . 416 10.5. Векторное квантование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419 Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428 8
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ АК – амплитудный корректор АМ – амплитудная модуляция АФ – адаптивный фильтр АЦП – аналого-цифровой преобразователь БИХ – бесконечная импульсная характеристика БПФ – быстрое преобразование Фурье БУГП – бесконечно убывающая геометрическая прогрессия ГВЗ – групповое время задержки ДПГ – дискретное преобразование Гильберта ДПФ – дискретное преобразование Фурье ДПХ – дискретное преобразование Хартли КИХ – конечная импульсная характеристика КНП – карта нулей и полюсов КФНЧ – комплексный фильтр нижних частот КЧХ – комплексная частотная характеристика ЛДС – линейная дискретная система ЛП – линейное предсказание ЛСК – линейные спектральные корни ЛСП – линейные спектральные пары МНК – метод наименьших квадратов МСИ – межсимвольная интерференция ННУ – нулевые начальные условия НУ – начальные условия ОБП – одна боковая полоса ОДПФ – обратное дискретное преобразование Фурье ОПС – однополосный сигнал ОТ – основной тон ОФ – однородный фильтр ПЗ – полоса задерживания ПЛИС – программируемая логическая интегральная схема ПП – полоса пропускания ПТ – плавающая точка ПФ – передаточная функция ПФДС – преобразование Фурье дискретного сигнала РП – речевой поток РС – речевой сигнал РУ – разностное уравнение С/Ш – сигнал/шум СКО – среднеквадратичная ошибка 9
СЛЗ – согласующая линия задержки СФ – согласованный фильтр Ф3 – фиксированная запятая ФЗ-1 – фазовое звено 1-го порядка ФК – фазовый корректор ФТ – фиксированная точка ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь ЦОС – цифровая обработка сигналов ЦПГ – цифровой преобразователь Гильберта ЦПОС – цифровой процессор обработки сигналов ЦС – цифровая система ЧРК – частотное разделение каналов ЧТ – частотный тракт ЭЗ – элемент задержки 10