2.1. ábra Általános DSP rendszermodell
A fenti ábrán egy tipikus digitális jelfeldolgozási rendszer, röviden DSP rendszer modelljének felépítését láthatjuk. A DSP által végzett operációk a következő csoportokba sorolhatók:
Analóg jel, jelek fogadása az input csatornán.
Ezen analóg jelek számokkal való ábrázolása, digitalizálása.
Bizonyos, a funkciót jelentő számítások elvégzése az így kapott értékhalmazon.
A számok visszakonvertálása analóg jelekké.
Persze az információ – amit megjeleníthetünk, tárolhatunk, vagy továbbíthatunk is – eközben feldolgozásra kerül. A modell csupán általánosságban vázolja az ilyen rendszerek működését.
A megvalósított megoldások szétszedhetők ezen részekre, de ezek kivitelezése már az adott technológiától vagy alkalmazástól erősen függ.
Tekintsük most ezen részek kicsit bővebb magyarázatát:
2.1 A bemenet és a jelérzékelő
Minden jelfeldolgozási folyamat egy úgynevezett jelérzékelő eszközzel (input transducer) kezdődik. Ennek feladata a probléma számára fontos fizikai vagy kémia hatás elektromos jellé való átalakítása. Ezen folyamat közben a mért jellemző egy egységes, folytonos jeltartományba képződik le, amely hűen, a műszer által biztosított pontosságon keresztül követi a fizikai ill. kémiai paraméter változását, pillanatnyi értékét. Ez az eszköz számtalan formát ölthet, lehet például egy antenna, de akár egy mikrofon is.
2.2 Jelrendezés és simítás
A jelrendezés és simítás legfőbb feladata, hogy a jelet megfelelő tartományba tolja illetve képezze le, hogy a további fokozatok számára biztosítsa a biztonságos működést, továbbá az ártalmas hatások elleni védelem is ezen kezdő fokozatban valósul meg. Általában erősítők és leválasztók, pl. optocsatolók képezik ezt a fokozatot.
2.3 Anti-alias ing szűrés
Maga az anti-aliasing szűrő egy aluláteresztő szűrő. Fő feladata, hogy az A/D átalakító, azaz a mintavételezés számára biztosítsa a megfelelő jelsebességet, korlátozva a jel változási sebességét. A rendszernek ez a része felelős azért, hogy az egész rendszer követni tudja a bemeneti jelet és annak változásait. Ha a bemeneti jel túl gyorsan változna, a rendszer képtelen lenne követni azt, így értékes információk veszhetnének el a jelből.
2.4 Analóg-digitális átalakító
Az A/D átalakítók legfőbb feladata, hogy az analóg, azaz a folytonos világ jeleit számokká, értékekké, vagyis jól meghatározott értékelési rendszerbe alakítsák át, azaz digitalizálják.
Tipikusan egy ilyen átalakítás diszkrét elektromos jeltartományba viszi át a jelet, és értelmezhetővé teszi azt a további részrendszerek számára. Az A/D átalakítók legfőbb jellemzője a konverzió sebessége (conversion rate) illetve a leképezés pontossága, felbontási finomsága (resolution). Míg az első a módszer sebességét jellemzi, addig a másik megmondja, hogy a kapott diszkrét értékek mennyire lesznek közel a valós értékhez. Az A/D átalakításnak számtalan módszere létezik, ezek tárgyalásával a villamosmérnöki szakkönyvek foglalkoznak.
2.5 Processzor
A „processzor” csak elvi elnevezés, inkább processzáló elemet, nem ténylegesen működő processzort jelent. Például ha célunk a jel erősítése, egy egyszerű erősítő vagy szorzó áramkör is lehet. Ezen rendszerrész fő feladata az elvégezni kívánt funkció, algoritmus megvalósítása az előző fokozat adatai alapján. Lényegében a rendszer lelkét képezi, működésének lényegét definiálja.
2.6 Program- és adattárolás
A program tárolása, a kívánt funkciót megvalósító algoritmus tárolását jelenti, míg az adatok ideiglenes tárolása vagy kiértékelése és továbbítása külön történik. Külön memóriában kerül
tárolásra a program, és külön az adatok. Ez így gyorsabb működést tesz lehetővé, mivel egy utasításvégrehajtási ciklus alatt az utasításkód begyűjtése és értelmezése (fetch) mellett az adatok külön buszrendszeren keresztül kerülnek továbbításra vagy beolvasásra. Ezt a számítógép-architektúrát a Harvard egyetemen fejlesztették ki, így kapta a Harvard-architektúra nevet. Legfőbb ismérve a fent említett adat- és programkód különválasztása, szemben a mai PC-s világ Neumann-alapú szervezésével.
2.7 Adattovábbítás
Az adattovábbítás és az adatok megőrzése a legfőbb erőssége a digitális rendszereknek, mert míg az analóg jelek a továbbítás, tárolás, feldolgozás során mindenféleképpen sérülnek, átalakulnak, információt veszítenek (például a mágnesszalag öregedése, másolása), addig a már digitalizált jelek gond nélkül, megfelelő eszközön akár nagyon hosszú ideig is információvesztés nélkül tárolhatók és akárhányszor felhasználhatók műveletvégzés céljából.
2.8 Adatmegjelenítés és felhasználói interakció
Nem minden DSP rendszer rendelkezik a felhasználói interakció vagy adatmegjelenítés képességével (pl. ABS fékrendszer). Azonban sokszor szükség lehet az emberi felügyeletre, vagy éppen az emberi tájékoztatás a cél. A funkció általában kijelzőkkel és pár vezérlőeszközzel (például kapcsolók, billentyűk) megoldható.
2.9 Digitális-analóg átalakító
Sok DSP rendszernek létezik valamilyen analóg kimenete a külvilág felé, ezért a digitális adatokat vissza kell alakítani elektromos jelekké, feszültség- vagy áramjellé, amit további rendszerekhez juttathatunk el. Ezt a feladatot végzik el a D/A átalakítók, melyek különböző rendű tartószervek alapján kerülnek megvalósításra. Tehát a digitális világ jeleit ismét visszahelyezzük valamely folytonos jeltartományba.
2.10 Kimeneti simítás
A D/A átalakítók kimeneti jelei igencsak szögletesek, tüskékkel terheltek, amelyek zavarokat okozhatnak az analóg jeltovábbítás vagy felhasználás területén. Ezért ezeket a jeleket simítani kell egy aluláteresztő szűrő segítségével. A különböző szűrők, így az aluláteresztők is későbbi fejezetek témái lesznek.
2.11 Kimeneti erősítő fokozat
Általában teljesítményerősítés, vagy impedanciaillesztés a fokozat lényege, a jelet a végső rész felé próbáljuk meg kondicionálni.
2.12 Kimeneti adó
A végleges kimeneti jelet visszahelyezzük a környezet valóságába, így a feszültség- vagy áramjelből más fizikai vagy kémiai jelet állítunk elő. Pl.: antenna, motor stb.
2.13 Gyors fejlődés
Mint már a bevezetőből is kiderült, ez a terület nemcsak gyorsan fejlődik, hanem áthatja jelenlegi alkalmazásainkat is. Igen sok nélkülözhetetlen algoritmust mondhat magáénak a DSP területe:
• FFT (Fast Fourier Transformation)
• Discrete Cosine Transformation (MPEG)
• Kódolási eljárások (Huffman, Trellis, Runlength...)
• Szűrők (FIR, IIR, Kalman, Notch...)
• Vektorműveletek (Dot product, cross product...)
• Mátrixműveletek
• Konvolúciók
• Numerikus integrálások, deriválások és egyéb algoritmusok Álljon itt néhány példa a jelen kor alkalmazásaira is informáló jelleggel:
• GPS (Global Positioning System)
• Rakéta célvezetés (Missile guidance)
• ABS (Adaptive Break System)
• Modem
• Mobiltelefonok (Cellular phones)
• 3D rotation in graphics, video cards