Оппенгейм - Применение цифровой обработки сигналов

Под редакцией Э. Оппенгейма Ргеп11се-На11, !пс., Епд!еюоой С!ИЬ, Нею Зегяеу 1978 Издательство «Мнр» Москва 1980 Арр!~сабопз о1 0~ц~1а! 8~цпа! Ргосезз~пц АПап У. ОррепЬе!гп, ЕЙ1ог МаыасЬыетЬ !пМИи1е от ТесЬпо1оду СагпЬгЫде, Мая. Применение цифровой обработки сигналов Перевод с английского под редакцией канд. техн. наук А. М. Рязанцева ДК 621.372.542 Редакция литературы по новой технике 2403000000 30401 †1 041(01) — 80 В книге рассматриваются применения цифровых методов для обработки сигналов в системах связи, геофизике, радио- и гидролокации, а также для анализа речевых сигналов и двумерных изображений.

Большое внимание уделено вопросам первичной обработки эхо-сигналов дальностно-доплеровских радио- и гидролокаторов. Использование цифровых методов в геофизике иллюстрируется на задачах, связанных с сейсмическими исследованиями и разведкой полезных ископаемых. Кинга представляет значительный интерес для научных работников и инженеров, использующих методы цифровой обработки сигналов.

© 1978 Ьу Ргеп11се-На11, 1пс. © Перевод на русский язык, «Мир» 1980 ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА Вопросам обработки сигналов, преобразованных в цифровую форму, посвящены многочисленные публикации в виде статей и книг. В большей части публикаций рассматриваются или алгоритмы цифровой обработки сигналов (ЦОС) определенного вида— речевых, радиолокационных, гидролокационных, изображений,— или устройства, используемые при такой обработке. Некоторые алгоритмы, например алгоритм быстрого преобразования Фурье, применяются для всех видов сигналов, другие — для некоторых из них.

В этой книге описаны применения ЦОС в разных областях техники, что позволяет проследить за особенностями реализации алгоритмов обработки сигналов с различными параметрами и искажениями, допускаемыми техническими требованиями к системе или свойствами органов восприятия человека. Сначала цифровые методы применялись для обработки речевых и сейсмических сигналов, имеющих сравнительно узкий частотный спектр. С увеличением быстродействия и объема памяти ЭВМ стало возможным проводить обработку более широкополосных сигналов в реальном времени, а также многоканальных и многомерных сигналов.

Целью обработки сигналов, в том числе цифровой, является решение двух задач: определение истинных параметров сигнала, искаженного действием помех или среды, через которую передается сигнал, и оценка влияния характеристик этой среды на параметры сигнала.

Авторы книги стремились сначала описать влияние среды на сигнал и определить ожидаемые изменения параметров сигнала в среде, т. е. оценить характеристики модели среды, а затем рассмотреть известные алгоритмы цифровой обработки, используемые для определения параметров первоначального сигнала или характеристик среды. Для основных алгоритмов обработки сигналов приводятся схемы их реализации на основе аналого-цифровых преобразователей, процессоров для быстрого преобразования Фурье и других устройств. Хотя принцип построения всех глав книги один и тот же, при изложении материала наблюдаются различия. Это объясняется спецификой излагаемых вопросов и, по-видимому, научными интересами авторов.

Так, при описании цифровой обработки речевых Предисловие редактора перевода и сейсмических сигналов, а также сигналов изображений много места отведено алгоритмам. В главах, посвященных обработке гидроакустических и звуковых сигналов, большое внимание уделяется физическим процессам, происходящим при распространении сигналов в воде и закрытых помещениях.

В главе по обработке сигналов в радиолокационных системах более полно описываются этапы и устройства поточной схемы обработки сигналов. Дополнительные сведения по затронутым в книге вопросам приведены в тематическом выпуске журнала «Труды института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике» по цифровой обработке сигналов (1975, том 63, № 4). Цифровой обработке сигналов изображений посвящена монография Л. П. Ярославского «Введение в цифровую обработку изображений». М.: Советское радио, 1979. Данная книга, отражающая достижения цифровой обработки сигналов, несомненно, окажет большую помощь при создании новых цифровых систем как в описанных областях техники, так и во многих других. В частности, все большее применение находит ЦОС в комплексной медицинской диагностике, комплексном, или системном, изучении океана и атмосферы.

Перевод выполнен канд. техн. наук Ю. Н. Александровым (главы 5, 6), А. Л. Зайцевым (предисловие, главы 2, 4, 7), канд. техн. наук Э. Г. Назаренко (глава 1), Н. Н. Тетекиным (глава 3). А. М. Рязанцев ПРЕДИСЛОВИЕ Цифровая обработка сигналов (ЦОС) интенсивно развивается уже свыше десяти лет. За этот период разработаны новые алгоритмы, создана прогрессивная технология производства электронных устройств и расширено применение ЦОС. Совершенствование технологии позволило перейти от дискретных полупроводниковых приборов к большим и сверхбольшим интегральным схемам с плотностью свыше тысячи элементов на кристалл. Кроме того, повысилась роль аналоговых устройств хранения и обработки данных, таких, как приборы с зарядовой связью. Создание недорогих быстродействующих микропроцессоров и возрастающие возможности специальных микросхем с высокой степенью интеграции позволяют надеяться на практическое использование все более сложных алгоритмов.

Например, сравнительно недавно реализация многих интересных с теоретической точки зрения систем сжатия речи считалась нецелесообразной из-за того, что при спектральном анализе с высоким разрешением на основе быстрого преобразования Фурье требуются высокопроизводительные процессоры. Благодаря достигнутому уровню технологии приборов с зарядовой связью, используемых в устройствах спектрального анализа и фильтрах с конечными импульсными характеристиками, стало возможным создавать некоторые считавшиеся ранее нерентабельными системы обработки речи на основе небольшого количества больших интегральных схем. Этот и подобные примеры показывают, что ЦОС имеет весьма благоприятные перспективы развития, обусловленные, в частности, успехами технологии. По мере расширения областей применения цифровых методов важное значение приобретают вопросы сходства и различия в использовании основных методов и аппаратуры ЦОС в разных областях техники.

Различия отчасти можно объяснить тем, что исходные предпосылки и ограничения, такие, как скорость передачи данных, требование работы в реальном времени и т. д., не одинаковы. Однако в ряде случаев различия возникали просто из-за недостаточного обмена информацией между разными областями техники, и часто знакомство с методами применения ЦОС в одной области техники способствовало успеху в другой. В данной книге обсуждается ряд важных применений ЦОС в различных областях техники за последние десять лет. В некоторых Предисловие из них, таких, как обработка речевых и сейсмических сигналов, методы ЦОС применялись с самого начала, что во многом способствовало их совершенствованию. В других случаях, например при .обработке звуковых сигналов, раньше использовали главным обра.зом аналоговые методы и лишь недавно стали переходить на цифровые методы, что обусловлено снижением стоимости аппаратуры.

Однако становится все более очевидным, что успехи современной технологии приближают нас к качественному скачку в обработке звуковых сигналов. Причины использования ЦОС в различных отраслях техники весьма разнообразны. В некоторых случаях, таких, как обработка радиолокационных, гидролокационных и сейсмических сигналов, основными соображениями в пользу применения методов ЦОС являются их универсальность и высокая точность. В других случаях, например при обработке речевых и звуковых сигналов, существенным фактором становится ожидаемый долгосрочный выигрыш в стоимости. При написании каждой из глав этой книги преследовались две основные цели. Прежде всего авторы хотели изложить предварительные сведения и дать основополагающие принципы соответствующей области техники для тех читателей, которые знакомы с основами ЦОС, но не являются специалистами в данной области ее применения.

Методы ЦОС, используемые в разных областях техники, наряду с многими общими чертами имеют свои особенности, и нет сомнения в том, что глубокое понимание влияния этих методов на одну область знания будет в сильной степени способствовать развитию другой области знаний. Кроме того, авторы стремились показать современное состояние цифровой обработки сигналов в рассматриваемой области техники, что, несомненно, представит интерес для специалистов в этой области.

Поэтому мы надеемся, что каждая глава в отдельности и вся книга в целом заинтересуют широкий круг специалистов. Это будет способствовать созданию новых методов и появлению новых идей в ЦОС. Хочется выразить благодарность всем соавторам за тщательность, с которой они готовили свои главы, а также за выполнение в срок различных этапов работы. Подготовка главы для коллективной монографии неизменно требует больше времени и усилий, чем ожидается вначале. Многие соавторы откладывали другие свои обязательства с тем, чтобы обеспечить выход книги в срок.