Айфичер Э., Джервис Б. Цифровая обработка сигналов, практический подход (2-е изд., 2004), страница 8

1.5. Здесь импульсная характеристика фильтра Цп), п = О, 1,..., )т' — 1, с помощью ДПФ преобразуется в частотную. Более подробно дискретное преобразование Фурье и его применение описано в главах 3, 4 и 11. 38 Глава 1. Введение 1.3.5. Модуляция Цифровые сигналы редко передаются на большие расстояния или хранятся в большом объеме в необработанном виде. Обычно сигналы модулируются таким образом, чтобы их частотные характеристики совпадали с характеристиками средств передачи и/или хранения, для минимизации искажения сигнала, зффективного использования доступной ширины полосы и придания сигналам некоторых желаемых свойств. Наиболее интенсивно модуляция сигнала используется в связи и цифровых аудиосистемах.

Процесс модуляции часто приводит к изменению свойств высокочастотного сигнала, известного как несуи1ая частота, в соответствии с сигналом, который нужно передать или сохранить, называемым модулируюи1им сиглалолс Три самые распространенные схемы цифровой модуляции для передачи цифровой информации по широкополосному каналу (например, радиорелейной линии) — зто амплитудная (апзр11шде зЫЙ 1сеу1пй — АЯК), фазовая (Ревазе зЬ1й йеу1пд — РБК) и частотная манипуляции (Ггеоцепсу з)з1й йеу1пй — ЕВК). Если цифровые данные передаются по полностью цифровой сети, обычно пользуются схемой, известной как импульсно-кодовая модуляция (ри1зе соде шо<1и!а11оп — РСМ) (см., например, [21). Для цифровых аудиосистем было разработано несколько других схем модуляции, подробнее о них можно прочитать в работе (21).

1.4. Процессоры для цифровой обработки сигнала, Системы ЦОС характеризуются выполнением операций в реальном времени, причем акцент делается на высокой пропускной способности, а использование алгоритмов требует интенсивных арифметических операций, в особенности, умножения и сложения или умножения-накопления. Это приводит к большому потоку информации через процессор. Структура стандартных микропроцессоров не удовлетворяет характеристикам ЦОС, и зто послужило толчком для развития нового вида процессоров, структура и набор команд которых предназначены специально для операций ЦОС. Новые процессоры, или чипы ЦОС, имеют следующие особенности.

° Встроенные умножители, позволяющие быстро выполнять операции умножения. Новые чипы ЦОС содержат однотактовые команды умножения-накопления, а в некоторых есть несколько умножителей, работающих параллельно. ° Отдельные шины!области памяти для программ и данных (хорошо известная гарвардская архитектура, которая позволяет перекрываться во времени процессам извлечения команд из памяти и их выполнения). ° Команды„содержащие циклы, которые используются для ветвления и образования циклов.

Например, следующие команды для процессора ТМ5320С25 (Техаз 1пзццшепьз) значительно уменьшают количество циклов и размер программы цифрового фильтра. КРТК И ;повторить следующую команду И раз НАСР ;занести данные в память, умножить и накопить с задержкой 1.5. Обюр реальных областей применения ЦОС ° Очень большая скорость.

Например, в процессоре ТМБ320С25 тактовая частота равна 40 МГц, а время одного такта — 100 нс. ° Использование конвейерной обработки, что сокращает время, необходимое для выполнения команд, и увеличивает скорость. Новые чипы ЦОС быстрее и многофункциональнее, Сегодня некоторые из них обладают способностью выполнять арифметические действия с плавающей запятой и содержат такие черты стандартных микропроцессоров, как линии последовательной передачи, расширенная область памяти, таймеры и многоуровневые системы прерываний.

Более подробно о чипах ЦОС и их применении рассказывается в главах 12-14, 1.5. Обзор реальных областей применеьэнйчя ЦОС Методы ЦОС лежат в основе многих новых и только появляющихся продуктов н приложений, связанных с цифровой информацией, которые поддерживают существование информационного общества. Таким продуктам и приложениям часто приходится собирать, обрабатывать, анализировать, передавать, выводить на экран и/или сохранять реально существующую информацию, иногда в реальном времени. Возможности методов ЦОС обрабатывать реальную информацию в цифровом виде позволяют создавать доступные, технически прогрессивные продукты и приложения высокого качества для широкого потребительского рынка (например, цифровые сотовые мобильные телефоны, цифровое телевидение и видеоигры).

Сильное влияние ЦОС также заметно в таких областях, как медицина и здравоохранение (например, при наблюдении за пациентами в интенсивной терапии, в цифровых рентгеновских аппаратах, передовом кардиологическом оборудовании и системах составления карт мозговой деятельности), цифровые аудиосистемы (например, проигрыватели компакт-дисков, звуковые микшеры н электронная музыка) и системы для персональных компьютеров (например, диски для эффективного хранения информации и коррекции ошибок, модемы, звуковые карты и организация видеоконференций). Благотворное влияние методов ЦОС на то, как мы живем, работаем и отдыхаем, показано на рис. 1.6.

В следующих трех разделах будут более подробно описаны некоторые технически прогрессивные приложения, причем основное внимание будет уделяться аспектам цифровой обработки данных в этих приложениях. 1.6: Применение ЦОС при записи и воспроиьзведении'звукач , 1.6.1, Цифровое микширование Цифровое микширование звука — это отличный пример успешного применения ЦОС для улучшения качества записи и воспроизведения звука, а также повышения функциональности системы. Глава 1. Введение 40 Рне. 1.б. Примеры применения методов ЦОС в современной жизни Микширование звука применяется в профессиональных и полупрофессиональных аудиоприложениях, например, для студийной звуюзаписи, радиовещания, при усилении звука и в системах публичных выступлений. Микшер позволяет регулировать, смешивать и выводить на экран характеристики многоканальных аудиосигналов от различных источников для подстройки нх под требования определенных приложений.

Цифровая система микширования состоит из средств аудновыравнивания, аудиомикширования и обработки после микширования (рис. 1.7). Цифровой аудиоэквалайзер— это набор цифровых фильтров с регулируемыми характеристиками, т.е. с возможностью выполнять действия над различными частями полос входного спектра аудиосистемы для достижения желаемого звука (например, усиливать или обрезать определенные тона) подобно настройке высоких и низких частот. Затем выровненные звуковые сигналы смешиваются с помощью матрицы смешивания (позволяет смешивать любой произвольный звуковой вход с любым выходом).

После смешивания обработка сигнала может продолжаться путем реверберации и выравнивания. Система микширования обладает такими интерактивными средствами юнтроля для управления параметрами микшера, такими как значения операторов микшера (регуляторов уровня сигнала) и параметры контроля эквалайзера (частота, добротность и коэф- !.Б. Применение цОС при записи и воспроизведении звука 41 Обрлвотонный аулновнхол Весенне Млнссншллм Рнс. !.7.

упрощенная Ьяоксхсмл Ннфровой стереосистемы микширования нл 32 входя н ! й выходов фициент усиления фильтра), в реальном времени. Одна из сложных проблем цифрового микширования звука — это достижение пользовательского контроля над параметрами микшера при относительно высокой скорости обработки данных без заметных искажений [б]. Каждый раз, когда пользователь передвигает рычаги управления, параметры микшера должны изменяться, чтобы соответствовать новым требованиям, Такая регулировка может привести к заметным искажениям, что недопустимо в профессиональных системах смешивания звука. Как говорится в работе [б) и в главе 12, тщательное следование алгоритму смешивания является главным условием достижения профессионального уровня звучания.

На рис, 1.8 показан обычный микшер. Его характерные особенности: ° 8 моновходов (8 микрофонов или 8 линий); ° 2 пары стереоканалов [левый и правый) сигнала; ° главная кодовая шина для пентрализованного контроля, например, выбора области памяти, усиления по мощности и обработки сигнала. В цифровом микшере, изображенном на рис. 1.8, используется современный процессор ЦОС, позволяющий реализовывать новейшие алгоритмы, необходимые при смешива- нии цифровых сигналов [например, выравнивание, стробирование шума, динамический контроль) и выполнении операций после смешивания.

1Я.2у. Синтвз и распознавание речи 1.6.2.1. Синтез речи В прошлом синтезированная речь воспринималась как звучание механического голоса. Однако прогресс в области полупроводниковых технологий и ЦОС сделали экономически возможным достижение такого качества речи, что ее нельзя отличить от человеческой. Примером успешного коммерческого продукта с речевым выходом является система Брей апб Бре!! [1 1), с которой, вероятно, знакомы многие читатели. Это электронное пособие для обучения детей, в котором используется метод линейного кодирования с пред- 42 Глава 1. Введение Рис. !.8.

Средства управления на обычном 8-канальном микшере (напечатано с разрешения ком- панин Апеп дс Неавь Корнуолл, Великобритания! сказанием (1!пеаг ргет!1с!1уе сосйп8 — 1 РС), где настоящая человеческая речь, которую нужно воспроизвести, моделируется как отклик переменного во времени цифрового фильтра на периодический или случайный сигнал возбуждения (рис.

!.9). Периодическое возбуждение используется для генерации голосовых звуков (например, гласных) и представляет поток воздуха через вибрирующие голосовые связки. Случайное возбуждение используется для неголосовых звуков (таких, как С, Ш) и представляет шум, создаваемый при проталкивании воздуха через преграды в речевом канале. Человеческая речь содержит очень много лишней информации. Кодер оставляет только важную информацию, необходимую для сохранения таких характеристик речи, как интонация, акцент и диалект, позволяя держать целые минуты звука высокого качества в памяти среднего размера. В пособии арса!с апт! Вре!1 исполъзуется микросхема синтезатора речи ТМ85100, который объединяет все элементы модели ЬРС (цифровой фильтр и источники возбуждения), а также декодер и 8-битовый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).