Kapitola 1 Signály a systémy 1.1 Klasifikace signálů Signál představuje fyzikální vyjádření informace, obvykle ve formě okamžitých hodnot určité fyzikální veličiny, která je funkcí jedné nebo více nezávisle proměnných - obvykle času (jednorozměrný nebo vícerozměrný signál). Signál nesoucí informaci má vždy náhodný charakter. Při analýze a měření vlastností lineárních systémů ale používáme jednoduché základní signály, které představují determinované průběhy. V dalším budeme nejprve specifikovat typy signálů, se kterými se setkáváme při jejich m zpracování. Jsou to: analogové, diskrétní, kvantované a signály. Převažující většina výchozích signálů existuje v analogovém tvaru. nalogový signál můžeme charakterizovat spojitostí v čase a v okamžitých hodnotách. Může nabývat libovolné hodnoty z určitého spojitého intervalu možných hodnot. Při jejich zpracování mi systémy nejprve vzorkováním převedeme analogový signál na diskrétní. iskrétní signál je diskrétní v čase, ale spojitý v hodnotách. To můžeme zdůraznit pojmem nekvantovaný signál, resp. nekvantované vzorky. 7
iskrétní signál může být vyjádřen diskrétní posloupností vzorků, resp. čísel vyjadřujících hodnoty vzorků - xn ( ) = xt ( n ) = xnt ( v ) - odebraných z analogového signálu xa ( t) v diskrétních ekvidistantních vzorkovacích okamžicích t = nt, kde T v je vzorkovací perioda. n v Taková diskrétní posloupnost x( n) může vzniknout také např. odečítáním hodnot různých neelektrických proměnných - např. počet cestujících přepravovaných metrem za každou hodinu v průběhu jednoho dne apod. iskrétní signál následně kvantujeme na předem zvolených N možných diskrétních hodnot. Získáme kvantovaný diskrétní signál, což je signál diskrétní v čase i v hodnotách. Kvantovaný signál je tedy charakterizován konečným počtem N možných diskrétních hodnot (vzorků). Kvantované hodnoty představují hodnoty původního analogového signálu, avšak vyjádřené s předem zvolenou konečnou přesností, tj. vyjádřené čísly s předem zvoleným konečným počtem míst. Takové kvantované hodnoty můžeme vyjádřit v různých číselných soustavách (dekadické, dvojkové, osmičkové aj.). Volba základu z číselné soustavy bude souviset se složitostí realizace operací při zpracování takového kvantovaného signálu (sčítání, násobení čísel a jejich ukládání do paměti). Z tohoto praktického hlediska je nejméně výhodná dekadická soustava a naopak prakticky nejvýhodnější je dvojková soustava ( z = 2 ). Proto kvantovaný signál převedeme následujícím kódováním ještě na dvojkový (binární) signál, který vyjadřuje kvantované hodnoty dvojkovými čísly s předem zvoleným počtem míst, ve formě b-prvkových kódových slov (skupin). ostaneme tak číslicový, resp. signál. Kapacita, resp. délka L použitého kódu bude obecně souviset se zvoleným počtem N diskrétních hodnot kvantovaného signálu a s délkou b kódových slov. Musíme volit: b L = z N (1.1) osud jsme vycházeli z analogové zprávy - signálu. V případě diskrétních zpráv, které jsou vytvářeny z konečné abecedy možných znaků o objemu N - např. zprávy ve formě textu, můžeme každý znak (např. písmeno) vyjádřit ve formě b- prvkového kódového slova (dvojkovým číslem) zcela obdobně, jako jednotlivé kvantované vzorky v případě analogových signálů. Musíme tedy opět vycházet ze vztahu (1.1). Na obr. 1.1 je zobrazení výše uvedených typů signálů a zpráv. 8
analogová zpráva diskrétní zpráva analogový signál x (t) a x(0) x(1) x(2) x(3) diskrétní signál x(n) 0 1 2 3 n 3 2 1 0 kvantovaný signál 011 010 001 000 C B 1 0 dvojková čísla C (číslicový) signál b=3 1.2 igitální zpracování signálů a jeho výhody Obr. 1.1 Typy zpráv a signálů 9
igitální zpracování analogových signálů realizujeme mi (číslicovými) systémy, procesory či strukturami. Pod těmito pojmy rozumíme fyzikální zařízení, provádějící se signálem definované operace. I když signál je zpracováván mi obvody, vycházíme při analýze takového zpracování z původního, tj. nekvantovaného diskrétního signálu - posloupnosti xn ( ). To znamená, že používáme teorii diskrétních signálů a diskrétních transformací. Zpracování analogových signálů mi systémy vyžaduje nejprve převedení analogového signálu převodníkem / na signál - viz. obr. 1.2. signál analogový signál x (t) a x(n) systém y(n) analogový výstup výstup Obr. 1.2 Zpracování analogových signálů m systémem Převodník / obsahuje zpravidla analogový filtr typu P, vzorkovací obvod a kodér, který slučuje funkce kvantování a kódování. Následně zpracovaný signál pak může již být přímo využit (zobrazen, vložen do paměti) nebo převeden převodníkem / na analogový signál. Převodník / obsahuje dekodér, který převede signál na kvantované vzorky a dále analogový filtr typu P pro obnovu analogového signálu. Základní funkce převodníků jako je vzorkování, kvantování a obnova, budou analyzovány ve 3. kap. igitální zpracování signálů se vyznačuje celou řadou výhod, mezi které můžeme zejména zařadit: 10
1. velká pružnost programovatelného ho systému v možnosti změn parametrů systému 2. možnost automatické změny koeficientů systému v průběhu zpracování signálu - adaptivní systémy 3. menší citlivost k tolerancím dílčích prvků, identita výrobků, časová a teplotní stálost 4. možnost hromadné výroby ch struktur bez nutnosti dalšího nastavování jejich parametrů 5. na jednom čipu lze realizovat i složité systémy pro zpracování signálů 6. možnost zpracování signálů i při extrémně nízkých frekvencích a realizace systémů s lineární fází (např. filtrů) 7. přesnost zpracování lze ovlivnit volbou délky kódových slov. U analogových systémů se uplatňuje tolerance součástek a výsledný efekt lze obtížně zjistit 8. možnost využití ho systému pro současné zpracování většího počtu signálů (na principu časového sdílení) 9. absence problémů s impedančním přizpůsobením (zejména u filtrů) 10. jednodušší ukládání ho signálu do různých typů moderních paměťových médií 11. při dálkovém přenosu ho signálu se významně uplatňuje jeho vysoká odolnost proti rušení, možnost jeho regenerace a možnost vyjádřit různé druhy zpráv jednotným typem ho signálu - dvojkovým signálem. Mezi nevýhody ho zpracování signálů můžeme zařadit: 1. větší složitost, neboť vlastní systém musí být ještě doplněn převodníky / a / a dále analogovými filtry 2. omezená rychlost zpracování, čímž je omezen frekvenční rozsah zpracovatelných analogových signálů 3. systém je složen z aktivních prvků vyžadujících přívod elektrické energie, což vyžaduje řešit problém chlazení systému 4. aktivní prvky mají menší spolehlivost než pasivní prvky (R, L, C) u analogových struktur (např. filtrů). I přes uvedené nevýhody ale převažují výhody ch systémů. 11