Цифровая обработка сигналов и сигнальные процессоры (290,00 руб.)

Стр.2

Стр.3

Стр.4

Стр.5

Стр.6

УДК 621. 391. 26 (075) 621. 391. 3 (075) Рекомендовано к изданию методическим советом ПГУТИ, протокол №68 от 16.05.2017 г. Иванова, В.Г., Тяжев, А.И. Цифровая обработка сигналов и сигнальные процессоры: учебное пособие (второе издание) / Под ред. д.т.н., профессора Тяжева А.И. – Самара: ПГУТИ, 2017. - 252 с Учебное пособие «Цифровая обработка сигналов и сигнальные процессоры» в доступной форме изложен материал, описывающий процессы, происходящие в устройствах цифровой обработки сигналов (ЦОС). Описаны процессы дискретизации и квантования сигналов, приводятся сведения из теории Z-преобразования, быстрого преобразования Фурье, вейвлет-преобразования, обширный материал посвящен цифровым фильтрам, цифровым генераторам, фазорасщепителям, демодуляторам и т.д. Рассмотрена архитектура сигнальных процессоров и организация вычислений в них, приведены методики расчета различных устройств ЦОС и программы их расчета и моделирования. По сравнению с первым изданием расширен раздел «Дискретное преобразование Фурье» и добавлены материалы по синтезу цифровых фильтров в программной среде Matlab, Материал пособия содержит много рисунков, поясняющих происходящие в устройствах ЦОС процессы, а также временные диаграммы, графики и характеристики различных устройств ЦОС. Учебное пособие предназначено для студентов «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», оно также окажется полезным для аспирантов, магистрантов и инженерно-технических работников, специализирующихся в области разработки устройств ЦОС специальности 110302 2

Стр.2

Оглавление Введение............................................................................................................................................. 7 1. Области применения цифровой обработки................................................................................. 7 2 Классификация сигналов............................................................................................................... 7 3 Виды и системы обработки сигналов .......................................................................................... 9 4 Элементная база цифровой обработки сигналов ...................................................................... 12 5 Преимущества и недостатки ЦОС по сравнению с аналоговой обработкой......................... 13 1 Дискретизация непрерывных сигналов................................................................................. 14 1.1 Спектр дискретной косинусоиды. Эффект размножения спектра....................................... 14 1.2 Дискретизация периодического аналогового сигнала с ограниченным спектром. Эффект наложения спектров. Выбор частоты дискретизации .................................................................. 15 1.3 Дискретизация апериодических аналоговых сигналов.......................................................... 17 1.4 Дискретизация узкополосных модулированных сигналов.................................................... 18 1.5 Прореживание и интерполяция дискретных сигналов........................................................... 22 2 Квантование дискретных сигналов ....................................................................................... 26 2.1 Квантование с равномерным шагом (линейное квантование) ............................................. 26 2.2 Квантование с переменным шагом (нелинейное квантование)............................................. 28 3 Цифровые фильтры .................................................................................................................. 30 3.1 Z – преобразование и его свойства........................................................................................... 30 3.2 Импульсная характеристика цифрового фильтра. Понятие о нерекурсивных и рекурсивных цифровых фильтрах, БИХ – и КИХ - фильтрах ................................................................... 32 3.3 Определение выходного сигнала фильтра по входному сигналу и импульсной характеристике .................................................................................................................................................. 32 3.4 Системная функция цифрового фильтра. Формы программной реализации фильтра ....... 34 3.5 Частотная характеристика цифрового фильтра ...................................................................... 38 3.6 Цифровой резонатор.................................................................................................................. 39 3.7 Однородный фильтр .................................................................................................................. 43 3.8 Триангулярный фильтр ............................................................................................................. 46 3.9 Устойчивость цифровых фильтров .......................................................................................... 47 3.10 Коэффициенты системной функции устойчивого звена второго порядка......................... 49 3.11 Нерекурсивный фильтр с линейной ФЧХ ............................................................................. 50 3.12 Синтез нерекурсивного фильтра с линейной ФЧХ методом ряда Фурье и «окна» ......... 51 3.13 Синтез фильтров с линейной ФЧХ и АЧХ, описываемой функцией без разрывов, методом ряда Фурье................................................................................................................................. 55 3.14 Синтез нерекурсивных фильтров с линейной ФЧХ методом наименьших квадратов ..... 60 3.15 Расчёт нерекурсивных цифровых фильтров с рельефной АЧХ методом наименьших квадратов........................................................................................................................................... 64 3.16 Метод наилучшей равномерной (чебышевской) аппроксимации...................................... 69 3.17 Синтез рекурсивных цифровых фильтров методом билинейного Z - преобразования.... 72 3

Стр.3

3.18 Расчёт рекурсивных цифровых резонаторов второго порядка............................................ 74 3.19 Расчёт взаимно расстроенной пары цифровых резонаторов ............................................... 78 3.20 Определение разрядности АЦП и ЦАП при заданных отношениях сигнал-шум на выходах аналогового и цифрового фильтров ........................................................................................ 81 3.21 Определение разрядности АЦП по шумам квантования и требованиям к АЧХ фильтра 81 3.22 Определение разрядности регистров ..................................................................................... 83 4 Цифровые фазорасщепители, генераторы и преобразователи частоты......................... 89 4.1 Нерекурсивные 90 – градусные фазорасщепители................................................................. 89 4.2 Всепропускающая цифровая цепь............................................................................................ 91 4.3 Рекурсивный 90 – градусный фазорасщепитель..................................................................... 92 4.4 Генераторы пилообразных, прямоугольных, треугольных и трапецеидальных колебаний......................................................................................................................................... 94 4.5 Косинусно – синусные генераторы.......................................................................................... 97 4.6 Преобразователи частоты.......................................................................................................... 98 5 Цифровые детекторы.............................................................................................................. 102 5.1 Амплитудные детекторы......................................................................................................... 102 5.1.1 Амплитудный летектор - выпрямитель .............................................................................. 102 5.1.2 Квадратурный амплитудный детектор с блоком извлечения квадратного корня.......... 103 5.1.3 Синхронный амплитудный детектор с управляемым косинусно - синусным генератором ................................................................................................................................... 104 5.1.4 Синхронный амплитудный детектор с узкополосным фильтром для выделения несущей.......................................................................................................................................... 105 5.2 Фазовые детекторы.................................................................................................................. 107 5.2.1 Фазовый детектор с выходным ФНЧ.................................................................................. 107 5.2.2 Квадратурный фазовый детектор ........................................................................................ 108 5.2.3 Квадратурный фазовый детектор с пилообразной детекторной характеристикой ........ 109 5.3 Частотные детекторы............................................................................................................... 110 5.3.1 Автокорреляционный частотный детектор с выходным ФНЧ......................................... 110 5.3.2 Квадратурный автокорреляционный частотный детектор ............................................... 111 5.3.3 Квадратурный автокорреляционный частотный детектор с внутренним амплитудным ограничением.................................................................................................................................. 112 5.3.4 Частотный детектор на цифровой линии задержки........................................................... 113 5.3.5 Синхронно – фазовый частотный детектор........................................................................ 114 6 Преобразование Фурье и вейвлет - преобразование......................................................... 117 6.1 Прямое дискретное преобразование Фурье .......................................................................... 117 6.2 Обратное дискретное преобразование Фурье ....................................................................... 118 6.3 Алгоритм быстрого преобразования Фурье с прореживанием во времени....................... 119 6.4 Алгоритм быстрого преобразования Фурье с прореживанием по частоте ........................ 123 6.5 Дискретное косинусное преобразование............................................................................... 125 6.6 Вейвлет - преобразование ....................................................................................................... 125 6.6.1 Вейвлет – преобразование аналогового сигнала................................................................ 125 6.6.2 Дискретизация непрерывного вейвлет - преобразования ................................................. 129 6.6.3 Дискретное вейвлет - преобразование ................................................................................ 132 7 Формирователи и демодуляторы дискретных сигналов .................................................. 135 7.1 Цифровой формирователь сигнала бинарной фазоразностной манипуляции (DBPSK) . 135 4

Стр.4

7.1.1 Укрупнённый алгоритм формирования сигнала DBPSK................................................. 135 7.1.2 Нерекурсивный ФНЧ с АЧХ вида «приподнятый косинус» .......................................... 136 7.1.3 Формирование несущей и выходного сигнала................................................................... 138 7.2 Автокорреляционный демодулятор сигнала DBPSK.......................................................... 139 7.2.1 Укрупнённый алгоритм функционирования демодулятора ............................................. 139 7.2.2 Автокорреляционный детектор ........................................................................................... 140 7.2.3 Узел синхронизации ............................................................................................................. 141 7.2.4 Интегратор и формирователь элементарных посылок...................................................... 143 7.3 Когерентный демодулятор сигнала DBPSK.......................................................................... 143 7.3.1 Укрупнённый алгоритм функционирования когерентного демодулятора ..................... 143 7.3.2 Фазовый детектор и формирователь опорных колебаний................................................ 145 7.4 Цифровой формирователь сигнала квадратурной (четырёхпозиционной) фазоразностной манипуляции DQPSK ...................................................................................... 148 7.5 Автокорреляционный демодулятор сигнала DQPSK.......................................................... 151 7.6 Когерентный демодулятор сигнала DQPSK.......................................................................... 155 7.7 Демодуляторы многочастотных сигналов относительной фазовой манипуляции ........... 160 7.8 Формирователь сигнала минимальной частотной манипуляции....................................... 164 7.9 Автокорреляционный демодулятор сигналов МЧМ и гауссовской МЧМ......................... 167 8 Архитектура сигнальных процессоров ............................................................................... 171 8.1 Укрупнённая функциональная схема сигнального процессора .......................................... 171 8.2 Укрупнённая функциональная схема процессора TMS320C64xx. Ядро процессора ....... 172 8.3 Память программ и память данных........................................................................................ 177 8.4 Периферийные устройства...................................................................................................... 180 8.4.1 Контроллер прямого доступа к памяти............................................................................... 180 8.4.2 Многоканальный буферизированный последовательный порт ...................................... 187 8.4.3 Блок входов./ выходов общего назначения ........................................................................ 189 8.4.4 Хост - интерфейс................................................................................................................... 190 8.4.5 Таймеры ................................................................................................................................. 194 8.4.6 Режимы пониженного энергопотребления......................................................................... 197 9 Данные и их организация в процессоре .............................................................................. 200 9.1 Коды представления двоичных чисел в процессоре ............................................................ 200 9.1.1 Перевод положительных десятичных чисел в двоичную систему счисления................ 200 9.1.2 Прямой и дополнительный коды представления двоичных чисел .................................. 202 9.1.3 Перевод целого числа со знаком, представленного в дополнительном двоичном коде, в десятичную систему счисления ...................................................................................... 203 9.1.4 Перевод дробного числа со знаком, представленного в дополнительном двоичном коде, в десятичную систему счисления ...................................................................................... 204 9.2 Организация данных в процессоре......................................................................................... 204 9.2.1 Формы и форматы представления данных в процессоре.................................................. 204 9.2.2 Представление чисел с фиксированной точкой................................................................. 205 9.2.3 Представление чисел с плавающей точкой........................................................................ 208 10 Система команд и адресация данных ................................................................................ 213 10.1 Формат и структура слова команды..................................................................................... 213 10.2 Непосредственная и прямая адресация данных.................................................................. 216 10.3 Косвенная адресация ............................................................................................................. 218 10.4 Адресация циклического буфера данных............................................................................ 220 10.5 Организация циклических буферов в процессорах TMS320Cxxx .................................... 223 10.6 Основные типы команд процессора..................................................................................... 226 10.6.1 Команды пересылок............................................................................................................ 236 10.6.2 Команды арифметических операций ................................................................................ 229 10.6.3 Команды логических операций ......................................................................................... 233 5

Стр.5

10.6.4 Команды бит-манипуляций................................................................................................ 234 10.6.5 Команды управления операций......................................................................................... 235 Приложение А. Программа синтеза ФНЧ с линейной ФЧХ и АЧХ, задаваемой функцией без разрывов, методом ряда Фурье .............................................................................................. 238 Приложение Б. Программа синтеза 90 – градусного рекурсивного фазорасщепителя на N всеппропускающих цепях ................................................................................................... 240 Приложение В. Ряд и интеграл Фурье ........................................................................................ 247 Приложение Г. Расчёт фильтра нижних частот типа «приподнятый косинус» ..................... 249 Приложение Д. Расчёт гауссовского фильтра нижних частот .................................................. 251 6

Стр.6