پردازش سیگنال دیجیتال

پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) با نمایش سیگنال به وسیله توالی اعداد یا نشانه‌های پردازش چنین سیگنالی در ارتباط است. پردازش سیگنال دیجیتال و پردازش سیگنال پیوسته زیرمجموعه‌هایی از پردازش سیگنال هستند. DSP شامل زیردامنه‌های زیر می‌شود: صوت و پردازش سیگنال صحبت، پردازش سیگنال سونار و رادار، پردازش آرایه‌های حسگر، پردازش سیگنال آماری، پردازش تصویر دیجیتال، پردازش سیگنال برای مخابرات، کنترل سیستم‌ها، پردازش سیگنال بدن درمانی، و ... می‌شود.

هدف DSP، معولاً اندازه‌گیری، فیلتر و فشرده سازی سیگنال‌های آنالوگ دنیای واقعی پیوسته‌است. اولین قدم در این راه تبدیل سیگنال از شکل آنالوگ به دیجیتال است، که به وسیله نمونه برداری توسط مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) انجام می‌شود. وظیفه مبدل مذکور تبدیل سیگنال آنالوگ به رشته‌ای از اعداد است. ولی معمولاً سیگنال خروجی مورد نظر، یک سیگنال آنالوگ دیگر است، که در نتیجه به یک مبدل دیجیتال به آنالوگ نیاز خواهیم داشت. حتی اگر این پردازش از پردازش آنالوگ بسیار پیچیده‌تر باشد، کاربرد قدرت محاسباتی در پردازش سیگنال دیجیتال، مزایای بسیاری را نسبت به پردازش آنالوگ در زمینه‌های مختلف به ارمغان می‌آورد، مثل تشخیص و تصحیح خطا در انتقال و همچنین فشرده‌سازی داده.

الگوریتم‌های DSP مدت زیادی است که در کامپیوترهای استاندارد بر روی پردازش‌گرهای خاصی که به پردازشگرهای سیگنال دیجیتال (DSP)، یا سخت‌افزارهای خاص مثل مدارهای مجتمع با کاربرد خاص (ASIC) اجرا می‌شود. امروزه تکنولوژی‌های دیگری نیز برای پردازش سیگنال دیجیتال مورد استفاده قرار می‌گیرند که شامل میکروپروسسورهای چندمنظوره قدرتمند، اف‌پی‌جی‌ای (FPGA)، کنترل‌کننده سیگنال دیجیتال (بیشتر برای کاربردهای صنعتی مثل کنترل موتور) هستند.

حوزه‌های DSP

در DSP، مهندسین معمولاً به مطالعه سیگنال دیجیتال در یکی از زمینه‌های زیر می‌پردازند: حوزه زمان (سیگنال‌های یک بعدی)، حوزه فضایی (سیگنال‌های چندبعدی)، حوزه فرکانس، حوزه خودهمبستگی، و حوزه موجک. آنها حوزه‌ای را انتخاب می‌کنند که در آن حوزه یک سیگنال را بتوان با استفاده از اطلاعات حاضر، به بهترین صورت پردازش کرد و خصوصیات اصلی سیگنال را بتوان به بهترین شکل نمایش داد. توالی نمونه‌هایی که از اندازه‌گیری خروجی یک وسیله به دست می‌آید یک نمایش در حوزه زمان یا حوزه فضا را تشکیل می‌دهد، در حالی که تبدیل فوریه گسسته‌زمان اطلاعات را در حوزه فرکانس تولید می‌کند (همان طیف فرکانسی. همبستگی خودکار را همبستگی متقابل سیگنال با خودش بر روی فاصله‌های متغیر زمان یا فضا تعریف می‌کنند.

نمونه‌برداری از سیگنال

نوشتار اصلی: نمونه‌برداری (پردازش سیگنال)

با گسترش استفاده از رایانه، نیاز و استفاده از پردازش سیگنال دیجیتال نیز گسترش یافته‌است. برای استفاده از سیگنال آنالوگ در یک رایانه، ابتدا باید سیگنال توسط مبدیل دیجیتال دیجیتال شود.

نمونه‌برداری معمولاً در دو مرحله انجام می‌شود : گسسته‌سازی و مدرج کردن. در مرحله گسسته‌سازی، فضای سیگنال (فضایی که سیگنال در آن وجود دارد) به کلاس‌هاس هم‌ارز افراز می‌شود و مدرج کردن نیز با جایگزینی سیگنال اصلی با سیگنال متناظر در کلاس‌های هم‌ارز انجام می‌پذیرد.

در مرحله مدرج کردن، مقادیر سیگنال نماینده (به انگلیسی: Representative Signal)‏ توسط مقادیر زیر مجموعه یک مجموعه متناهی تقریب زده می‌شوند.

قضیه نمونه‌برداری نایکوئیست-شانون بیان می‌کند که سیگنال را می‌توان از روی سیگنال نمونه‌برداری شده به طور دقیق بازسازی کرد، اگر فرکانس نمونه‌برداری بزرگتر از دو برابر بالاترین مولفه فرکانسی سیگنال باشد. در عمل، غالباً فرکانس نمونه‌برداری را بزرگتر از دو برابر پهنای باند لازم در نظر می‌گیرند.

یک مبدل دیجیتال به آنالوگ به منظور تبدیل معکوس سیگنال به حالت آنالوگ مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده از یک کامپیوتر دیجیتال مقوله کلیدی در سیستم‌های کنترل دیجیتال است.

حوزه‌ی زمان و فضا

نوشتار اصلی: حوزه زمان‎

حوزه‌ی فرکانس

نوشتار اصلی: حوزه فرکانس‎

تحلیل در حوزه $Z\,$

در حالی که فیلترهای آنالوگ معمولاً در صفحه $s\,$ تحلیل می‌شوند، فیلترهای دیجیتال در صفحه $z\,$ یا حوزه دیجیتال و با استفاده از تبدیل $Z\,$ تحلیل می‌شوند.

بسیاری از فیلترها را می‌توان در حوزه $Z\,$ (یک فرامجموعه از اعداد مختلط در حوزه فرکانس) توسط تابع تبدیلشان تحلیل کرد. یک فیلتر می‌تواند توسط مجموعه مشخصه‌اش شامل صفرها و قطب‌ها در حوزه $z\,$ تحلیل شود.

کاربردها

بیشترین کاربردهای DSP شامل پردازش سیگنال صوتی، فشرده‌سازی داده‌های صوتی، پردازش تصویر دیجیتال، فشرده‌سازی ویدیو، پردازش صدا، تشخیص صدا، ارتباط دیجیتال، رادار، سونار، زلزله‌شناسی و داروسازی است. مثال‌های خاص شامل فشرده‌سازی صحبت و انتقال در تلفن همراه، هم‌نواسازی مطابق اتاق برای صدا در کاربردهای شباهت زیاد به اصل و تقویت صدا، پیش بینی وضع هوا، پیش‌بینی اقتصادی، پردازش داده زلزله، تحلیل و کنترل روال‌های صنعتی، انیمیشن‌های تولید شده توسط رایانه در فیلم‌ها، عکس‌برداری پزشکی مثل پویش‌های CAT و MRI، فشرده‌سازی MP3، دستکاری تصویر، هم‌نواسازی و هم‌گذری بلندگوهای با کیفیت بالا، و افکت صوتی برای تقویت‌کننده (الکترونیک) گیتار برقی است.