В статье рассматриваются аспекты апробации прототипа потокового рекуррентного сигнального процессора на одном из ключевых алгоритмов цифровой обработки сигналов - фильтре с конечной импульсной характеристикой. Первая попытка реализации блочного КИХ-фильтра показала высокий уровень производительности рассматриваемого прототипа. Однако избыточность потоковой программы оказалась слишком высокой. Был осуществлен анализ методов программной и аппаратной оптимизации реализации КИХ-фильтров. По результатам данного анализа определены основные направления для усовершенствования прототипа рекуррентного сигнального процессора. Средства аппаратной поддержки алгоритма Быстрого преобразования Фурье, созданные на более ранних этапах разработки прототипа, были успешно доработаны и использованы для реализации КИХ-фильтра. Данное решение позволило снизить избыточность потоковой программы реализации блочного КИХ-фильтра почти на 80% и повысить скорость загрузки отсчетов обрабатываемого сигнала.
Постановка задачи. Требования оперативности обмена данными в протяженных проводных системах контроля и управления без возможности замены существующих линий связи предполагают модификацию соответствующих методов реализации оборудования.
Целью работы является выбор способа преобразования исходного цифрового сигнала к виду, пригодному для ввода-вывода в линейный тракт со множеством подключенных к линии абонентов.
Полученные результаты. Описан способ модуляции и демодуляции, обеспечивающий обмен данными между абонентами при динамическом диапазоне сигналов на входах приемников до 60 дБ и высоком уровне межсимвольных помех. Представлен вариант реализации приемо-передающего оборудования на базе доступных на рынке комплектующих. Разработана программа процессора приемника, обеспечивающая адаптацию алгоритма во всем диапазоне протяженностей и состава линий связи и скоростей передачи данных 4800÷9600 кбит/с.
Новизна. В отличие от ЧПИ (трехуровневый сигнал с чередованием полярности импульсов), верхняя частота спектра полученного сигнала увеличивается только в 1,25 раза, и сигнал является двухуровневым, что обеспечивает его затухание на линии предельной длины приблизительно на 15 дБ меньше, чем у ЧПИ.
Практическая / теоретическая значимость. Материал может быть полезен для разработчиков аппаратуры телемеханики использующей проводные каналы связи.
С позиций временного и частотного подходов излагаются вопросы теории цифровой обработки сигналов. Рассматриваются классификация, характеристики и структурные схемы, а также шумовые модели цифровых фильтров (вещественных и комплексных, скалярных и векторных).
Разработана методика анализа шумов квантования векторных цифровых фильтров. Рассматриваются алгоритмы нелинейной цифровой обработки сигналов в системах связи на основе метода комплексной огибающей, а также методы построения цифровых моделей аналоговых систем.
Изложены методы математического синтеза одномерных скалярных вещественных нерекурсивных и эвристического синтеза рекурсивных цифровых фильтров. Разработаны алгоритмы синтеза одномерных скалярных комплексных цифровых фильтров (нерекурсивных и рекурсивных).
Книга предназначена для научных работников и инженеров, занимающихся проектированием систем цифровой обработки сигналов и цифровым моделированием технических систем, а также для студентов и аспирантов радиотехнических специальностей вузов.
Обоснование. Разработка радиолокационного комплекса для обнаружения воздушных, морских, и наземных объектов, а также определение их расстояния, скорости и геометрических параметров с автоматизированной обработкой.
Цель. Создание бортового радиолокационного комплекса бокового обзора с синтезированной апертурой, установленного на беспилотном летательном аппарате.
Методы. Применение методов цифровой обработки сигналов для формирования радиоголограмм и извлечения информации об объектах. Использование алгоритмов для автоматической обработки и анализа полученных данных в реальном времени.
Результаты. Описана структурно-функциональная схема радиолокационной аппаратуры бортового радиолокационного комплекса бокового обзора Х-диапазона, состоящего из антенны, приемо-передающего блока, контейнера с цифровым ядром и микронавигационной системы. В режиме высокого разрешения формируемая на борту радиоголограмма, сбрасываемая по каналу связи на пункт управления и обработки. Формирование радиолокационного изображения и вторичная обработка выполняются на наземном пункте в автоматическом режиме.
Заключение. По результатам исследований показана возможность реализации получения радиолокационного излучения в режиме реального времени на борту носителя, а также установка рассмотренного бортового радиолокационного комплекса на беспилотном летательном аппарате совместно с автоматизированным пунктом обработки и анализа информации.
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.
Книга представляет значительный интерес для научных работников и инженеров, использующих методы цифровой обработки сигналов.
Рассмотрены вопросы теории дискретных преобразований в базисах уолше-подобных функций. Основное внимание уделено построению дискретных ортогональных преобразований и изучению их свойств, имеющих важное значение для цифровой обработки сигналов.
Разработаны алгоритмы быстрых преобразований в построенных дискретных базисах и проведены оценки их сложности. Синтезированы алгоритмы линейного и устойчивого оценивания полиномиальных моделей цифровых сигналов. Предложенные алгоритмы носят обобщенный характер, характеризуются сокращенной вычислительной сложностью и ориентированы на эффективную реализацию средствами многозначной цифровой техники.
Для научных работников в области информатики, радиоэлектроники и вычислительной математики, может быть полезна преподавателям и аспирантам соответствующих специальностей.
Цифровая обработка сигналов является одним из активно развиваемых направлений современной науки. Практические приложения этого направления охватывают различные области человеческой деятельности, в том числе и инфокоммуникационные системы, связанные с формированием, обработкой и передачей информации. В учебном пособии изложены теоретические основы цифровой обработки сигналов, приведены методы и алгоритмы цифровой обработки одномерных и двумерных сигналов, а также представлены примеры использования современных технических устройств, для реализации цифровой обработки сигналов. Для аспирантов научной специальности 2.3.1 «Системный анализ, управление и обработка информации»
В монографии изложены основные теории дискретных сигналов и почти все современные методы расчета цифровых фильтров. Рассмотрены теория, способы выполнения и применения алгоритмов быстрого преобразования Фурье. Отдельные главы посвящены вопросам проектирования специализированных устройств цифровой обработки и применению цифровых методов для анализа речевых и радиолокационных сигналов. Книга содержит большое количество справочного материала, а также тексты программ для расчета типовых цифровых устройств.
Книга представляет большой практический интерес для инженерно-проектировочных устройств первичной обработки сигналов, экспериментаторов, использующих для анализа сигналов вычислительные машины, специалистов в области вычислительной математики и программирования.
В данной работе предложен новый метод улучшения качества зашумленных речевых сигналов. В его основе лежит двухэтапная схема, с первым этапом широкополосной обработки аудиосигнала и вторым этапом обработки отдельных частотных полос. Преобразование сигнала осуществлялось над оконным Фурье-разложением обрабатываемого сигнала. На каждом этапе задействованы слои, моделирующие структурированное пространство состояний (S4), хорошо зарекомендовавшие себя при обработке и предсказании длинных временных рядов. За счет их применения уменьшилось число обучаемых параметров нейронной сети без потери качества работы. Длительность процесса обучения в расчете на одну эпоху уменьшилась по сравнению с рекуррентными сетями из-за применения сверточной формы S4-преобразований. Проведена апробация предложенного метода. Нейронная сеть с S4-преобразованиями реализована на языке Python с применением библиотеки глубокого обучения PyTorch. Обучение сети проведено на наборе данных DNS Challenge 2020. Для тестирования работы на основе того же набора данных сгенерирован набор тестовых примеров, включающих в себя различные классы шумовых добавок. Продемонстрировано превосходство предложенного метода в целом по сравнению с аналогичными решениями, основанными на применении слоев рекуррентных преобразований. Проведен анализ того, какие классы шумов более эффективно очищаются из обрабатываемого сигнала.
В статье рассматривается архитектура вычислительного узла конвейерного типа, предназначенная для реализации набора вычислений, соответствующих классам вычислительных задач с подобным набором операций и линейной последовательностью действий, для которой возможна реализация архитектуры с передачей данных между отдельными стадиями конвейера. В качестве типов задач рассматриваются цифровая обработка сигналов, вычисление трансцендентных и хэш-функций, базовые операции с плавающей точкой и операции вычисления выхода нейрона для построения нейроморфных вычислительных структур. Совмещение нескольких типов операций в рамках одного конфигурируемого конвейера позволяет расширить область применения таких вычислительных структур, реализуемых в составе СБИС ускорителей вычислений. Применение конфигурируемых конвейеров позволяет частично сконцентрировать вычислительные ресурсы, уменьшив таким образом возможное многообразие коммутаций между ними, характерное для многоядерных процессоров с архитектурой связей типа «решетка». Кроме того, характерные особенности задач цифровой обработки сигналов в виде большого динамического диапазона коэффициентов фильтра при их реализации в последовательном конвейерном вычислителе позволяют использовать минимально необходимое количество стадий конвейера, динамически адаптируя их к конкретному набору используемых коэффициентов фильтра. Аналогично выполняется операция «обрезки» при реализации нейросетей. Для конвейера предложено двухступенчатое конфигурирование с регистром конфигурации коммутаторов, содержащим несколько программируемых наборов управляющих сигналов, и памятью последовательности включения этих наборов, что позволяет динамически управлять работой конвейера при его реализации в составе СБИС.