پردازش سیگنال چیست؟

پردازش سیگنال شامل تبدیل یا تبدیل داده ها به روشی است که به ما امکان می دهد چیزهایی را در آن مشاهده کنیم که از طریق مشاهده مستقیم امکان پذیر نیستند. پردازش سیگنال به مهندسین و دانشمندان اجازه می دهد تا سیگنال ها را از جمله داده های علمی ، جریان های صوتی ، تصاویر و فیلم ها تجزیه و تحلیل ، بهینه سازی و تصحیح کنند.

در این مقاله در مورد پردازش سیگنال با جزئیات کافی که خواهید داشت ، خواهید آموخت:

• درک کنید که پردازش سیگنال در سطح بالا چیست
• بیاموزید که چگونه پردازش سیگنال انجام می شود
• ببینید چگونه پردازش سیگنال در برنامه های DAQ (کسب داده) اعمال می شود

نمایش داده های لرزش در محورهای زمان و فرکانس به طور همزمان

شرکت ها هر سال میلیون ها دلار برای خرید تجهیزات تست خرج می کنند تا مهندسین و تکنسین های آنها بتوانند داده های آزمایش را ضبط کنند. این سرمایه گذاری در تجهیزات و نیروی انسانی برای انجام آزمایشات برای یک هدف است: درک نحوه عملکرد محصولات آنها در دنیای واقعی. این درک فقط می تواند ناشی از گرفتن و تجزیه و تحلیل داده های با کیفیت بالا و عینی باشد.

اما داده ها فقط مرحله اول است. برای درک اینکه داده ها به چه معنی است ، ما باید آن را تجزیه و تحلیل کنیم. تجزیه و تحلیل دارای چندین مؤلفه است ، از جمله:

• انجام مشاهدات - با داده های ضبط شده و سپس بررسی آن
• مقایسه - یکی از عناصر اساسی تجزیه و تحلیل ، مقایسه یک در مقابل B است ، به عنوان مثال ، "چه مقدار گشتاور را افزایش می دهد وقتی سرعت را از 100 به 200 افزایش می دهیم؟"یا "چگونه فعلی با توجه به ولتاژ تغییر می کند؟"

روشهای فوق مشاهدات مستقیم است. ما سنسورها از انواع مختلف را اعمال می کنیم و هنگام ضبط پاسخ های آنها ، دستگاه یا فرآیند را کار می کنیم. سپس به داده ها نگاه می کنیم و پارامترها را در مراحل مختلف عملکرد مقایسه می کنیم. اما یک ابزار تجزیه و تحلیل داده دیگر وجود دارد که می توانیم از آنها استفاده کنیم:

پردازش سیگنال - تبدیل داده ها به روشی که به ما امکان می دهد مواردی را مشاهده کنیم که با مشاهده مستقیم یا مقایسه امکان پذیر نیستند.

• پردازش سیگنال (پردازش سیگنال دیجیتال با نام مستعار) ، بسته به برنامه ، چندین اشکال دارد. در جهان دستیابی به داده ها (DAQ) ، ما از پردازش سیگنال به منظور تجزیه و تحلیل داده های اندازه گیری شده استفاده می کنیم.

پردازش سیگنال چگونه انجام می شود؟

از نظر تاریخی ، پردازش سیگنال کاملاً در خوابگاه آنالوگ انجام شد. به عنوان مثال ، فیلترهای سیگنال با استفاده از اجزای گسسته مانند مقاومت ، خازن و سلف ساخته شدند. البته این کار هنوز هم انجام می شود ، اما از اواخر قرن بیستم ، داده ها از همه نوع به طور فزاینده ای دیجیتالی شده اند. در نتیجه ، پردازش سیگنال لزوماً از آنالوگ به دامنه دیجیتال منتقل شده است.

امروزه ، پردازش سیگنال دیجیتال در درجه اول در نرم افزار انجام می شود. نرم افزار پردازش سیگنال می تواند روی پردازنده یا کارت گرافیک یک رایانه رومیزی یا در یک دستگاه هوشمند اجرا شود. برای برنامه های کاربردی بیشتر ، آن را در DSP های اختصاصی (پردازنده های سیگنال دیجیتال) ، ASICS (برنامه های مدارهای یکپارچه خاص) یا FPGA (آرایه های دروازه قابل برنامه ریزی) و در قسمت اصلی رایانه های قدرتمند اجرا می کند.

دستگاه های آنالوگ A-DSP-21363 با CORE SHARC ، PEDANT01 ، CC BY-SA 3. 0 ، از طریق Wikimedia Commons

تراشه های اصلی DSP در دهه 1960 توسعه یافته و برای بهبود رادار و سونار در برنامه های نظامی استفاده می شود. آنها بعداً در برنامه های ژئوفیزیکی مانند اکتشاف نفت ، برنامه های فضایی مانند فشرده سازی داده ها و برنامه های تصویربرداری پزشکی مانند CAT یا "C. T." استفاده شدند.(توموگرافی کامپیوتری) و MRI (تصویربرداری رزونانس مغناطیسی) اسکن بدن انسان.

امروزه ، قدرت رایانه های یک نوت بوک حتی از بزرگترین اصلی از گذشته بسیار بیشتر است و مجموعه ای عظیم از عملکردهای پردازش سیگنال می تواند هم در زمان واقعی و هم در پردازش پس از سیستم های DAQ مبتنی بر رایانه شخصی انجام شود.

بسیاری از سیستم ها از ترکیبی از پردازش رایانه میزبان و پردازش DSP برای انجام توابع پردازش سیگنال استفاده می کنند. سخت افزار DSP بسیار سریع است و می تواند به توابع مشترک اختصاص یابد. به عنوان مثال ، از DSP ها در مبدل های آنالوگ به دیجیتال (ADC) برای فیلتر ، ترکیب جریان های بیت دیجیتال و موارد دیگر استفاده می شود. آنها می توانند خیلی سریع داده های زیادی را کنترل کنند.

برنامه های پردازش سیگنال

پردازش سیگنال در صنایع و برنامه های متعدد اعمال می شود ، از جمله:

• فشرده سازی صوتی و پردازش سیگنال
• دستیابی به داده ها و پردازش سیگنال
• تصویر دیجیتال و پردازش گرافیک
• فشرده سازی ویدیویی و پردازش سیگنال
• تشخیص و پردازش گفتار
• پردازش سیگنال رادار ، سونار و لیدر و بهینه سازی سیگنال
• مطالعات لرزه ای و تجزیه و تحلیل داده ها
• کاربردهای ژئوفیزیکی ، از جمله اکتشاف نفت
• انتقال داده ها ، از جمله تشخیص خطا و تصحیح خطا
• مدل سازی و تحلیل اقتصادی
• برنامه های پزشکی ، به ویژه تصاویر (CAT و MRI)
• پیش بینی آب و هوا
• اقیانوس شناسی ، از جمله پیش بینی عملکرد آکوستیک در زیر

پردازش سیگنال بر روی هر دو سیستم خطی و غیرخطی عمل می کند ، با این حال ، اکثر سیستم ها در اردوگاه غیرخطی قرار می گیرند ، یعنی کسانی که مقادیر آنها با گذشت زمان تغییر می کند ، اغلب به روش های غیرقابل پیش بینی ، جایی که تغییر در خروجی به طور خطی متناسب با تغییر در ورودی نیست.

پردازش سیگنال غیرخطی را می توان در چندین حوزه اجرا کرد ، از جمله:

• دامنه زمان ، یعنی نقاط دامنه در برابر زمان ترسیم شده است
• دامنه فرکانس ، یعنی فرکانسهای ترسیم شده در برابر بزرگی آنها
• دامنه فضایی-زمانی ، یعنی در هر دو فضا و زمان. به عنوان مثال ، نظارت بر مسیرهای صدها هواپیما در سراسر جهان ، یا هزاران ماهواره که در حال چرخش هستند

انواع پردازش سیگنال

تصفیه

فیلتر یکی از اساسی ترین و مهمترین تکنیک های پردازش سیگنال است. از همان ابتدای ضبط آنالوگ استفاده شده است تا توانایی ما در دیدن سیگنال واقعی را با سرکوب "سر و صدا" و سایر مداخلات تقویت کنیم. فیلتر (و) برای تنظیم برنامه های کاربردی باس و پاسخ سه گانه پخش کننده موسیقی شما به تنظیم فرکانس کانال رادیو و بهبود کیفیت صدا در خطوط تلفن استفاده شده است.

از فیلتر کم گذر برای از بین بردن "نویز" با فرکانس بالا ناخواسته روی یک سیگنال استفاده می شود

در سیستم های DAQ ، از فیلترهای آنالوگ برای کاهش مقدار سیگنال بالاتر یا پایین تر از فرکانس خاص استفاده شد تا "نویز" در سیگنال کاهش یابد. این فیلترها به طور معمول بخشی از تهویه مطبوع سیگنال سیستم DAQ یا preamplifiers بودند.

چهار نوع اصلی فیلتر شامل موارد زیر است:

چهار نوع اصلی فیلتر

فیلترها همچنین توسط چند قطب تعریف می شوند. هرچه قطب های بیشتری داشته باشد ، آنها قادر به انجام روی سیگنال هستند. این شیب یا شیب به سادگی بدان معنی است که چه تعداد دسی بل سیگنال را می توان در هر اکتاو خاموش کرد. مشخصات فیلتر مورد نظر به طور معمول حداکثر رول در DB/Q را نشان می دهد.

نمونه های اولیه فیلتر

هیچ فیلتر کامل نیست. آنها می توانند تأخیرهای فاز ، موج دار ، زنگ زدن و سایر تحریفات را در قسمت گذرگاه تحمیل کنند. ترفند انتخاب نمونه اولیه فیلتر صحیح است که برای نوع سیگنال های پردازش شده بهترین کار را می کند. شما از نمونه های اولیه فیلتر مانند Bessel ، Butterworth ، Elliptic و Chebyshev می شنوید تا چند مورد را ذکر کنید. با گذشت سالها ، مهندسان برای ارائه بهترین نتایج ممکن برای برنامه های مختلف ، نمونه های اولیه فیلتر را ایجاد کرده اند:

فیلتر آنالوگ یا دیجیتال چه چیزی بهتر است؟

در برنامه هایی که به یک فیلتر ساده و بدون تغییر در دامنه آنالوگ نیاز دارند ، استفاده از طراحی فیلتر آنالوگ ارزان تر و آسان تر است. با این حال ، اگر لازم باشد فیلترهایی داشته باشید که با انواع برنامه ها سازگار باشد یا در دامنه دیجیتال اجرا شود ، رویکرد دیجیتال به مراتب ارزان تر است و فضای بسیار کمتری را اشغال می کند. فیلتر دیجیتال همچنین می تواند دقیق تر باشد زیرا تحمل اجزای گسسته در دامنه آنالوگ (مقاومت ها ، خازن ها و غیره) را از بین می برد.

در دنیای DAQ ، فیلتر کردن به طور انحصاری در داخل سیستم تهویه مطبوع سیستم انجام می شود. اما این تغییر کرد که سیستم های DAQ در دهه 1980 دیجیتالی شدند. امروزه برای تهویه مطبوع سیگنال معمول است که به هیچ وجه فیلتر ارائه دهند ، مگر در مواردی که لازم است قبل از فرآیند دیجیتالی شدن ، فرکانس های خاصی را فیلتر کنید. دو نمونه قابل توجه از این وجود دارد:

فیلتر بالای شتاب سنج ، به ویژه هنگامی که سیگنال یکپارچه یا یکپارچه شود.

فیلتر ضد آلیاژ. مرحله اصلی فیلتر ضد آلیاژ باید در حوزه آنالوگ انجام شود. نام مستعار یک سیگنال "کاذب" است که در اثر نمونه برداری بسیار کند در مقایسه با محتوای فرکانس سیگنال ایجاد می شود. پس از دیجیتالی شدن این نام مستعار ، هیچ راهی برای بازآفرینی سیگنال واقعی وجود ندارد.

فیلتر دیجیتال

فیلتر دیجیتال را می توان در نرم افزار رایانه ای یا در DSP اختصاصی (پردازنده سیگنال دیجیتال) انجام داد. برنامه های سطح بالا گاهی اوقات از ASIC یا FPGA های سفارشی برای انجام توابع فیلتر استفاده می کنند.

صفحه طراحی فیلتر از نرم افزار DeWesoftX

IIR در مقابل فیلتر FIR

IIR و FIR دو روش اساسی برای فیلتر دیجیتال هستند. هر کدام مزایا و معایب خود را دارند:

فیلترهای FIR (پاسخ تکانه محدود) با بسیاری از ضرایب محاسبه می شوند و به دلیل داشتن تغییر فاز صفر در داخل گذرگاه کاملاً مشهور هستند. این امر زمانی بسیار مهم است که سیگنال ها در محور زمان مقایسه می شوند. فیلتر FIR بسیار محاسبه است.

صفحه تنظیم فیلتر FIR نشان می دهد تغییر فاز صفر (خط سبز) و اعوجاج (خط قرمز) در گذرگاه (خط خاکستری عمودی)

فیلترهای IIR (پاسخ INFINITE IMPULSE) با ضرایب بسیار کمتری نسبت به فیلترهای FIR محاسبه می شوند ، بنابراین پردازش کمتری دارند. آنها معادل مستقیم با فیلترهای آنالوگ کلاسیک هستند. به عنوان مثال ، با فیلترهای IIR می توانیم به طور دقیق نظری پاس ، عبور زیاد ، وزن صدا و سایر فیلترهای استاندارد موجود در مدارهای آنالوگ دست پیدا کنیم.

مقایسه فاز تغییر فیلترهای IIR و FIR

در نمودار مقایسه فاز در بالا ، منحنی سبز موج سینوسی اصلی است.

منحنی قرمز پاسخ محاسبه شده با فیلتر IIR است. تأخیر فاز خروجی بسیار آشکار و بسیار بزرگ است.

منحنی آبی با فیلتر FIR محاسبه می شود. توجه داشته باشید که تغییر فاز صفر وجود دارد. در بسیاری از برنامه ها ، بسیار مهم است که سیگنال ها توسط فیلترها به تأخیر بیفتند ، زیرا مقایسه فاز انجام می شود. در این برنامه ها ، فیلترهای FIR بسیار مهم هستند.

تجزیه و تحلیل FFT

تبدیل سیگنال از دامنه زمان به دامنه فرکانس به ما امکان می دهد چیزهایی را در آن مشاهده کنیم که از طریق مشاهده مستقیم امکان پذیر نیستند. در شکل موج AC پیچیده نشان داده شده در زیر ، سیگنال از فرکانس های بی شماری تشکیل شده است:

ضبط یک شکل موج پیچیده

دشوار است بدانید که از این زمان در مقابل نمودار تاریخچه در سیگنال موجود است. راه حل استفاده از Transform Fast Fourier (FFT) برای ضبط "ویندوز" کوتاه زمان و تبدیل آنها به دامنه فرکانس است. FFT به راحتی می توان مشاهده کرد که بزرگترین فرکانس های بزرگی ، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است:

همان سیگنال در دامنه فرکانس (فرکانس در مقابل بزرگی) نشان داده شده است

با استفاده از پردازش سیگنال FFT می توانیم داده های اندازه گیری شده خود را در محور فرکانس بر خلاف محور زمانی آشناتر مشاهده کنیم.

تجزیه و تحلیل معین

تست ها و تجزیه و تحلیل معین ابزارهای ضروری برای تعیین فرکانس های طبیعی ، نسبت های میرایی و شکل حالت هر ساختار هستند. شما یک ساختار را با یک چکش ضربه یا یک یا چند شیکر معین "هیجان زده" می کنید ، سپس پاسخ ها را با استفاده از شتاب سنج های نصب شده روی آن اندازه گیری می کنید.

هنگامی که شما به یک ساختار با چکش ضربه (ضربه) ضربه می زنید ، طیف گسترده ای از فرکانس ها را در ساختار هیجان زده می کنید. چکش های Impulse دارای یک شتاب سنج در داخل آنها هستند به طوری که ما نیروی دقیقی را که اعمال شده است می دانیم.

شیکرهای معین در یک زمان با یک فرکانس کار می کنند. آنها می توانند مطابق تست ، از یک فرکانس به سری دیگر "Run-Up" و "Down" را از یک فرکانس به سری دیگر بپردازند. همچنین می توان همزمان از چندین شیکر استفاده کرد.

نمای کلی از تست معین سیمو ، میمو و ODS

تجزیه و تحلیل معین به شدت در مهندسی عمران و صنایعی مانند هوافضا و خودرو ، در طیف گسترده ای از برنامه ها ، از جمله:

• اطمینان از جدا شدن رزونانس از فرکانس های تحریک
• پیش بینی رفتار پویا اجزای سازنده ها و ساختارهای مونتاژ شده
• بهینه سازی خصوصیات پویا ساختار (جرم ، سفتی ، میرایی)
• پیش بینی پاسخ ها به دلیل تحریک پیچیده
• گنجاندن میرایی در مدلهای المان محدود
• تشخیص و ارزیابی آسیب

پیاده سازی های مهم آزمایش معین شامل خود تست معین ، تست کاهش سینوس (COLA) ، طیف پاسخ شوک (SRS) ، تجزیه و تحلیل خستگی و موارد دیگر است.

ریاضیات

از آنجا که داده ها در سیستم های DAQ امروز دیجیتالی هستند ، تعداد زیادی فرآیند ریاضی وجود دارد که می توانند روی آن انجام شوند. این بسیار فراتر از محدوده این مقاله است که همه آنها را پوشش دهد ، اما در اینجا فقط خلاصه ای از برخی از عملکردهای محبوب ریاضی موجود در برنامه های نرم افزاری محبوب DAQ وجود دارد:

• آمار: RMS ، میانگین ، حداقل ، حداکثر ، انحراف استاندارد ، واریانس ، طبقه بندی ، شمارش ، آمار آرایه و غیره.
• تجزیه و تحلیل دامنه زمان: کانال تأخیر ، انتگرال ، مشتق ، ریاضی ارزش قفل ، ریاضی دامنه ، زمان به بردار
• تجزیه و تحلیل دامنه فرکانس: Cepstrum ، همبستگی ، فرکانس دقیق ، تبدیل فوریه ، طیف کامل ، تجزیه و تحلیل اکتاو ، تبدیل کوتاه مدت فوریه (SFFT)
• فیلتر: FIR ، IIR ، FFR ، ادغام ، اشتقاق
• تشخیص ماشین آلات: ریاضی سنسور زاویه ، سر و صدای احتراق ، تشخیص پاکت ، پردازش سینوسی (COLA) ، فیلتر ردیابی
• مراحل شمارش
• آکوستیک: از جمله فیلترهای وزنه برداری
• کرنش و استرس: محاسبات روزت کرنش
• ثابت: بردارها ، ماتریس ثابت
• اپراتورهای اساسی: علاوه بر این ، تفریق ، تقسیم ، ضرب ، مود ، قدرت
• توابع: مربع ، ریشه مربع ، مطلق ، کوتاه ، تصادفی ، لگاریتم (Base2) ، لگاریتم (Base10) ، لگاریتم طبیعی ، نماینده ، اگر شرط ، حداقل ، حداکثر
• مثلثات: گناه ، cos ، برنزه ، asin ، acos ، atan ، pi
• منطق: کمتر از ، مساوی ، بیشتر از ، کمتر از یا مساوی ، بیش از یا مساوی ، نه برابر ، نه ، نه ، و ، یا ،
• سیگنال ها: تعداد نمونه های به دست آمده ، نرخ نمونه ، زمان سپری شده ، موج سینوسی ، موج مربع ، موج مثلثی ، سر و صدا
• اندازه گیری: عرض پالس ، کرنومتر

ابزارهای پردازش سیگنال

امروزه تعدادی از ابزارهای پردازش سیگنال در دسترس مهندسان و دانشمندان وجود دارد. در اینجا یک لیست کوتاه از برخی از افراد شناخته شده و محبوب بهتر آورده شده است:

خلاصه

پردازش سیگنال در بسیاری از صنایع و بخش‌ها از جمله آکوستیک، تست مودال سازه‌ها، پردازش ویدئو، ژئوفیزیک، مهندسی خودرو، مهندسی هوافضا، انرژی، تصویربرداری پزشکی، رادار، سونار، LIDAR و غیره اعمال می‌شود. هر کدام از روش‌های پردازش سیگنالی را به کار می‌گیرند که با نیازهای خاص خود مطابقت دارند.