Processamento de sinal - Signal processing
O processamento de sinais é um subcampo da engenharia elétrica que se concentra em analisar, modificar e sintetizar sinais como som , imagens e medições científicas. As técnicas de processamento de sinal podem ser usadas para melhorar a transmissão, a eficiência de armazenamento e a qualidade subjetiva e também para enfatizar ou detectar componentes de interesse em um sinal medido.
História
De acordo com Alan V. Oppenheim e Ronald W. Schafer , os princípios do processamento de sinais podem ser encontrados nas técnicas clássicas de análise numérica do século XVII. Eles afirmam ainda que o refinamento digital dessas técnicas pode ser encontrado nos sistemas de controle digital das décadas de 1940 e 1950.
Em 1948, Claude Shannon escreveu o influente artigo " A Mathematical Theory of Communication ", que foi publicado no Bell System Technical Journal . O documento lançou as bases para o desenvolvimento posterior de sistemas de comunicação de informação e processamento de sinais para transmissão.
O processamento de sinais amadureceu e floresceu nas décadas de 1960 e 1970, e o processamento de sinais digitais tornou-se amplamente usado com chips processadores de sinais digitais especializados na década de 1980.
Categorias
Analógico
O processamento analógico de sinais é para sinais que não foram digitalizados, como na maioria dos sistemas de rádio, telefone, radar e televisão do século 20. Isso envolve circuitos eletrônicos lineares e também não lineares. Os primeiros são, por exemplo, filtros passivos , filtros activos , misturadores de aditivos , integradores , e linhas de atraso . Circuitos não lineares incluem expansores , multiplicadores ( misturadores de frequência , amplificadores de tensão controlada ), filtros de tensão controlada , osciladores controlados por tensão , e lacetes de bloqueio de fase .
Tempo contínuo
O processamento de sinal em tempo contínuo é para sinais que variam com a mudança de domínio contínuo (sem considerar alguns pontos de interrupção individuais).
Os métodos de processamento de sinal incluem domínio de tempo , domínio de frequência e domínio de frequência complexo . Esta tecnologia discute principalmente a modelagem de sistema contínuo invariante no tempo linear, integral da resposta de estado zero do sistema, configurando a função do sistema e a filtragem de tempo contínuo de sinais determinísticos
Tempo discreto
O processamento de sinal em tempo discreto é para sinais amostrados, definidos apenas em pontos discretos no tempo e, como tal, são quantizados no tempo, mas não em magnitude.
O processamento de sinal analógico em tempo discreto é uma tecnologia baseada em dispositivos eletrônicos, como circuitos de amostra e retenção , multiplexadores analógicos de divisão de tempo , linhas de atraso analógicas e registradores de deslocamento de feedback analógico . Essa tecnologia foi a predecessora do processamento digital de sinais (veja abaixo) e ainda é usada no processamento avançado de sinais gigahertz.
O conceito de processamento de sinais em tempo discreto também se refere a uma disciplina teórica que estabelece uma base matemática para o processamento de sinais digitais, sem levar em consideração o erro de quantização .
Digital
O processamento de sinal digital é o processamento de sinais digitalizados de amostragem em tempo discreto. O processamento é feito por computadores de uso geral ou por circuitos digitais como ASICs , matrizes de portas programáveis em campo ou processadores de sinais digitais especializados (chips DSP). Operações aritméticas típicas incluem -ponto fixo e de ponto flutuante , de valor real e valor complexo, multiplicação e adição. Outras operações típicas suportadas pelo hardware são buffers circulares e tabelas de pesquisa . Exemplos de algoritmos são a transformada rápida de Fourier (FFT), filtro de resposta de impulso finito (FIR), filtro de resposta de impulso infinito (IIR) e filtros adaptativos , como os filtros de Wiener e Kalman .
Não linear
O processamento de sinais não lineares envolve a análise e processamento de sinais produzidos a partir de sistemas não lineares e pode ser nos domínios do tempo, frequência ou espaço-temporal. Os sistemas não lineares podem produzir comportamentos altamente complexos, incluindo bifurcações , caos , harmônicos e sub - harmônicos que não podem ser produzidos ou analisados usando métodos lineares.
O processamento de sinal polinomial é um tipo de processamento de sinal não linear, onde sistemas polinomiais podem ser interpretados como extensões conceitualmente diretas de sistemas lineares para o caso não linear.
Estatístico
O processamento estatístico de sinais é uma abordagem que trata os sinais como processos estocásticos , utilizando suas propriedades estatísticas para realizar tarefas de processamento de sinais. As técnicas estatísticas são amplamente utilizadas em aplicações de processamento de sinais. Por exemplo, pode-se modelar a distribuição de probabilidade de ruído incorrido ao fotografar uma imagem e construir técnicas baseadas neste modelo para reduzir o ruído na imagem resultante.
Campos de aplicação
- Processamento de sinal de áudio - para sinais elétricos que representam som, como fala ou música
- Processamento de imagem - em câmeras digitais, computadores e vários sistemas de imagem
- Processamento de vídeo - para interpretar imagens em movimento
- Comunicação sem fio - geração de formas de onda, demodulação, filtragem, equalização
- Sistemas de controle
- Processamento de matriz - para processar sinais de matrizes de sensores
- Controle de processo - uma variedade de sinais são usados, incluindo o loop de corrente de 4-20 mA padrão da indústria
- Sismologia
- Processamento de sinais financeiros - análise de dados financeiros usando técnicas de processamento de sinais, especialmente para fins de previsão.
- Extração de recursos , como compreensão de imagem e reconhecimento de fala .
- Melhoria de qualidade, como redução de ruído , aprimoramento de imagem e cancelamento de eco .
- Codificação de origem, incluindo compactação de áudio , compactação de imagem e compactação de vídeo .
- Processamento de sinal genômico
Em sistemas de comunicação, o processamento de sinal pode ocorrer em:
- Camada OSI 1 no modelo OSI de sete camadas, a camada física ( modulação , equalização , multiplexação , etc.);
- Camada OSI 2, a camada de enlace de dados ( correção de erros de encaminhamento );
- Camada 6 do OSI, a camada de apresentação (codificação de origem, incluindo conversão analógico-digital e compressão de dados ).
Dispositivos típicos
- Filtros - por exemplo analógico (passivo ou ativo) ou digital ( FIR , IIR , filtros de domínio de frequência ou estocásticos , etc.)
- Amostradores e conversores analógico-digital para aquisição e reconstrução de sinal , que envolve medir um sinal físico, armazená-lo ou transferi-lo como sinal digital e, possivelmente, reconstruir posteriormente o sinal original ou uma aproximação deste.
- Compressores de sinal
- Processadores de sinais digitais (DSPs)
Métodos matemáticos aplicados
- Equações diferenciais
- Relação de recorrência
- Teoria de transformação
- Análise de tempo-frequência - para processamento de sinais não estacionários
- Estimativa espectral - para determinar o conteúdo espectral (ou seja, a distribuição de potência sobre frequência) de uma série temporal
- Processamento estatístico de sinais - análise e extração de informações de sinais e ruído com base em suas propriedades estocásticas
- Teoria do sistema linear invariante no tempo e teoria da transformação
- Processamento de sinal polinomial - análise de sistemas que relacionam entrada e saída usando polinômios
- Identificação e classificação do sistema
- Cálculo
- Análise complexa
- Espaços vetoriais e álgebra linear
- Análise funcional
- Probabilidade e processos estocásticos
- Teoria de detecção
- Teoria da estimativa
- Otimização
- Métodos numéricos
- Séries Temporais
- Mineração de dados - para análise estatística das relações entre grandes quantidades de variáveis (neste contexto, representando muitos sinais físicos), para extrair padrões interessantes anteriormente desconhecidos
Veja também
- Filtro de áudio
- Variação limitada
- Processamento digital de imagens
- Compressão de faixa dinâmica , compressão , limitação e controle de ruído
- Teoria da informação
- Meios não locais
- Reverberação
Referências
Leitura adicional
- P Stoica, R Moses (2005). Análise espectral de sinais (PDF) . NJ: Prentice Hall.
- Kay, Steven M. (1993). Fundamentos do Processamento Estatístico de Sinais . Upper Saddle River, Nova Jersey : Prentice Hall . ISBN 0-13-345711-7. OCLC 26504848 .
- Papoulis, Athanasios (1991). Probability, Random Variables, and Stochastic Processes (terceira ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-100870-5.
- Kainam Thomas Wong [1] : Notas de aula sobre processamento de sinais estatísticos na Universidade de Waterloo, Canadá.
- Ali H. Sayed , Adaptive Filters, Wiley, NJ, 2008, ISBN 978-0-470-25388-5 .
- Thomas Kailath , Ali H. Sayed e Babak Hassibi , Linear Estimation, Prentice-Hall, NJ, 2000, ISBN 978-0-13-022464-4 .
links externos
- Signal Processing for Communications - livro online gratuito de Paolo Prandoni e Martin Vetterli (2008)
- Guia para cientistas e engenheiros para processamento digital de sinais - livro online gratuito de Stephen Smith