Digitaalinen signaalinkäsittely

Digitaalinen signaalinkäsittely, usein myös pelkkä signaalinkäsittely, on digitaalisessa muodossa esitettyjen signaalien käsittelyä numeerisen laskennan menetelmin. Digitaalisen signaalinkäsittelyn merkitys on kasvanut voimakkaasti viime vuosikymmeninä tietokoneiden laskentatehon kasvaessa ja yhä uusien sovelluskohteiden avautuessa. Digitaalisen signaalinkäsittelyn alaan kuuluu keskeisesti myös analogisten signaalien muuttamisen digitaaliseksi  ja päinvastoin. Useimmat digitaaliset signaalit ovatkin digitaaliseksi muutettuja analogisia signaaleja, esimerkiksi audiosignaaleja eli ääntä.

Keskeisiä menetelmiä
Signaalit esitetään usein aika-akselin sijaan taajuusakselilla. Aika-alueen signaalien muuntaminen taajuusalueeseen tehdään usein Fourier-muunnoksella.

Digitaalisen signaalinkäsittelyn keinoin voidaan suuresta joukosta dataa, joka sinänsä on vaikeasti tulkittavissa, saada esille dataa luettavassa, ymmärrettävässä ja käytettävässä muodossa. Triviaali esimerkki tästä on esimerkiksi keskustelun äänittäminen suuressa taustamelussa. Oleellisen datan esille saamiseksi käytetään digitaalisia suodattimia. 

Analoginen signaali muutetaan digitaaliseksi AD-muuntimella ja digitaalinen takaisin analogiseksi DA-muuntimella.

Signaaleja käsitellään usein joko tavallisella tietokoneella tai signaalinkäsittelytarkoitukseen erityisesti suunniteltuja digitaalisella signaaliprosessorilla (DSP). Useat reaaliaikaiset säätöjärjestelmät edellyttävät digitaalisen signaalinkäsittelyn keinoin käsiteltyä dataa. Etenkin suuria tai monimutkaista käsittelyä vaativia datamääriä reaaliajassa käsiteltäessä käytetään myös tarkoitusta varten räätälöityjä sovelluskohtaisia mikropiirejä tai FPGA-piirejä.

Digitaalisen signaalinkäsittelyn edut
Analogisiin signaalinkäsittelymetodeihin verrattuna digitaaliset metodit antavat tarkemman tuloksen, ovat helpommin monistettavissa ja muokattavissa sekä ovat halvempia. Ne ovat myös eräiltä keskeisiltä osin merkittävästi suorituskykyisempiä.

Historia 
Ennen digitaalisen signaalinkäsittelyn kehittymistä vallalla oli analoginen signaalinkäsittely. Tällöin signaaleja käsiteltiin analogisten komponenttien, kuten vastusten, kelojen, kondensaattorien, transistorien ja operaatiovahvistimien avulla.

Digitaalisen signaalinkäsittelyn historia ulottuu aikaan ennen varsinaisia signaaliprosessoreita, mutta sovelluksia alkoi tulla 1980-luvulla, jolloin tulivat ensimmäiset digitaaliset signaaliprosessorit (DSP). Etenkin alkuvaiheessa digitaaliseen signaalinkäsittelyyn käytettiin yleiskäyttöisiä 8-bittisiä, 8/16-bittisiä ja 32-bittisiä mikroprosessoreita. Sen jälkeen signaalinkäsittelyä on tehty paljon tarkoitukseen suunnatuilla DSP-piireillä ja myöhemmin myös FPGA-piireillä ().

1970-luvulla ja vielä 1980-luvullakin käytettiin tutkimustyössä paljon reaaliaikaista 200 kanavaista SAICOR SAI-51B spektrianalysaattoria.

Digitaalisen signaalinkäsittelyn historiaa Suomessa
Digitaalisen signaalinkäsittelyn matemaattinen abstrakti teoria tuli Suomeen, Tampereen teknilliseen yliopistoon syksyllä 1976 professori Yrjö Neuvon järjestämillä kaksivuotisilla jatko-opinnoilla syksystä 1976 kevääseen 1978. 
Kurssilla koko kahden vuoden ajan vuosina 1976–1978 mukana olivat teekkarit Tapio Saramäki, Markku Renfors, Raimo O. Toivonen.

Sovellusalueita
 Kuvankäsittely
digitaalinen kuvankäsittely
hahmontunnistus
 animaatiot
 sääkarttojen tuottaminen satelliittikuvien perusteella

Puheteknologia
puheanalyysi
 puheentunnistus
puhujantunnistus
puhesynteesi
puheenkoodaus

 Audiosignaalinkäsittely
äänen muokkaus, kuten Auto-Tune
äänenpakkaus, kuten MP3 
äänen sisältöanalyysi
äänisynteesi
Tietoliikenne
 digitaalinen modulaatio ja demodulaatio
 tiedonsiirtokanavan häiriöiden tunnistus ja korjaaminen
 vastaanottimen synkronointi lähetteeseen (ajoitus ja taajuus)
 monen antennin lähetys- ja vastaanottotekniikat (MIMO)

 Lääketiede
röntgenkuvaus, tietokonekerroskuvaus, magneettikuvaus ja ultraäänikuvaus
 EEG-aivokuvaus

 kaikuluotaus

Katso myös 
 Puheteknologian historiaa Suomessa

Lähteitä 
 Huttunen, Heikki: Signaalinkäsittelyn menetelmät. Tampereen teknillinen yliopisto, Tampere 2005. . ISBN 952-15-1432-9. PDF.
 Ifeachor, Emmanuel C. & Jervis, Barrie W.: Digital Signal Processing: A Practical Approach. Addison-Wesley 1993. ISBN 0-201-54413-X

Viitteet

Kirjallisuutta

Aiheesta muualla

 Usenet-keskusteluryhmä  digitaalisesta signaalinkäsittelystä (englanniksi)
 DSP-kirja verkossa (englanniksi)
 History of Signal Processing – IEEE Signal Processing Society
 Tapio Saramäki sivullaan
 Markku Renfors sivullaan 
 Intelligent Speech Analyser Raimo Olavi Toivonen sivullaan 

Signaalinkäsittely