Signaalitöötlus

Signaalitöötlus (inglise keeles signal processing) hõlmab elektrisignaali analüüsi, interpretatsiooni ja manipulatsiooni. Signaalitöötluse meetodite abil on võimalik signaali elektrooniliselt filtreerida, eraldada mürast informatsiooni, tuua esile signaali olulised omadused. Töödeldavateks signaalideks võivad olla näiteks audiosignaal, videosignaal, mitmesugused mõõtesignaalid jm.

Andmeid töödeldakse peamiselt digitaalkujul, sest sel kujul saab andmeid tihendada (pakkida) ja niiviisi salvestatavat ja edastatavat andmemahtu oluliselt vähendada.

Ajalugu
Alan V. Oppenheimi ja Ronald W. Schaferi järgi leiutati signaalitöötluse printsiibid koos klassikaliste arvuanalüüsi (numerical analysis) tehnikatega 17. sajandil. Nende tehnikate kasutamise järgmiseks astmeks oli andmete digiteerimise ettevamistamine 1940.–1950. aastatel.

1948. aastal avaldas Claude Shannon ajakirjas Bell System Technical Journal olulise artikli „A Mathematical Theory of Communication“, mis pani aluse telekommunikatsiooni ja signaaliedastuse tehnika edasisele arengule.

Signaalitöötlustehnika hakkas hoogsalt arenema 1960.–1970. aastatel ning 1980. aastatel hakati tootma spetsialiseeritud signaaliprotsessorite kiipe.

Eri liiki signaalide töötlemine

Pidev signaal 
Pideva signaali amplituudi muutus aja funktsioonina on pidev: signaalil on igal hetkel mingi väärtus. Füüsikaliste suurustega, nagu temperatuur, rõhk, heli jne, võrdeliselt muutuvad elektrisignaalid on pidevad signaalid. Signaali loetakse pidevaks vaatamata sellele, et selles võib olla üksikuid katkestuskohti.

Ajas pidevalt muutuva signaali töötlemise meetodid hõlmavad lineaarse ajainvariantse pideva süsteemi modelleerimist, süsteemi talitluse seadistamist ja deterministlike (juhuslikkust mitte sisaldavate) signaalide pidevat ajalist filtreerimist.

Analoogsignaal 

Analoogsignaali töötlemise objektiks on pidevad signaalid, seega signaalid, mida pole digiteeritud. Analoogsignaalidena töödeldi enamikku 20. sajandi raadio-, telefoni-, radari- ja televisioonisignaale. Siia kuuluvad nii lineaarsed kui ka mittelineaarsed elektroonikalülitused. Esimesed on näiteks passiivsed ja aktiivsed sagedusfiltrid, elektroonilised mikserpuldid, integraatorid ja viitliinid. Mittelineaarsed ahelad hõlmavad kompandereid, sageduskordisteid, sagedusmiksereid ja -segusteid, pingega tüüritavaid võimendeid ja filtreid, ostsillaatoreid ja faasiluku lülitusi.

Aegdiskreetne signaal 

Aegdiskreetsel signaalil on väärtused ainult teatud ajavahemikega eraldatud hetkedel. Seejuures väljendab iga hetkeväärtus (nn diskreet) signaali täpselt, selle väärtust pole veel kvanditud (ehk väärtuseliselt diskreeditud).

Diskreetsignaalitöötlus on tehnika, mis põhineb elektroonikalülitustel, nagu diskreeditaseme hoidelülitus (sample and hold) pideva astmelise signaali saamiseks, multiplekserid ja nihkeregistrid. See tehnoloogia oli digitaalse signaalitöötluse eelkäija.

Aegdiskreetse signaalitöötluse matemaatiliseks aluseks on kontseptsioon, et kvantimisviga arvesse ei võeta.

Digitaalsignaal 

Digitaalne signaalitöötlus on digiteeritud signaalide töötlemine. Töötlemine võib toimuda arvutite või digitaalse signaalitöötluse lülituste abil, nagu tellijakiibid (ASIC), programmeeritavad väravamassiivid või spetsialiseeritud signaaliprotsessorid (DSP-kiibid). Tüüpilised aritmeetikatehted on seejuures püsi- ja ujukomaarvutus, tehted reaal- ja kompleksarvudega, korrutamis- ja liitmistehted. Muid tüüpilisi riistvaratoiminguid teostavad ringpuhvrid (circular buffer) ja otsingutabelid. Algoritmide näideteks on Fourier' kiirteisendus (FFT), lõpliku siirdega filter (FIR), piiramatu siirdega filter (IIR) ja adaptiivfilter.

Mittelineaarne signaal 

Mittelineaarne signaalitöötlus hõlmab mittelineaarsetes süsteemides tekkivate signaalide analüüsi ja töötlemist, kusjuures mittelineaarsus võib avalduda ajas, ruumis või teatud sageduspiirkonnas. Mittelineaarsetes süsteemides võib ilmneda väga keerulisi käitumisviise, sealhulgas bifurkatsioone, kaost, samuti harmoonilisi ja alamharmoonilisi sagedusi, mida ei saa lineaarsete meetoditega tekitada ega analüüsida.

Polünoomne signaalitöötlus on mittelineaarse signaalitöötluse alaliik, kus polünoomsüsteeme võib tõlgendada kui lineaarsete süsteemide kontseptuaalselt lihtsaid laiendusi mittelineaarsetele juhtudele.

Statistiline signaal 
Statistiline signaalitöötlus on lähenemisviis, mis käsitleb signaale juhuslike protsessidena, kasutades nende statistilisi omadusi signaalitöötluse ülesannete täitmiseks. Statistilisi meetodeid kasutatakse laialdaselt signaalitöötluse rakendustes. Näiteks saab modelleerida pildistamisel tekkiva pildimüra tõenäosusjaotust ja konstrueerida selle mudeli põhjal tehnikaid, et vähendada müra saadud pildil.

Rakendusi 
 Audiosignaali (kõne, muusika) töötlemine
 Fototöötlus digikaamerates, arvutites ja erinevates pildisüsteemides
 Videosignaali töötlemine
 Juhtmevaba ühendus – võnkumiste genereerimine, demoduleerimine, filtreerimine, võrdlemine
 Protsesside juhtimise ja reguleerimise süsteemid
 Andurimassiivide signaalide töötlemine
 Seismoloogia
 Finantsandmete analüüsimine signaalitöötlustehnikate abil, eriti prognoosimise eesmärgil
 Kõnesignaali töötlemine ja interpreteerimine, näiteks kõnesüntees ja kõnetuvastus
 Kvaliteedi parandamine, näiteks pildimüra vähendamine, kaja summutus audiosignaalis
 Lähtekoodid, sealhulgas audiosignaali, pildisignaali ja videosignaali tihendamiseks

Tüüpilised töötlusseadmed 
 Filtrid, näiteks passiivne või aktiivne analoogfilter või digitaalfilter (lõpliku siirdega filter, piiramatu siirdega filter, stohhastiline filter)
 Samplerid ja analoog-digitaalmuundurid signaalide kogumiseks ja rekonstrueerimiseks (signaali mõõtmine, salvestamine või digitaalsena edastamine, algsele lähedase signaali taastamine
 Signaalikompressorid digitaalandmete tihendamiseks (pakkimiseks)
 Digitaalsed signaaliprotsessorid (DSP)d

Vaata ka 
 Digitaalne signaalitöötlus
 Signaaliprotsessor

Viited

Elektroonika