Цифровая обработка сигналов

Введение ................................................................................................... 6

1. АНАЛИЗ ЦИФРОВЫХ ФИЛЬТРОВ 1.1. Цифровые цепи и сигналы .............................................................. 11

1.1.1. Цифровые сигналы .................................................................... 11

1.1.2. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи ..... 13

1.1.3. Цифровые системы обработки сигналов ................................. 19

1.2. Дискретное преобразование Фурье ................................................ 24

1.3. Z-преобразование ............................................................................. 26

1.4. Алгоритмы функционирования и формы реализации линейных цифровых фильтров ................................................................................ 30

1.5. Характеристики линейных цифровых фильтров с постоянными параметрами ............................................................................................ 33

1.5.1. Системная (передаточная) функция фильтра в Z-форме ....... 34

1.5.2. Импульсная и переходная характеристики ............................. 35

1.5.3. Частотные характеристики цифровых фильтров .................... 37

1.5.4. Групповое время запаздывания ................................................ 40

1.5.5. Устойчивость цифровых фильтров .......................................... 40

1.5.6. Точностные характеристики цифровых фильтров .................. 45

1.6. Примеры построения линейных цифровых фильтров .................. 49

1.7. Нелинейные эффекты в цифровых фильтрах ................................. 60

1.7.1. Эффекты квантования ............................................................... 60

1.7.2. Ошибки квантования в цифровых рекурсивных фильтрах ... 63

1.7.3. Методы борьбы с нелинейными эффектами в рекурсивных цифровых фильтрах ............................................................................ 66

1.7.4. Точность и эффективность цифровых вычислений с сохранением остатков ...................................................................... 70

1.7.5. Особенности построения каналов слежения с использованием цифровых фильтров ............................................. 76

2. СИНТЕЗ ЦИФРОВЫХ ФИЛЬТРОВ 2.1. Синтез цифровых устройств для обработки одномерных данных ..................................................................................................... 82

2.2. Синтез цифровых фильтров по методу инвариантного преобразования импульсной характеристики ...................................... 83

2.3. Синтез цифровых фильтров методом отображения дифференциалов ..................................................................................... 93

2.4. Синтез цифровых фильтров методом билинейного преобразования ....................................................................................... 97

2.5. Метод синтеза цифровых фильтров с использованием Z-форм ................................................................................................... 105

2.6. Частотные преобразования, применяемые при синтезе цифровых фильтров .............................................................................. 107

2.7. Прямой синтез цифровых фильтров ............................................. 113

2.8. Методы синтеза фильтров с конечной импульсной характеристикой ................................................................................... 114

2.8.1. Метод частотной выборки ...................................................... 114

2.8.2. Метод временных окон ........................................................... 118

3. ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЙ

3.1. Основные понятия цифровой обработки изображений .............. 127

3.2. Представление и преобразование двумерных сигналов ............. 131

3.2.1. Особые двумерные последовательности ............................... 131

3.2.2. Многомерные системы ........................................................... 134

3.2.3. Линейные и инвариантные к сдвигу многомерные системы .............................................................................................. 135

3.3. Двумерные линейные фильтры ..................................................... 137

3.3.1. Двумерный нерекурсивный фильтр ....................................... 137

3.3.2. Оператор двумерного «скользящего среднего» .................... 140

3.3.3. Лапласиан для «восьми соседей» ........................................... 141

3.3.4. Оператор выделения линий (контуров) в изображении ....... 142

3.3.5. Оператор двойного дифференцирования............................... 143

3.3.6. Оператор выделения малоразмерных объектов из шумов и фонов, подчиняющихся нормальному закону распределения ................................................................................... 144

3.3.7. Градиентные операторы выделения перепадов яркости в различных пространственных направлениях ................. 144

3.4. Рекурсивная обработка изображений ........................................... 145

3.4.1. Преимущества рекурсивной обработки изображений .......... 145

3.4.2. Интервальное интегрирование ............................................... 146

3.4.3. Интервальное дифференцирование........................................ 147

3.4.4. Квазиоптимальная фильтрация малоразмерных объектов из шумов ............................................................................ 148

3.4.5. Трапецеидальная импульсная характеристика ...................... 149

3.4.6. Двухкаскадный рекурсивный сепарабельный цифровой фильтр .............................................................................. 150

3.5. Нелинейная обработка изображений ............................................ 157

3.6. Двумерная децимация данных ...................................................... 165

4. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ СИГНАЛОВ

4.1. Аппаратурное построение КИХ-фильтра прямой формы .......... 173

4.2. Параллелизм при построении КИХ-фильтров прямой формы ... 176

4.3. Каскадная форма КИХ-фильтра .................................................... 178

4.4. Прямая форма КИХ-фильтра с высоким уровнем параллелизма ......................................................................................... 182

4.5. Прямая форма построения БИХ-фильтров................................... 185

4.6. Каскадная форма БИХ-фильтров .................................................. 186

5. ЦИФРОВОЕ СЖАТИЕ ВИДЕОСИГНАЛОВ

5.1. Пространственная и временная избыточность ............................ 189

5.2. Дискретное косинусное преобразование ...................................... 189

5.3. Взвешивание .................................................................................. 191

5.4. Кодирование с переменной длиной слова .................................... 191

5.5. Внутрикадровое кодирование ....................................................... 192

5.6. Межкадровое кодирование ........................................................... 193

5.7. Компенсация движения ................................................................. 195

5.8. I-видеокадры .................................................................................. 196

5.9. Стандарты MPEG ........................................................................... 198

5.9.1. Применения MPEG ................................................................. 198

5.9.2. Профили и уровни ................................................................... 199

5.9.3. MPEG-1 и MPEG-2 .................................................................. 201

5.9.4. Двунаправленное кодирование .............................................. 202

5.9.5. Типы данных ........................................................................... 204

5.9.6. Структура цифрового потока MPEG ...................................... 204

5.9.7. Системный уровень ................................................................. 206

6. ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ СВЯЗИ

6.1. Ортогональное частотное мультиплексирование данных .......... 208

6.2. Временная синхронизация ............................................................ 209

6.2.1. Корреляционный метод оценки временного смещения ....... 209

6.2.2. Оценка времени приема сигнала с использованием интерполяции корреляционной функции ........................................ 210

6.3. Частотная синхронизация .............................................................. 211

6.4. Эквалайзирование в системах OFDM ........................................... 221

Список сокращений .................................................................................. 228

Литература ................................................................................................ 23