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.^lähde? Ne ovat myös eräiltä keskeisiltä osin merkittävästi suorituskykyisempiä.^lähde?

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 (engl. Field-programmable gate array).

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. ISSN 1459-4609. 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

Kirjallisuutta

• Wanhammar, Lars & Saramäki, Tapio: Digital Filters Using MATLAB. Springer, 2020. ISBN 978-3-030-24062-2
• Oppenheim, Alan V. & Schafer, Roland W.: Digital Signal Processing. Prentice-Hall, Inc., 1975. ISBN 0-13-214635-5
• Rabiner, Lawrence R. & Gold, Bernard: Theory and Application of Digital Signal Processing. Prentice-Hall, Inc., 1975. ISBN 0-13-914101-4
• Saramäki, Tapio: Design of Digital Filters Requiring a Small Number of Aritmetic Operations. (Väitöskirja) TTKK, 1981. ISBN 951-720-578-3
• Renfors, Markku: On the Design of Efficient Digital Filters Using Graph Theoretic Equivalence Transformations. (Väitöskirja) TTKK, 1982. ISBN 951-720-673-9
• Neuvo, Yrjö & Simula, Olli & Bärling, Pekka: Microprogrammable digital filter. (Tutkimusraportti) TTKK, 1979. ISBN 951-720-384-5
• Oppenheim, Alan V. & Schafer, Ronald W.: Digital Signal Processing. Prentice-Hall, 1975. ISBN 0-13-214635-5
• Schwartz, Mischa & Shaw, Leonard: Discrete Spectral Analysis. Detection and Estimation. McGraw-Hill, 1975. ISBN 978-0070556621
• Agrawala, Ashok K. & Rauscher, Tomlinson G.: Foundations of Microprogramming. Academic Press, 1976. ISBN 978-0120451500
• Graham, Robert M.: Principles of Systems Programming. John Wiley and Sons, Inc., 1975. ISBN 0-471-32100-1
• Gallager, Robert G.: Information Theory and Reliable Communication. John Wiley and Sons, Inc., 1968. ISBN 0-471-29048-3

Aiheesta muualla

• Usenet-keskusteluryhmä (Arkistoitu – Internet Archive) digitaalisesta signaalinkäsittelystä (englanniksi)
• DSP-kirja verkossa (englanniksi)
• History of Signal Processing – IEEE Signal Processing Society
• Tapio Saramäki sivullaan
• Markku Renfors sivullaan
• Raimo Olavi Toivonen sivullaan^{[vanhentunut linkki]} (englanniksi)