עיבוד אותות ספרתי

עיבוד אותות דיגיטלי (Digital Signal Processing, DSP) הוא ענף בהנדסת חשמל, אלקטרוניקה ופיזיקה שמתמקד בייצוג ספרתי של אותות ובשיטות לעיבוד שלהם. במקום לעבוד עם גלים אנלוגיים רציפים, DSP עובד עם סדרות מספריות שמייצגות אותם.

תחומי היישום הנפוצים כוללים עיבוד קול ודיבור, עיבוד תמונה, אותות מכ"ם וסונאר, מערכי חיישנים ועיבוד תקשורת. אלה תחומים שבהם מעבדים את האות כדי לנקותו, לשפרו או להפיק ממנו מידע שימושי.

לפני שמעבדים אות אנלוגי במחשב, צריך להמירו. ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) לוקח אות רציף ומייצר דגימות מספריות. בסוף התהליך, אם רוצים אות אנלוגי חזרה, משתמשים בממיר דיגיטלי לאנלוגי (DAC). דוגמאות לממירים כאלה הן מודמים וכרטיסי קול במחשב.

דגימת אות כוללת בדרך כלל שני שלבים: דיסקרטיזציה, שבוחרת ערך מייצג לכל נקודת מדידה, וקוונטיזציה, שקרובה את הערכים לקבוצה סופית של מספרים. כדי שלא יאבד מידע חשוב יש לעמוד במשפט הדגימה: תדירות הדגימה חייבת להיות גדולה מפעמיים מרוחב הסרט של האות (bandwidth). אם לא עומדים בכך עלול להופיע "aliasing", ערבוב תדרים.

לעיתים עורכים את העיבוד בזמן אמת באמצעות מעבדי אות ספרתיים (DSP chips). אלה מיקרו־מעבדים המיועדים לביצוע חישובים של אותות מהר וביעילות.

מהנדסים עובדים במרחבי עיבוד שונים: מרחב הזמן או המקום (ייצוג לפי דגימות סדרתיות), מרחב התדר (אשר מראה אילו תדרים קיימים), מרחב האוטוקורלציה (מתאם עצמי של אות עם עצמו) ומרחב הגלונים (wavelets). תמרת פורייה דיסקרטית (DFT) הופכת רצף דגימות לספקטרום התדרים שלו, ומסייעת לזהות תכונות בתדר.

עם המעבר למחשבים גדל הצורך בדגימת אותות. ההמרה לאות ספרתי מתבצעת באמצעות ADC וחלוקה לדיסקרטיזציה וקוונטיזציה, כפי שצויין. להחזרת אות משתמשים ב‑DAC.

עיבוד אותות דיגיטלי הוא בסיס ליישומים יומיומיים כמו וידאו דחוס (כמו DVD), קבצי קול דחוסים (כגון MP3) ותקשורת רדיו סלולרית ודאטה (כמו GPRS ותקנים סלולריים).

עיבוד אותות דיגיטלי הופך אותות לשרשרת מספרים. כך מחשבים יכולים לעבוד על הקולות, התמונות והמידע.

מהנדסים בודקים אותות בזמן ובמקום. הם גם בודקים בתדירות. תדר הוא מהירות הרטט של האות. תמרת פורייה דיסקרטית מראה אילו תדירויות יש באות.

כדי להשתמש באות במחשב צריך להמירו. ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC) לוקח אות מהעולם ומייצר דגימות מספריות. דגימה כוללת לקיחת מדידות שוב ושוב. קוונטיזציה היא לקרב את הערכים לקבוצה קטנה של מספרים. כדי לשמור על צורת האות צריך לדגום מהר מספיק, יותר מפעמיים מהתדירות הגבוהה ביותר.

דברים יומיומיים עובדים בעיבוד אותות דיגיטלי. דוגמאות: מוזיקה בקובץ MP3, סרטים ב‑DVD ותקשורת בסלולרי.