Fault tolerant: Digital Signal Processing

Fault tolerant: Digital Signal Processing

W systemach fizycznych sygnały są zawsze analogowe. Widmo sygnałów używanych w systemach budowane przez człowieka zawiera się w zakresie od tysięcznych części Hz do około 100 GHZ.

Sygnał można liniowo filtrować aby odrzucić zakłócenia lub wydzielić pożądany - odbierany sygnał radiowy z systemem z podziałem częstotliwościowym. Stosuje się filtry RC, LC, ceramiczne, kwarcowe, z akustyczna falą powierzchniową SAW, na liniach paskowych i wnęki rezonansowe. Sygnały można też przetwarzać nieliniowo.

Sygnał analogowy można typowo ( dalej o przetwornikach A/D i D/A Sigma Delta pracujących według innej nowatorskiej zasady ) dolnoprzepustowo przefiltrować filtrem antyaliasingowym, spróbkować i przetworzyć przetwornikiem Analogowo - Cyfrowym A/D ( Analog / Digital ) na liczbę.

Gwałtownie technikę DSP upowszechniła technologia Compact Disc wprowadzona przez potężny duet koncernów Sony-Philips. Algorytmy DSP są jednak w układach scalonych do CD wydajnie wykonywane w sposób sztywny z uwagi na wymaganą niską cenę realizacji układów scalonych. Niemniej temat szybkiego mnożąco - dodającego ALU przemyślano w szczegółach dokonując licznych odkryć i efektywnie zrealizowano. Taki ALU daje się względnie tanio wykonać w procesorze.

Równolegle zachodnioniemiecki ITT Semiconductor w 1982 roku wprowadził na rynek zestaw układów scalonych systemu DIGIT 2000 gdzie telewizyjne sygnały Video i Audio są przetwarzane cyfrowo ! Wielkie koncerny mikroelektroniczne zostały opracowaniami ITT zupełnie zaskoczone ( zwłaszcza ich stopniem zaawansowania ! ) jako że dopiero myślano o zapoczątkowaniu prac badawczych nad DSP, których efekty można by spożytkować za parę lat ! Oczywiście zastosowano w systemie także przetworniki A/D i D/A. Sygnały Video przetwarzane są z ogromna prędkością jako że w systemie kodowania sygnału telewizyjnego PAL próbek sygnału video z przetwornika A/D jest 17.7 M na sekundę. System w części Video ma parę mnożąco dodających ALU ( o małej długości słowa ) zorganizowanych w potok algorytmu przetwarzania sygnału. Nie ma tam czegoś takiego jak konwencjonalny procesor przetwarzający program z pamięci. Natomiast układ do przetwarzania sygnałów audio APU2400 lub APU2470 ( Audio Processor Unit ) ma wbudowany procesor DSP z pamięciami programu i danych !

Co ciekawe idea DSP była eksplorowana od dawna w USA ale to Europa i Japonia były w stanie przełamać trudności technologiczne i psychologiczne oraz postawić kropkę nad „i” w masowym zastosowaniu.

Pojawienie się tych systemów zmusiło koncerny amerykańskie produkujące mikroprocesory do wypuszczenia procesorów DSP ogólnego zastosowania. Najważniejsze zadanie czyli opracowanie realizowalnego mnożąco-dodajacego ALU było już wykonane przez innych !

Sygnał cyfrowy można przetwarzać zwykłym komputerem PC lub w czasie rzeczywistym urządzeniem z procesorem sygnałowym DSP ( Digital Signal Processing ).

Rodzinę mikroprocesorów DSP ogólnego zastosowania TMS320 koncern Texas Instruments zainicjował w 1983. Motorola konkurencyjny system DSP 56000 rozpoczęła budować w 1986 roku. Procesory DSP są jeszcze bardzo drogie ale są coraz szerzej używane i rokowania dla nich są bardzo pomyślne. Napewno więc wyjdą z wąskich zastosowań militarnych i profesjonalnych.

Cechą każdego procesora DSP jest szybkie wykonywanie instrukcji mnożenia-dodawania w formacie ułamkowym - fractional lub zmiennoprzecinkowym. Możliwe że zmiennoprzecinkowe procesory DSP kiedyś się upowszechnią ale obecnie taki 32 bitowy mikroprocesor kosztuje tyle ile komputer PC AT. Cena jest więcej niż prohibicyjna, jest szalona.

Napisanie programu na procesor zmiennoprzecinkowy jest najprostsze. Rezultat mnożenia dwóch liczb 16 bitowych ( sygnał i współczynnik filtru ) jest 32 bitowy a oczekiwaliśmy rezultatu 16 bitowego aby go dalej przetwarzać. Konwencjonalna reprezentacja stałoprzecinkowa nie może być efektywnie zastosowana w obszarze DSP.

W formacie ułamkowym reprezentowana jest liczba w zakresie -1 do bliskiej +1. Rezultat mnożenia ma w akumulatorze ALU większą dokładność ale zapisany do pamięci jest ułamkowy wynik 16 (32) bitowy. Ułamkowe ALU ( Arithmetic Unit ) jest tylko trochę bardziej skomplikowane niż ALU stałoprzecinkowe. Rezultat dodawania przy przepełnieniu nie jest "przewijany" jak normalnie w kodzie z uzupełnieniem do dwóch U2 ale jest nasycony. Specjalny rozkaz mnoży przez 2 drogą przesunięcia w lewo.

Sygnały akustyczne audio można filtrować - filtrując górnoprzepustowo usunąć szkodliwą składową stałą, wykonać preemfazę i deemfazę używane w RTVC w modulacji FM i w zapisie CD, regulować tony wysokie i niskie, realizować equaliser, realizować regulacje fizjologiczną poziomu Loudness, sygnał monofoniczny przetworzyć na pseudostereo, sygnał stereofoniczny przetworzyć na niby dookólny, realizować efekty akustyczne wprowadzane przez pomieszczenia, zmieniać brzmienia na najlepsze dla gatunków muzyki lub mowy, podzielić sygnał na tory niskotonowy, średniotonowy i wysokotonowy realizując funkcje zwrotnic głośnikowych LC, można skorygować niewłaściwą charakterystykę pomieszczenia odsłuchowego, można wytworzyć przeróżne efekty akustyczne, można wykryć sygnały pilotów Stereo. Regulacja fizjologiczna poziomu dźwięku Loudness jest półśrodkiem. Lepiej jest słabe basy podbijać według ich rzeczywistego aktualnego poziomu odwrotnie niż tłumi je ucho. O ile analogowa realizacja takiego algorytmu wymaga sporo elementów elektronicznych to realizacja programowa DSP jest prosta.

Można usuwać szkodliwe ( silnie obniżają zrozumiałość mowy ) echa w telefonicznej komunikacji międzykontynentalnej. Można zmienić formaty sygnałów cyfrowych różnych telefonicznych systemów PCM czyli transkodować.

Bardzo łatwa jest synteza dźwięków w tym głosu ludzkiego.

Sygnał mowy można skompresować co pozwoli zmniejszyć objętość plików i ułatwi przesłanie ich.

Można będzie coraz lepiej rozpoznać mowę.

W niedalekiej przyszłości sygnał z kierunkowego mikrofonu ( aby obejmował tylko konkretne źródło sygnału jak wokalista czy instrument muzyczny ) będzie tylko raz przetworzony na postać cyfrową przetwornikiem A/D. Sygnał z muzycznego syntezatora zdecydowanie winien być cyfrowy a nie analogowy. W studiu nagraniowym stół mikserski będzie cyfrowy z procesorem DSP. Uzyskany plik z nagraniem można przechowywać w pamięci masowej komputera. Z pliku można przygotować matrycę do tłoczenia płyt CD.

Analogowy mikser też zapewnia wysoką jakość sygnału i cyfrowy stół niewiele tu zmieni.

Automatyczne operowanie plikami z muzyką pozwala programowi komputerowemu tworzyć na przykład muzyczny program radiowy z reklamami ( w postaci pliku ) z rzadka okraszony wiadomościami wziętymi z innego programu.

Telewizyjny system NICAM ( Philips oferuje niedrogi zestaw układu dekodera ) służy do cyfrowego przesyłania stereofonicznego dźwięku wysokiej jakości.

Sygnał cyfrowy audio trzeba przetworzyć dopiero przed ostatecznym wzmocnieniem go i podaniem do głośnika. Ale sygnał o modulowanym wypełnieniu PWM z częstotliwością nośną 300-500 KHz można podać do invertera mocy na bardzo szybkich tranzystorach Mosfet jako cyfrowego wzmacniacza ! Prosty filtr LC przed głośnikiem usunie wysokie harmoniczne intermodulacji PWM

Sygnał Video można konwencjonalnie przetwarzać jak w systemie DIGIT 2000 a także można go mocno stratnie ( ale niewiele stratnie ) skompresować. Można rozpoznawać na obrazie na przykład twarze. Trwają intensywne prace nad wydajnymi algorytmami kompresji i rozpoznawania obrazów.

Można i trzeba analizować dane sejsmiczne.

Można analizować i automatycznie klasyfikować medyczne dane zapisów EKG i EEG. Jest tylko kwestią czasu gdy jakość automatycznej klasyfikacji EKG dokonanej przez program przewyższy jakość pracy przeciętnego lekarza.

Wydajnymi procesorami DSP rekonstruuje się obraz przekroju z N projekcji tomograficznych. Dające bezinwazyjnie wgląd w ciało człowieka skanery są przyszłością obrazowania medycznego. Znakomicie polepszają jakość stawianej przez lekarzy diagnozy choroby i szansy na przeżycie chorego. Znane są skanery rentgenowskie X, skanery rezonansu magnetycznego i pozytonowej tomografii emisyjnej. Tomografy są bardzo drogie.

Uzdatnić i ulepszyć można sygnał ultrasonografii.

Oczywiście przetwarza się sygnały radarowe i sonarowe.

W badawczych rakietach przeciwlotnicznych procesor DSP przetwarza obraz z chłodzonej kamery na podczerwień emitowaną przez silnik samolotu wroga. Inteligentna rakieta nie daje żadnych szans samolotowi do zestrzelenia. Po przemysłowym opanowaniu bardzo trudnej technologii przewaga powietrzna USA stanie się totalna.

Sygnały można przetwarzać w sensorach stosowanych w przemyśle.

Mikrokontroler z funkcjonalnością DSP z przetwornikiem A/D i wyjściowym układem generatora sygnałów PWM na licznikach do sterowania mostka trójfazowego mocy invertera znakomicie uproszcza budowę invertera do silnika elektrycznego maszyny CNC i robota. Sterowania maszyn CNC i robotów będą z tego względu tanieć. Oczywiście liderzy technologi utwierdzą swoją dominującą pozycje.

Kładzione przez ATT od 1982 roku światłowody bardzo tanio przenoszą sygnały cyfrowe na wielkie odległości. Nagle telefonia analogowa stała się anachroniczna ! Przewodowy lub przenoszony radiowy telefon winien posługiwać się tylko i wyłącznie sygnałem cyfrowym. Przy komunikacji radiowej sygnał mowy trzeba ostro skompresować jako że zakresy fal radiowych są deficytowym dobrem rzadkim i trzeba nimi rozsądnie gospodarować.

Wydaje się że obecnie trwa wstępna selekcja zawodników do wyłaniającej się globalnej „cywilizacji cyfrowej”.

Kandydatami do I grupy mocarzy wagi ciężkiej są kraje potrafiące zaprojektować i wyprodukować układy technologii DSP a następnie je użytkowo oprogramować w nowoczesnych wyrobach: USA, Japonia, może Korea Południowa, Niemcy. USA najprawdopodobniej będą chciały umocnić się w lukratywnym projektowaniu ( w tym programowaniu) pozostawiając produkcję Japonii i Korei.

W drugiej grupie kraje będą zdolne produkować urządzenia cyfrowe z cudzych elementów i je oprogramować. Poziom dochodów w tej grupie nie musi być niższy niż w pierwszej grupie. Jest to w gruncie rzeczy globalny podział „inteligentnej” pracy myślących ludzi. Z pewnością w tej grupie będą kraje nordyckie od lat bardzo eksplorujące temat DSP.

Mieszkańcy państw trzeciej „bezmyślnej” grupy będą tylko nabywcami drogich nowoczesnych wyrobów z wbudowaną mikroelektroniką, tworzonych w pierwszej i drugiej grupie. W tych krajach będą „bezmyślni” programiści ( w optyce globalne jako nowy proletariat ) i będą powstawały prymitywne programy ale kraje prawie nic z tego nie będą miały. Nominalny poziom wynagrodzeń nie przekroczy tam 1/4 – 1/3 zarobków w pierwszych grupach.

Klasyką w dziedzinie DSP jest filtracja o skończonej odpowiedzi impulsowej FIR i nieskończonej odpowiedzi IIR. Dostępne są na komputer PC AT programy do projektowania filtrów i optymalnego zaokrąglenia współczynników filtru do realizacji na procesorze o słowie współczynników przykładowo 8-32 bitowym. Optymalne zaokrąglenie współczynników jest bardzo ważne !

Klasyką jest także szybka transformata Fouriera stosowana głównie ale nie wyłącznie do analizy spektralnej. Stosuje się ją także do rekonstrukcji obrazów tomograficznych ze skanerów.

Przetworzenie wysokiej jakości sygnału analogowego o dużej dynamice na sygnał cyfrowy jest bardzo trudne. W systemie Compact Disc częstotliwość próbkowania w obu kanałach stereofonicznych wynosi 44.1 KHz a zatem częstotliwość nieskończonego tłumienia antyaliasingowego filtru dolnoprzepustowego winna wynosić 22.05 KHz ale jeszcze sygnał użyteczny o częstotliwości 20 KHz ma być przepuszczony w całości. Dodatkowo filtr ma mieć liniową fazę aby nie wprowadzał zniekształceń czasowych. Nawet z użyciem najlepszych elementów RLC i doskonałym wzmacniaczy operacyjnych budowa takiego wyrafinowanego filtru jest absolutnie niemożliwa,nawet abstrahując od jego stopnia komplikacji ! Toteż sygnał filtruje się antyaliasingowo względnie łagodnie ale próbkuje z podwójną częstotliwością a dalej decymuje cyfrowym filtrem o skończonej odpowiedzi impulsowej. Ale przy zwiększonej częstotliwości próbkowania 88.2 KHz wymagania na układ Sample Hold i 16 bitowy przetwornik A/D są i tak trudne do spełnienia ale jednak możliwe. Konwencjonalny 16 bitowy przetwornik A/D jest drogi. Składa się on z przetwornika D/A oraz komparatora i rejestru aproksymującego. Drabinka super dokładnych rezystorów do przetwornika D/A wykonana jest metodą fotolitograficzną cieńkowarstwową. Dodatkowo zakresy przetwarzania D/A są segmentowane. Stosuje się dynamicznie równoważone dzielniki prądu. I tak dalej.

Toteż kolejnym oczywistym krokiem było zastosowanie analogowego modulatora Sigma Delta i mało dokładnego ( w skrajnym wypadku 1 bitowego czyli komparatora ) ale szybkiego przetwornika A/D i filtracja-decymacja wyłącznie cyfrowa bez jakiegokolwiek analogowego filtru antyaliasingowego.

W rozwiązaniu konwencjonalnym na wyjściu systemu zastosowany jest przetwornik D/A a za nim rekonstrukcyjny selektywny filtr dolnoprzepustowy m.in. odrzucający harmoniczne obrazu próbek sygnału. Znów analogowy filtr ten jest bardzo kłopotliwy. Z teorii próbkowania Shannona wynika że idealny dolnoprzepustowy filtr rekonstrukcyjny „sinc” jest w ogóle nierealizowalny fizycznie ! Zatem filtrem interpolacyjnym - oversamplingowym powielona jest ilość próbek. Następnie cyfrowym ( w przetwarzaniu A/D był analogowy ! ) modulatorem Sigma Delta ( nazwanym tu Noise Shaping czyli kształtowanie szumów) ograniczona jest ilość bitów słowa. Strumień krótkich ( w skrajnym rozwiązaniu jednobitowe ) próbek kierowany jest do prostego przetwornika D/A z prostym analogowym filtrem na wyjściu.

Filtry decymacyjne, oversamplingowe i Sigma - Delta wykonywane są wyłącznie jako filtry sprzętowe ponieważ wymagana jest ilość operacji większa niż wykonują nawet wydajne procesory DSP. Nie zapominajmy przy tym że te filtry są klockiem w alternatywnych przetwornikach A/D i D/A. Te wielostopniowe filtry o optymalne strukturze muszą być bardzo optymalne !

W systemie DIGIT 2000 analogowy sygnał Audio z konwencjonalnych demodulatorów FM toru sygnałowego odbiornika TVC podany jest do bipolarnego układu ADC2300 ( ADC-Analog Digital Converter) zawierającego m.in. dwa ( dźwięk stereofoniczny) dość proste modulatory Sigma-Delta drugiego rzędu dostarczające 1 bitowe strumienie bitów o częstotliwości zegara 4.7 MHz.

Wydaje się że ITT w kolejnej generacji systemu sygnał częstotliwości pośredniej dźwięku FM poda do szybkiego przetwornika A/D i demodulacje FM ( ale także sygnału cyfrowego NICAM i przyszłych innych systemów ) przeprowadzi cyfrowo ( jest do względnie proste ) jako że przetwarzanie A/D i DSP szybkich sygnałów jak sygnał video ma przecież doskonale opanowane od lat !

Poziom wymagań na przetworniki A/D audio jest tu liberalny jako ze jakość telewizyjnego sygnału FM jest dość marna i daleko jej do poziomu jakości Compact Disc.

NICAM to nowy system transmisji dźwięku cyfrowego w telewizji ! Zwróćmy uwagę na ewolucyjny rozwój systemu telewizyjnego. Sygnał zawierający cyfrowy dźwięk Nicam zawiera jednocześnie konwencjonalny dźwięk z modulacją FM. Wcześniej dodano sygnał stereo FM i Teletext.

Perspektywy systemu D2-MAC są raczej słabe.

ITT podaje że przetworniki A/D i D/A mają z punktu widzenia szumów jakość 14 bitową ( ale znacznie większe niż 14 bitowe zniekształcenia nieliniowe ) co jest zupełnie wystarczające. Układ ADC2300 nie zawiera cyfrowego filtru decymacyjnego. W lepszej jakości przetwornikach A/D Sigma Delta do systemów CD stosowane są tylko filtry z przełączanymi pojemnościami. Z uwagi ma niskie 14 bitowe wymagania ITT zastosował modulatory z ciągłymi integratorami i zewnętrznymi kondensatorami. Rozwiązanie to jest bardzo wrażliwe na drgania ( jitter ) fazy sygnału zegarowego, co jest wadą. Częstotliwość próbek około 35 KHz także jest niższa niż w systemie CD gdzie wynosi 44.1 KHz.

Sprzętowe filtry decymacyjne znajdują się w układzie APU2400 lub APU2470 z procesorem DSP. ITT podobnie jak inne firmy nie podaje szczegółów filtrów decymacyjnych – „The digital decimation filter are cascades of transversal and recursive lowpass filter.”

Z 1-bitowego strumienia o częstotliwości 4.7MHz filtry decymacyjne wytwarzają 16 bitowe próbki o częstotliwości ca 35 KHZ. Mimo iż próbki sygnału są 16 bitowe to ich jakość jest tylko 14 bitowa lub niższa.

Otrzymane w wyniku pracy programu 16 bitowe sygnały z procesora DSP podane są do filtru oversamplingowego i filtru -modulatora Sigma Delta z 4 bitowym słowem wyjściowym. Nie podano jakichkolwiek informacji o filtrach. Następnie szybko taktowany ( w systemie telewizyjnym PAL zegar wynosi 17.7 MHz) licznik zamienia 4 bitową próbkę na sygnał o modulowanym wypełnieniu PWM. Na wyjściu sygnału PWM wystarczy prosty dolnoprzepustowy filtr RC.

ITT natomiast szczegółowo opisuje procesor DSP. Natomiast opis zastosowanego programu jest bezcennymi unikatem w skali światowej !

Wykonywany przez procesor DSP program jest umieszczony w pamięci ROM 256 x 14 ale użyte są tylko w konkretnej implementacji programu 224 słowa. N.B. Każdy program obszaru DSP jest krótki i ekstremalnie zoptymalizowany !

Oczywiście producent dostarcza gotowy układ z programem. Na przykład z programem „T21” Ponieważ omówiono listę 36 rozkazów procesora to potencjalnie wielki odbiorca może opracować swój własny program i zlecić produkcje wyłącznie dla siebie. Ale zmiana programu w pamięci ROM wymaga kosztownego przygotowania nowych masek do fotolitografii.

Z uwagi na wymaganą wydajność procesor DSP ma wiele szyn danych i wiele pamięci aby jednocześnie móc wykonywać wiele czynności w jednym cyklu zegarowym. Pamięć RAM jest mała 50x16. Filtry decymacyjne co cykl sygnałowy umieszczają w niej automatycznie kolejne próbki sygnałów audio. Współczynniki filtrów są dość krótkie bo 8 bitowe. Nie ma żadnej potrzeby aby były dłuższe. Współczynniki są umieszczone w pamięci ROM 28x8 i RAM 32x8.

Niezmienne współczynniki w pamięci ROM nazwane są Cxx. Natomiast współczynniki zmienne umieszczone w pamięci RAM nazywane są kxx. Systemowy mikrokontroler DIGIT 2000 odbiera rozkazy z pilota zdalnego sterowania odbiornika telewizyjnego TVC i szeregowym interfejsem komunikacyjnym IM wysyła ustalone parametry do procesorów DSP. Na przykład regulując Basy zmieniane są jednocześnie współczynniki k4, k10, k11, k12. Wartości współczynników dla każdej pozycji regulacji Basów mikrokontroler ma zapisane w swoim programie. Oczywiście współczynniki są w tym wypadku identyczne dla kanału Lewego i Prawego.

Podstawowy rozkaz wykonywany przez procesor DSP ma postać:

RAM | ACCU <- DATA x C + <ACCU>

16 bitowa zawartość komórki o adresie DATA z pamięci RAM ma być pomnożona przez współczynniki o adresie C z pamięci Coefficient i dodana do akumulatora. Podwójnie zaokrąglony 16 bitowy wynik ma być umieszczony pod adresem RAM i równolegle w ACCU, który zawiera dane zaokrąglone z 24 bitów ( wynik mnożenia 16 x 8) do 20 bitów. Słowo RAM nieszczęśliwie występuje tu w dwóch znaczeniach – ogólnym i konkretnej adresowanej komórki.

Przy taktowaniu zegarem 17.7 MHz wykonanie rozkazu zajmuje 4 cykle a procesor wykonuje maksymalnie 4.4 milionów sumomnożeń.

Prawie wszystkie operacje filtracji wykonywane są parą Zero-Biegun o pokazanej poniżej aranżacji.

Poniżej cały program DSP o nazwie „T21” wykonywany przez DSP. Numery w kwadracikach oznaczają adres słowa w RAM-ie. Dwa numery w kwadraciku oznaczają adresy dla kanału Lewego i prawego. Wpierw przetwarzane są sygnały Lewego kanału i następnie Prawy kanał.

Program jest funkcjonalnie całkiem złożony a jednocześnie zawiera niewiele instrukcji.

W nowoczesnych radarach stosuje się technikę DSP. Radar może być dokładniejszy i mieć większy zasięg. Radar z nieruchomą płaską anteną z syntezowaną aperturą może szybko śledzić cele w różnych kierunkach. Radar wojskowy z DSP może być trudny do namierzenia.

Cyfrowo kodowany link komunikacyjny pozwala zachować w tajemnicy łączność głosową i przekazywane dane taktyczne i operacyjne.

W rezultacie skomputeryzowane nowoczesne samoloty USA wraz z naziemną i satelitarną infrastrukturą w systemie automatyzacji wojny nie dają samolotom ZSRR żadnych szans w konflikcie. Stany Zjednoczone mogą ulec pokusie i po propagandowym przygotowaniu agresji pod zmyślonym powodem całkowicie bezkarnie „powietrznie” najeżdżać kraje III Świata. II Zimna Wojna jest definitywnie przegrana dlatego że ZSRR był i jest słaby w mikroelektronice a w obszarze DSP jest bezsilny.

Skuteczność elektronicznego systemu kierowania ogniem ( oczywiście użyto także DSP ) nowych ciężkich amerykańskich czołgów wraz z potęga armaty i pancerze czynią z czołgów sowieckich tylko i wyłącznie tarczę do strzelań w konflikcie. Komputer czołgu łączem komunikacyjnym dostaje informacje taktyczne z rozpoznania helikopterami i samolotami. Współdziała z sąsiednimi czołgami i dowództwem.

Rentgenowski tomograf komputerowy waży około 4-5 ton. Jest bardzo drogi. Bardzo drogi jest każdy jego kilogram. Gro jego wagi to metale i plastiki. Zasilacz lampy rentgenowskiej w tomografie jest strasznie wyrafinowany na tle zasilacza w zwykłym aparacie rentgenowskim. Daje stabilizowane napięcie stałe High Voltage a nie tętniące i niestabilne napięcie jak w zwykłym aparacie X. Specjalne technologie używane są do wykonania lampy rentgenowskiej z kolimatorem tomografu komputerowego. Lampa X w czasie skanowania porusza się po obwodzie gantry. Liniał kilkaset fotodiod lub matryca CCD poprzedzonych kryształem scyntylacyjnym rejestruje wartości projekcji promieni rentgenowskich przechodzących pod różnymi kątami przez ciało pacjenta. Precyzyjnie wzmocnione sygnały z fotodiod podane są do przetworników A/D. Sygnały cyfrowe zbierane są w pamięci RAM systemu DSP. Następnie przeprowadzana jest rekonstrukcja przekroju ciała pacjenta. Rekonstrukcja i/lub projekcje zapisywane są jako plik w komputerze. Czasami projekcje zapisuje się po to aby rekonstrukcje wykonać później lub lepszym algorytmem.

Polska nie musi projektować i produkować tomografów komputerowych i innych skanerów. Może pewną ich ilość kupić. Jednak skazując się na marginalną pozycje w światowym podziale „inteligentnej” pracy przekreślamy swoją przyszłość. Przepaść będzie rosła i zapóźnienie będzie niedługo tak wielkie że późniejsze przystąpienie do rywalizacji będzie absolutnie niemożliwe.

Wedle wszystkich przewidywań nowoczesny sprzęt medyczny czeka kolorowa przyszłość a marże produkcyjne są i będą bardzo wysokie. Udział wydatków na służbę zdrowia wzrasta w całym cywilizowanym świecie. Leczenie nowotworów i chorób kardiologicznych wymaga intensywnej diagnostyki, w tym diagnostyki obrazowej. Zachodnie społeczeństwa już wkroczyły w epokę starzenia się a ludzie starsi intensywnie konsumują usługi medyczne.

Mikroprocesory nie posiadają obecnie rozkazów do formatu ułamkowego i konieczna jest improwizacja z liczbami stałoprzecinkowymi. Mikroprocesory bardzo wolno wykonują operacje mnożenia.

W mieszankach instrukcji służących do oceny szybkości procesorów mnożenie miało za mały udział co demobilizowało producentów w wysiłkach. Przyszłe procesory na pewno będą miały szybkie mnożenie.

Komputer PC AT nie nadaje się do przetwarzania sygnałów akustycznych w czasie rzeczywistym. Niemniej dostępne są testowe pliki, obrazki do prezentacji kartami EGA-VGA a także próbki dźwięków. Komputer PC AT autora ma kartę przetworników A/D i D/A. Przetwornikiem D/A można odtworzyć 8 KHz próbki dźwięków. Dźwięki można przefiltrować off - line algorytmami na przykład ITT. To wszystko działa ! Algorytmy przetwarzania obrazów są makabrycznie wymagalne co do szybkości maszyn DSP ale można sprawdzić przydatność testowanego algorytmu.

Przykład. Realizacji przejścia sygnału cyfrowego standardu CD na sygnał analogowy koncernu Philips. Sygnał CD 44.1 Khz x 16 bit podany jest do oversamplingowego czyli nadpróbkującego filtru FIR 128 stopnia o 4 krotnym nadpróbkowaniu. W istocie każda próbka wyjściowa składa się z 32 sumo – iloczynów ( cztery zestawy współczynników filtru FIR) jako że mnożenie próbek zerowych nie jest wykonywane.

NB. Kształt charakterystyki częstotliwościowej filtru FIR projektowanego procedurą Parks–McClellan [ omówienie i wydruk w Theory and Application of Digital Signal Processing. Lawrence R. Rabiner, Bernard Gold. Prentice Hall 1975 ] może być absolutnie dowolny co jest ogromną zaletą !

Filtr ten zaprojektowano tak aby miał jak największe tłumienie poza zakresem akustycznym. Im wyższa częstotliwość tym tłumienie może być trochę mniejsze. Chodzi o to aby razem z wyjściowym analogowym filtrem Thomsona filtry miały jak największe tłumienie widma sygnału wejściowego. W paśmie do 20 KHz jego wzmocnienie wzrasta o 1 dB aby idealnie pokryć z dokładnością<0.01 dB tłumienie filtru analogowego.

Kolejny filtr oversamplingowy x64 to prosty liniowy filtr interpolacyjny. Dalej dla 17 bitowego sygnału z 256 nadpróbkowaniem zastosowano układ kształtowania szumu Noise Shaping czyli analog modulatora Sigma Delta. Za 1 bitowym przetwornikiem D/A z przełączaną pojemnością dano wspomniany filtr Thomsona na wzmacniaczu operacyjnym. Parametry systemu są znakomite.

Niedostateczne tłumienie widma sygnału Compact Disc poza pasmem użytecznym przy przetwarzaniu D/A skutkuje podaniem do akustycznego wzmacniacza mocy sygnałów widma o dużych częstotliwościach co powoduje powstanie słyszalnych intermodulacji i radykalne obniżenie jakości dźwięku. Powoduje to wcale częste kwestionowanie jakości nagrań na płytach CD i kwestionowanie samej idei dźwięku cyfrowego. Słyszy się nostalgiczne zawołania o nieporównywalnej jakości klasycznych płyt gramofonowych.

Na serwisowych płytach testowych CD nagrane są czyste sygnały sinusoidalne. Obserwując oscyloskopem sygnał wyjściowy z marnej jakości odtwarzacza CD widać zamiast czystej (cieńka linia) sinusoidy jej pas ! To właśnie nieodfiltrowana część widma sygnału cyfrowego przy jego przetwarzaniu D/A.

Na tym gruncie rośnie audiofilski subiektywizm potrącający o magiczne tłumaczenia i głupotę.

Autor stworzył względnie prosty program symulujący działanie przetwornika A/D Sigma Delta: analogowego modulatora Sigma Delta z uwzględnieniem stabilności i przy wyższych rzędach filtru nieliniowych środków ( nasycenie wzmacniaczy ) zapewnienia stabilności filtru, pierwszych stopni filtru decymacyjnego z Comb Filter, kolejnych stopni z filtrami FIR.

Tor przetwarzania D/A to odwrotnie - stopnie interpolacyjnych filtrów FIR, cyfrowego modulatora Sigma Delta i analogowego filtru Thomsona. Użyta została gotowa procedura projektowania filtrów FIR i druga procedura optymalnego zaokrąglenia współczynników do pożądanej dokładności. Program „inteligentnie” tylko dobiera najbardziej oszczędną realizacyjnie kaskadę filtrów FIR.

„Analogowy” sygnał wejściowy przetworzony na cyfrowy i z powrotem na analogowy z sporym opóźnieniem pokrywają się na wykresie ! W całym ciągu przetwarzania jest masa sygnałów pośrednich.

Wydaje się że Polska zupełnie przespała rozwój techniki cyfrowego przetwarzania sygnałów DSP.

Mikrokomputery „wbudowane” ( a w nich DSP ) ogromnie podnoszę funkcjonalność i cenę wielu urządzeń.