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.

Digitaalisen signaalinkäsittelyn edut

Ennen digitaalisen signaalinkäsittelyn kehittymistä vallalla oli analoginen signaalinkäsittely. Tällöin signaaleja käsiteltiin analogisten komponenttien, kuten vastusten, kelojen, kondensaattorien, transistorien ja operaatiovahvistimien avulla.

Analogisiin signaalinkäsittelymetodeihin verrattuna digitaaliset metodit antavat tarkemman tuloksen, ovat helpommin monistettavissa ja muokattavissa sekä ovat halvempia. Ne ovat myös eräiltä keskeisiltä osin merkittävästi suorituskykyisempiä.

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. 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.

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

• Digitaalisen signaalinkäsittelyn historia

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

• 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.

Aiheesta muualla

• Usenet-keskusteluryhmä digitaalisesta signaalinkäsittelystä (englanniksi)
• DSP-kirja verkossa (englanniksi)
• History of Signal Processing – IEEE Signal Processing Society