Kapitel 2.6
Signalverarbeitung

2.6.1.) Was ist Digitale Signalverarbeitung

2.6.1.1.) Einführung

Die digitale Signalverarbeitung behandelt die Verarbeitung analoger Signale, die zuvor abgetastet und digitalisiert wurden (Umwandlung in binäre Zahlen). Nach der Digitalisierung verarbeitet ein Algorithmus in Echtzeit (in einem digitalem Signalprozessor) die binären Zahlen (Multiplizieren, Dividieren, Subtrahieren, Addieren, ...). Die neue binäre Zahl wird danach wieder in ein analoges Signal zurückverwandelt.

2.6.1.2.) Anwendungsübersicht

Signalprozessoren findet man in vielen Bereichen der Technik, in denen man eigentlich keinen Prozessor mit einem Programm vermutet.

2.6.1.2.1.) Mobiltelefon

Zuerst werden Sprachsignale digitale Signale umgesetzt. Diese werden in einem Protokoll gesendet. Beim Empfänger werden die Daten dekodiert und in Sprache zurückverwandelt.

2.6.1.2.2.) Audioverstärker

Mit einem Signalprozessor ist es möglich bestimmte Frequenzbereiche herauszufiltern bzw. zu sperren. Somit kann man das Klangbild von Audiosignalen verändern.

2.6.1.2.3.) Medizintechnik

Analoge Systeme sind sehr Störungsanfällig. Digitale Systeme arbeiten nur mit 1 und 0 und sind somit gegen Störungen von Außen relativ unempfindlich. Somit ist in der Medizintechnik für den Einsatz von intelligenten, dynamischen und sicheren Systemen der Signalprozessor bestens geeignet.

2.6.1.2.4.) Sprachverarbeitung

In der Sprachverarbeitung müssen Sprachlaute in Einzelteile zerlegt werden. Diese Einzelteile werden meist in einer Datenbank abgelegt, mit anderen Sprachlauten verglichen oder in eine andere Form umgewandelt. Für das Einlesen und zerlegen wird meistens ein Signalprozessor eingesetzt (Soundkarte).

2.6.1.2.5.) Bildverarbeitung

Früher waren Fernseher aus unzähligen Platinen mit nahezu unendlich vielen Bauteilen aufgebaut. Beim Auftreten von Fehlern mußten oft mehrere Platinen getauscht werden. Heute findet man in den meisten Fernsehern 1 bis 2 Platinen auf denen ein paar Integrierte Schaltkreise angeordnet sind. Alle analogen Funktionen werden heute von Programmen ausgeführt, die in Signalprozessoren ablaufen. Bei Fehlern reicht es oft das Programm zu ändern. Erweiterungen wie Teletext oder andere Dekodierverfahren für den Fernsehempfang lassen sich ebenfalls durch eine einfache Programmänderung erzielen.

2.6.1.2.6.) Auto

In der letzten Zeit ist in der Autoindustrie ein steigender Trend zur Computerisierung zu beobachten. Autos werden mit Computern ausgestattet. Wenn an irgend einer Ecke ein Lämpchen ausfällt wird sofort auf einem Display angezeigt, was fehlerhaft ist. Scheinwerfer werden nicht mehr über einen einfachen Schalter, einer Plusleitung und einer Minusleitung eingeschalten, sondern es gibt ein Netzwerk über das "Scheinwerfer ein" gesendet wird. Um all diese Kommunikationspunkte mit möglichst großer Sicherheit zu überbrücken werden Signalprozessoren eingesetzt.

2.6.1.2.7.) Harddisk

Wie kommen die Daten in einem Computer eigentlich auf die Festplatte ? Die Harddisk an sich ist ein analoger Datenträger. Diese Problematik wird ebenfalls von einem Signalprozessor gelöst. Er kann die digitalen Daten ohne großen Aufwand in analoge Daten umwandeln und so auf der Festplatte sichern. Komplizierter ist der Rückweg, also das Lesen der Daten. Die Eingangswerte müssen in digitale Signale konvertiert werden. Durch Störungen wie z.B. Temperatureinflüssen sehen die analogen Werte nämlich immer ein bischen anders aus.

2.6.1.2.8.) Modem

Alle Bankomaten sind über ein Modem mit einem Hauptrechner der Bank verbunden. Kassen in Geschäftsstellen sind ebenfalls über ein Modem mit dem Hauptrechner in der Hauptgeschäftsstelle verbunden. Sobald also irgendwo Rechner über weite Strecken kommunizieren müssen trifft man auf Modems. Damit nun die Kommunikation fehlerfrei zwischen unterschiedlichen Modems funktioniert sind eine ganze Menge Codier- und Decodierarbeiten notwendig. Diese Arbeiten übernimmt ebenfalls ein Signalprozessor.

2.6.1.2.9.) Soundkarten

Jeder freut sich, wenn sein PC schöne Musik von sich gibt und nebenbei auch noch eine schöne Animation läuft. Die Musik aber kommt aus einer Soundkarte. Wenn der Prozessor diese perfekten Töne erzeugen müßte, hätte er keine Zeit mehr die Animation anzuzeigen. Auf der Soundkarte können mit der Hilfe von digitalen Signalprozessoren Töne und Klänge jeder beliebigen Art hergestellt werden.

2.6.1.2.10.) Multifunktionskarten

Also Steckkarten die z.B. Soundkarte und Modem in einem sind. Ein Signalprozessor kann beides steuern. Es wird einfach ein anderes Programm in den Signalprozessor geladen. Der materielle Aufwand ist somit für 2 Geräte nur halb so groß.

2.6.1.3.) Analoger Signalverlauf

Bei einer analogen Signalverarbeitung wird ein Eingangssignal (hier x) durch eine analoge Schaltung (Transistoren, Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Operationsverstärker, ... ) in ein analoges Ausgangssignal (hier y) umgewandelt.

Eine Analoge Schaltung wird für eine einzelne Aufgabe hergestellt. D.h. Bauteile müssen zu einem Schaltbild zusammengefügt werden, jeder Bauteil muß berechnet werden (Störeinflüsse wie Temperatur müssen berücksichtigt werden). Das fertige Schaltbild wird danach mit aufwendigen Simulationsprogrammen getestet. Danach wird eine Platine entworfen und hergestellt. Wenn nun eine Änderung der Funktionsweise der analogen Schaltung erwünscht wird, muß meistens die ganze Prozedur von Anfang an neu durchlaufen werden.

2.6.1.4.) Digitaler Signalverlauf

Bei einer digitalen Signalverarbeitung wird ein analoges Eingangssignal (hier x) in ein digitales Signal (hier a) mit Hilfe eines Analog/Digital-Wandlers umgewandelt . Dieses digitale Signal wird nun an einen digitalen Signalprozessor (DSP) weitergegeben. Dieser berechnet in Echtzeit ein Ausgangssignal welches er als digitales Signal (hier b) weitergeben kann. Das digitale Ausgangssignal wird nun über einen Digital/Analog-Wandler in ein analoges Ausgangssignal (hier y) umgewandelt.

Ein analoges Signal hat zu jedem beliebigen Zeitpunkt einen Wert. Wenn nun ein DSP auf solche Werte zugreift, kann er das aber nicht zu jedem beliebigen Zeitpunkt, da er eine bestimmte Verarbeitungszeit verbraucht. Zum Zeitpunkt t greift er also zum n-ten mal auf die Eingangsdaten zu.

Der Vorteil der digitalen Technologie ist die Flexibilität. Wenn einmal für eine Anwendung eine Platine designed wurde und später Änderungen in der Funktionsweise des Systems erwünscht sind, so reicht es, das Programm mit dem der Signalprozessor läuft umzuändern. Manche Hersteller können solche Änderungen sogar direkt von ihrem Firmensitz aus durchführen. Über ein Modem wird eine Verbindung zu dem Signalprozessorsystem aufgebaut und einfach ein neues Programm ferngeladen. Mess- , Steuer- und Regelsysteme aus Japan, die in Europa aufgebaut sind, können mit dieser Methode ganz einfach und in wenigen Minuten verbessert oder repariert werden.

2.6.1.5.) Echtzeitverhalten

Wenn die Berechnung eines Ausgangswertes abgeschlossen ist, bevor der nächste abgetaste Eingangswert kommt, so spricht man von Echtzeitverhalten. D.h., der Prozessor der diese Berechnung durchführt, muß in der Lage sein sehr schnelle Rechenoperationen durchzuführen.

2.6.1.5.1.) Beispiel zum Echtzeitverhalten

Nehmen wir an, wir haben ein System, dem Signale mit einer max. Frequenz fg=1 MHz zugeführt werden. Als Abtastfrequenz nehmen wir fa=3 MHz , also eine Abtastzeit von 0.33 µs. Das ist ungefähr die Rechenzeit für einen Befehl eines normalen Microprozessors. Da aber für den Echtzeitbetrieb mehrere Befehle in dieser Zeit benötigt werden benötigt man Prozessoren einer besonderen Bauart. Mit einem 486 wäre also eine Signalverarbeitung im unteren kHz Bereich gerade noch möglich (Sprache). Daher verwendet man Signalprozessoren. Die erste integrierte Lösung kam 1979 von Intel (2920) für den industriellen Einsatz (Torpedos für das Militär).

2.6.1.6.) Vorteile

Digitale Systeme verändern ihre Eigenschaften im Gegensatz zu analogen Systemen nicht (Einsparungen in der Produktion und im Service). Für komplexe Anwendungen, wie Fernsehen, sind die analogen Bauteile teurer als die digitalen. Einsparungen im Bauteilbereich und in der Platinengröße. Klein und billig. Toleranzen sind rechenbar. Flexibel. Möglichkeit der Mehrfachausnutzung (ein Prozessor macht mehrere Arbeiten), weniger Platz, hochintegrierbar. Durch Softwareupdates sind Fehler und Änderungen leicht durchführbar.

2.6.1.7.) Nachteile

Die Nachteile bei der Verwendung von Signalprozessoren liegen vor allem im Know How. Firmen, die diese Technik effizient einsetzen wollen, müssen ihre Mitarbeiter zu aufwendigen und teueren Schulungen schicken. Die Test- und Versuchswerkzeuge sind ebenfalls sehr teuer. Viele Hersteller können die Schwellenangst, von der Analogtechnik zur Digitaltechnik zu wechseln, nicht überwinden. Für die Verwendung als PC Prozessor oder Rechenanlagenprozessor ist ein Signalprozessor ungeeignet. Er kann aber dem Prozessor solcher Systeme sehr viel Arbeit abnehmen.

2.6.2.) Grundlagen der Signalverarbeitung

Um ein Signalverarbeitendes System zu beschreiben benötigt man spezielle mathematische Methoden (Fourieranalyse, Fouriertransformation und Fast Fouriertransformation). In den folgenden Unterkapiteln soll kurz erkärt werden, wie man solche Systeme erstellen und beschreiben kann.

2.6.2.1.) Beschreibung im Zeitbereich

Das Eingangssignal wird in einzelne Teilspannungen zerlegt. Durch eine Berechnung die auf vorhergehende Eingangsspannungen bzw. -werten basiert, wird ein neues Ausgangssignal berechnet.

2.6.3.) Aufbau eines Digitalen Signalprozessors

2.6.4) Fragebogen

Testen Sie sich selbst. Ausfüllen des Fragebogens .