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डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग (डीएसपी): यह कैसे काम करता है, घटक, तकनीक और अनुप्रयोग

आप सीखेंगे कि डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग (डीएसपी) क्या है और सिग्नल कैसे उपयोगी डिजिटल डेटा बन जाते हैं।यह दिखाता है कि सिग्नल कैसे कैप्चर किए जाते हैं, फ़िल्टर किए जाते हैं, सैंपल लिए जाते हैं, संसाधित किए जाते हैं और वापस उपयोग योग्य आउटपुट में बदल दिए जाते हैं।आप मुख्य सिस्टम भाग, सामान्य डीएसपी तकनीक, मुख्य प्रदर्शन पैरामीटर और विशिष्ट अनुप्रयोग भी देखेंगे।अंत में, यह डीएसपी की तुलना एनालॉग सिग्नल प्रोसेसिंग से करता है ताकि आप जान सकें कि प्रत्येक का उपयोग कब किया जाता है।

कैटलॉग

चित्र 1. डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग (डीएसपी)

डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग (डीएसपी) क्या है?

डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग (डीएसपी) डिजिटल रूप में सिग्नलों का विश्लेषण और संशोधन करने की विधि है, चाहे वे माप से उत्पन्न हों या पहले से ही डिजिटल स्रोतों से।ध्वनि, तापमान, कंपन, वोल्टेज, चित्र और रेडियो तरंगों जैसे भौतिक संकेतों को अक्सर सेंसर द्वारा एनालॉग विद्युत संकेतों में परिवर्तित किया जाता है और फिर एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर (एडीसी) द्वारा डिजिटल किया जाता है, हालांकि कुछ सेंसर सीधे डिजिटल आउटपुट प्रदान करते हैं।एक बार संख्यात्मक रूप में, एक प्रोसेसर गणितीय रूप से शोर को फ़िल्टर करता है, जानकारी निकालता है, गुणवत्ता बढ़ाता है, या स्टोरेज, डिस्प्ले या संचार प्रणालियों में भेजने से पहले डेटा को संपीड़ित करता है।डीएसपी इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम को विशुद्ध रूप से एनालॉग सर्किट के बजाय संख्यात्मक एल्गोरिदम का उपयोग करके संकेतों का गणितीय विश्लेषण, परिवर्तन और पुनर्निर्माण करने की अनुमति देता है।

डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग कैसे काम करती है?

चित्र 2. डीएसपी कार्य सिद्धांत

एक विशिष्ट डीएसपी माप प्रणाली एक अनुक्रम में संचालित होती है जो गणना के लिए सिग्नल को डिजिटल रूप में परिवर्तित करती है, हालांकि कुछ डीएसपी सिस्टम पहले से ही डिजिटल डेटा को संसाधित करते हैं और एनालॉग रूपांतरण की आवश्यकता नहीं होती है।जैसा कि चित्र में दिखाया गया है, प्रक्रिया माइक्रोफोन, एंटीना या मापने वाले उपकरण जैसे सेंसर द्वारा उत्पादित एनालॉग इनपुट सिग्नल से शुरू होती है।डिजिटलीकरण से पहले, सिग्नल एक एंटी-अलियासिंग फिल्टर से गुजरता है जो अलियासिंग विरूपण को रोकने के लिए सिग्नल बैंडविड्थ को नमूना आवृत्ति के आधे से भी कम तक सीमित करता है।वातानुकूलित तरंग तब ए/डी कनवर्टर (एडीसी) में प्रवेश करती है, जहां इसे अलग-अलग समय अंतराल पर नमूना लिया जाता है और अलग-अलग आयाम स्तरों में मात्राबद्ध किया जाता है, जिससे एक बाइनरी डिजिटल प्रतिनिधित्व उत्पन्न होता है।

डिजिटल डेटा को फिर एक प्रोसेसिंग सिस्टम जैसे कि डीएसपी चिप, माइक्रोकंट्रोलर, सीपीयू, जीपीयू, या एफपीजीए पर चलने वाले डीएसपी एल्गोरिदम द्वारा संसाधित किया जाता है जो फ़िल्टरिंग, ट्रांसफॉर्मेशन और डिटेक्शन जैसे गणितीय संचालन करते हैं।प्रसंस्करण के बाद, एनालॉग सिग्नल को फिर से बनाने के लिए डिजिटल आउटपुट को डी/ए कनवर्टर (डीएसी) में भेजा जाता है।क्योंकि डीएसी तरंगरूप का एक सीढ़ी (शून्य-ऑर्डर होल्ड) सन्निकटन उत्पन्न करता है, यह एक पुनर्निर्माण फिल्टर से गुजरता है जो तरंगरूप को सुचारू करता है, जिससे मूल सिग्नल का एक सुचारू बैंड-सीमित एनालॉग सन्निकटन उत्पन्न होता है।

डीएसपी प्रणाली के घटक

घटक	समारोह
सेंसर / ट्रांसड्यूसर	एक परिवर्तित करता है विद्युत या डिजिटल सिग्नल में भौतिक मात्रा
अनुरूप फ्रंट-एंड	प्रदर्शन करता है सिग्नल कंडीशनिंग जैसे प्रवर्धन, प्रतिबाधा मिलान, स्तर स्थानांतरण, और सुरक्षा
एंटी-अलियासिंग फ़िल्टर करें	प्रतिबंध एलियासिंग को रोकने के लिए सैंपलिंग आवृत्ति के आधे से भी कम सिग्नल बैंडविड्थ
एडीसी	नमूने और एनालॉग सिग्नल को डिजिटल डेटा में परिमाणित करता है
डीएसपी प्रोसेसर	डीएसपी को निष्पादित करता है डिजिटल डेटा पर एल्गोरिदम और गणितीय संचालन
स्मृति	भंडार प्रोग्राम, गुणांक, मध्यवर्ती बफ़र्स, और इनपुट/आउटपुट डेटा
डीएसी	परिवर्तित करता है एक सीढ़ी एनालॉग सिग्नल के लिए डिजिटल डेटा जिसकी आमतौर पर आवश्यकता होती है पुनर्निर्माण फ़िल्टरिंग
आउटपुट डिवाइस	अनुरूप एक्चुएटर, डिस्प्ले, स्टोरेज सिस्टम, या डिजिटल संचार इंटरफ़ेस

डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग तकनीकों के प्रकार

फ़िल्टरिंग तकनीक

फ़िल्टरिंग उपयोगी जानकारी रखते हुए सिग्नल के अवांछित हिस्सों को हटाने की प्रक्रिया है।शोर तरंगरूप डिजिटल फिल्टर में प्रवेश करता है और आउटपुट पर एक क्लीनर तरंगरूप दिखाई देता है।एफआईआर फ़िल्टर केवल वर्तमान और पिछले इनपुट मानों का उपयोग करके काम करते हैं, जो उन्हें स्थिर और पूर्वानुमानित बनाता है।IIR फ़िल्टर कम गणनाओं के साथ तेज़ फ़िल्टरिंग बनाने के लिए पिछले आउटपुट का पुन: उपयोग करते हैं।इस फीडबैक व्यवहार के कारण, अस्थिरता से बचने के लिए IIR फ़िल्टर को सावधानीपूर्वक डिज़ाइन किया जाना चाहिए।इन डिजिटल फ़िल्टरिंग विधियों का उपयोग आमतौर पर ऑडियो सिग्नल और सेंसर माप में शोर हटाने के लिए किया जाता है।

परिवर्तन तकनीक

ट्रांसफॉर्म प्रोसेसिंग एक सिग्नल को दूसरे गणितीय रूप में बदल देती है जिससे इसकी विशेषताओं का निरीक्षण करना आसान हो जाता है।तरंगरूप को समय भिन्नता से छिपे हुए विवरण दिखाते हुए दूसरे प्रतिनिधित्व में परिवर्तित किया जाता है।एफएफटी सिग्नल के आवृत्ति घटकों को स्पष्ट रूप से प्रकट करता है।डीसीटी समूह मल्टीमीडिया संपीड़न प्रणालियों के लिए कुशलतापूर्वक ऊर्जा का संकेत देते हैं।वेवलेट ट्रांसफॉर्म विभिन्न पैमानों पर छोटी और लंबी दोनों सिग्नल सुविधाओं को दिखाता है।इन परिवर्तनों का उपयोग संचार और मीडिया अनुप्रयोगों में संकेतों का अध्ययन करने के लिए किया जाता है।

वर्णक्रमीय विश्लेषण

स्पेक्ट्रल विश्लेषण यह जांचता है कि सिग्नल ऊर्जा आवृत्तियों में कैसे फैलती है।एक तरंगरूप को विशिष्ट आवृत्तियों पर शिखर वाले स्पेक्ट्रम में परिवर्तित किया जाता है।इस दृष्टिकोण से, हार्मोनिक्स और बैंडविड्थ को सीधे मापा जा सकता है।प्रमुख स्वर तब भी दृश्यमान हो जाते हैं, जब उन्हें मूल तरंग रूप में नोटिस करना कठिन होता है।यह विधि कंपन निदान और रेडियो सिग्नल निरीक्षण के लिए उपयोगी है।यह यह निर्धारित करने में मदद करता है कि कोई सिग्नल सामान्य रूप से व्यवहार करता है या इसमें असामान्य घटक शामिल हैं।

अनुकूली प्रसंस्करण

अनुकूली प्रसंस्करण आने वाले डेटा के आधार पर सिस्टम व्यवहार को स्वचालित रूप से समायोजित करता है।आउटपुट त्रुटि अपनी प्रतिक्रिया को परिष्कृत करने के लिए सिस्टम में वापस फीड हो जाती है।एल्गोरिदम बदलती परिस्थितियों से मेल खाने के लिए आंतरिक मापदंडों को लगातार अपडेट करता है।यह सिस्टम को समय के साथ शोर या हस्तक्षेप को ट्रैक करने की अनुमति देता है।इसका उपयोग आमतौर पर इको कैंसिलेशन और बैकग्राउंड नॉइज़ सप्रेशन में किया जाता है।परिणाम गतिशील वातावरण में एक स्वच्छ और अधिक स्थिर संकेत है।

संपीड़न प्रसंस्करण

संपीड़न प्रसंस्करण महत्वपूर्ण जानकारी को संरक्षित करते हुए डिजिटल डेटा के आकार को कम करता है।प्रसंस्करण के बाद एक बड़ी डेटा स्ट्रीम एक छोटी एन्कोडेड स्ट्रीम बन जाती है।अनावश्यक पैटर्न हटा दिए जाते हैं और कम ध्यान देने योग्य विवरणों को सरल बनाया जा सकता है।इससे भंडारण आवश्यकताएं और ट्रांसमिशन बैंडविड्थ कम हो जाती है।ऑडियो, छवि और वीडियो प्रारूप इस तकनीक पर बहुत अधिक निर्भर करते हैं।यह मल्टीमीडिया सिस्टम में तेज़ संचार और कुशल डेटा प्रबंधन की अनुमति देता है।

डीएसपी की तकनीकी विशिष्टताएँ

पैरामीटर	संख्यात्मक रेंज
नमूनाकरण दर	8 किलोहर्ट्ज़ (भाषण), 44.1 किलोहर्ट्ज़ (ऑडियो), 96 किलोहर्ट्ज़-1 मेगाहर्ट्ज (वाद्ययंत्र)
संकल्प (बिट गहराई)	8-बिट, 12-बिट, 16-बिट, 24-बिट, 32-बिट फ्लोट
प्रसंस्करण गति	50 एमआईपीएस - 2000+ एमआईपीएस या 100 एमएमएसी/एस - 20 जीएमएसी/सेकेंड
गतिशील रेंज	~48 डीबी (8-बिट), 72 डीबी (12-बिट), 96 डीबी (16-बिट), 144 डीबी (24-बिट)
विलंबता	<1 एमएस (नियंत्रण), 2-10 एमएस (ऑडियो), >50 एमएस (स्ट्रीमिंग स्वीकार्य)
सिग्नल-टू-शोर अनुपात (एसएनआर)	60 डीबी-140 डीबी कनवर्टर गुणवत्ता पर निर्भर करता है
स्मृति क्षमता	32 केबी - 8 एमबी ऑन-चिप रैम, जीबी तक बाहरी मेमोरी
शक्ति उपभोग	10 मेगावाट (पोर्टेबल) - 5 डब्ल्यू (उच्च प्रदर्शन डीएसपी)
शब्द की लंबाई	16-बिट निश्चित, 24-बिट फिक्स्ड, 32-बिट फ्लोटिंग पॉइंट
घड़ी आवृत्ति	50 मेगाहर्ट्ज - 1.5 GHz
थ्रूपुट	1-500 एमनमूने/एस
इंटरफ़ेस बैंडविड्थ	1 एमबीपीएस - 10 जीबीपीएस (एसपीआई, आई2एस, पीसीआईई, ईथरनेट)
एडीसी सटीकता	±0.5 एलएसबी से ±4 एलएसबी
डीएसी संकल्प	10-बिट - 24-बिट
परिचालन तापमान	-40°C से +125°C (औद्योगिक ग्रेड)

डीएसपी के अनुप्रयोग

डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग का उपयोग निम्नलिखित अनुप्रयोगों सहित सिग्नल को स्वचालित रूप से मापने, सुधारने और विश्लेषण करने के लिए किया जाता है:

• ऑडियो प्रोसेसिंग (शोर दमन, इको रद्दीकरण, इक्वलाइज़र)

• वाक् पहचान और ध्वनि सहायक

• डिजिटल कैमरों में छवि प्रसंस्करण (डेमोसैसिंग, फ़िल्टरिंग, एन्हांसमेंट और संपीड़न)

• बायोमेडिकल सिग्नल मॉनिटरिंग (ईसीजी, ईईजी) और मेडिकल इमेजिंग (अल्ट्रासाउंड)

• वायरलेस संचार प्रणालियाँ (मॉड्यूलेशन, डिमोड्यूलेशन, चैनल कोडिंग, सिंक्रोनाइज़ेशन और इक्वलाइज़ेशन)

• रडार और सोनार का पता लगाना

• औद्योगिक कंपन निगरानी

• पावर सिस्टम सुरक्षा और हार्मोनिक विश्लेषण

• मोटर नियंत्रण और स्वचालन प्रतिक्रिया प्रणाली

• वीडियो संपीड़न और स्ट्रीमिंग कोडेक्स

डीएसपी बनाम एनालॉग सिग्नल प्रोसेसिंग

विशेषता	डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग	अनुरूप सिग्नल प्रोसेसिंग
संकेत प्रतिनिधित्व	नमूना लिया अलग-अलग समय चरणों पर मान (उदाहरण के लिए, 44.1 किलोहर्ट्ज़ नमूनाकरण)	निरंतर वोल्टेज/वर्तमान तरंगरूप
आयाम परिशुद्धता	परिमाणित स्तर (उदाहरण के लिए, 16-बिट पर 2¹⁶ = 65,536 स्तर)	निरंतर लेकिन घटक सटीकता द्वारा सीमित (±1-5%)
आवृत्ति सटीकता	सटीक संख्यात्मक आवृत्ति अनुपात	बहाव निर्भर करता है आरसी/एलसी सहनशीलता और तापमान पर
पुनरावृत्ति	समान समान डेटा और कोड के लिए आउटपुट	बदलता रहता है इकाइयों के बीच और समय के साथ
शोर संवेदनशीलता	केवल रूपांतरण के बाद फ्रंट-एंड प्रभावित हुआ	शोर पूरे सर्किट पथ के माध्यम से जमा होता है
तापमान स्थिरता	न्यूनतम परिवर्तन (डिजिटल तर्क सीमा आधारित)	लाभ और ऑफसेट घटकों के डिग्री सेल्सियस गुणांक के साथ भिन्न होता है
अंशांकन आवश्यकता	आमतौर पर एकमुश्त या कोई नहीं	अक्सर आवधिक पुन: अंशांकन की आवश्यकता है
संशोधन विधि	फ़र्मवेयर/सॉफ़्टवेयर अद्यतन	हार्डवेयर पुनः डिज़ाइन की आवश्यकता है
दीर्घकालिक बहाव	तक सीमित घड़ी सटीकता (पीपीएम स्तर)	घटक उम्र बढ़ने के कारण %-स्तर का बहाव होता है
गणितीय संचालन	सटीक अंकगणित (जोड़ें, गुणा करें, एफएफटी)	अनुमानित सर्किट व्यवहार का उपयोग करना
गतिशील पुनर्विन्यास	वास्तविक समय एल्गोरिदम स्विचिंग संभव	ठीक किया गया टोपोलॉजी
देरी व्यवहार	पूर्वानुमान योग्य प्रसंस्करण विलंब (µs–ms)	निकट-तत्काल लेकिन चरण बदलाव के साथ बदलता रहता है
स्केलेबिलिटी	जटिलता गणना से बढ़ता है	जटिलता अतिरिक्त घटकों द्वारा वृद्धि होती है
एकीकरण स्तर	एकल चिप कई सर्किटों को बदल सकता है	आवश्यकता है एकाधिक असतत घटक
विशिष्ट अनुप्रयोग	मोडेम, ऑडियो प्रसंस्करण, छवि प्रसंस्करण, नियंत्रण तर्क	आरएफ प्रवर्धन, एनालॉग फ़िल्टरिंग, शक्ति प्रवर्धन

निष्कर्ष

डीएसपी संकेतों को अलग-अलग डेटा में परिवर्तित करता है ताकि गणितीय एल्गोरिदम का उपयोग करके उन्हें फ़िल्टर किया जा सके, रूपांतरित किया जा सके, पता लगाया जा सके, संपीड़ित किया जा सके और व्याख्या की जा सके।सिस्टम का प्रदर्शन नमूनाकरण दर, रिज़ॉल्यूशन, प्रसंस्करण गति, गतिशील रेंज, विलंबता और शोर व्यवहार पर निर्भर करता है।इसका लचीलापन और स्थिरता इसे संचार, मल्टीमीडिया, नियंत्रण, चिकित्सा निगरानी और औद्योगिक विश्लेषण के लिए उपयुक्त बनाती है, जबकि एनालॉग प्रोसेसिंग सरल या बेहद कम विलंबता वाले कार्यों के लिए उपयोगी रहती है।साथ में, दोनों दृष्टिकोण आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों में एक दूसरे के पूरक हैं।