डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग क्या है?

डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग क्या है? 
डीएसपी विभिन्न संकेतों को छानने, मापने, या संपीड़ित करने और एनालॉग संकेतों के निर्माण के साथ विभिन्न प्रकार के संकेतों में हेरफेर करता है। एनालॉग सिग्नल अलग-अलग आयामों की विद्युत दालों में जानकारी लेने और उसका अनुवाद करने के द्वारा भिन्न होते हैं, जबकि डिजिटल सिग्नल सूचना को द्विआधारी प्रारूप में अनुवादित किया जाता है जहां प्रत्येक बिट डेटा को दो अलग-अलग आयामों द्वारा दर्शाया जाता है। एक और ध्यान देने योग्य अंतर यह है कि एनालॉग संकेतों को साइन तरंगों के रूप में और डिजिटल सिग्नलों को वर्ग तरंगों के रूप में दर्शाया जाता है। डीएसपी लगभग किसी भी क्षेत्र में पाया जा सकता है, चाहे वह तेल प्रसंस्करण, ध्वनि प्रजनन, रडार और सोनार, चिकित्सा छवि प्रसंस्करण, या दूरसंचार - अनिवार्य रूप से कोई भी अनुप्रयोग जिसमें सिग्नल संकुचित और पुन: उत्पन्न हो रहे हैं। 

तो वास्तव में डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग क्या है? डिजिटल सिग्नल प्रक्रिया ऑडियो, आवाज, वीडियो, तापमान या दबाव जैसे सिग्नल लेती है जो पहले ही डिजीटल हो चुके हैं और फिर उन्हें गणितीय रूप से हेरफेर करते हैं। इस जानकारी को तब असतत समय, असतत आवृत्ति या अन्य असतत रूपों के रूप में दर्शाया जा सकता है ताकि जानकारी को डिजिटल रूप से संसाधित किया जा सके। एनालॉग सिग्नल (ध्वनि, प्रकाश, दबाव, या तापमान) लेने के लिए वास्तविक दुनिया में एक एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर की आवश्यकता होती है और उन्हें एक डिजिटल प्रारूप के लिए 0's और 1 में परिवर्तित किया जाता है। 

एक डीएसपी में चार प्रमुख घटक होते हैं: 
 कम्प्यूटिंग इंजन: प्रोग्राम मेमोरी, और प्रोग्राम से एक्सेस करके गणितीय जोड़तोड़, गणना और प्रक्रियाएं  डेटा मेमोरी में संग्रहीत जानकारी।
 डेटा मेमोरी: यह प्रोसेस की जाने वाली सूचनाओं को संग्रहीत करता है और प्रोग्राम मेमोरी के साथ हाथ से काम करता है। 
 प्रोग्राम मेमोरी: यह प्रोग्राम, या कार्यों को संग्रहीत करता है, जो डीएसपी डेटा को प्रोसेस करने, संपीड़ित करने या हेरफेर करने के लिए उपयोग करेगा।
 I / O: इसका उपयोग विभिन्न चीजों के लिए किया जा सकता है, यह इस बात पर निर्भर करता है कि DSP का उपयोग बाहरी पोर्ट्स, सीरियल पोर्ट्स, टाइमर और बाहरी दुनिया से जुड़ने के लिए किया जा रहा है। 

नीचे एक डीएसपी के चार घटक सामान्य सिस्टम कॉन्फ़िगरेशन में क्या दिखते हैं, इसका एक आंकड़ा है। 

डीएसपी फीलर्स 
चेबीशेव फिल्टर एक डिजिटल फिल्टर है जिसका उपयोग आवृत्ति के एक बैंड को दूसरे से अलग करने के लिए किया जा सकता है। ये फ़िल्टर अपनी प्राथमिक विशेषता, गति के लिए जाने जाते हैं, और जब वे प्रदर्शन श्रेणी में सर्वश्रेष्ठ नहीं होते हैं, तो वे अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त से अधिक होते हैं। चेबीशेव फ़िल्टर का डिज़ाइन, matematical तकनीक के आसपास इंजीनियर किया गया था, जिसे z- रूपांतर के रूप में जाना जाता है। असल में, जेड-ट्रांसफॉर्म एक असतत-समय सिग्नल को परिवर्तित करता है, जो आवृत्ति डोमेन प्रतिनिधित्व में वास्तविक या जटिल संख्याओं के अनुक्रम से बना होता है। चेबीशेव प्रतिक्रिया का उपयोग आम तौर पर आवृत्ति प्रतिक्रिया में तरंग की अनुमति देकर तेज रोल-ऑफ प्राप्त करने के लिए किया जाता है। इन फ़िल्टर को 1 फ़िल्टर कहा जाता है, जिसका अर्थ है कि आवृत्ति प्रतिक्रिया में तरंग केवल पासबैंड में अनुमत है। यह एक निर्दिष्ट आदेश और तरंग के लिए किसी भी फिल्टर की आदर्श प्रतिक्रिया के लिए सबसे अच्छा सन्निकटन प्रदान करता है। इसे कुछ आवृत्तियों को हटाने और फ़िल्टर के माध्यम से दूसरों को पारित करने की अनुमति देने के लिए डिज़ाइन किया गया था। Chebyshev फ़िल्टर आम तौर पर अपनी प्रतिक्रिया में रैखिक होता है और एक nonlinear फ़िल्टर आउटपुट सिग्नल में आवृत्ति घटकों से युक्त हो सकता है जो इनपुट सिग्नल में मौजूद नहीं थे। 


डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग का उपयोग क्यों करें?
यह समझने के लिए कि डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग, या डीएसपी, एनालॉग सर्किटरी के साथ तुलना कैसे करता है, एक किसी भी फिल्टर फ़ंक्शन के साथ दो प्रणालियों की तुलना करेगा। हालांकि एक एनालॉग फ़िल्टर एम्पलीफायरों, कैपेसिटर, इंडक्टर्स या प्रतिरोधों का उपयोग करेगा, और सस्ती और इकट्ठा करना आसान होगा, फ़िल्टर ऑर्डर को जांचना या संशोधित करना मुश्किल होगा। हालांकि, डीएसपी सिस्टम के साथ वही चीजें की जा सकती हैं, जिन्हें डिजाइन करना और संशोधित करना आसान है। DSP सिस्टम पर फिल्टर फंक्शन सॉफ्टवेयर आधारित होता है, इसलिए मल्टीपल फिल्टर्स को चुना जा सकता है। इसके अलावा, उच्च-क्रम प्रतिक्रियाओं के साथ लचीला और समायोज्य फिल्टर बनाने के लिए केवल डीएसपी सॉफ्टवेयर की आवश्यकता होती है, जबकि एनालॉग को अतिरिक्त हार्डवेयर की आवश्यकता होती है। 

उदाहरण के लिए, किसी दिए गए फ्रिक्वेंसी रिस्पांस के साथ एक व्यावहारिक बैंडपास फिल्टर में स्टॉपबैंड रोल-ऑफ कंट्रोल, पासबैंड ट्यूनिंग और चौड़ाई नियंत्रण, स्टॉपबैंड में अनंत क्षीणन और शून्य चरण पारी के साथ पूरी तरह से फ्लैट होने वाले पासबैंड के भीतर एक प्रतिक्रिया होनी चाहिए। यदि एनालॉग तरीकों का उपयोग किया जा रहा था, तो दूसरे क्रम के फिल्टर को बहुत अधिक कंपित उच्च-क्यू अनुभागों की आवश्यकता होगी, जिसका अंततः अर्थ है कि यह धुन और समायोजित करने के लिए बेहद कठिन होगा। डीएसपी सॉफ्टवेयर के साथ संपर्क करते समय, एक परिमित आवेग प्रतिक्रिया (एफआईआर) का उपयोग करते हुए, एक आवेग के लिए फिल्टर की समय प्रतिक्रिया वर्तमान के भारित योग और पिछले इनपुट मूल्यों की एक परिमित संख्या है। कोई प्रतिक्रिया नहीं होने के साथ, किसी दिए गए नमूने की इसकी एकमात्र प्रतिक्रिया तब समाप्त होती है जब नमूना "लाइन के अंत" तक पहुंच जाता है। इन डिज़ाइन अंतरों को ध्यान में रखते हुए, डीएसपी सॉफ्टवेयर को इसके लचीलेपन और एनालॉग सर्किट्री फिल्टर डिज़ाइनों की सरलता के लिए चुना जाता है। 

इस बैंडपास फ़िल्टर को बनाते समय, DSP का उपयोग करना एक भयानक कार्य नहीं है। इसे लागू करना और फिल्टर का निर्माण करना बहुत आसान है, क्योंकि आपको केवल डिवाइस में जाने वाले प्रत्येक डीएसपी चिप के साथ फिल्टर को प्रोग्राम करना होगा। हालांकि, एनालॉग घटकों का उपयोग करते हुए, आपको दोषपूर्ण घटकों का जोखिम होता है, सर्किट को समायोजित करना और प्रत्येक व्यक्तिगत एनालॉग सर्किट पर फ़िल्टर को प्रोग्राम करना। डीएसपी सिग्नल प्रोसेसिंग के लिए फिल्टर डिजाइन का एक सस्ता और कम थकाऊ तरीका बनाता है और सामान्य रूप से फिल्टर को ट्यूनिंग और समायोजित करने के लिए सटीकता बढ़ाता है।


एडीसी और डीएसी
लगभग हर क्षेत्र में इलेक्ट्रिक उपकरण का भारी उपयोग किया जाता है। किसी भी क्षेत्र में DSP की किसी भी भिन्नता के लिए एनालॉग से डिजिटल कन्वर्टर्स (ADC) और डिजिटल से एनालॉग कन्वर्टर्स (DAC) आवश्यक घटक हैं। डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए किसी भी एनालॉग सिग्नल को लेने और इसे संसाधित करने की अनुमति देने के लिए वास्तविक दुनिया के संकेतों को परिवर्तित करने के लिए ये दो परिवर्तित इंटरफेस आवश्यक हैं। उदाहरण के लिए एक माइक्रोफोन लें: ADC ऑडियो उपकरण के इनपुट द्वारा एकत्रित एनालॉग सिग्नल को एक डिजिटल सिग्नल में परिवर्तित करता है जिसे स्पीकर या मॉनिटर द्वारा आउटपुट किया जा सकता है। जबकि यह कंप्यूटर के लिए ऑडियो उपकरण के माध्यम से गुजर रहा है, सॉफ्टवेयर एको ध्वनि जोड़ सकता है या एक परिपूर्ण ध्वनि प्राप्त करने के लिए आवाज के टेम्पो और पिच को समायोजित कर सकता है। दूसरी ओर, डीएसी पहले से ही संसाधित डिजिटल सिग्नल को एनालॉग सिग्नल में बदल देगा जिसका उपयोग ऑडियो आउटपुट उपकरण जैसे मॉनिटर द्वारा किया जाता है। नीचे एक आंकड़ा दिखाया गया है कि पिछला उदाहरण कैसे काम करता है और इसके ऑडियो इनपुट संकेतों को प्रजनन के माध्यम से कैसे बढ़ाया जा सकता है, और फिर मॉनिटर के माध्यम से डिजिटल सिग्नल के रूप में आउटपुट किया जाता है।

डिजिटल कनवर्टर के एक प्रकार के एनालॉग, जिसे डिजिटल रैंप एडीसी के रूप में जाना जाता है, में एक तुलनित्र शामिल है। किसी समय में एनालॉग वोल्टेज के मूल्य की तुलना किसी दिए गए मानक वोल्टेज से की जाती है। इसे प्राप्त करने का एक तरीका एनालॉग वोल्टेज को तुलनित्र और ट्रिगर के एक टर्मिनल पर लागू करना है, जिसे बाइनरी काउंटर के रूप में जाना जाता है, जो एक डीएसी ड्राइव करता है। जबकि DAC का आउटपुट तुलनित्र के दूसरे टर्मिनल पर लागू होता है, यह सिग्नल को ट्रिगर करेगा यदि वोल्टेज एनालॉग वोल्टेज इनपुट से अधिक हो। तुलनित्र का संक्रमण बाइनरी काउंटर को रोकता है, जो तब उस बिंदु पर एनालॉग वोल्टेज के अनुरूप डिजिटल मूल्य रखता है। नीचे दिया गया आंकड़ा एक डिजिटल रैंप ADC का आरेख दिखाता है। 

डीएसपी के आवेदन
डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर के कई वेरिएंट होते हैं जो अलग-अलग चीजों को निष्पादित कर सकते हैं, जो कि किए जा रहे एप्लिकेशन पर निर्भर करता है। इनमें से कुछ वेरिएंट ऑडियो सिग्नल प्रोसेसिंग, ऑडियो और वीडियो कम्प्रेशन, स्पीच प्रोसेसिंग और रिकॉग्निशन, डिजिटल इमेज प्रोसेसिंग और रडार एप्लिकेशन हैं। इनमें से प्रत्येक एप्लिकेशन के बीच अंतर यह है कि डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर प्रत्येक इनपुट को कैसे फ़िल्टर कर सकता है। पांच अलग-अलग पहलू हैं जो प्रत्येक डीएसपी से भिन्न होते हैं: घड़ी की आवृत्ति, रैम आकार, डेटा बस की चौड़ाई, रोम का आकार और I / O वोल्टेज। ये सभी घटक वास्तव में एक प्रोसेसर के अंकगणितीय प्रारूप, गति, मेमोरी संगठन और डेटा की चौड़ाई को प्रभावित करने वाले हैं। 

एक प्रसिद्ध वास्तुकला लेआउट हार्वर्ड वास्तुकला है। यह डिज़ाइन एक प्रोसेसर के लिए एक साथ दो मेमोरी बैंकों को बसों के दो स्वतंत्र सेटों का उपयोग करने की अनुमति देता है। यह वास्तुकला आगे के निर्देशों को प्राप्त करते हुए गणितीय कार्यों को निष्पादित कर सकता है। एक और वॉन न्यूमैन मेमोरी आर्किटेक्चर है। जबकि केवल एक डेटा बस है, निर्देश लोड किए जाने के दौरान संचालन लोड नहीं किया जा सकता है। यह एक जाम का कारण बनता है जो अंततः डीएसपी अनुप्रयोगों के निष्पादन को धीमा कर देता है। जबकि ये प्रोसेसर एक मानक कंप्यूटर में उपयोग किए जाने वाले प्रोसेसर के समान हैं, ये डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर विशिष्ट हैं। इसका मतलब अक्सर यह होता है कि, किसी कार्य को करने के लिए, डीएसपी को निर्धारित-बिंदु अंकगणित का उपयोग करने की आवश्यकता होती है। 

एक और नमूना है, जो एक असतत संकेत के लिए निरंतर संकेत की कमी है। एक प्रमुख अनुप्रयोग एक ध्वनि तरंग का रूपांतरण है। ऑडियो सैंपलिंग ध्वनि के पुनरुत्पादन के लिए डिजिटल सिग्नल और पल्स-कोड मॉड्यूलेशन का उपयोग करता है। मनुष्यों को सुनने के लिए 20 - 20,000 हर्ट्ज के बीच ऑडियो पर कब्जा करना आवश्यक है। लगभग 50 kHz - 60 kHz से अधिक की नमूना दरें मानव कान को कोई और जानकारी प्रदान नहीं कर सकती हैं। डीएसपी सॉफ्टवेयर और एडीसी एंड डीएसी के साथ विभिन्न फिल्टर का उपयोग करते हुए, ऑडियो के नमूनों को इस तकनीक के माध्यम से पुन: पेश किया जा सकता है। 

डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग दिन-प्रतिदिन के संचालन में भारी रूप से उपयोग की जाती है, और कई उद्देश्यों के लिए एनालॉग सिग्नल को डिजिटल सिग्नल को फिर से बनाने के लिए आवश्यक है।

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