Digitale signaalbewerking

Een leven zonder computer en internet is niet meer voor te stellen. De explosieve opkomst van deze fenomenen kan men scharen onder de overkoepelende term digitale signaalbewerking. Men kan een analoog signaal eenvoudig omzetten in een digitaal signaal. Dit brengt grote voordelen met zich mee, omdat men de signalen in het digitale domein zeer goed kan bewerken in elektronica. Daarna zet men de data weer om in analoge signalen.

Digitale signalen

Digitale signalen kunnen worden voorgesteld als reeksen getallen met een begrensd aantal mogelijke waarden en kunnen daarom uitstekend bewerkt worden met logische circuits (zie ook digitaal en analoog). Hierbij gebruikt men binaire codes (om decimale getallen te presenteren) waarmee logische operaties (AND, OR, schuiven, etc...) worden uitgevoerd. Een binaire code geeft een getal in het tweetallige (binaire) talstelsel weer, en maakt gebruik van de getallen: nul en één.

Bouwstenen voor digitale signaalbewerking

De meest elementaire bruikbare bouwstenen zijn schakelingen (poorten) waarmee logische functies zoals AND, OR, en NOT kunnen worden uitgevoerd. Voor een dergelijke poort geldt dat de output een logische functie is van de inputs; deze functie kan in een waarheidstabel worden weergegeven. In de figuur hiernaast is de waarheidstabel van de 2 input AND poort afgebeeld. Te zien is dat de output alleen gelijk aan '1' is als beide inputs gelijk aan '1' zijn. In alle andere gevallen zal de output gelijk zijn aan '0'. Voor een OR poort geldt het omgekeerde: de output is hoog ('1') als tenminste één van inputs dat ook is. De output is alleen laag ('0') als de beide inputs dat ook zijn. De eenvoudigste logische poort is een inverter. Een inverter keert een bit om: een '1' wordt een '0' aan de output, en een '0' een '1'. Men zegt ook wel een logische 'NOT' of 'NIET'. Ook de AND en OR poort kunnen worden geinverteerd. Dit levert een NAND en een NOR poort op. Een speciaal geval van de OR functie zijn de functies XOR en XNOR.
Dit zijn de belangrijkste logische poorten. Ze kunnen alllemaal gebouwd worden met een gering aantal transistoren.
Door samenvoeging van poorten onstaan iets ingewikkelder bouwstenen zoals optellers (half adders), en geheugencellen (flip-flops). Hieruit kunnen weer ingewikkelder circuits worden gemaakt zoals optelschakelingen, vermenigvuldigers, en seriële geheugens (schuifregisters). Op deze wijze kunnen de belangrijkste logsiche bewerkingen (optellen, vermenigvuldigen, en vertragen) uitgevoerd worden.

Een compleet digitaal systeem zal dus moeten kunnen optellen, vermenigvuldigen, en vertragen. Soms worden deze functies ook daadwerkelijk rechtstreeks geïmplementeerd als losse componenten, soms gebruikt men een microprocessor die al deze functies ingebouwd heeft. Een processor die speciaal voor het bewerken van signalen (en niet voor data) gebruikt wordt, wordt een digital signal processor (dsp) genoemd. Daarnaast is het ook mogelijk om de toepassingsgerichte chip te ontwikkelen voor een zekere applicatie, een zgn. custom chip.

Voordelen van digitale signaalbewerking

• gevoeligheid voor externe invloeden (temperatuur, stoorsignalen) is gering
• schakelingen zijn volledig reproduceerbaar
• aantal bewerkingen is in principe onbegrensd
• design tools zijn krachtig en meegegroeid met de complexiteit
• kleine afmetingen
• hoge betrouwbaarheid
• lage kostprijs
• veel wiskundige operaties zijn analoog niet uitvoerbaar

Nadelen van digitale signaalbewerking

• vermogensverbruik neemt toe als de chip-complexiteit toeneemt
• soms is AD (analoog-digitaal) en DA conversie (digitaal en analoog) nodig en dit kan complex zijn
• dezelfde informatie vereist analoog een lagere bandbreedte