数字信号处理

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数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)

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什么是数字信号处理

  数字信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术。数字信号处理与模拟信号处理是信号处理的子集。

  数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波。因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转换到数字域,这通常通过模数转换器实现。而数字信号处理的输出经常也要变换到模拟域,这是通过数模转换器实现的。

数字信号处理基本概念

  随着大规模集成电路以及数字计算机的飞速发展,加之从20世纪60年代末以来数字信号处理理论和技术的成熟和完善,用数字方法来处理信号,即数字信号处理,已逐渐取代模拟信号处理。现实世界中信号大多数为模拟信号,进行数字信号处理之前,一般先要对信号作预处理和数字化处理,这样的数字信号处理系统如图所示。

  Image:图典型的数字信号处理系统框图.jpg

  (1)预处理:是指在数字处理之前对信号用模拟方法进行的处理。把信号变成适于数字处理的形式,以减小数字处理的困难。如对输入信号的幅值进行处理,使信号幅值与A/D转换器的动态范围相适应;衰减信号中不感兴趣的高频成分,减小频混的影响;隔离被分析信号中的直流分量,消除趋势项及直流分量的干扰等项处理。

  (2)A/D:是将预处理以后的模拟信号变为数字信号,存人到指定的地方,其核心是A/D转换器。信号处理系统的性能指标与其有密切关系。

  (3)数字信号处理:这是系统的核心部分,对采集到的数字信号进行分析和计算,可用数字运算器件组成信号处理器完成,也可用通用计算机

  (4)D/A:是将数字信号处理后的数字量变为初步模拟信号。

  (5)平滑滤波:将初步模拟信号平滑为所期望的模拟信号。

数字信号处理的优点

  与模拟信号处理(ASP)相比,数字信号处理具有如下特点。

  (1)可靠性高:模拟系统中的元器件对温度变化和湿度变化敏感,并会随着时间老化。数字系统一般不会随使用条件变化而变化,尤其使用超大规模集成的数字信号处理芯片,设备简化,更提高了系统的稳定性和可靠性

  (2)精度高:模拟信号处理系统精度达到1%,属精密仪器,而数字信号处理系统二进制位可以有8位和16位,目前已提高到32位和64位,在计算精度方面,模拟信号处理系统是不能与数字信号处理系统相比拟的。

  (3)灵活性大:数字信号处理系统很容易进行实时修改,往往通过修改程序就可实现。同样的数字芯片,在通用的硬件平台上,可以开发不同软件来完成多种功能,服务于多种系统,并且可以方便地升级。

  (4)易于大规模集成:数字部件具有高度的规范性,对电路参数要求不严,容易大规模生产,这也是数字信号处理(DSP)芯片发展迅速的原因之一。

  数字信号处理相对模拟信号处理的主要不足是处理速度问题,尤其在很高频率时更为突出。

数字信号处理的应用[1]

  由于数字信号处理的突出优点,使得它在通信、语音、雷达、地震测报、声呐、遥感、生物医学、电视和仪器中得到愈来愈广泛的应用。

  (1)滤波与变换:包括数字滤波/卷积、相关、快速傅里叶变换(FFT)、希尔伯特(Hilbert)变换、自适应滤波和加窗法等。

  (2)通信:包括自适应差分脉码调制、自适应脉码调制、脉码调制、差分脉码调制、增量调制、自适应均衡、纠错、数字公用交换、信道复用、移动电话调制解调器、数据或数字信号的加密、破译密码、扩频技术、通信制式的转换、卫星通信TDMA/FDMA/CDMA等各种通信制式、回波对消,IP电话软件无线电等。

  (3)语音、语言:包括语音邮件、语音声码器、语音压缩、数字录音系统、语音识别、语音合成、语音增强、文本语音变换和神经网络等。

  (4)图像、图形:包括图像压缩、图像增强、图像复原、图像重建、图像变换、图像分割与描绘、模式识别、计算机视觉、固态处理、电子地图、电子m版和动画等。

  (5)消费电子:包括数字音频、数字电视、音乐综合器、电子玩具和游戏、CD/VCD/DVD播放机、数字留言/应答机和汽车电子装置等。

  (6)仪器:包括频谱分析仪、函数发生器、地震信号处理器、瞬态分析仪、锁相环和模式匹配等。

  (7)工业控制与自动化:包括机器人控制、激光打印机控制、伺服控制、自动机、电力线监示器、计算机辅助制造、引擎控制和自适应驾驶控制等。

  (8)医疗:包括健康助理、病人监视、超声仪器、诊断工具、CT扫描、核磁共振和助听器等。

  (9)军事:包括雷达处理、声呐处理、导航、射频调制解调器、全球定位系统(GPS)、侦察卫星、航空航天测试、自适应波束形成和阵列天线信号处理等。

参考文献

  1. 朱金秀.数字信号处理.北京航空航天大学出版社,2011.06.
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