數字信號處理

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數字信號處理(Digital Signal Processing,DSP)

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什麼是數字信號處理

  數字信號處理是將信號以數字方式表示並處理的理論和技術。數字信號處理與模擬信號處理是信號處理的子集。

  數字信號處理的目的是對真實世界的連續模擬信號進行測量或濾波。因此在進行數字信號處理之前需要將信號從模擬域轉換到數字域,這通常通過模數轉換器實現。而數字信號處理的輸出經常也要變換到模擬域,這是通過數模轉換器實現的。

數字信號處理基本概念

  隨著大規模集成電路以及數字電腦的飛速發展,加之從20世紀60年代末以來數字信號處理理論和技術的成熟和完善,用數字方法來處理信號,即數字信號處理,已逐漸取代模擬信號處理。現實世界中信號大多數為模擬信號,進行數字信號處理之前,一般先要對信號作預處理和數字化處理,這樣的數字信號處理系統如圖所示。

  Image:图典型的数字信号处理系统框图.jpg

  (1)預處理:是指在數字處理之前對信號用模擬方法進行的處理。把信號變成適於數字處理的形式,以減小數字處理的困難。如對輸入信號的幅值進行處理,使信號幅值與A/D轉換器的動態範圍相適應;衰減信號中不感興趣的高頻成分,減小頻混的影響;隔離被分析信號中的直流分量,消除趨勢項及直流分量的干擾等項處理。

  (2)A/D:是將預處理以後的模擬信號變為數字信號,存人到指定的地方,其核心是A/D轉換器。信號處理系統的性能指標與其有密切關係。

  (3)數字信號處理:這是系統的核心部分,對採集到的數字信號進行分析和計算,可用數字運算器件組成信號處理器完成,也可用通用電腦

  (4)D/A:是將數字信號處理後的數字量變為初步模擬信號。

  (5)平滑濾波:將初步模擬信號平滑為所期望的模擬信號。

數字信號處理的優點

  與模擬信號處理(ASP)相比,數字信號處理具有如下特點。

  (1)可靠性高:模擬系統中的元器件對溫度變化和濕度變化敏感,並會隨著時間老化。數字系統一般不會隨使用條件變化而變化,尤其使用超大規模集成的數字信號處理晶元,設備簡化,更提高了系統的穩定性和可靠性

  (2)精度高:模擬信號處理系統精度達到1%,屬精密儀器,而數字信號處理系統二進位位可以有8位和16位,目前已提高到32位和64位,在計算精度方面,模擬信號處理系統是不能與數字信號處理系統相比擬的。

  (3)靈活性大:數字信號處理系統很容易進行實時修改,往往通過修改程式就可實現。同樣的數字晶元,在通用的硬體平臺上,可以開發不同軟體來完成多種功能,服務於多種系統,並且可以方便地升級。

  (4)易於大規模集成:數字部件具有高度的規範性,對電路參數要求不嚴,容易大規模生產,這也是數字信號處理(DSP)晶元發展迅速的原因之一。

  數字信號處理相對模擬信號處理的主要不足是處理速度問題,尤其在很高頻率時更為突出。

數字信號處理的應用[1]

  由於數字信號處理的突出優點,使得它在通信、語音、雷達、地震測報、聲吶、遙感、生物醫學、電視和儀器中得到愈來愈廣泛的應用。

  (1)濾波與變換:包括數字濾波/捲積、相關、快速傅里葉變換(FFT)、希爾伯特(Hilbert)變換、自適應濾波和加窗法等。

  (2)通信:包括自適應差分脈碼調製、自適應脈碼調製、脈碼調製、差分脈碼調製、增量調製、自適應均衡、糾錯、數字公用交換、通道復用、行動電話數據機、數據或數字信號的加密、破譯密碼、擴頻技術、通信制式的轉換、衛星通信TDMA/FDMA/CDMA等各種通信制式、回波對消,IP電話軟體無線電等。

  (3)語音、語言:包括語音郵件、語音聲碼器、語音壓縮、數字錄音系統、語音識別、語音合成、語音增強、文本語音變換和神經網路等。

  (4)圖像、圖形:包括圖像壓縮、圖像增強、圖像複原、圖像重建、圖像變換、圖像分割與描繪、模式識別、電腦視覺、固態處理、電子地圖、電子m版和動畫等。

  (5)消費電子:包括數字音頻、數字電視、音樂綜合器、電子玩具和游戲、CD/VCD/DVD播放機、數字留言/應答機和汽車電子裝置等。

  (6)儀器:包括頻譜分析儀、函數發生器、地震信號處理器、瞬態分析儀、鎖相環和模式匹配等。

  (7)工業控制與自動化:包括機器人控制、激光印表機控制、伺服控制、自動機、電力線監示器、電腦輔助製造、引擎控制和自適應駕駛控制等。

  (8)醫療:包括健康助理、病人監視、超聲儀器、診斷工具、CT掃描、核磁共振和助聽器等。

  (9)軍事:包括雷達處理、聲吶處理、導航、射頻數據機、全球定位系統(GPS)、偵察衛星、航空航天測試、自適應波束形成和陣列天線信號處理等。

參考文獻

  1. 朱金秀.數字信號處理.北京航空航天大學出版社,2011.06.
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