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数字信号处理(信息与通信工程学科)

数字信号处理,英文:Digital Signal Processing,缩写为DSP,是面向电子信息学科的专业基础课,先修专业课程为信号与系统。

《数字信号处理》这门课介绍的是:将事物的运动变化转变为一串数字,并用计算的方法从中提取有用的信息,以满足我们实际应用的需求。

本定义来自《数字信号处理》杨毅明著,由机械工业出版社2012年发行。

大部分信号的初始形态是事物的运动变化,为了测量它们和处理它们,先要用传感器把它们的特征转换成电信号,等到这些电信号处理完后,再把它们转变为我们能看见、能听见或能利用的形态。

数字信号处理前后需要一些辅助电路,它们和数字信号处理器构成一个系统。图1是典型的数字信号处理系统,它由7个单元组成。 [1]

初始信号代表某种事物的运动变换,它经信号转换单元可变为电信号。例如声波,它经过麦克风后就变为电信号。 又如压力,它经压力传感器后变为电信号。电信号可视为许多频率的正弦波的组合。

低通滤波单元滤除信号的部分高频成分,防止模数转换时失去原信号的基本特征。模数转换单元每隔一段时间测量一次模拟信号,并将测量结果用二进制数表示。

数字信号处理单元实际上是一个计算机,它按照指令对二进制的数字信号进行计算。例如,将声波信号与一个高频正弦波信号相乘,可实现幅度调制。实际上,数字信号往往还要变回模拟信号,才能发挥它的作用。例如,无线电是电磁波通过天线向外发射的,这时的电磁波只能是模拟信号。

数模转换单元将处理后的数字信号变为连续时间信号,这种信号的特点是一段一段的直线相连,如图2所示,有很多地方的变化不平滑。例如,调制后的数字信号,变成模拟信号后才能送往天线,通过天线就可以向外发射了。低通滤波单元有平均的作用,不平滑的信号经低通滤波后,可以变得比较平滑。

平滑的信号经信号转换单元后,就变成某种物质的运动变化。例如扬声器,它可将电波变为声波。又如天线,它可将电流变为电磁波。电磁波是一种互相变化的电场和磁场,可以在空间中以波的形式快速移动。

若只考虑电信号的处理过程,数字信号处理系统可看作由五个单元组成,如图3所示。

如果把低通滤波和模数/数模转换看作一个单元,则数字信号处理也可看作由三个单元组成,如图4所示。

信号(signal)是信息的物理体现形式,或是传递信息的函数,而信息则是信号的具体内容。

模拟信号(analog signal):指时间连续、幅度连续的信号。

数字信号(digital signal):时间和幅度上都是离散(量化)的信号。

数字信号可用一序列的数表示,而每个数又可表示为二制码的形式,适合计算机处理。

一维(1-D)信号: 一个自变量的函数。

二维(2-D)信号: 两个自变量的函数。

多维(M-D)信号: 多个自变量的函数。

系统:处理信号的物理设备。或者说,凡是能将信号加以变换以达到人们要求的各种设备。模拟系统与数字系统。

信号处理的内容:滤波、变换、检测、谱分析、估计、压缩、识别等一系列的加工处理。

多数科学和工程中遇到的是模拟信号。以前都是研究模拟信号处理的理论和实现。

模拟信号处理缺点:难以做到高精度,受环境影响较大,可靠性差,且不灵活等。

数字系统的优点:体积小、功耗低、精度高、可靠性高、灵活性大、易于大规模集成、可进行二维与多维处理

随着大规模集成电路以及数字计算机的飞速发展,加之从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。

随着信息时代、数字世界的到来,数字信号处理已成为一门极其重要的学科和技术领域。

DSP芯片,也称数字信号处理器,是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器,其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求,DSP芯片一般具有如下主要特点:

(1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法;

(2)程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据;

(3)片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问;

(4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持;

(5)快速的中断处理和硬件I/O支持;

(6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器;

(7)可以并行执行多个操作;

(8)支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

当然,与通用微处理器相比,DSP芯片的其他通用功能相对较弱些 [2]

广义来说,数字信号处理是研究用数字方法对信号进行分析、变换、滤波、检测、调制、解调以及快速算法的一门技术学科。但很多人认为:数字信号处理主要是研究有关数字滤波技术、离散变换快速算法和谱分析方法。随着数字电路与系统技术以及计算机技术的发展,数字信号处理技术也相应地得到发展,其应用领域十分广泛。

数字控制、运动控制方面的应用主要有磁盘驱动控制、引擎控制、激光打印机控制、喷绘机控制、马达控制、电力系统控制、机器人控制、高精度伺服系统控制、数控机床等。

面向低功耗、手持设备、无线终端的应用主要有:手机、PDA、GPS、数传电台等。

数字滤波器的实用型式很多,大略可分为有限冲激响应型和无限冲激响应型两类,可用硬件和软件两种方式实现。在硬件实现方式中,它由加法器、乘法器等单元所组成,这与电阻器、电感器和电容器所构成的模拟滤波器完全不同。数字信号处理系统很容易用数字集成电路制成,显示出体积小、稳定性高、可程控等优点。数字滤波器也可以用软件实现。软件实现方法是借助于通用数字计算机按滤波器的设计算法编出程序进行数字滤波计算。

1965年J.W.库利和T.W.图基首先提出离散傅里叶变换的快速算法,简称快速傅里叶变换,以FFT表示。自有了快速算法以后,离散傅里叶变换的运算次数大为减少,使数字信号处理的实现成为可能。快速傅里叶变换还可用来进行一系列有关的快速运算,如相关、褶积、功率谱等运算。快速傅里叶变换可做成专用设备,也可以通过软件实现。与快速傅里叶变换相似,其他形式的变换,如沃尔什变换、数论变换等也可有其快速算法。

在频域中描述信号特性的一种分析方法,不仅可用于确定性信号,也可用于随机性信号。所谓确定性信号可用既定的时间函数来表示,它在任何时刻的值是确定的;随机信号则不具有这样的特性,它在某一时刻的值是随机的。因此,随机信号处理只能根据随机过程理论,利用统计方法来进行分析和处理,如经常利用均值、均方值、方差、相关函数、功率谱密度函数等统计量来描述随机过程的特征或随机信号的特性。

实际上,经常遇到的随机过程多是平稳随机过程而且是各态历经的,因而它的样本函数集平均可以根据某一个样本函数的时间平均来确定。平稳随机信号本身虽仍是不确定的,但它的相关函数却是确定的。在均值为零时,它的相关函数的傅里叶变换或Z变换恰恰可以表示为随机信号的功率谱密度函数,一般简称为功率谱。这一特性十分重要,这样就可以利用快速变换算法进行计算和处理。

在实际中观测到的数据是有限的。这就需要利用一些估计的方法,根据有限的实测数据估计出整个信号的功率谱。针对不同的要求,如减小谱分析的偏差,减小对噪声的灵敏程度,提高谱分辨率等。已提出许多不同的谱估计方法。在线性估计方法中,有周期图法,相关法和协方差法;在非线性估计方法中,有最大似然法,最大熵法,自回归滑动平均信号模型法等。谱分析和谱估计仍在研究和发展中。

数字信号处理的应用领域十分广泛。就所获取信号的来源而言,有通信信号的处理,雷达信号的处理,遥感信号的处理,控制信号的处理,生物医学信号的处理,地球物理信号的处理,振动信号的处理等。若以所处理信号的特点来讲,又可分为语音信号处理,图像信号处理,一维信号处理和多维信号处理等。

语音信号处理是信号处理中的重要分支之一。它包括的主要方面有:语音的识别,语言的理解,语音的合成,语音的增强,语音的数据压缩等。各种应用均有其特殊问题。语音识别是将待识别的语音信号的特征参数即时地提取出来,与已知的语音样本进行匹配,从而判定出待识别语音信号的音素属性。关于语音识别方法,有统计模式语音识别,结构和语句模式语音识别,利用这些方法可以得到共振峰频率、音调、嗓音、噪声等重要参数,语音理解是人和计算机用自然语言对话的理论和技术基础。语音合成的主要目的是使计算机能够讲话。为此,首先需要研究清楚在发音时语音特征参数随时间的变化规律,然后利用适当的方法模拟发音的过程,合成为语言。其他有关语言处理问题也各有其特点。语音信号处理是发展智能计算机和智能机器人的基础,是制造声码器的依据。语音信号处理是迅速发展中的一项信号处理技术。

图像信号处理的应用已渗透到各个科学技术领域。譬如,图像处理技术可用于研究粒子的运动轨迹、生物细胞的结构、地貌的状态、气象云图的分析、宇宙星体的构成等。在图像处理的实际应用中,获得较大成果的有遥感图像处理技术、断层成像技术、计算机视觉技术和景物分析技术等。根据图像信号处理的应用特点,处理技术大体可分为图像增强、恢复、分割、识别、编码和重建等几个方面。这些处理技术各具特点,且正在迅速发展中。

机械振动信号的分析与处理技术已应用于汽车、飞机、船只、机械设备、房屋建筑、水坝设计等方面的研究和生产中。振动信号处理的基本原理是在测试体上加一激振力,做为输入信号。在测量点上监测输出信号。输出信号与输入信号之比称为由测试体所构成的系统的传递函数(或称转移函数)。根据得到的传递函数进行所谓模态参数识别,从而计算出系统的模态刚度、模态阻尼等主要参数。这样就建立起系统的数学模型。进而可以做出结构的动态优化设计。这些工作均可利用数字处理器来进行。这种分析和处理方法一般称为模态分析。实质上,它就是信号处理在振动工程中所采用的一种特殊方法。

为了勘探地下深处所储藏的石油和天然气以及其他矿藏,通常采用地震勘探方法来探测地层结构和岩性。这种方法的基本原理是在一选定的地点施加人为的激震,如用爆炸方法产生一振动波向地下传播,遇到地层分界面即产生反射波,在距离振源一定远的地方放置一列感受器,接收到达地面的反射波。从反射波的延迟时间和强度来判断地层的深度和结构。感受器所接收到的地震记录是比较复杂的,需要处理才能进行地质解释。处理的方法很多,有反褶积法,同态滤波法等,这是一个尚在努力研究的问题。

信号处理在生物医学方面主要是用来辅助生物医学基础理论的研究和用于诊断检查和监护。例如,用于细胞学、脑神经学、心血管学、遗传学等方面的基础理论研究。人的脑神经系统由约 100亿个神经细胞所组成,是一个十分复杂而庞大的信息处理系统。在这个处理系统中,信息的传输与处理是并列进行的,并具有特殊的功能,即使系统的某一部分发生障碍,其他部分仍能工作,这是计算机所做不到的。因此,关于人脑的信息处理模型的研究就成为基础理论研究的重要课题。此外,神经细胞模型的研究,染色体功能的研究等等,都可借助于信号处理的原理和技术来进行。

信号处理用于诊断检查较为成功的实例,有脑电或心电的自动分析系统、断层成像技术等。断层成像技术是诊断学领域中的重大发明。X射线断层的基本原理是X射线穿过被观测物体后构成物体的二维投影。接收器接收后,再经过恢复或重建,即可在一系列的不同方位计算出二维投影,经过运算处理即取得实体的断层信息,从而大屏幕上得到断层造像。信号处理在生物医学方面的应用正处于迅速发展阶段。

数字信号处理在其他方面还有多种用途,如雷达信号处理、地学信号处理等,它们虽各有其特殊要求,但所利用的基本技术大致相同。在这些方面,数字信号处理技术起着主要的作用。


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