數(shù)字信號處理(DSP)

數(shù)字信號處理
數(shù)字信號處理是20世紀(jì)60年代，隨著信息學(xué)科和計算機(jī)學(xué)科的高速發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。它的重要性日益在各個領(lǐng)域的應(yīng)用中表現(xiàn)出來。
數(shù)字信號處理其主要標(biāo)志是兩項重大進(jìn)展，即快速傅里葉變換(FFT)算法的提出和數(shù)字濾波器設(shè)計方法的完善。

數(shù)字信號處理是把信號用數(shù)字或符號表示成序列，通過計算機(jī)或通用（專用）信號處理設(shè)備，用數(shù)值計算方法進(jìn)行各種處理，達(dá)到提取有用信息便于應(yīng)用的目的。
例如：濾波、檢測、變換、增強(qiáng)、估計、識別、參數(shù)提取、頻譜分析等。

數(shù)字信號處理的英文名稱：Digital Signal Processing,簡稱：DSP

對于DSP:狹義理解可為Digital Signal Processor 數(shù)字信號處理器。廣義理解可為Digital Signal Processing 譯為數(shù)字信號處理技術(shù)。在此我們討論的DSP的概念是指廣義的理解。

信號的特征和分類
信號(signal)是一種物理體現(xiàn)，或是傳遞信息的函數(shù)。而信息是信號的具體內(nèi)容。

模擬信號(analog signal)：指時間連續(xù)、幅度連續(xù)的信號。

數(shù)字信號(digital signal)：時間和幅度上都是離散(量化)的信號。

數(shù)字信號可用一序列的數(shù)表示，而每個數(shù)又可表示為二制碼的形式，適合計算機(jī)處理。
一維(1-D)信號: 一個自變量的函數(shù)。
二維(2-D)信號: 兩個自變量的函數(shù)。
多維(M-D)信號: 多個自變量的函數(shù)。
系統(tǒng)：處理信號的物理設(shè)備?；蛘哒f，凡是能將信號加以變換以達(dá)到人們要求的各種設(shè)備。模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)。
信號處理的內(nèi)容：濾波、變換、檢測、譜分析、
多數(shù)科學(xué)和工程中遇到的是模擬信號。以前都是研究模擬信號處理的理論和實現(xiàn)。
模擬信號處理缺點：難以做到高精度，受環(huán)境影響較大，可靠性差，且不靈活等。
數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)點：體積小、功耗低、精度高、可靠性高、靈活性大、易于大規(guī)模集成、可進(jìn)行二維與多維處理
隨著大規(guī)模集成電路以及數(shù)字計算機(jī)的飛速發(fā)展，加之從60年代末以來數(shù)字信號處理理論和技術(shù)的成熟和完善，用數(shù)字方法來處理信號，即數(shù)字信號處理，已逐漸取代模擬信號處理。
隨著信息時代、數(shù)字世界的到來，數(shù)字信號處理已成為一門極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。

數(shù)字信號處理系統(tǒng)的基本組成

模/數(shù)轉(zhuǎn)換
模/數(shù)轉(zhuǎn)換：采樣（sampling），量化（quantization）

數(shù)/模轉(zhuǎn)換
數(shù)/模轉(zhuǎn)換：數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，零階保持（zero order hold），
抗鏡像濾波器進(jìn)行平滑。

典型的信號處理運算
時域(time domain):描述信號隨時間的變化。
頻域(frequency domain)：信號的頻譜（spectrum）。
頻譜：對信號中所含頻率分量的描述，有該頻率處的頻譜幅度表示。通常用FFT（快速傅立葉變換）計算。

數(shù)字濾波
數(shù)字濾波可以便捷地改變信號的特性。
常用的濾波器改變信號的頻率特性，讓一些信號頻率通過，阻塞另一些信號頻率。通過消除一個或一些頻率分量來改變信號的頻譜。
低通濾波器(low pass filter)：通低頻，阻高頻；高通濾波器(high pass filter)則相反；帶通濾波器(band pass filter)允許一定頻帶內(nèi)的頻率通過；帶阻濾波器(band stop filter)允許一定頻帶以外的所有頻率通過。
截至頻率(cut-off frequency):濾波器拐角處的頻率
對于圖像（二維信號），低頻部分時指圖像中變化緩慢的部分，高頻部分對于邊緣或突變部分。
高頻噪聲濾除：

數(shù)字濾波器是由一系列濾波器系數(shù)定義的，只需要簡單改變?yōu)V波器系數(shù)就可以完成濾波器特性的修改。

典型信號舉例

心電圖信號
腦電圖信號
地震信號
柴油機(jī)信號
語音信號
音樂信號
圖像

典型的信號處理應(yīng)用
聲音記錄應(yīng)用
電話撥號應(yīng)用
調(diào)頻立體聲應(yīng)用
電子音樂合成
電話網(wǎng)中的回聲擬制

數(shù)字信號處理學(xué)科介紹及應(yīng)用
在國際上一般把1965年由Cooley-Turkey提出快速付里葉變換(FFT)的問世，作為數(shù)字信號處理這一學(xué)科的開端。
而它的歷史可以追溯到17世紀(jì)--18世紀(jì)，也即牛頓和高斯的時代。
數(shù)字信號處理的基本工具：微積分，概率統(tǒng)計，隨機(jī)過程，高等代數(shù)，數(shù)值分析，近代代數(shù)，復(fù)雜函數(shù)。
數(shù)字信號處理的理論基礎(chǔ)：離散線性變換(LSI)系統(tǒng)理論，離散付里葉變換(DFT)。
在學(xué)科發(fā)展上，數(shù)字信號處理又和最優(yōu)控制，通信理論，故障診斷等緊緊相連，成為人工智能，模式識別，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字通信等新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)。

數(shù)字信號處理學(xué)科內(nèi)容

信號的采集：包括A/D,D/A技術(shù)、抽樣定理、量化噪聲理論等
離散信號分析：離散時間信號時域及頻域分析、離散付里葉變換（DFT）理論
離散系統(tǒng)分析
信號處理的快速算法 :譜分析與快速付里葉變換（FFT），快速卷積與相關(guān)算法。
濾波技術(shù)
信號的估計:各種估值理論、相關(guān)函數(shù)與功率譜估計
信號的壓縮:包括語音信號與圖象信號的壓縮
信號的建模:包括AR，MA，ARMA等各種模型。
其他特殊算法:同態(tài)處理、抽取與內(nèi)插、信號重建等
數(shù)字信號處理的實現(xiàn)。
數(shù)字信號處理的應(yīng)用。

數(shù)字信號處理實現(xiàn)方法

1.采用大、中小型計算機(jī)和微機(jī):工作站和微機(jī)上各廠家的數(shù)字信號軟件，如有各種圖象壓縮和解壓軟件。
2.用單片機(jī):可根據(jù)不同環(huán)境配不同單片機(jī)，其能達(dá)實時控制，但數(shù)據(jù)運算量不能太大。
3.利用通用DSP芯片: DSP芯片較之單片機(jī)有著更為突出優(yōu)點。如內(nèi)部帶有乘法器，累加器，采用流水線工作方式及并行結(jié)構(gòu)，多總線速度快。配有適于信號處理的指令(如FFT指令)等。 美國德州儀器公司Texas Instrument（IT）， Analog Devices ，Lucent ， Motorola ，ATT等公司都有生產(chǎn)。
4.利用特殊用途的DSP芯片:市場上推出專門用于FFT,FIR濾波器，卷積、相關(guān)等專用數(shù)字芯片。其軟件算法已在芯片內(nèi)部用硬件電路實現(xiàn)，使用者只需給出輸入數(shù)據(jù)，可在輸出端直接得到數(shù)據(jù)。
用通用的可編程的數(shù)字信號處理器實現(xiàn)法—是目前重要的數(shù)字信號處理實現(xiàn)方法，它即有硬件實現(xiàn)法實時的優(yōu)點，又具有軟件實現(xiàn)的靈活性優(yōu)點。

數(shù)字信號處理大致可分為：信號分析和信號濾波

信號分析涉及信號特性的測量。它通常是一個頻域的運算。主要應(yīng)用于：譜(頻率和/或相位)分析、語音分析和識別、目標(biāo)檢測等。
例如（1）對環(huán)境噪聲的譜分析,可確定主要頻率成分,了解噪聲的成因,找出降低噪聲的對策;（2）對振動信號的譜分析,可了解振動物體的特性,為設(shè)計或故障診斷提供資料和數(shù)據(jù)。（3）對于高保真音樂和電視這樣的寬帶信號轉(zhuǎn)到頻率域后極大多數(shù)能量集中在直流和低頻部分,就可把頻譜中的大部分成分濾去,從而壓縮信號頻帶。
數(shù)字濾波就是在形形色色的信號中提取所需要的信號,抑制不需要的信號或干擾信號。

應(yīng)用于（1）消除信息在傳輸過程中由于信道不理想所引起的失真, （2）濾除不需要的背景噪聲，（3）去除干擾、（4）頻帶分割， 信號譜的成形。

它廣泛地應(yīng)用于數(shù)字通信，雷達(dá)，遙感，聲納，語音合成，圖象處理，測量與控制，高清晰度電視，多媒體物理學(xué)，生物醫(yī)學(xué)，機(jī)器人等。

DSP的典型應(yīng)用
語音處理：語音編碼、語音合成、語音識別、語音增強(qiáng)、語音郵件、語音儲存等。
圖像/圖形：二維和三維圖形處理、圖像壓縮與傳輸、圖像識別、動畫、機(jī)器人視覺、多媒體、電子地圖、圖像增強(qiáng)等。
軍事；保密通信、雷達(dá)處理、聲吶處理、導(dǎo)航、全球定位、跳頻電臺、