DSP概述
數字信號處理(Digital Signal Processing,簡稱DSP)是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科。20世紀60年代以來,隨著計算機和信息技術的飛速發(fā)展,數字信號處理技術應運而生并得到迅速的發(fā)展。在過去的二十多年時間里,數字信號處理已經在通信等領域得到極為廣泛的應用。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/257922.htm數字信號處理是利用計算機或專用處理設備,以數字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理,以得到符合人們需要的信號形式。
數字信號處理是圍繞著數字信號處理的理論、實現和應用等幾個方面發(fā)展起來的。數字信號處理在理論上的發(fā)展推動了數字信號處理應用的發(fā)展。反過來,數字信號處理的應用又促進了數字信號處理理論的提高。而數字信號處理的實現則是理論和應用之間的橋梁。
數字信號處理是以眾多學科為理論基礎的,它所涉及的范圍極其廣泛。例如,在數學領域,微積分、概率統(tǒng)計、隨機過程、數值分析等都是數字信號處理的基本工具,與網絡理論、信號與系統(tǒng)、控制論、通信理論、故障診斷等也密切相關。近來新興的一些學科,如人工智能、模式識別、神經網絡等,都與數字信號處理密不可分。可以說,數字信號處理是把許多經典的理論體系作為自己的理論基礎,同時又使自己成為一系列新興學科的理論基礎。
數字信號處理的實現方法一般有以下幾種:
(1) 在通用的計算機(如PC機)上用軟件(如Fortran、C語言)實現;
(2) 在通用計算機系統(tǒng)中加上專用的加速處理機實現;
(3) 用通用的單片機(如MCS-51、96系列等)實現,這種方法可用于一些不太復雜的 數字信號處理,如數字控制等;
(4) 用通用的可編程DSP芯片實現。與單片機相比,DSP芯片具有更加適合于數字信號 處理的軟件和硬件資源,可用于復雜的數字信號處理算法;
(5) 用專用的DSP芯片實現。在一些特殊的場合,要求的信號處理速度極高,用通用 DSP芯片很難實現,例如專用于FFT、數字濾波、卷積、相關等算法的DSP芯片,這 種芯片將相應的信號處理算法在芯片內部用硬件實現,無需進行編程。
在上述幾種方法中,第1種方法的缺點是速度較慢,一般可用于DSP算法的模擬;第2種和第5種方法專用性強,應用受到很大的限制,第2種方法也不便于系統(tǒng)的獨立運行;第3種方法只適用于實現簡單的DSP算法;只有第4種方法才使數字信號處理的應用打開了新的局面。
雖然數字信號處理的理論發(fā)展迅速,但在20世紀80年代以前,由于實現方法的限制,數字信號處理的理論還得不到廣泛的應用。直到20世紀70年代末80年代初世界上第一片單片可編程DSP芯片的誕生,才將理論研究結果廣泛應用到低成本的實際系統(tǒng)中,并且推動了新的理論和應用領域的發(fā)展??梢院敛豢鋸埖卣f,DSP芯片的誕生及發(fā)展對近20年來通信、計算機、控制等領域的技術發(fā)展起到十分重要的作用。
圖1.1所示為一個典型的DSP系統(tǒng)。圖中的輸入信號可以有各種各樣的形式。例如,它可以是麥克風輸出的語音信號或是電話線來的已調數據信號,可以是編碼后在數字鏈路上傳輸或存儲在計算機里的攝像機圖像信號等。
輸入信號首先進行帶限濾波和抽樣,然后進行A/D(Analog to Digital)變換將信號變換成數字比特流。根據奈奎斯特抽樣定理,為保證信息不丟失,抽樣頻率至少必須是輸入帶限信號最高頻率的2倍。
DSP芯片的輸入是A/D變換后得到的以抽樣形式表示的數字信號,DSP芯片對輸入的數字信號進行某種形式的處理,如進行一系列的乘累加操作(MAC)。數字處理是DSP的關鍵,這與其他系統(tǒng)(如電話交換系統(tǒng))有很大的不同,在交換系統(tǒng)中,處理器的作用是進行路由選擇,它并不對輸入數據進行修改。因此雖然兩者都是實時系統(tǒng),但兩者的實時約束條件卻有很大的不同。最后,經過處理后的數字樣值再經D/A(Digital to Analog)變換轉換為模擬樣值,之后再進行內插和平滑濾波就可得到連續(xù)的模擬波形。
必須指出的是,上面給出的DSP系統(tǒng)模型是一個典型模型,但并不是所有的DSP系統(tǒng)都必須具有模型中的所有部件。如語音識別系統(tǒng)在輸出端并不是連續(xù)的波形,而是識別結果,如數字、文字等;有些輸入信號本身就是數字信號(如CD:Compact Disk),因此就不必進行模數變換了。
DSP系統(tǒng)的特點
數字信號處理系統(tǒng)是以數字信號處理為基礎,因此具有數字處理的全部優(yōu)點:
(1) 接口方便。DSP系統(tǒng)與其他以現代數字技術為基礎的系統(tǒng)或設備都是相互兼容的, 與這樣的系統(tǒng)接口以實現某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易得多;
(2) 編程方便。DSP系統(tǒng)中的可編程DSP芯片可使設計人員在開發(fā)過程中靈活方便地對 軟件進行修改和升級;
(3) 穩(wěn)定性好。DSP系統(tǒng)以數字處理為基礎,受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小,可靠性 高;
(4) 精度高。16位數字系統(tǒng)可以達到 的精度;
(5) 可重復性好。模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數性能變化比較大,而數字系統(tǒng)基本不受 影響,因此數字系統(tǒng)便于測試、調試和大規(guī)模生產;
(6) 集成方便。DSP系統(tǒng)中的數字部件有高度的規(guī)范性,便于大規(guī)模集成。
當然,數字信號處理也存在一定的缺點。例如,對于簡單的信號處理任務,如與模擬交換線的電話接口,若采用DSP則使成本增加。DSP系統(tǒng)中的高速時鐘可能帶來高頻干擾和電磁泄漏等問題,而且DSP系統(tǒng)消耗的功率也較大。此外,DSP技術更新的速度快,數學知識要求多,開發(fā)和調試工具還不盡完善。
雖然DSP系統(tǒng)存在著一些缺點,但其突出的優(yōu)點已經使之在通信、語音、圖像、雷達、生物醫(yī)學、工業(yè)控制、儀器儀表等許多領域得到越來越廣泛的應用。
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