數(shù)字信號處理的理論、優(yōu)點及應用

何少林?毛書臣?鄒坤?萬克浩

摘 要：數(shù)字信號處理的理論和技術越來越受到人們的關注，發(fā)展非常迅速，基本上已經(jīng)形成了自己一套完整的理論體系，隨著各種電子技術和計算機技術的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理的理論和技術還在不斷豐富和完善，新的理論核心技術層出不窮。可以說，數(shù)字信號處理是發(fā)展最快，應用最廣泛的、成效最顯著的新學科之一，目前已應用在語音、雷達、聲吶、地震、圖像、通信、控制、生物醫(yī)學、地質(zhì)勘探、航空航天、故障檢測、自動化儀表等領域。

關鍵詞：數(shù)字信號處理；理論基礎；優(yōu)點；應用

1 數(shù)字信號處理涉及的理論

數(shù)字信號處理就是用數(shù)值計算的方式對信號進行加工的理論和技術，它的英文原名叫digital signal processing，簡稱DSP。有時人們也將DSP看作是一門應用技術，稱為DSP技術與應用。數(shù)字信號處理是將信號以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術。數(shù)字信號處理與模擬信號處理是信號處理的子集。

數(shù)字信號處理的目的是對真實世界的連續(xù)模擬信號進行測量或濾波。因此在進行數(shù)字信號處理之前需要將信號從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，這通常通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。而數(shù)字信號處理的輸出經(jīng)常也要變換到模擬域，這是通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的。

2 數(shù)字信號處理的優(yōu)點

2.1 靈活性

數(shù)字信號處理系統(tǒng)（簡稱數(shù)字系統(tǒng)）的性能取決于系統(tǒng)參數(shù)，這些參數(shù)存儲于存儲器中，很容易改變，因此系統(tǒng)的行能容易改變，甚至通過參數(shù)的改變，系統(tǒng)可以變成各種完全不同的系統(tǒng)。靈活性還表現(xiàn)在數(shù)字系統(tǒng)可以分時復用，用一套數(shù)字系統(tǒng)分時處理幾路信號。數(shù)字系統(tǒng)可以實現(xiàn)智能系統(tǒng)的功能。可以根據(jù)環(huán)境條件、用戶需求，自動選擇最佳的算法，例如，軟件無線電等。軟件無線電的基本思想就是：將寬帶A/D變換器及D/A變換器盡可能的靠近射頻天線，建立一個具有“A/D—DSP—D/A”模型的通用的、開放的硬件平臺，在這個硬件平臺上盡可能利用軟件技術來實現(xiàn)電臺的各種功能模塊。例如，通過可編程數(shù)字濾波器對信號進行分離；使用數(shù)字信號處理（DSP）技術，通過軟件編程來實現(xiàn)通信頻段的選擇以及完全傳送信息抽樣、量化、編碼/解碼、運算處理和變換等；通過軟件編程實現(xiàn)不同的信道調(diào)制方式的選擇，如調(diào)幅、調(diào)頻、單邊帶、跳頻和擴頻等；通過軟件編程實現(xiàn)不同的保密結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡協(xié)議和控制終端功能等。

2.2 高精度和高穩(wěn)定性

數(shù)字系統(tǒng)的特性不易隨使用條件的變化而變化，尤其使用了超大規(guī)模集成的DSP芯片，使設備簡化，進一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。運算位數(shù)又由8位提高到16、32位，在計算精度方面，模擬系統(tǒng)是不能和數(shù)字系統(tǒng)相比擬的，為此，許多測量儀器為滿足高精度的要求只能采取數(shù)字系統(tǒng)。

2.3 便與大規(guī)模集成

數(shù)字部件具有高度的規(guī)范性，對電路元件要求不嚴，容易大規(guī)模集成和大規(guī)模生產(chǎn)，價格不斷降低，這也是DSP芯片和超大規(guī)模可編程器件發(fā)展迅速的主要原因之一。由于采用了大規(guī)模集成電路，數(shù)字系統(tǒng)體積小、重量輕、可靠性高。

2.4 可以實現(xiàn)模擬系統(tǒng)無法實現(xiàn)的諸多功能

數(shù)字信號可以存儲，數(shù)字系統(tǒng)可以進行各種復雜的變換和運算。這一點更加使數(shù)字信號處理不再僅僅限于對模擬系統(tǒng)的逼近，它可以實現(xiàn)模擬系統(tǒng)無法實現(xiàn)的諸多功能。例如，電視系統(tǒng)中的畫中畫、多畫面以及各種視頻特技，包括畫面壓縮、畫面放大、畫面坐標旋轉(zhuǎn)、演員特技制作；變音變調(diào)的特殊的配音制作；解卷積；圖像信號的壓縮編碼；高級加密解密；數(shù)字濾波器嚴格的線性相位特性，等等。

3 數(shù)字信號處理的應用

3.1 數(shù)字濾波器

數(shù)字濾波器的實用型式很多，大略可分為有限沖激響應型和無限沖激響應型兩類，可用硬件和軟件兩種方式實現(xiàn)。在硬件實現(xiàn)方式中，它由加法器、乘法器等單元所組成，這與電阻器、電感器和電容器所構(gòu)成的模擬濾波器完全不同。數(shù)字信號處理系統(tǒng)很容易用數(shù)字集成電路制成，顯示出體積小、穩(wěn)定性高、可程控等優(yōu)點。數(shù)字濾波器也可以用軟件實現(xiàn)。軟件實現(xiàn)方法是借助于通用數(shù)字計算機按濾波器的設計算法編出程序進行數(shù)字濾波計算。

3.2 語音信號處理

語音信號處理是信號處理中的重要分支之一。它包括的主要方面有：語音的識別，語言的理解，語音的合成，語音的增強，語音的數(shù)據(jù)壓縮等。各種應用均有其特殊問題。語音識別是將待識別的語音信號的特征參數(shù)即時地提取出來，與已知的語音樣本進行匹配，從而判定出待識別語音信號的音素屬性。關于語音識別方法，有統(tǒng)計模式語音識別，結(jié)構(gòu)和語句模式語音識別，利用這些方法可以得到共振峰頻率、音調(diào)、嗓音、噪聲等重要參數(shù)，語音理解是人和計算機用自然語言對話的理論和技術基礎。語音合成的主要目的是使計算機能夠講話。為此，首先需要研究清楚在發(fā)音時語音特征參數(shù)隨時間的變化規(guī)律，然后利用適當?shù)姆椒M發(fā)音的過程，合成為語言。其他有關語言處理問題也各有其特點。語音信號處理是發(fā)展智能計算機和智能機器人的基礎，是制造聲碼器的依據(jù)。語音信號處理是迅速發(fā)展中的一項信號處理技術。

3.3 振動信號處理

機械振動信號的分析與處理技術已應用于汽車、飛機、船只、機械設備、房屋建筑、水壩設計等方面的研究和生產(chǎn)中。振動信號處理的基本原理是在測試體上加一激振力，作為輸入信號。在測量點上監(jiān)測輸出信號。輸出信號與輸入信號之比稱為由測試體所構(gòu)成的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（或稱轉(zhuǎn)移函數(shù)）。根據(jù)得到的傳遞函數(shù)進行所謂模態(tài)參數(shù)識別，從而計算出系統(tǒng)的模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼等主要參數(shù)。這樣就建立起系統(tǒng)的數(shù)學模型。進而可以做出結(jié)構(gòu)的動態(tài)優(yōu)化設計。這些工作均可利用數(shù)字處理器來進行。這種分析和處理方法一般稱為模態(tài)分析。實質(zhì)上，它就是信號處理在振動工程中所采用的一種特殊方法。

4 結(jié)論

本文通過對數(shù)字信號處理的理論、優(yōu)點、應用的介紹使我們對數(shù)字信號處理的基本理論以及數(shù)字信號處理的優(yōu)點以及在生產(chǎn)生活中的應用有了更加深刻的理解。

參考文獻

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[2] 程佩青，數(shù)字信號處理教程. 清華大學出版社.