數(shù)字信號(hào)處理

數(shù)字信號(hào)處理（Digital   signal processing, referred to as childless after death）它是一門(mén)涉及多學(xué)科的新興學(xué)科，在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并迅速發(fā)展。在過(guò)去的二十年里，數(shù)字信號(hào)處理在通信和其他領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備以數(shù)字形式采集信號(hào)、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，以得到符合人 的需求。

數(shù)字信號(hào)處理是以數(shù)字方式表示和處理信號(hào)的理論和技術(shù)。數(shù)字信號(hào)處理和模擬信號(hào)處理是信號(hào)處理的子集。

數(shù)字信號(hào)處理的目的是測(cè)量或過(guò)濾現(xiàn)實(shí)世界中的連續(xù)模擬信號(hào)。因此，在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理之前，需要將信號(hào)從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，這通常是通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)字信號(hào)處理的輸出往往轉(zhuǎn)換到模擬域，這是通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

數(shù)字信號(hào)處理的算法需要使用計(jì)算機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器等專(zhuān)用處理設(shè)備（DSP）和專(zhuān)用集成電路（ASIC）等。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和設(shè)備是靈活的、精確、抗干擾強(qiáng)、設(shè)備尺寸小、造價(jià)低、速度快等突出優(yōu)點(diǎn)，這些都是模擬信號(hào)處理技術(shù)和設(shè)備所無(wú)法比擬的。

數(shù)字信號(hào)處理是圍繞數(shù)字信號(hào)處理理論展開(kāi)的、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用等。數(shù)字信號(hào)處理理論的發(fā)展促進(jìn)了數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用的發(fā)展。反過(guò)來(lái)，數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用又促進(jìn)了數(shù)字信號(hào)處理理論的完善。數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)是理論和應(yīng)用之間的橋梁。

數(shù)字信號(hào)處理是基于許多學(xué)科的，它涉及的范圍很廣。例如，在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，微積分、概率統(tǒng)計(jì)、隨機(jī)過(guò)程、數(shù)值分析等是數(shù)字信號(hào)處理的基本工具，也是網(wǎng)絡(luò)理論、信號(hào)與系統(tǒng)、控制論、通信理論、故障診斷也密切相關(guān)。一些新興學(xué)科，比如人工智能、模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，都離不開(kāi)數(shù)字信號(hào)處理?？梢哉f(shuō)，數(shù)字信號(hào)處理以許多經(jīng)典的理論體系為理論基礎(chǔ)，同時(shí)也使自己成為一系列新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)。

DSP的實(shí)現(xiàn)方法一般如下：

1)在通用的計(jì)算機(jī)（如PC機(jī)）上用軟件（Such as FORTRAN language、C語(yǔ)言）實(shí)現(xiàn)；

2)它是通過(guò)在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上增加一個(gè)專(zhuān)用加速處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)的；

3)用通用的單片機(jī)（如MCS-51、96系列等）這種方法可用于一些不太復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理，如數(shù)字控制；

4)它是由通用可編程DSP實(shí)現(xiàn)的。與單片機(jī)相比，DSP芯片具有更適合數(shù)字信號(hào)處理的軟硬件資源，可用于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法；

5)用特殊的DSP芯片實(shí)現(xiàn)。在一些特殊場(chǎng)合，要求信號(hào)處理速度極高，用通用DSP芯片很難實(shí)現(xiàn)，比如專(zhuān)用于FFT、數(shù)字濾波、卷積、相關(guān)算法的DSP芯片，在硬件上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的信號(hào)處理算法，無(wú)需編程。

上述方法中，第一種方法的缺點(diǎn)是速度慢，一般可用于DSP算法的仿真；第二種和第五種方法特異性強(qiáng)，應(yīng)用受到很大限制第二種方法也不便于系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行；第三種方法只適合于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的DSP算法；只有第四種方法為數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用開(kāi)辟了新的前景。

、個(gè)人化方向發(fā)展。和無(wú)線數(shù)據(jù)通信作為一種快速向公眾、準(zhǔn)確、安全、靈活、提供高效數(shù)據(jù)交換的強(qiáng)大手段，其市場(chǎng)需求日益迫切。在這種情況下，3G、4G通信會(huì)不斷推出，但不管是3G還是4G，未來(lái)的通信都離不開(kāi)DSP技術(shù)（數(shù)字信號(hào)處理器)DSP作為一種功能強(qiáng)大的專(zhuān)用微處理器，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)領(lǐng)域、語(yǔ)音、可以說(shuō)，在高速數(shù)學(xué)運(yùn)算和視頻信號(hào)實(shí)時(shí)處理方面，DSP將在未來(lái)的通信領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

為了保證未來(lái)通信能夠在各種環(huán)境下自由高效地工作，就要求構(gòu)成未來(lái)通信的DSP要有非常高的運(yùn)算速度來(lái)處理信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)算、解壓縮和編譯碼。

根據(jù)功能側(cè)重點(diǎn)的不同，DSP可以分為定點(diǎn)DSP和浮點(diǎn)DSP定點(diǎn)DSP擅長(zhǎng)低成本，浮點(diǎn)DSP擅長(zhǎng)快速度。如果只用一種類(lèi)型的DSP，未來(lái)通信的潛力就發(fā)揮不出來(lái)。為了結(jié)合定點(diǎn)和浮點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)，突破DSP技術(shù)的瓶頸，人們引入了先進(jìn)的多處理結(jié)構(gòu)-VLIW結(jié)構(gòu)，可以在不增加時(shí)鐘速度的情況下實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力，可以同時(shí)具備定點(diǎn)DSP和浮點(diǎn)DSP的所有優(yōu)點(diǎn)。為了推出一系列高端的新技術(shù)平臺(tái)，人們開(kāi)始關(guān)注DSP內(nèi)核技術(shù)的發(fā)展，因?yàn)镈SP的內(nèi)核相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的CPU，被稱(chēng)為DSP的心臟，大量的算法和運(yùn)算都要通過(guò)它來(lái)完成，所以?xún)?nèi)核結(jié)構(gòu)的好壞將直接影響整個(gè)DSP芯片的性能、功耗和成本。

考慮到未來(lái)無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)接入和多媒體服務(wù)的需要，美國(guó)的Sun公司現(xiàn)在正準(zhǔn)備將其旗艦產(chǎn)品商品化-在DSP中嵌入PersonalJava語(yǔ)言，進(jìn)一步提高DSP在信號(hào)處理中的自動(dòng)化和智能化。當(dāng)然，其他的軟件語(yǔ)言，比如高級(jí)C語(yǔ)言，過(guò)去也曾滲透到DSP中，但這種語(yǔ)言在處理網(wǎng)絡(luò)資源和多媒體信息方面是無(wú)能為力的；PersonalJava是一個(gè)適合個(gè)人網(wǎng)絡(luò)連接和應(yīng)用的Java環(huán)境，基于該環(huán)境的個(gè)人通信系統(tǒng)可以從網(wǎng)絡(luò)和Internet下載數(shù)據(jù)和圖像。此外，人們還在研究和開(kāi)發(fā)符合MPEG標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品-4無(wú)線解壓縮標(biāo)準(zhǔn)DSP，這將為未來(lái)各種多媒體信息的通信和傳輸提供基礎(chǔ)。

作為一個(gè)案例研究，讓 讓我們考慮一下數(shù)字領(lǐng)域中最常見(jiàn)的功能：濾波。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，濾波就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，改善其特性。例如，濾波可以消除信號(hào)中的噪聲或靜電干擾，從而提高其信噪比。為什么要用微處理器而不是模擬器件來(lái)過(guò)濾信號(hào)？讓 讓我們來(lái)看看它的優(yōu)點(diǎn)：

模擬濾波器（或者更一般地，模擬電路）的性能取決于溫度等環(huán)境因素。而數(shù)字濾波器基本不受環(huán)境影響。

數(shù)字濾波很容易在很小的容差內(nèi)復(fù)制，因?yàn)樗男阅懿灰蕾?lài)于性能已經(jīng)偏離正常值的器件組合。

一旦制造出模擬濾波器，其特性（例如通帶頻率范圍）是不容易改變的。用微處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器，可以通過(guò)重新編程來(lái)改變?yōu)V波特性。