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数字信号处理一．数字信号处理的综述数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波。因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转换到数字域，这通常通过模数转换器实现。而数字信号处理的输出经常也要变换到模拟域，这是通过数模转换器实现的。数字信号处理的算法需要利用计算机或专用处理设备如数字信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）等。数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、速度快等突出优点，这些都是模拟信号处理技术与设备所无法比拟的。数字信号处理的核心算法是离散傅里叶变换(DFT)，是DFT使信号在数字域和频域都实现了离散化，从而可以用通用计算机处理离散信号。而使数字信号处理从理论走向实用的是快速傅里叶变换(FFT)，FFT的出现大大减少了DFT的运算量，使实时的数字信号处理成为可能、极大促进了该学科的发展。二．数字信号处理的应用广义来说，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。⑴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。⑵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。⑶数字信号处理系统，无论哪方面的应用，首先须经过信息的获取或数据的采集过程得到所需的原始信号，如果原始信号是连续信号，还须经过抽样过程使之成为离散信号，再经过模数转换得到能为数字计算机或处理器所接受的二进制数字信号。如果所收集到的数据已是离散数据，则只须经过模数转换即可得到二进制数码。数字信号处理器的功能是将从原始信号抽样转换得来的数字信号按照一定的要求，例如滤波的要求，加以适当的处理，即得到所需的数字输出信号。经过数模转换先将数字输出信号转换为离散信号，再经过保持电路将离散信号连接起来成为模拟输出信号，这样的处理系统适用于各种数字信号处理的应用，只不过专用处理器或所用软件有所不同而已。⑷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。⑸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。⑹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。⑺地球物理信号处理，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。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。三．数字信号处理的发展趋势数字信号处理（DigitalSignalProcessing，简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科，他的发展趋势如下：⑴技术发展趋势：①数字信号处理器的内核结构进一步改善，多通道结构和单指令多重数据(SIMD)、特大指令字组(VLIM)将在新的高性能处理器中将占主导地位，如AnalogDevices的ADSP-2116x。②DSP和微处理器的融合，微处理器是低成本的，主要执行智能定向控制任务的通用处理器能很好执行智能控制任务，但是数字信号处理功能很差。而DSP的功能正好与之相反。在许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理两种功能，如数字蜂窝电话就需要监测和声音处理功能。因此，把DSP和微处理器结合起来，用单一芯片的处理器实现这两种功能，将加速个人通信机、智能电话、无线网络产品的开发，同时简化设计，减小PCB体积，降低功耗和整个系统的成本。例如，有多个处理器的Motorola公司的DSP5665x，有协处理器功能的Massan公司FILU-200，把MCU功能扩展成DSP和MCU功能的TI公司的TMS320C27xx以及Hitachi公司的SH-DSP，都是DSP和MCU融合在一起的产品。互联网和多媒体的应用需要将进一步加速这一融合过程③DSP和高档CPU的融合，大多数高档GPP如Pentium和PowerPC都是SIMD指令组的超标量结构，速度很快。LSILogic公司的LSI401Z采用高档CPU的分支预示和动态缓冲技术，结构规范，利于编程，不用担心指令排队，使得性能大幅度提高。Intel公司涉足数字信号处理器领域将会加速这种融合。④DSP和SOC的融合：SOC(System-On-Chip)是指把一个系统集成在一块芯片上。这个系统包括DSP和系统接口软件等。比如Virata公司购买了LSILogic公司的ZSP400处理器内核使用许可证，将其与系统软件如USB、10BASET、以太网、UART、GPIO、HDLC等一起集成在芯片上，应用在xDSL上，得到了很好的经济效益。因此，SOC芯片近几年销售很好，由1998年的1.6亿片猛增至1999年的3.45亿片。1999年，约39%的SOC产品应用于通讯系统。今后几年，SOC将以每年31%的平均速度增长，到2004年将达到13亿片。毋庸置疑，SOC将成为市场中越来越耀眼的明星。⑤DSP和FPGA的融合，FPGA是现场编程门阵列器件。它和DSP集成在一块芯片上，可实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度。据报道，Xilinx公司的Virtex-IIFPGA对快速傅立叶变换(FFT)的处理可提高30倍以上。它的芯片中有自由的FPGA可供编程。Xilinx公司开发出一种称作Turbo卷积编译码器的高性能内核。设计者可以在FPGA中集成一个或多个Turbo内核，它支持多路大数据流，以满足第三代(3G)WCDMA无线基站和手机的需要，同时大大节省开发时间，使功能的增加或性能的改善非常容易。因此在无线通信、多媒体等领域将有广泛应用。⑵市场发展趋势：很明然，在可预见的一段时间内，无线应用仍将是可编程DSP市场的驱动引擎。不过，嵌入式DSP市场是一个更大的市场，我们将在后续的市场报告中予以讨论。DSP技术(无论何种形式)是你能够访问窄带、宽带或是无线互联网的唯一手段，它还是新兴的分组(IP)电话市场的关键。没有DSP就没有对互联网的访问，没有多媒体，也没有无线通信。因此，尽管遭遇了短期的市场挫折，DSP仍将是整个半导体工业的技术驱动力。而国内发展DSP的厂商并不多，而主要的应用产品是DVD与无线电话等，因此国内DSP的产值并不高；而在产品应用上，目前重要的DSP应用产品，如行动电话、调制解调器、HDD等个人计算机与通讯领域应用产品，都是采用国际大厂的DSPsolution，因此国内厂商尚无插足的余地。在未来的发展上，国内的业者如欲进入DSP领域，在目前这个垄断市场情况相当明显的情势之下，应避免与国际大厂在其擅长的领域正面交锋，若能另辟市场，选择利基产品切入，例如消费性电子产品市场，则尚有机会在DSP市场一搏，目前国内已有相当不错成绩的DVD产品即为一证明。世界经济萧条和中国经济的持续发展使更多世界一流的跨国公司调整在中国的策略，中国市场已经成为世界一流的跨国公司DSP发展的关键因素。更大的原因是中国DSP市场占全球市场的比重越来越大，DSP厂商只有在中国市场上取得成功，才有望扩大其市场份额。这些公司希望迅速在中国主要城市建立销售办事处，在加强销售覆盖率的同时，把DSP技术支持规模迅速扩大，并实现技术信息本地化。技术信息本地化是体现他们在中国进行调整的标志性措施，它将使ADI在新产品的设计上加入中国因素，通过设计部门与中国现场服务工程师进行信息沟通、汇总，实际上是把他们在发达国家的市场策略引入中国。驱动世界一流的跨国公司进行中国调整的因素很多，一是中国DSP市场在全球重要性日益明显，二是他们自身在技术和市场发展上的需要。种种迹象表明，中国市场是亚洲发展潜力最大的市场，数字革命促进了高性能DSP的广泛应用，如数码相机、VoIP电话和手持电子设备等。