數字信號處理(DSP)

數字信號處理
數字信號處理是20世紀60年代，隨著(zhù)信息學(xué)科和計算機學(xué)科的高速發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科。它的重要性日益在各個(gè)領(lǐng)域的應用中表現出來(lái)。
數字信號處理其主要標志是兩項重大進(jìn)展，即快速傅里葉變換(FFT)算法的提出和數字濾波器設計方法的完善。

數字信號處理是把信號用數字或符號表示成序列，通過(guò)計算機或通用（專(zhuān)用）信號處理設備，用數值計算方法進(jìn)行各種處理，達到提取有用信息便于應用的目的。
例如：濾波、檢測、變換、增強、估計、識別、參數提取、頻譜分析等。

數字信號處理的英文名稱(chēng)：Digital Signal Processing,簡(jiǎn)稱(chēng)：DSP

對于DSP:狹義理解可為Digital Signal Processor 數字信號處理器。廣義理解可為Digital Signal Processing 譯為數字信號處理技術(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(lèi)
信號(signal)是一種物理體現，或是傳遞信息的函數。而信息是信號的具體內容。

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

數字信號(digital signal)：時(shí)間和幅度上都是離散(量化)的信號。

數字信號可用一序列的數表示，而每個(gè)數又可表示為二制碼的形式，適合計算機處理。
一維(1-D)信號: 一個(gè)自變量的函數。
二維(2-D)信號: 兩個(gè)自變量的函數。
多維(M-D)信號: 多個(gè)自變量的函數。
系統：處理信號的物理設備?；蛘哒f(shuō)，凡是能將信號加以變換以達到人們要求的各種設備。模擬系統與數字系統。
信號處理的內容：濾波、變換、檢測、譜分析、
多數科學(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(shí)現。
模擬信號處理缺點(diǎn)：難以做到高精度，受環(huán)境影響較大，可靠性差，且不靈活等。
數字系統的優(yōu)點(diǎn)：體積小、功耗低、精度高、可靠性高、靈活性大、易于大規模集成、可進(jìn)行二維與多維處理
隨著(zhù)大規模集成電路以及數字計算機的飛速發(fā)展，加之從60年代末以來(lái)數字信號處理理論和技術(shù)的成熟和完善，用數字方法來(lái)處理信號，即數字信號處理，已逐漸取代模擬信號處理。
隨著(zhù)信息時(shí)代、數字世界的到來(lái)，數字信號處理已成為一門(mén)極其重要的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。

數字信號處理系統的基本組成

模/數轉換
模/數轉換：采樣（sampling），量化（quantization）

數/模轉換
數/模轉換：數字信號轉換為模擬信號，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(shí)域(time domain):描述信號隨時(shí)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。

數字濾波
數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(guò)，阻塞另一些信號頻率。通過(guò)消除一個(gè)或一些頻率分量來(lái)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)允許一定頻帶內的頻率通過(guò)；帶阻濾波器(band stop filter)允許一定頻帶以外的所有頻率通過(guò)。
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(shí)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：

數字濾波器是由一系列濾波器系數定義的，只需要簡(jiǎn)單改變?yōu)V波器系數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
柴油機信號
語(yǔ)音信號
音樂(lè )信號
圖像

典型的信號處理應用
聲音記錄應用
電話(huà)撥號應用
調頻立體聲應用
電子音樂(lè )合成
電話(huà)網(wǎng)中的回聲擬制

數字信號處理學(xué)科介紹及應用
在國際上一般把1965年由Cooley-Turkey提出快速付里葉變換(FFT)的問(wèn)世，作為數字信號處理這一學(xué)科的開(kāi)端。
而它的歷史可以追溯到17世紀--18世紀，也即牛頓和高斯的時(shí)代。
數字信號處理的基本工具：微積分，概率統計，隨機過(guò)程，高等代數，數值分析，近代代數，復雜函數。
數字信號處理的理論基礎：離散線(xiàn)性變換(LSI)系統理論，離散付里葉變換(DFT)。
在學(xué)科發(fā)展上，數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 )，數字通信等新興學(xué)科的理論基礎。

數字信號處理學(xué)科內容

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(shí)間信號時(shí)域及頻域分析、離散付里葉變換（DFT）理論
離散系統分析
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)函數與功率譜估計
信號的壓縮:包括語(yǔ)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、抽取與內插、信號重建等
數字信號處理的實(shí)現。
數字信號處理的應用。

數字信號處理實(shí)現方法

1.采用大、中小型計算機和微機:工作站和微機上各廠(chǎng)家的數字信號軟件，如有各種圖象壓縮和解壓軟件。
2.用單片機:可根據不同環(huán)境配不同單片機，其能達實(shí)時(shí)控制，但數據運算量不能太大。
3.利用通用DSP芯片: DSP芯片較之單片機有著(zhù)更為突出優(yōu)點(diǎn)。如內部帶有乘法器，累加器，采用流水線(xiàn)工作方式及并行結構，多總線(xiàn)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(chǎng)上推出專(zhuān)門(mén)用于FFT,FIR濾波器，卷積、相關(guān)等專(zhuān)用數字芯片。其軟件算法已在芯片內部用硬件電路實(shí)現，使用者只需給出輸入數據，可在輸出端直接得到數據。
用通用的可編程的數字信號處理器實(shí)現法—是目前重要的數字信號處理實(shí)現方法，它即有硬件實(shí)現法實(shí)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，又具有軟件實(shí)現的靈活性?xún)?yōu)點(diǎn)。

數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(gè)頻域的運算。主要應用于：譜(頻率和/或相位)分析、語(yǔ)音分析和識別、目標檢測等。
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(dòng)信號的譜分析,可了解振動(dòng)物體的特性,為設計或故障診斷提供資料和數據。（3）對于高保真音樂(lè )和電視這樣的寬帶信號轉到頻率域后極大多數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。

應用于（1）消除信息在傳輸過(guò)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。

它廣泛地應用于數字通信，雷達，遙感，聲納，語(yǔ)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)，生物醫學(xué)，機器人等。

DSP的典型應用
語(yǔ)音處理：語(yǔ)音編碼、語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識別、語(yǔ)音增強、語(yǔ)音郵件、語(yǔ)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(dòng)畫(huà)、機器人視覺(jué)、多媒體、電子地圖、圖像增強等。
軍事；保密通信、雷達處理、聲吶處理、導航、全球定位、跳頻電臺、