DSP概述

數字信號處理（Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱(chēng)DSP）是一門(mén)涉及許多學(xué)科而又廣泛應用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀60年代以來(lái)，隨著(zhù)計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數字信號處理技術(shù)應運而生并得到迅速的發(fā)展。在過(guò)去的二十多年時(shí)間里，數字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應用。

數字信號處理是利用計算機或專(zhuān)用處理設備，以數字形式對信號進(jìn)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(zhù)數字信號處理的理論、實(shí)現和應用等幾個(gè)方面發(fā)展起來(lái)的。數字信號處理在理論上的發(fā)展推動(dòng)了數字信號處理應用的發(fā)展。反過(guò)來(lái)，數字信號處理的應用又促進(jìn)了數字信號處理理論的提高。而數字信號處理的實(shí)現則是理論和應用之間的橋梁。

數字信號處理是以眾多學(xué)科為理論基礎的，它所涉及的范圍極其廣泛。例如，在數學(xué)領(lǐng)域，微積分、概率統計、隨機過(guò)程、數值分析等都是數字信號處理的基本工具，與網(wǎng)絡(luò )理論、信號與系統、控制論、通信理論、故障診斷等也密切相關(guān)。近來(lái)新興的一些學(xué)科，如人工智能、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等，都與數字信號處理密不可分?？梢哉f(shuō)，數字信號處理是把許多經(jīng)典的理論體系作為自己的理論基礎，同時(shí)又使自己成為一系列新興學(xué)科的理論基礎。

數字信號處理的實(shí)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(yǔ)言）實(shí)現；

(2) 在通用計算機系統中加上專(zhuān)用的加速處理機實(shí)現；

(3) 用通用的單片機（如MCS-51、96系列等）實(shí)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(shí)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(zhuān)用的DSP芯片實(shí)現。在一些特殊的場(chǎng)合，要求的信號處理速度極高，用通用 DSP芯片很難實(shí)現，例如專(zhuān)用于FFT、數字濾波、卷積、相關(guān)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(shí)現，無(wú)需進(jìn)行編程。

在上述幾種方法中，第1種方法的缺點(diǎn)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(zhuān)用性強，應用受到很大的限制，第2種方法也不便于系統的獨立運行；第3種方法只適用于實(shí)現簡(jiǎn)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(kāi)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(shí)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(shí)際系統中，并且推動(dòng)了新的理論和應用領(lǐng)域的發(fā)展?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，DSP芯片的誕生及發(fā)展對近20年來(lái)通信、計算機、控制等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展起到十分重要的作用。

DSP系統

圖1.1所示為一個(gè)典型的DSP系統。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(fēng)輸出的語(yǔ)音信號或是電話(huà)線(xiàn)來(lái)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(jìn)行帶限濾波和抽樣，然后進(jìn)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(jìn)行某種形式的處理，如進(jìn)行一系列的乘累加操作（MAC）。數字處理是DSP的關(guān)鍵，這與其他系統（如電話(huà)交換系統）有很大的不同，在交換系統中，處理器的作用是進(jìn)行路由選擇，它并不對輸入數據進(jìn)行修改。因此雖然兩者都是實(shí)時(shí)系統，但兩者的實(shí)時(shí)約束條件卻有很大的不同。最后，經(jīng)過(guò)處理后的數字樣值再經(jīng)D/A（Digital to Analog）變換轉換為模擬樣值，之后再進(jìn)行內插和平滑濾波就可得到連續的模擬波形。

必須指出的是，上面給出的DSP系統模型是一個(gè)典型模型，但并不是所有的DSP系統都必須具有模型中的所有部件。如語(yǔ)音識別系統在輸出端并不是連續的波形，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(jìn)行模數變換了。

DSP系統的特點(diǎn)

數字信號處理系統是以數字信號處理為基礎，因此具有數字處理的全部?jì)?yōu)點(diǎn)：

(1) 接口方便。DSP系統與其他以現代數字技術(shù)為基礎的系統或設備都是相互兼容的， 與這樣的系統接口以實(shí)現某種功能要比模擬系統與這些系統接口要容易得多；

(2) 編程方便。DSP系統中的可編程DSP芯片可使設計人員在開(kāi)發(fā)過(guò)程中靈活方便地對 軟件進(jìn)行修改和升級；

(3) 穩定性好。DSP系統以數字處理為基礎，受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小，可靠性 高；

(4) 精度高。16位數字系統可以達到 的精度；

(5) 可重復性好。模擬系統的性能受元器件參數性能變化比較大，而數字系統基本不受 影響，因此數字系統便于測試、調試和大規模生產(chǎn)；

(6) 集成方便。DSP系統中的數字部件有高度的規范性，便于大規模集成。

當然，數字信號處理也存在一定的缺點(diǎn)。例如，對于簡(jiǎn)單的信號處理任務(wù)，如與模擬交換線(xiàn)的電話(huà)接口，若采用DSP則使成本增加。DSP系統中的高速時(shí)鐘可能帶來(lái)高頻干擾和電磁泄漏等問(wèn)題，而且DSP系統消耗的功率也較大。此外，DSP技術(shù)更新的速度快，數學(xué)知識要求多，開(kāi)發(fā)和調試工具還不盡完善。

雖然DSP系統存在著(zhù)一些缺點(diǎn)，但其突出的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)使之在通信、語(yǔ)音、圖像、雷達、生物醫學(xué)、工業(yè)控制、儀器儀表等許多領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應用。