數(shù)字信號(hào)處理的理論、優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

何少林?毛書臣?鄒坤?萬(wàn)克浩

摘 要：數(shù)字信號(hào)處理的理論和技術(shù)越來越受到人們的關(guān)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(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理的理論和技術(shù)還在不斷豐富和完善，新的理論核心技術(shù)層出不窮。可以說，數(shù)字信號(hào)處理是發(fā)展最快，應(yīng)用最廣泛的、成效最顯著的新學(xué)科之一，目前已應(yīng)用在語(yǔ)音、雷達(dá)、聲吶、地震、圖像、通信、控制、生物醫(yī)學(xué)、地質(zhì)勘探、航空航天、故障檢測(cè)、自動(dòng)化儀表等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理；理論基礎(chǔ)；優(yōu)點(diǎn)；應(yīng)用

1 數(shù)字信號(hào)處理涉及的理論

數(shù)字信號(hào)處理就是用數(shù)值計(jì)算的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行加工的理論和技術(shù)，它的英文原名叫digital signal processing，簡(jiǎn)稱DSP。有時(shí)人們也將DSP看作是一門應(yīng)用技術(shù)，稱為DSP技術(shù)與應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理是將信號(hào)以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術(shù)。數(shù)字信號(hào)處理與模擬信號(hào)處理是信號(hào)處理的子集。

數(shù)字信號(hào)處理的目的是對(duì)真實(shí)世界的連續(xù)模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量或?yàn)V波。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，這通常通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。而數(shù)字信號(hào)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(shí)現(xiàn)的。

2 數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)

2.1 靈活性

數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)（簡(jiǎn)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(chǔ)于存儲(chǔ)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(shí)復(fù)用，用一套數(shù)字系統(tǒng)分時(shí)處理幾路信號(hào)。數(shù)字系統(tǒng)可以實(shí)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(dòng)選擇最佳的算法，例如，軟件無(wú)線電等。軟件無(wú)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(gè)具有“A/D—DSP—D/A”模型的通用的、開放的硬件平臺(tái)，在這個(gè)硬件平臺(tái)上盡可能利用軟件技術(shù)來實(shí)現(xiàn)電臺(tái)的各種功能模塊。例如，通過可編程數(shù)字濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行分離；使用數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)，通過軟件編程來實(shí)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(yùn)算處理和變換等；通過軟件編程實(shí)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(kuò)頻等；通過軟件編程實(shí)現(xiàn)不同的保密結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)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(shè)備簡(jiǎn)化，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。運(yùn)算位數(shù)又由8位提高到16、32位，在計(jì)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(cè)量?jī)x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(duì)電路元件要求不嚴(yán)，容易大規(guī)模集成和大規(guī)模生產(chǎn)，價(jià)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(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的諸多功能

數(shù)字信號(hào)可以存儲(chǔ)，數(shù)字系統(tǒng)可以進(jìn)行各種復(fù)雜的變換和運(yùn)算。這一點(diǎn)更加使數(shù)字信號(hào)處理不再僅僅限于對(duì)模擬系統(tǒng)的逼近，它可以實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)無(wú)法實(shí)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(biāo)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(hào)的壓縮編碼；高級(jí)加密解密；數(shù)字濾波器嚴(yán)格的線性相位特性，等等。

3 數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用

3.1 數(shù)字濾波器

數(shù)字濾波器的實(shí)用型式很多，大略可分為有限沖激響應(yīng)型和無(wú)限沖激響應(yīng)型兩類，可用硬件和軟件兩種方式實(shí)現(xiàn)。在硬件實(shí)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(hào)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(diǎn)。數(shù)字濾波器也可以用軟件實(shí)現(xiàn)。軟件實(shí)現(xiàn)方法是借助于通用數(shù)字計(jì)算機(jī)按濾波器的設(shè)計(jì)算法編出程序進(jìn)行數(shù)字濾波計(jì)算。

3.2 語(yǔ)音信號(hào)處理

語(yǔ)音信號(hào)處理是信號(hào)處理中的重要分支之一。它包括的主要方面有：語(yǔ)音的識(shí)別，語(yǔ)言的理解，語(yǔ)音的合成，語(yǔ)音的增強(qiáng)，語(yǔ)音的數(shù)據(jù)壓縮等。各種應(yīng)用均有其特殊問題。語(yǔ)音識(shí)別是將待識(shí)別的語(yǔ)音信號(hào)的特征參數(shù)即時(shí)地提取出來，與已知的語(yǔ)音樣本進(jìn)行匹配，從而判定出待識(shí)別語(yǔ)音信號(hào)的音素屬性。關(guān)于語(yǔ)音識(shí)別方法，有統(tǒng)計(jì)模式語(yǔ)音識(shí)別，結(jié)構(gòu)和語(yǔ)句模式語(yǔ)音識(shí)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(yǔ)音理解是人和計(jì)算機(jī)用自然語(yǔ)言對(duì)話的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。語(yǔ)音合成的主要目的是使計(jì)算機(jī)能夠講話。為此，首先需要研究清楚在發(fā)音時(shí)語(yǔ)音特征參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，然后利用適當(dāng)?shù)姆椒M發(fā)音的過程，合成為語(yǔ)言。其他有關(guān)語(yǔ)言處理問題也各有其特點(diǎn)。語(yǔ)音信號(hào)處理是發(fā)展智能計(jì)算機(jī)和智能機(jī)器人的基礎(chǔ)，是制造聲碼器的依據(jù)。語(yǔ)音信號(hào)處理是迅速發(fā)展中的一項(xiàng)信號(hào)處理技術(shù)。

3.3 振動(dòng)信號(hào)處理

機(jī)械振動(dòng)信號(hào)的分析與處理技術(shù)已應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、船只、機(jī)械設(shè)備、房屋建筑、水壩設(shè)計(jì)等方面的研究和生產(chǎn)中。振動(dòng)信號(hào)處理的基本原理是在測(cè)試體上加一激振力，作為輸入信號(hào)。在測(cè)量點(diǎn)上監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)。輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之比稱為由測(cè)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(jìn)行所謂模態(tài)參數(shù)識(shí)別，從而計(jì)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(xué)模型。進(jìn)而可以做出結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。這些工作均可利用數(shù)字處理器來進(jìn)行。這種分析和處理方法一般稱為模態(tài)分析。實(shí)質(zhì)上，它就是信號(hào)處理在振動(dòng)工程中所采用的一種特殊方法。

4 結(jié)論

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

參考文獻(xiàn)

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