數字信號處理的理論、優點及應用

何少林?毛書臣?鄒坤?萬克浩

摘 要：數字信號處理的理論和技術越來越受到人們的關注，發展非常迅速，基本上已經形成了自己一套完整的理論體系，隨著各種電子技術和計算機技術的飛速發展，數字信號處理的理論和技術還在不斷豐富和完善，新的理論核心技術層出不窮。可以說，數字信號處理是發展最快，應用最廣泛的、成效最顯著的新學科之一，目前已應用在語音、雷達、聲吶、地震、圖像、通信、控制、生物醫學、地質勘探、航空航天、故障檢測、自動化儀表等領域。

關鍵詞：數字信號處理；理論基礎；優點；應用

1 數字信號處理涉及的理論

數字信號處理就是用數值計算的方式對信號進行加工的理論和技術，它的英文原名叫digital signal processing，簡稱DSP。有時人們也將DSP看作是一門應用技術，稱為DSP技術與應用。數字信號處理是將信號以數字方式表示并處理的理論和技術。數字信號處理與模擬信號處理是信號處理的子集。

數字信號處理的目的是對真實世界的連續模擬信號進行測量或濾波。因此在進行數字信號處理之前需要將信號從模擬域轉換到數字域，這通常通過模數轉換器實現。而數字信號處理的輸出經常也要變換到模擬域，這是通過數模轉換器實現的。

2 數字信號處理的優點

2.1 靈活性

數字信號處理系統（簡稱數字系統）的性能取決于系統參數，這些參數存儲于存儲器中，很容易改變，因此系統的行能容易改變，甚至通過參數的改變，系統可以變成各種完全不同的系統。靈活性還表現在數字系統可以分時復用，用一套數字系統分時處理幾路信號。數字系統可以實現智能系統的功能。可以根據環境條件、用戶需求，自動選擇最佳的算法，例如，軟件無線電等。軟件無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，建立一個具有“A/D—DSP—D/A”模型的通用的、開放的硬件平臺，在這個硬件平臺上盡可能利用軟件技術來實現電臺的各種功能模塊。例如，通過可編程數字濾波器對信號進行分離；使用數字信號處理（DSP）技術，通過軟件編程來實現通信頻段的選擇以及完全傳送信息抽樣、量化、編碼/解碼、運算處理和變換等；通過軟件編程實現不同的信道調制方式的選擇，如調幅、調頻、單邊帶、跳頻和擴頻等；通過軟件編程實現不同的保密結構、網絡協議和控制終端功能等。

2.2 高精度和高穩定性

數字系統的特性不易隨使用條件的變化而變化，尤其使用了超大規模集成的DSP芯片，使設備簡化，進一步提高了系統的穩定性和可靠性。運算位數又由8位提高到16、32位，在計算精度方面，模擬系統是不能和數字系統相比擬的，為此，許多測量儀器為滿足高精度的要求只能采取數字系統。

2.3 便與大規模集成

數字部件具有高度的規范性，對電路元件要求不嚴，容易大規模集成和大規模生產，價格不斷降低，這也是DSP芯片和超大規模可編程器件發展迅速的主要原因之一。由于采用了大規模集成電路，數字系統體積小、重量輕、可靠性高。

2.4 可以實現模擬系統無法實現的諸多功能

數字信號可以存儲，數字系統可以進行各種復雜的變換和運算。這一點更加使數字信號處理不再僅僅限于對模擬系統的逼近，它可以實現模擬系統無法實現的諸多功能。例如，電視系統中的畫中畫、多畫面以及各種視頻特技，包括畫面壓縮、畫面放大、畫面坐標旋轉、演員特技制作；變音變調的特殊的配音制作；解卷積；圖像信號的壓縮編碼；高級加密解密；數字濾波器嚴格的線性相位特性，等等。

3 數字信號處理的應用

3.1 數字濾波器

數字濾波器的實用型式很多，大略可分為有限沖激響應型和無限沖激響應型兩類，可用硬件和軟件兩種方式實現。在硬件實現方式中，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成的模擬濾波器完全不同。數字信號處理系統很容易用數字集成電路制成，顯示出體積小、穩定性高、可程控等優點。數字濾波器也可以用軟件實現。軟件實現方法是借助于通用數字計算機按濾波器的設計算法編出程序進行數字濾波計算。

3.2 語音信號處理

語音信號處理是信號處理中的重要分支之一。它包括的主要方面有：語音的識別，語言的理解，語音的合成，語音的增強，語音的數據壓縮等。各種應用均有其特殊問題。語音識別是將待識別的語音信號的特征參數即時地提取出來，與已知的語音樣本進行匹配，從而判定出待識別語音信號的音素屬性。關于語音識別方法，有統計模式語音識別，結構和語句模式語音識別，利用這些方法可以得到共振峰頻率、音調、嗓音、噪聲等重要參數，語音理解是人和計算機用自然語言對話的理論和技術基礎。語音合成的主要目的是使計算機能夠講話。為此，首先需要研究清楚在發音時語音特征參數隨時間的變化規律，然后利用適當的方法模擬發音的過程，合成為語言。其他有關語言處理問題也各有其特點。語音信號處理是發展智能計算機和智能機器人的基礎，是制造聲碼器的依據。語音信號處理是迅速發展中的一項信號處理技術。

3.3 振動信號處理

機械振動信號的分析與處理技術已應用于汽車、飛機、船只、機械設備、房屋建筑、水壩設計等方面的研究和生產中。振動信號處理的基本原理是在測試體上加一激振力，作為輸入信號。在測量點上監測輸出信號。輸出信號與輸入信號之比稱為由測試體所構成的系統的傳遞函數（或稱轉移函數）。根據得到的傳遞函數進行所謂模態參數識別，從而計算出系統的模態剛度、模態阻尼等主要參數。這樣就建立起系統的數學模型。進而可以做出結構的動態優化設計。這些工作均可利用數字處理器來進行。這種分析和處理方法一般稱為模態分析。實質上，它就是信號處理在振動工程中所采用的一種特殊方法。

4 結論

本文通過對數字信號處理的理論、優點、應用的介紹使我們對數字信號處理的基本理論以及數字信號處理的優點以及在生產生活中的應用有了更加深刻的理解。

參考文獻

[1] 高西全，丁玉美.數字信號處理（第三版）.西安電子科技大學出版社.

[2] 程佩青，數字信號處理教程. 清華大學出版社.