電子信息工程中數字信號處理技術的運用

劉馨怡

（武漢東湖學院，湖北 武漢 430212）

1 數字信號處理技術

數字信號處理技術在工程、科學領域是非常重要的一項技術，實現了軟硬件技術和數字信號處理理論的整合，重點關注數字信號的處理算法以及實現形式[1]。20 世紀80 年代，就已經有關于數字信號處理（Digital Signal Process，DSP）的應用，但是研究人員比較少，直至20 世紀90 年代，DSP 才成為行業內比較常見的術語，21 世紀DSP 已經實現了普及，其結構如圖1 所示。當前DSP 芯片的C54x 速度最高為30 532 MIPS，C55x 的速度最高為320 400 MIPS。6 000 系列定點是1 200 ～8 000 MIPS，浮點能達到600 ～1 800 MFLOPS。精度方面，將其劃分為8、16、24、32 等，內核范圍是1.5/1.6 V，溫度則在-40 ～100 ℃。

圖1 DSP 系統結構

通常數字信息處理技術與一些傳統技術相比優勢比較明顯，可以在比較復雜的環境下提取視頻、音頻以及音樂等數據，將其轉換成可以被人以及機器識別的信息。此技術的處理器為DSP，系統結構如圖1所示，通過微處理器接收信號，之后再將采集到的信號轉換為0、1 等形式，再對其進行高難度處理，使信號轉換為可以滿足所在環境需求的模式。

2 數字信號處理技術在電子信息工程中的不同應用領域

2.1 在機器人移動中的應用

近年來，我國開始了關于電子信息工程相關的研究，目前仍然處于發展初期階段。電子信息工程建設進程中，需要重點控制成本投入，提升電子信息工程在投入使用后的效益[2]。例如，軟件無線電和短波通信等，均可利用數字信號處理技術高效控制電子信息工程包含的數字信息，待發出命令之后便可以著手處理，實現同步存儲。當前，數字信號處理技術在單片機、計算機芯片的信息處理領域應用非常普遍，工作人員制作數字變頻、模擬數字轉換器（Analog to Digital Converter，ADC），結合實際處理信號，其間還可利用微波處理技術運算。若發生錯誤，工作人員也可以及時找出錯誤流程。

電子信息工程機器人范疇內應用數字信號處理技術。例如，運動控制卡，可以實現機器人的實時管控、機器人位置的精準定位以及測距，機器人運行時可以為其行進路線進行導航[3]。數字信號處理技術在機器人運動顯卡中可以發揮出顯著優勢，即利用通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）采集信息后上傳至系統，儲存信息后處理，機器人投入運行后將數字信號成轉換為脈沖信號，以此來實現數字信號的處理。

2.2 在軟件無線電中的應用

進入智慧經濟時代之后，軟件無線電通信結構逐漸成為通信系統平臺的重要組成部分，平臺軟件通過數字信號處理技術，對數字信號做出處理，利用系統軟件具有的無線通信功能，發揮軟件無線電的優勢。數字信號變頻處理期間需要應用ADC變換轉換器，設計時明確軟件無線電射頻信號，采取有效的處理方法，在帶寬環境下進行射頻信號的高效率傳輸。大力應用ADC，量化處理軟件無線電的中頻信號，提高信息轉換效率。

2.3 在短波通信中的應用

在掃描、探測、呼叫處理過程中，短波通信也是十分常見的一種形式。短波通信主要采用數字信號處理技術，組合音頻信號以及與之有關的模塊，提高通信系統的完整性。傳輸信號時會形成輔助信號，為信號的穩定傳輸提供保障。各類信號往往會有不同的特質，需要面向所有模擬信號展開量化分析，其間需要運用數字信號處理技術，分層處理輔助信號。現階段，短波通信中運用數字信號處理技術仍然存在一些不足，需要在今后的實踐應用中加以改進。

3 數字信號處理技術應用的優化策略

3.1 優化通信結構

電子信息工程中通信是至關重要的一部分，傳統形式的通信結構比較復雜，完成指令效率不高，還面臨反應遲鈍的現象，可通過數字信號處理技術變頻轉換的功能優化通信結構，從而實現微毫秒速度的高效傳輸信息，進一步提高無線電通信任務的完成效率。按照一些設備對信息轉換的要求，必須保證語音信息傳輸的清晰度。因此，可利用數字信號處理技術的語音壓縮編碼功能轉換信息。通常轉換信息時，工作人員需要先利用語音編碼器將語音輸入，通過含有數字儲存介質的語音壓縮系統，將輸入的語音傳輸至語音解碼器中，最后輸出。在此環節中應用的語音壓縮系統，主要負責處理數據信號、數模轉換以及模數轉換等，搭配特殊數字信號處理算法，可以在保證語音信號完整性的基礎上壓縮并解壓縮語音內容。

除此之外，為滿足無線通信網絡要求，針對負責承接數字信號處理技術相關載體，也需要進行多結構優化，保證其能夠在接收到單指令之后，實現所有節點數據同步處理，以此達到減少網絡運行成本的目的[4]。按照設備載體提出的不同控制要求，工作人員還需要選擇普適性良好的搭載設備，對于不同的操控工序，需要設置與之相對應的執行指令，從而保證操控精準度。工作人員選擇普適性搭載設備時，需要優先以小體積、高傳輸效率以及運營成本較少的微處理器為主。通過微處理器所具備的集成采集和傳輸等諸多優勢，可以使離散性信號能夠轉換成二進制信息，也能為語音處理框架展現不同時間段的變動信息提供支持。針對圖像參數，可按照系統傳達數據，明確多樣化操控屬性，與既定數據閾值前提下的所有圖像特點進行結合，并對其展開識別與過濾，從而滿足指令多點邏輯塊操作控制的根本要求。

數字上下變頻在數字信號處理技術中，同樣是電子信息工程通信結構需要關注的重點。數字上變頻主要是在發送端，可以提升信號頻率，而數字下變頻則處在接收端，其作用是精準還原信號。通信接收機端對射頻信號進行下變頻處理，使其轉換為中頻信號，將獲得的中頻信號再下變頻至零中頻信號，從而接收更高清晰度的數字傳輸信號。其中，數字下變頻主要涉及下混頻和濾波抽取，下混頻屬于實際窄帶信號，對其進行AD 采樣處理，便可轉換為數字信號，反復轉換之后便可完成采樣。其間工作人員還需進行混頻技術處理，得到數字信號正交變量。這里應用的混頻技術屬于頻率變換基礎上的數字信號處理算法，支持處理1/4 信號采樣率頻率。換言之，原始信號在混頻模塊中可采集4 路數據，按照1.2 GHz 采樣頻率、300 MHz 本振頻率，實現信號的下變頻處理。下混頻內采集輸入路和輸出路的實數據，即同樣為300 MHz的復數據。工作人員將混頻簡化后，采用低通濾波處理正交混頻，將多余的頻率規避頻譜混疊去除。此時，低通濾波建議采取多路并行處理方法，在保證一定的濾波并行路數情況下，單路建議采用多相結構。

3.2 優化集成電路

數字信號處理技術也可對電子信息工程集成電路進行優化。該處理技術的內核結構，可以高效處理動態范圍中包含的運算浮點信號、定點信號，以免浪費集成電路資源成本，并且能夠調整集成電路存儲器面臨的限制條件。例如，數字信號處理中的集成電路，因為快速傅里葉變換是突破口，所以工作人員專門使用了滿足集成電路優化要求的數字信號處理芯片。根據研發實時高速多波形數字脈沖壓縮芯片的相關要求，采用數字信號處理技術檢測集成電路。根據集成電路根據比例縮小原理和摩爾定律，工作人員需要提前預估時間表，采用微細加工技術將器件尺寸縮小，多類型集成電路需要互相鑲嵌，隨后利用片上系統和嵌入式系統，對數字信息進行加工、處理[5]。立足于數字信號處理流程，集成電路中應用數字信號處理技術，主要采用時域數字濾波和頻域頻譜分析，而快速傅里葉變換則是時域和頻域轉換比較基礎的運算。在時域序列滿足要求的基礎上，工作人員直接輸入信號頻譜，便可進行運算。隨后應用數據交換矩陣實施動態調整，序列排布后數據在下一級蝶形處理單元中輸入，與塊浮點處理方法搭配完成定點溢出，得到計算結果后將其轉換為塊浮點。上述處理過程不僅能夠實現高效控制，而且吞吐率、讀寫實時性、兼容性也比較高，支持輸入新數據的連續輸入，也可以對各點數進行運算。隨意選擇同一列2 個節點變量展開蝶形運算得到的結果，即為下一列對應節點變量，可排除其他節點變量影響，所得結果在原位運算之后存儲。計算單元在算法的應用中占據核心位置，如果需要提高運算速度，建議調整Pipeline 級數。

以64 點復數為例，可根據時間抽取運算8 點傅里葉運算流圖。以時間為依據，抽取基-2 傅里葉算法是2 整數冪的傅里葉運算，在輸入樣點數時，以奇序列和偶序列為依據，總體分為2 個組別，并根據相應的順序依次輸入，輸出則轉變為倒序。如果以頻率為依據抽取基-2 傅里葉算法，應按奇、偶順序進行分解，得到不斷縮短序列。工作人員選擇同址運算作為下一級運算的存儲方法，輸出即可得到4 進制位的倒序結果。采用交換矩陣動態調整的方法，調整每一路數據順序，并輸入到下一級數字信號的運算單元中，最后便可獲得各級運算需要的數字信號。

3.3 優化運動控制卡

數字信號處理技術可以增強運動控制卡的集成精度。傳統運動控制卡集成控制一般選擇步進式電機作為載體，通過此設備對附近環境深度進行探測，從而可以準確地避讓行進途中的所有障礙物，但是可能會遇到反應遲鈍的現象。利用數字信號處理技術對運動控制卡進行改進，通過壓縮信號處理器對面向終端給出指令反應的具體時長，進一步改善運動性能。選擇精度與可靠性高的芯片，通過個人計算機對專用運動進行控制，運動控制卡則為控制器傳輸指令，按照具體的指令控制角位移、運轉速度等運動軌跡。隨后，數字信號處理技術執行端發揮數模轉換器調節速度、位移算法的優勢，向伺服控制單元傳輸運算結果，保證控制對精度的要求。

為了避免系統數據交換可能面臨的瓶頸堵塞問題，選擇運動控制卡時可利用TMS320VC33，并且再額外增加通信雙口隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM）、數模轉換電路，將指令傳輸流程加以簡化，從而更好地達到40 MIPS 指令在執行速度方面的要求，單周期指令執行時間也能夠縮短至25 ns。工作人員可按照運動控制總線傳輸時序和器件讀寫時序等提出的要求，發揮計算機程序語言作用，建構運動控制卡狀態機。當得到了數字信號處理、運動控制卡狀態機接口，便可按順序進行功能模擬、定時分析等操作，繼而轉換主/從傳輸時序邏輯。工作人員通過高速數字信號處理芯片具備的精插補算法，處理專用運動控制器件產生的數字信號。將得到的信號利用反饋接口直接輸入到系統中進行閉環控制，最終得到運動控制卡。

4 結 論

綜上所述，根據分析可知數字信號處理技術在電子信息工程中具有非常可觀的應用優勢，一方面可以發揮出數字信號處理技術的應用優勢，另一方面對電子信息工程而言，也是非常重要的技術基礎，提高數據信息和信號傳輸清晰度，可以推動電子信息工程的廣泛發展。