數(shù)字信號處理簡介

本文概述了什么是 DSP、它是如何工作的以及它可以提供哪些優(yōu)勢。 為了了解DSP的優(yōu)勢，我們首先看一下傳統(tǒng)的信號處理方法，即模擬信號處理。

數(shù)字信號處理（DSP）涉及開發(fā)可用于以特定方式增強信號或從中提取一些有用信息的算法。

模擬信號處理

最簡單的模擬信號處理示例可能是圖1所示的熟悉的RC電路。

圖1.

該電路用作低通濾波器。 它去除或濾除高于電路截止頻率的頻率分量，并以很小的衰減通過較低頻率的分量。 在本例中，信號處理的目的是消除高頻噪聲并提取所需的信號部分。

請注意，輸入和輸出均為模擬形式。 這是一個很大的優(yōu)勢，因為對科學(xué)和工程感興趣的信號本質(zhì)上是模擬的。 因此，對于模擬信號處理，信號處理模塊的輸入和輸出端不需要接口電路（ADC和DAC）。

模擬信號處理的缺點

模擬信號處理的一個主要缺點是電氣元件值的變化。 模擬電路依賴于有源和無源元件（電阻、電容、電感和放大器）的精度。 例如，截止頻率（f C ） 的上述低通濾波器由下式給出：

如您所見，篩選器響應(yīng)是組件值的函數(shù)。 由于電氣元件無法以完美的精度制造，因此模擬電路的精度受到限制。 由于元件公差，性能不是100%可重復(fù)的，我們預(yù)計不同電路參數(shù)會有一些板對板的變化。

另一個缺點是模擬電路不靈活。 例如，要修改上述濾波器的頻率響應(yīng)，我們需要調(diào)整組件的值（硬件需要修改）。 數(shù)字信號處理并非如此。 使用DSP，甚至可以通過簡單地改變一些可編程系數(shù)將低通濾波器轉(zhuǎn)換為高通濾波器。

此外，模擬電路不適合實現(xiàn)數(shù)學(xué)函數(shù)（乘法、除法等）。 這與數(shù)字領(lǐng)域形成鮮明對比，在數(shù)字領(lǐng)域，甚至可以輕松實現(xiàn)更復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算。

數(shù)字信號處理可以解決許多挑戰(zhàn)

數(shù)字電路不受上述限制。 例如，雖然元件值和寄生效應(yīng)的變化會略微改變CMOS逆變器柵極的延遲，但柵極的整體功能將保持不變。 因此，與模擬電路不同，數(shù)字電路不太容易受到元件變化和寄生效應(yīng)的影響。 數(shù)字電路也更加靈活，適合實現(xiàn)數(shù)學(xué)功能。

剩下的問題是，我們需要哪些基本組件來處理數(shù)字域中的信號。

如圖2所示，我們需要在信號處理模塊的輸入和輸出端安裝模數(shù)（A/D）和數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器，以便將數(shù)字電路與實際模擬信號連接起來。

圖2.

A/D 轉(zhuǎn)換器的作用

A/D轉(zhuǎn)換器定期對模擬輸入進行采樣，如圖3所示。

圖3.

然后，它量化每個樣本的振幅。 圖4顯示了4位ADC如何量化模擬輸入。

圖4.

在此圖中，模擬輸入（藍色曲線）在ADC的輸入范圍內(nèi)取不同的值。 考慮4位ADC，有16個離散電平來量化輸入信號的幅度。 這些水平由圖中LSB的倍數(shù)表示。 因此，LSB（最低有效位）規(guī)定了ADC可以檢測到的模擬輸入值的最小變化。 換句話說，輸入的最小變化會導(dǎo)致ADC輸出代碼的變化。

讓我們看看 ADC 如何為每個樣本生成二進制代碼。 ADC 將模擬輸入信號的幅度與其 16 個離散電平進行比較。 基于這種比較，生成輸入的數(shù)字表示。 例如，對于圖 4 中所示的藍色曲線，將輸入信號與 ADC 的 16 個離散電平進行比較的過程可能會導(dǎo)致所描繪的紅色曲線。 然后，ADC使用二進制代碼來表示所獲得的階梯近似的每一級。 例如，當紅色曲線的值等于 LSB 的 4 倍時，我們的四位 ADC 的輸出就是 0100。

需要注意的一點是，圖 2 中的“數(shù)字信號處理器”塊接收離散時間序列，因為 ADC 以預(yù)先指定的采樣間隔的倍數(shù)進行采樣。 并且，每個樣本的幅度被量化。 這與模擬信號處理形成對比，在模擬信號處理中，輸入是連續(xù)時間信號，可以取指定范圍內(nèi)的任何值。

DAC 的作用

信號經(jīng)過“數(shù)字信號處理器”塊處理后，我們通常需要將其轉(zhuǎn)換為等效的模擬信號。 這是通過 D/A 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的。 圖 5 描述了一個音頻處理應(yīng)用程序。

圖 5。

在這種情況下，使用數(shù)字信號處理系統(tǒng)來添加回聲或調(diào)整聲音的速度和音高以獲得完美的聲音。 然后，處理后的信號被傳送到DAC，以產(chǎn)生可由揚聲器輸出的模擬信號。 請注意，有些DSP應(yīng)用不需要DAC。 例如，雷達中采用的數(shù)字信號處理算法可能會為我們提供飛機的位置和速度。 這些信息可以簡單地打印在紙上。

“數(shù)字信號處理器”模塊

DSP 算法由許多數(shù)學(xué)運算組成。 例如四階有限脈沖響應(yīng) （FIR）濾波器需要五個數(shù)字乘法器，四個加法器以及一些延遲元素，如下所示。

圖6.

因此，數(shù)字信號處理器實際上是一個計算引擎。 該計算引擎可以是通用處理器、FPGA，甚至是專用DSP芯片。 每個選項在靈活性、速度、易于編程和功耗方面都有自己的優(yōu)點和缺點。

由于計算資源非常有價值，數(shù)字信號處理試圖為我們提供工具和技術(shù)，以實現(xiàn)快速、計算高效的算法。 例如，有可用于實現(xiàn)給定FIR濾波器的幾種不同結(jié)構(gòu).

DSP 可用于廣泛的應(yīng)用

DSP概念和工具可用于任何需要在數(shù)字域中操縱輸入信號的應(yīng)用。 這包括但不限于音頻和視頻壓縮、語音處理和識別、數(shù)字圖像處理和雷達應(yīng)用。

在這些領(lǐng)域追求職業(yè)都需要掌握廣泛的專業(yè)DSP算法，數(shù)學(xué)和技術(shù)。 事實上，任何一個人似乎都不太可能掌握所有已經(jīng)開發(fā)的DSP技術(shù)。 然而，幾乎所有DSP應(yīng)用都使用一些常見的DSP概念，如濾波、相關(guān)和頻譜分析。 因此，DSP教育的第一步是掌握基本概念，然后專注于特定興趣領(lǐng)域需要的專業(yè)技術(shù)。