数字信号处理理论与应用分析.docx

数字信号处理理论与应用分析摘 要:对数字信号处理的概念作了简略的介绍, 讨论了数字信号处理的理论基础、主要内容以及数字信号处理的实现。进而对数字信号处理器的特点,应用实例， 数字信号处理器的发展方向作了一些讨论。关键词: 数字信号处理; 硬件实现; 开发; 数字信号处理器( DSP)；应用Digital Signal Processing and DSPQiusongAbstract：This paper briefly presents the definition of Digital Signal Processing and discusses the theory basis, the main content and the implementing ways. It also talks over the characteristics and the developing direction of the Digital Signal Processor.Key words：Digital Signal Processing; hardware achievement ; development; Digital Signal Processor( DSP)目录1：引言。12：数字信号处理的概念与理论基础,主要内容。12.1数字信号的概念。12.2数字信号的理论基础。12.3数字信号的主要内容。13：数字电路处理的方法。24：DSP的历史及发展前景。24.1 DSP的历史。24.2 DSP的特点。24.3 DSP的发展前景。35：数字信号处理应用举例分析。36：结束语。47：参考文献。5一引言数字信号处理就是用数值计算的方式对信号进行加工的理论和技术，它的英文原名叫digitalsignalprocessing，简称DSP。另外DSP也是digitalsignalprocessor的简称，即数字信号处理器，它是集成专用计算机的一种芯片，只有一枚硬币那么大。有时人们也将DSP看作是一门应用技术，称为DSP技术与应用。自60 年代以来, 随着计算机和信息科学的迅猛发展, 数字信号处理技术应运而生,飞速发展,现已形成一门独立的学科体系, 广泛应用在各种工程技术领域。数字信号处理技术已成为现代信号处理的必备手段。数字信号处理具有很大的应用与发展前景，学习好这门学科也成为了许多大学生的必修课之一。二数字信号处理的概念及理论基础（一） 数字信号处理的概念数字信号处理时是计算机或者通用（专用）的信号处理设备，采用数值计算的方法对信号进行处理的一门学科，包括滤波，变换，压缩，扩展，增强，复原，估计等加工处理，信号主要分为连续时间信号，模拟信号，离散时间信号，数字信号。为达到提取有用信息，便于应用的目的。为实现这一目的, 就要构造由信号到信号之间的传递方法。其实现方法分为两类: 模拟方式和数字方式。（二） 数字信号处理的理论基础数字信号处理与许多学科紧密相关，特别是在数学领域中, 高等数学、概率统计、随机过程、数值分析、近似代数、复变函数、矩阵理论等均是它极为重要的分析工具;而网络理论、信号与线性系统则是它的理论基础。在其他学科领域，, 数字信号处理又和最优控制、通信理论、故障诊断等紧密关连, 近年来又成为人工智能、模式识别、神经网络等的发展起着促进作用。其算法的实现又和计算机学科及微电子技术密不可分。因此可以说, 数字信号处理是把经典的理论体系作为自己的理论基础, 同时又使自己成为一系列新兴学科的基础。（三） 数字信号的主要内容( 1) 离散时间信号与系统( 2) z变换与离散时间傅里叶变换（3）离散傅里叶变换( 4) 信号处理中的快速算法( 快速傅立叶变换、速卷积与相关等) ;( 5) 信号的估值( 各种理论估值、相关函数及功率谱估计等) ;( 6) 数字滤波技术( 各种数字滤波器的设计与实现) ;( 7) 信号的建模( 例如常用的 AR、MA、ARMA 等各种模型) ;( 8) 信号处理中的特殊算法( 如抽取、插值、奇异值分解、反卷积、信号重建等) ;( 9) 信号处理技术的实现 ( 软件实现与硬件实现) ;( 10) 信号处理技术的应用。数字信号处理中所涉及的信号包括确定信号、平稳随机信号、非平稳随机信号、一维及多维信号、单通道及多通道信号, 所涉及的系统也包括一维系统、二维系统、多通道系统。三 数字信号的处理方法数字处理的方法大致分为以下几种，首先是由软件来实现数字信号处理。软件是由使用者自己编写的, 也可以使用现成的。列如MATALAB 软件在高校的教学及科研中被广泛采用。但是, 这种的缺点是实现方式速度较慢。还有一种方式是单片机，单片机的发展速度很快, 其功能也很强。如MCS- 51、MCS- 96 系列等。依靠单片机的硬件环境, 配以信号处理软件, 可用于工程实际, 如自动控制、智能仪表、生物医电等, 但受单片机运算速度的限制, 处理速度不是很高。第三种就是则是利用专门的数字信号处理器（DSP）。数字信号处理器（DSP）是一种专用于处理数字信号，为适应数字信号处理特点而专门设计的。它是一种单片的、可实现高速运算的可编程微处理器。数字信号处理器与模拟信号处理是信号处理的子集。数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波。因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转换到数字域，这通常通过模数转换器实现。而数字信号处理的输出经常也要变换到模拟域，这是通过数模转换器实现的。四DSP的历史，特点及发展前景（一） DSP的历史世界上第一块 DSP 芯片是美国德州仪器公司于1982 年推出的第一代产品 TMS3010。经过十几年的发展, DSP 器件在高速度、可编程、小型化等方面都有了长足的发展, 单片 DSP 芯片每秒可完成 16 亿次的运算, 生产 DSP 器件的公司也不断壮大, 例如, AnalogDevice、Lucent Inc、Motorola、T exas Instrument 等都是著名的 DSP 器件生产厂家。目前 DSP 芯片的应用从最初的局限于军工、航空航天等领域, 扩展到今天的众多电子行业及消费类电子产品中。为了满足不同层次的需要,DSP 芯片也朝着两个方向分化: 一是专用型。即一种芯片仅完成一种 DSP 算法, 这类器件多出现在工业及消费类电子行业, 例如 VCD 机的处理核心就是一组 DSP 芯片, 它们实现的功能就是解码。二是通用型。这类芯片具有较丰富的硬件接口和很强的可编程性, 适用于开发和研究, 如TMS3010。（二）DSP 器件具有以下特点:( 1) 多总线结构。DSP 芯片内部一般采用的是哈佛体系结构, 它在片内至少有四套总线: 程序存储器的数据总线, 程序存储器的地址总线, 数据存储器的数据总线和数据存储器的地址总线。这四种分离的程序总线和数据总线可以允许同时获取指令字和操作数, 而互不干涉。这意味着在一个机器周期内可以同时准备好指令和操作数。这种多总线结构就好像在器件内部架起了四通八达的高速通道, 保证运算单元及时地取得需要的数据, 提高运行速度。( 2) 多处理单元。DSP 芯片内部一般都包括多个处理单元, 如硬件乘法器( MUL) , 累加器( ACC) , 算术逻辑单元(ALU) , 辅助算术单元( ARAU) 以及 DMA 控制器等。它们都可以在一个单独的指令周期内执行完计算任务, 并且这种计算往往是同时完成的。( 3) 流水线结构。要执行一条 DSP 指令, 需要通过取指令、解码、取操作数和执行等几个阶段。DSP的流水线结构是指它的这几个阶段在程序执行过程中是重叠的。在执行本条指令的同时, 下面的几条指令已依次完成了取指令、解码、取操作数的操作, 这样就将指令周期的时间降到最小值。（4）采用哈佛(Harvard)结构体系或改进的哈佛结构体系。DSP处理器几乎毫无例外的采用哈佛结构。哈佛结构把程序代码和数据的存储空间分开，并有各自的地址和数据总线，每个存储器独立编址，用独立的一组程序总线和数据总线进行访问。( 5) 硬件乘法器和高效的MAC指令。可以说几乎所有的 DSP 器件内部都有硬件乘法器。硬件乘法器的功能是在单周期内完成一次乘法运算, 是 DSP 实现快速运算的重要保证。然而并不是有了硬件乘法器就可以认为它是一个 DSP, 这点需要切记。与之配合的指令为MAC乘法累加指令，它可以在单周期内取两个操作数相乘，并将结果加载到累加器。（三）DSP的发展方向（1)追求更高的运算速度和进一步降低功耗和几何尺寸 DSP 的设计初衷就是为了更快速， 目前它还是保持着这种发展趋势。 （2）追求低价格,系统集成DSP是潮流DSP 的低端器件, 在外围功能上向 MCU 靠拢, 使其在控制功能上更像一个MCU , 同时又保持高速运算能力, 价格也会使用户能够接受。（3）软件设计多样化 尽管DSP的芯片复杂, 但需要设计的外围电路却越来越少, 当与外部慢速器件配合使用时, 只需软件设置一下寄存器即可。(5)DSP的新概念 随着技术的进步, 在 DSP 领域会出现一些新的概念, 例如 DSP 核的概念。DSP核不是一个独立的产品, 而是数字信号处理芯片上的运算引擎, 用户可以在芯核的基础上扩展外围电路, 开发出完整的 DSP 器件。数字信号处理技术已深入到信息、自动控制等各行各业。数字化时代的到来对我们每一个人来说是机遇, 同时也是挑战。相信数字信号处理技术的普及和应用将对我们的工作和生活以及观念产生巨大的影响。(五)数字信号处理应用举例分析随着数字电路与系统技术以及计算机技术的发展，数字信号处理技术也相应地得到发展，其应用领域十分广泛。数字控制、运动控制方面的应用主要有磁盘驱动控制、引擎控制、激光打印机控制、喷绘机控制、马达控制、电力系统控制、机器人控制、高精度伺服系统控制、数控机床等。面向低功耗、手持设备、无线终端的应用主要有：手机、PDA、GPS、数传电台等。其在通讯工程中的应用相当广泛，比如在软件无线电，语音压缩编码，调制解调器，GPS系统等方向的应用，而且技术已经相当成熟。其他的应用方向还包括相干光通信系统为何物以及数字信号处理在相干光系统中的应用研究，以及随着汽车内部设施数据通讯日趋网络化。对数字信号处理器在汽车电子控制的应用。（六）结束语数字信号处理技术已深入到我们生活中的方方面面，尤其是高科技水平的产品中。比如信息、自动控制等各行各业。这也是数字化到来给我们带来的事物。数字化时代的到来对我们每一个人来说是机遇, 同时也是挑战。数字信号处理技术的产生，成熟，到实施到应用中去，是我们学习电子信息技术专业学生的必修课程，