数字信号和滤波器介绍中文翻译

1、本科毕业设计论文外文翻译译文学生姓名： 院 系： 电子工程学院 专业班级： 测控0601 指导教师： 完成日期： 2021年03月29日 数字信号和滤波器介绍Digital signal and filter description起止页码：102-120出版日期期刊号：2003年出版单位：西安电子科技大学 我们的语言不是数字信号，数字信号是一种由1和0组成的、能用数学方法处理的语言。我们讲出的话是现实世界中的模拟信号。我们每天遇到的现实世界信号都是模拟信号，如声音、光、温度和压力。数字信号是模拟信号的数字表示。在数字世界里，对这些信号处理可能会更容易、更节约本钱。在现实世界中，我们通过模数转

2、换过程将信号转换为数字信号，然后对信号进行处理；如果需要，可用数模转换器将数字信号转换为模拟信号。1.模数转换和数模转换简介模数转换见图1关键性的第一步是对模拟信号进行采样。这一步是由采样保持电路完成的，采样保持电路按照固定的“采样间隔进行采样。“采样间隔的长度和“采样周期的长度相同，而“采样周期的倒数就是“采样频率 fs。根据乃奎斯特采样定理，为了确保准确记录信号，最高频率为W Hz的信号称为带限信号每秒内必须采集至少2 W个样本。如果不能满足这个最低要求，就会出现“混叠 失真。混叠会使高频信号出现在较低频段。为了保证不能出现混叠，在采样之前总是要进行低通滤波。这个低通滤波器称作“抗混叠滤波

3、器将频率超过所选采样频率一半的信号全部滤掉。图1经过一段短暂的采样时间之后期间采集到一个样本，采样保持电路将这个样本一直保持到下一个采样间隔的开始。转换器需要利用这个保持时间，生成模拟样本对应的码字。转换器为每个模拟样值选择一个量化电平。一个N位转换器可以在2N个可选量化电平当中进行选择。量化电平越多，量化误差量化电平和实际电平之差越小。最大量化误差不会超过量阶Q的一半。量阶的计算公式为,其中是模拟信号的满量程范围，N是转换器用的位数。相对于量化误差的信号强度使用“动态范围和“信噪比来度量。一个数字信号是用一组竖线表示的，竖线顶部的圆圈标出样本选用的的量化电平。转换器的比特率为Nfs，这里的是

4、fs采样率。最后，要为每个数字化样本分配一个一个码字，这样就完成了转换过程。转化的结果就是得到一个数字比特流。数字信号处理就是对这些码字集合进行处理。总结一下，转换由抗混叠滤波、抽样、量化和数字化。数字信号处理完成以后，就必须进行数/拟转换如图2。首先，将码字转换为和码字所代表字数的大小成比例的模拟电压。这个电压值在零阶保持器中保持到下一个码字的出现，即需要保持一个采样间隔。这样，信号就是阶梯状的，信号中包含着频率是WHz的成分。这些信号都被删除了平滑的低通滤波器，转化的最后一步是使用平滑滤波器滤除那些频率超过WHz的成分。图2对于采样信号中的任意频率f，其因采样而产生的镜像频率将出现在无数个

5、频率处.当采样率低于要求的奈奎斯特率即时，高频信号的镜像就会因为混叠而错误的出现在基带内奈奎斯特区域内。尽管在一般情况下要防止这种“欠采样，但是“欠采样也有其用途。例如，高频窄带信号的采样率可以是信号宽度的两倍，而不必是信号最高频的的两倍。信号的所有重要特征都可以从采样而出现在基带的频谱副本中得到。根据信号频率和采样率之间的关系不同，可能会出现“频谱反转现象基带频谱的形象和信号真实频谱的形状正好相反。2.数字信号处理的实现技术如果存在着普遍的微处理器解决方案的每一个设计可以实现，电子行业将不会是一个非常有竞争力的地方。然而，对于多数电子设计而言，可用于实现所需功能的处理器技术不止一种。当然，问

6、题是如何选择一个具备先进性能，尺寸，功耗特性，并拥有易于快速开发的软件工具的处理器技术。经过近二十年的开展之后，数字信号处理器依然是具有竞争力的处理器。总之，数字信号处理器是数字信号处理的核心。数字信号处理器DSP是微处理器的类型，这是一种令人难以置信的快速和强大的。DSP是独一无二的，因为它处理的实时数据。这种实时能力使应用的DSP无法容忍任何延迟完美。例如，你有没有谈 有两个人不能谈一次？你不得不等待，直到其他人交谈完毕。如果你们俩同时谈到，信号被切断，你没有听到其他人。在今天的数字 ，它采用数字信号处理器，可以说正常。 内的DSP声音进程如此迅速地听他们尽快，您就可以实时。这里只是提供一

7、些与对其他微处理器DSP的设计优点：单周期乘法累加操作;实时性能模拟与仿真;灵活性强;可靠性高;提高系统性能;降低系统本钱。不过，实现数字信号处理还可以有其他一些选择。与数字信号处理器相比，这些选择如何呢？现场可编程门阵列现场可编程门阵列FPGA的具有可重构能力是一个系统，可以在应用，需要在开展多种试用版的一大优势，提供相当快的产品上市时间。他们还提供更多的具体操作，因为每所产生的专用逻辑电路的原始性能。但是，FPGA显着较昂贵，一般都远远高于具有类似功能的数字信号处理器的功耗。因此，即使是在设计中选定的性能技术，如无线根底设施的FPGA，DSP通常用在与FPGA协同提供更大的灵活性，更好的价

8、格/性能比，同时降低系统功耗。专用集成电路特定应用集成电路ASIC的，可定制的执行非常以及具体功能，可非常省电。然而，由于ASIC是不是现场可编程，它们的功能不能改变或反复，而在产品开发更新。因此，每一个产品的新版本需要通过代工，昂贵的主张，以及快速的时间障碍，重新设计和旅游推向市场。可编程DSP，另一方面，可以在不改变更新硅，只是改变软件程序，大大降低开发本钱，和利用代码下载与单纯的售后效劳功能的增强。因此，很多时候，当你看到实时信号处理的应用专用集成电路，它们通常采用的总线接口，逻辑电路，和/或功能加速器的可编程DSP为根底的系统。通用微处理器在比照的是为特定功能，通用微处理器GPPS的优

9、化ASIC是最适合表演了一系列广泛的任务。然而，对于应用中的最终产品必须过程中实时地答复，或必须这样做，而采用了民用电池，GPPS的比拟差的实时性能和高能耗的，但规那么出来。越来越多，这些处理器被视为业界的恐龙，也与PC桌面功能的兼容性和担保，以适应不断变化的实时市场。作为世界拥抱微型手持无线上网功能的产品，需要毫瓦的功耗测量，而不是瓦，这些处理器的功耗，DSP是可编程技术的首选。这一趋势必将继续成为互联网数字家电变得更小，更快，更便于携带。数字信号处理任务可以由所有处理器。专门的数字信号处理器DSP，但是，完成这些任务最有效，最迅速。虽然传统的处理器按照冯诺伊曼结构模型见图3，它假定一个单一

10、的共享内存既可以用于程序指令与数据使用，DSP的使用或修改哈佛哈佛结构如图4所示，其中包括多个程序和数据存储器，以及多个巴士访问它们。这样的安排意味着少得多时，需要等待指示ornumbers从内存中提取的。事实上，至少在每个可同时提取之一。这种重叠的任务被称为流水线。除了多种记忆和公共汽车，都可以快速的DSP乘法器，累加器和转换器，以及许多硬件循环缓冲器支持。地址发生器可以加速访问存放器所引用的内存位置。图3图4DSP都提供两大类：定点和浮点运算。不动点类表示一个固定数量的位实数。的二进制点的位置类似小数点可以由程序员控制，并确定了一系列数字可以代表。随着范围的增加，但是，现有的精密出现故障，

11、因为较少的比特谎话的二进制点的权利。在16位，格式16.0，15.1，14.2，13.3，12.4，11.5，10.6，9.7，8.8，7.9，6.10，5.11，4.12，3.13，2.14，和1.15是可能的。在动态范围，20log计算全刻度范围/最小可分辨的差异，仍然是相同的所有16位格式，分贝。浮点DSP是用尾数和指数，类似于科学计数法：许多合并成一个32位号码尾数和指数实数。在设备的浮点计算的动态范围是从最大和最小的乘数2E，其中E是指数。因此，对于代表使用的尾数和8位签名的指数24位，动态范围为20LG电子分贝。大动态范围意味着系统已经从非常小的到非常大的大国，代表了广泛输入信号。

12、汇编语言是DSP的命令语言。往往有专门的DSP指令，使共同DSP任务的编程更方便，更效率。例如，大多数DSP能够提供多功能指令，利用它们的并行体系结构。其他结构中经常提供有效率循环的方案，既然有这么多DSP操作涉及大量的重复。选择特定应用的DSP并不总是那么容易。第一项决定是，是否选择固定点或浮点设备。一般而言，定点设备廉价，快捷，但浮点运算设备程序更方便，更适合于计算密集型算法。其次，DSP的数据宽度决定如何准确地能够代表数字。速度是另一回事，不仅有多少个周期，每发生，但也多少说明在每个周期执行多少工作来完成这些指示每个。一种方法，评估与DSP的最低要求，估计有多少指示，必须为每个收到样品执

13、行。当这个数字是由采样频率乘以最低指令每秒获得所需人数。具体的硬件和数字信号处理器提供了一个特定的软件功能，可以作出一个选择比另一个好，因为可以在片上存储器的数量。有时DSP是选中，是因为匹配良好的硬件支持，特别是和转换，是索取。频繁的质量和方便的软件工具为低级和高级编程语言，也是主要的因素，是第三方软件。与往常一样，本钱是一个因素。事实上，有不少时候，这是最快的DSP，并提供大局部特性，而且也符合预算，是一个选择。DSP可用于购置三种形式，作为核心，在处理器，以及板级产品。在DSP中，“核心是指在处理器局部的主要任务是执行，包括数据存放器，乘法器，ALU的，地址发生器和程序序。需要一个完整的

14、处理器与内存相结合的核心和接口的外部世界。尽管这些核心和周边路段单独设计，它们将被用于在同一块硅芯片，从而使处理器的单一集成电路。假设你建立移动 和希望包含在设计的DSP。你可能会想要购置作为处理器的DSP，即集成电路包含核心，内存和其他内部功能。为了您的产品纳入本IC，你必须设计一个在印刷电路板将在旁边其他电子焊接。这是最常用的方法是使用数字信号处理器。现在，假设你工作的公司为自己制造的集成电路。在这种情况下，你可能不想让整个处理器，只是核心的设计。在完成了适当的许可协议，您就可以开始制作，高度定制的特殊应用芯片。这使您的选择多少内存的灵活性包括，如何芯片接收和传输数据，它是如何包装，等等。

15、这种类型的定制设备是一个DSP市场日益重要的市场。 有几十个销售公司，将您的DSP已经在印刷电路板上。这些都为您的数字信号处理器等功能已经安装在一个额外的内存，和转换，存储器插座，多处理器的电路板，等等。虽然其中局部委员会的目的是作为独立的电脑，大局部配置成一台主机，如插入个人计算机。公司的董事会，使这些类型被称为第三方开发商。最好的方法是找到他们要求的DSP您要使用制造商。看看数字信号处理器制造商的网站，如果你没有找到一个列表那里，发送电子邮件。他们将很乐意告诉你是谁正在使用他们的产品，以及如何与他们联系。请记住，与其他微处理器DSP和区别并不总是一个明确的界线。例如，研究如何描述了英特尔M

16、MX技术除了奔腾处理器：“英特尔的工程师增加了57个特别设计的功能强大的操作和处理视频，音频和图形数据的有效的新指示。这些说明是面向高度并行，常常重复序列在多媒体业务中。在今后，我们将看到更多的DSP无疑将类似于传统的微处理器和微控制器合并功能。互联网和其他多媒体应用是这些变化的强大动力。这些应用程序正在扩大得如此之快，在20年很可能是数字信号处理器可能是“传统的微处理器。信号处理，可使用模拟技术模拟信号处理，或ASP，数字技术数字信号处理，或DSP，或模拟和数字技术相结合混合信号处理，或中型工程。在某些情况下，技术的选择是明确的，在其他国家，也没有明确的选择，二阶因素可能被用来作出最后决定。

17、关于DSP，该因素区别于传统电脑的数据分析，这是它的速度和执行诸如实时滤波，FFT分析，数据压缩和先进的数字处理功能的效率。一词意味着混合信号处理，无论模拟和数字处理完成作为系统的一局部。该系统可以实现在一个印刷电路板或单个集成电路芯片的形式。在这一广泛的定义，ADC和DAC的情况下被认为是混合信号处理器，因为这两个模拟和数字功能在每个实施。在超大规模集成电路超大规模集成电路的最新进展加工技术，使复杂的数字处理以及模拟处理，在同一芯片进行。基于DSP本身的性质意味着，这些功能都可以实时进行。数字信号处理器的ASP与今天的工程师面临着选择了模拟和数字技术的适当组合，以解决这个信号处理的工作是一个

18、挑战。这是不可能处理真实世界的模拟信号技术，使用纯数字，因为所有的传感器麦克风，热电偶，应变计，磁盘驱动器磁头等，压电晶体的模拟传感器。因此，一些信号调理电路需要排序，以准备进一步传感器的输出信号处理，无论是模拟或数字。信号调节电路，在现实中，模拟信号处理器，执行多种功能，比方乘法增益，隔离仪表放大器隔离放大器，在存在噪声检测高共模仪表放大器等，动态范围压缩对数放大器，LOGDACs和可编程增益放大器和过滤包括被动和主动。完成信号处理的几种方法见图5。该图的上半局部显示了纯粹的模拟方法。图中显示的后半期的DSP方法。注意，一旦已经决定采用DSP技术，下一个决定必须放置在信号路径中ADC的。图5

19、一般而言，作为ADC移动接近实际传感器，模拟信号的调节负担，现在更多的是放置在ADC的。增加的ADC的复杂性，可能采取增加采样率，更宽的动态范围，更高的决议的形式，输入噪声抑制，输入过滤和可编程增益放大器，在PGA的，片上电压参考等，这都增加了功能和简化系统。今天的high-resolution/high采样率的数据转换器技术，取得了重大进展在把越来越多的多的范围内调节电路的ADC/DAC的本身。在测量领域，例如，24位ADC，内置可编程增益放大器PGA的，提供全面的桥梁，为10mV信号，可直接进行数字化没有进一步的调节。在声带和音频频率，完成编码，解码器解码器或模拟前端，可有足够的片上模拟电路，以尽量减少对外部调节组件的要求。在视频的速度，模拟前端，也可用于如CCD图像处理及其他有关申请。3.滤波器的介绍一个关于DSP的实际例子，考虑为1kHz的截止频率之间的模拟和数字低通滤波器，每个比拟。数字滤波器是在一个典型抽样，如图6所示的数据系统。请注意，这儿有几个图中隐含的要求。首先，这是假定一个ADC/DAC的组合可提供足够的采样频率，分辨率和动态范围，以准确地处理信号。第二，DSP必须足够快完成采样间隔内，1/fs所有的计算。第