《数字信号处理基础》-第1章

1.1数字信号处理理论简述信号是信息的物理表现形式，如电、声、光等，信息则是信号的具体内容。信号通常定义为随着时间、空间或其他自变量而变化的物理量，数学上，我们把一个信号描述为一个或几个变量的函数。绝大多数一维信号是时间的函数，按时间（自变量）、幅度（因变量）划分成4类信号：（1）连续时间信号：时间连续、幅度可以是连续的也可以是离散的信号。（2）模拟信号：时间连续、幅度也连续的信号，这是连续时间信号的特例。（3）离散时间信号：时间离散、幅度连续的信号。下一页返回1.1数字信号处理理论简述（4）数字信号：时间离散、幅度也离散的信号。由于幅度是按二进制编码量化的，故数字信号可用有限位二进制编码表示。若采用3位比特量化编码，则有23=

8个量化层，其取值只能为7,6,…,1,0。系统为按照人们的要求来处理信号的各种物理设备。实际上，系统是要完成某种运算的，因而可将系统的定义扩展为不仅包括物理设备，还包括对信号操作的软件实现。按所处理的信号种类的不同可将系统分为模拟系统、离散时间系统和数字系统。数字信号处理是把数字信号（用数字或符号表示的序列）通过计算机或通用（专用）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技术，包括滤波、变换、估计、复原、识别、分析等加工处理，以达到提取有用信息、便于应用的目的。上一页下一页返回1.1数字信号处理理论简述数字信号处理应理解为对信号进行数字处理，而不应理解为只对数字信号进行处理，因而它既能对数字信号进行处理，又能对模拟信号进行处理，当然这时要将模拟信号转换成数字信号。在工程上遇到的大多数信号是自然模拟信号。也就是说，信号是连续变量的函数，这些连续变量（如时间或空间）通常在一个连续的范围内取值。这类信号可直接被合适的模拟系统处理（如滤波器或频谱分析仪），以达到改变信号的特征或提取有用信息的目的。在这种情况下，信号是直接以模拟形式处理的，如图1-1所示。输入信号和输出信号均是模拟形式的信号。上一页下一页返回1.1数字信号处理理论简述随着数字信号处理理论及技术的不断成熟和完善，在很多应用场合已逐渐用数字信号处理取代模拟信号处理。典型的数字信号处理系统如图1-2所示。要执行数字处理，需要在模拟信号和数字处理器之间有一个接口，这个接口称为模-数（Analog-Digital，A/D）转换器，它包括了抽样及量化编码两部分。A/D转换器的输出是数字信号，该信号进入数字信号处理器进行处理和传输。数字处理器可能是一个简单系统，也可能是一个复杂系统。常用的数字处理系统有可编程处理器或大型的数字计算机，也可以是一个对输入信号执行指定操作集的硬连线数字处理器。上一页下一页返回1.1数字信号处理理论简述可编程机器可通过更改软件来灵活地更改信号的处理操作，而纯硬件实现方式很难改变设计参数进行重新配置，因此可编程程器件得到广泛应用。在应用中，数字信号处理器的数字输出通常是以模拟信号形式提交给用户的，如语音信息系统，因此我们必须提供从数字域到模拟域的另一个接口。这种接口称为数-模（Digital–Analog，D/A）转换器。然而，实际的系统并不一定要包括图1-2中的所有框图。有些系统不需要D/A变换器，如心音听诊系统，其输出是提取的心音信号特征，为数字信号；另一些系统的输入就是数字形式，因而就不需要A/D转换器。上一页下一页返回1.1数字信号处理理论简述纯数字系统则只需要数字信号处理器这一核心部分就行了，不需要A/D转换器和D/A转换器，如输入和输出都是数字信号的股票报价系统。数字信号处理与模拟信号处理相比具有以下主要优点（1）灵活性强。（2）精度高且容易控制。（3）可靠性强。（4）便于大规模集成化。上一页返回1.2数字信号处理的实现和应用数字信号处理的主要研究对象是数字信号，数字信号是数据序列，其处理实际上就是对数字或符号序列进行加、减、乘及各种逻辑运算等各种数学函数运算，从而达到处理的目的，实现方法有软件实现、硬件实现和软硬件结合实现。软件实现就是通过软件对所需要的算法进行编程，然后在通用计算机上执行。信号处理软件使用各种计算机语言编写，也可使用个别研究机构推出的软件包。软件处理灵活、方便和可靠，并能做到一机多用。缺点是计算需要时间，对于复杂的算法，一般不能做到实时处理，因为通用计算机的体系结构与大多数信号处理的算法不匹配，不能充分利用计算机复杂的运算系统，造成浪费，因此成本较高。下一页返回1.2数字信号处理的实现和应用硬件处理是用加法器、乘法器、延时器、逻辑器等基本的数字硬件及它们的各种组合组成专用处理机或用专用数字信号处理芯片作为数字信号处理器。硬件处理不如软件处理方便灵活，但是能对数字信号进行实时处理。随着现场可编程逻辑器件（FPGA/EPLD）的处理速度和集成度的快速提高，硬件处理也可以现场下载或调动不同的功能模块，从而得到不同的系统功能。因此，硬件处理在高速实时数字信号处理方面得到了更广泛的应用。上一页下一页返回1.2数字信号处理的实现和应用第三种处理方法是近年来日益广泛采用的各种通用和专用的数字信号处理器芯片，如美国TI（TexasInstrument）公司的TMS320通用系列，AD（AdvanceDevice）公司的ADSP21系列等，这些处理器是专为数字信号处理设计的芯片，它们有专门的数字信号处理算法的硬件，如乘法累加器、并行流水处理结构、位翻转等；而且有专门的数字信号处理指令，所需要的算法靠特定的编程（如C语言、汇编语言等）来实现，可以认为是软硬件处理方式的结合。这种方式既灵活方便又一般能够做到实时处理。综上所述，无论采用哪种方式进行数字信号处理，都是用一些典型的数字电路的组合来对数字信号序列进行所需要的各种运算。上一页下一页返回1.2数字信号处理的实现和应用由于对信号的所有变换、分析、识别和处理都可以归结为以信号为对象的运算模型，因此数学理论、信号与系统理论是数字信号处理的理论基础；同时，数字信号又是通信理论、最优控制、人工智能、模式识别等学科的理论基础之一。数字信号处理的主要理论和方法已经在越来越多的领域得到广泛应用。下面介绍其中最重要的一些应用领域。（1）语音和音频信号处理领域。这是最早采用数字信号处理技术的应用领域之一。主要包括语音分析、语音编码、语音识别、语音增强等。上一页下一页返回1.2数字信号处理的实现和应用语音分析是对语音和音频信号的波形特征、统计特性等进行分析、处理和计算；语音编码是将语音和音频信号数字化，在保证语音质量的前提下用尽可能少的二进制码表示数字语音，达到压缩信息的目的；语音识别是采用计算机或专用硬件识别自然语音或说话人；语音增强是从噪声或干扰中提取被掩盖的语音信号。（2）数字通信领域。在现代通信系统中，几乎每一部分都要用到数字信号处理技术。主要包括编码调制、自适应均衡、纠错编解码、数字交换、信道复用、移动电话、调制解调器、数字加密解密、扩频技术、卫星通信、TDMA/CDMA/FDMA/OFDMA、IP电话、软件无线电等。上一页下一页返回1.2数字信号处理的实现和应用（3）数字图像处理领域。图像处理是人们从客观世界获取信息的重要来源。数字图像处理包括静止图像和活动图像、二维图像和三维图像、黑白图像和彩色图像，涉及图像信息的获取、存储、传送、显示和利用，主要包括图像压缩、图像增强、图像复原、图像重建、图像变换、图像分割与描绘、模式识别等。（4）工业控制与自动化领域。包括机器人控制、激光打印机控制、自动机、电力线监视器、计算机辅助制造、引擎控制、自适应驾驶控制等。（5）医疗领域。包括健康助理、病人监视、超声仪器、诊断工具、CT扫描、核磁共振、助听器等。上一页下一