數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方法

數(shù)電模電是電子信息類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。但是由于比較難，所以很多人學(xué)的并不是很好，今天阿斌就來帶大家先簡單的了解一下數(shù)電模電，后面會(huì)出一個(gè)系列關(guān)于數(shù)字信號(hào)的處理和DSP技術(shù)，大家敬請(qǐng)期待，點(diǎn)贊關(guān)注不迷路，下面正式開始！

一、信號(hào)是什么？

信號(hào)是信息傳遞的載體，是信息的物理表現(xiàn)形式。信號(hào)可以表現(xiàn)為多種形式，如電信號(hào)、磁信號(hào)、聲信號(hào)、光信號(hào)、熱信號(hào)等。

信號(hào)在數(shù)學(xué)上可表示為一個(gè)或多個(gè)自變量的函數(shù)，或表示成一個(gè)或幾個(gè)獨(dú)立變量的函數(shù)。

數(shù)字信號(hào)：時(shí)間上離散的信號(hào)，通過電壓脈沖的變化來表示要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)處理的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)。

模擬信號(hào)：指用連續(xù)變化的物理量表示的信息，其信號(hào)的幅度，或頻率，或相位隨時(shí)間作連續(xù)變化，或在一段連續(xù)的時(shí)間間隔內(nèi)，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值的信號(hào)。

圖一：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)圖像

二、信號(hào)的分類

信號(hào)可以從不同角度進(jìn)行分類，下面列舉幾個(gè)不同的分類方式。 1、按照自變量個(gè)數(shù)分：可以分為一維信號(hào)、二維信號(hào)、多維信號(hào)。信號(hào)的自變量可以是時(shí)間、頻率、空間位置、或者其他物理量。如聲音信號(hào)就可以看作以微信號(hào)；圖像信號(hào)可以看做二維信號(hào)； 2、按照信號(hào)取值是否確定分：周期信號(hào)：若信號(hào)滿足f(t) = f(t+mT),m = ...-3,-2,-1,0,1,2,3...或者f(k) = f(k+mN),m = ...-3,-2,-1,0,1,2,3...則信號(hào)為周期信號(hào)，否則為費(fèi)周期信號(hào)。 3、按照信號(hào)取值是否確定不變分：確定信號(hào):信號(hào)在任意時(shí)刻的取值都是精確確不變的；不確定信號(hào)：信號(hào)在任意時(shí)刻的取值都是不能確定的而是隨機(jī)變化的； 4、按照信號(hào)的能量有限分：能量信號(hào)、功率信號(hào)。 5、按照自變量和幅度連續(xù)或離散分：模擬信號(hào)、離散時(shí)間信號(hào)、數(shù)字信號(hào)。

三、模擬信號(hào)

在連續(xù)時(shí)間范圍內(nèi)有定義且幅值也連續(xù)的信號(hào)稱為連續(xù)時(shí)間信號(hào)，連續(xù)時(shí)間信號(hào)也稱為模擬信號(hào)。 如果用數(shù)學(xué)函數(shù)表示信號(hào)，則模擬信號(hào)是自變量和因變量都可以連續(xù)取值的信號(hào)。 如果用函數(shù)x(t)來表示一維模擬信號(hào)，其中t表示自變量，則模擬信號(hào)x(t)的可以在自變量內(nèi)取到任意值，且函數(shù)x(t)也可以在值域范圍內(nèi)連續(xù)取值，如下圖所示1； 模擬信號(hào)存在于生活中的各個(gè)角落，如溫度的變化，聲音信號(hào)等。 但是大家有沒有想過模擬信號(hào)為什么叫模擬信號(hào)呢？為什么不叫連續(xù)信號(hào)或者其他的名字呢？其實(shí)我也不知道[手動(dòng)狗頭] 開個(gè)玩笑，關(guān)于他為什么叫模擬信號(hào)目前比較能接受的一個(gè)說法就是：把被測參量的物理變化用電信號(hào)來模擬，然后變換為標(biāo)準(zhǔn)的輸出形式，發(fā)生給執(zhí)行測控的電路去做進(jìn)一步的處理。 將模擬信號(hào)的幅度離散，即幅度取離散的值，而時(shí)間取連續(xù)的值，由此得到的信號(hào)稱為量化信號(hào)，量化信號(hào)的圖像如下圖所示：

圖二：模擬信號(hào)的量化圖

四、數(shù)字信號(hào)

首先數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)最大的一個(gè)區(qū)別就是數(shù)字信號(hào)不是連續(xù)的，即數(shù)字信號(hào)是離散的； 自然界中的數(shù)字信號(hào)的例子實(shí)在是太少了，因?yàn)楹芏嗟氖挛锘蛘咝盘?hào)都是連續(xù)的，不連續(xù)的自然信號(hào)少之又少，盡管如此，數(shù)字信號(hào)在我們的生活中還是存在的，比如數(shù)字有線電視信號(hào)，手機(jī)信號(hào)，寬帶信號(hào)等都是數(shù)字信號(hào). 只有0和1的信號(hào)是不是數(shù)字信號(hào)？數(shù)字信號(hào)是不是只有0和1？如果這個(gè)問題放在最開始，估計(jì)會(huì)有很多人回答錯(cuò)誤，但是上面我們已經(jīng)介紹過數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)了，相信小伙伴們已經(jīng)不會(huì)再回答錯(cuò)誤了！ 首先數(shù)字信號(hào)是只有0和1嗎？答案很明顯不是，如下圖這個(gè)數(shù)字信號(hào)，就不只是有0和1，數(shù)字信號(hào)的關(guān)鍵在于他的離散性，而不是在他的取值范圍上。 圖三：非0.1數(shù)字信號(hào)圖 數(shù)字信號(hào)是指用一組特殊的狀態(tài)來描述信號(hào)，典型的就是當(dāng)前用最為常見的二進(jìn)制數(shù)字來表示的信號(hào)，之所以采用二進(jìn)制數(shù)字表示信號(hào)，其根本原因是電路只能表示兩種狀態(tài)，即電路的通與斷。 在實(shí)際的數(shù)字信號(hào)傳輸中，通常是將一定范圍的信息變化歸類為狀態(tài)0或狀態(tài)1， 這種狀態(tài)的設(shè)置大大提高了數(shù)字信號(hào)的抗噪聲能力。不僅如此，在保密性、抗干擾、傳輸質(zhì)量等方面，數(shù)字信號(hào)都比模擬信號(hào)要好，且更加節(jié)約信號(hào)傳輸通道資源。

數(shù)字信號(hào)一般以“1.0”的方式進(jìn)行傳播的，比如規(guī)定0.8V～1.3V之間的電平為高電平，雖然高電平被干擾信號(hào)疊加，但是仍然在這個(gè)門限以內(nèi)，一樣會(huì)被識(shí)別為1，而不會(huì)被識(shí)別為0。在經(jīng)過放大之后，干擾信號(hào)就會(huì)被剔除，信號(hào)會(huì)重新生成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

五、數(shù)字信號(hào)的處理

實(shí)際生產(chǎn)生活中的各種物理量，如攝相機(jī)攝下的圖像、錄音機(jī)錄下的聲音、車間控制室所記錄的壓力、流速、轉(zhuǎn)速、濕度等等都是模擬信號(hào)。 數(shù)字信號(hào)是在模擬信號(hào)的基礎(chǔ)上經(jīng)過采樣、量化和編碼而形成的。換句話說，就是把輸入的模擬信號(hào)按一定的時(shí)間間隔得到各個(gè)時(shí)刻的樣本值。再把經(jīng)采樣測得的各個(gè)時(shí)刻的值用二進(jìn)碼制來表示，編碼則是把時(shí)間化生成的二進(jìn)制數(shù)排列在一起形成順序脈沖序列。 實(shí)際中遇到的信號(hào)大多為模擬信號(hào)，模擬信號(hào)可以經(jīng)過加法器、乘法器和邏輯元件的數(shù)字硬件或?qū)Ｓ?a target="_blank">微處理器進(jìn)行處理。

圖四：廣義數(shù)字信號(hào)處理過程

說明： (1)模擬低通濾波器是模擬系統(tǒng)，通過對(duì)輸人的模擬信號(hào)進(jìn)行處理，輸出模擬信號(hào); (2)取樣是對(duì)連續(xù)時(shí)間信號(hào)的時(shí)間離散化; (3)保持是將取出的時(shí)間離散信號(hào)維持一段時(shí)間不變; (4) A/D變換器是將離散信號(hào)的幅度變?yōu)閿?shù)字信號(hào); (5) D/A變換器是將數(shù)字信號(hào)變?yōu)闀r(shí)間連續(xù)的階梯信號(hào)的系統(tǒng)，階梯信號(hào)再通過低通模擬濾波器就可以得到復(fù)制平滑的模擬信號(hào)了；

六、數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方法

數(shù)字信號(hào)處理總體上可以分為通過軟件、通過硬件、軟件硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，具體方法如下： 圖五：數(shù)字信號(hào)處理過程 1、通過軟件實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上使用通用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理。列入使用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。這種方法慢，一般用于處理算法模擬。 2、專用加速處理方式借助軟件開發(fā)工具和開發(fā)語言設(shè)計(jì)出處理軟件。這種系統(tǒng)專用性較強(qiáng)，開發(fā)成本大。 3、軟硬結(jié)合處理采用數(shù)字信號(hào)處理器結(jié)合嵌入式軟件進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。列入采用TMS320C55XX進(jìn)行數(shù)字語音信號(hào)處理，這種方法使用廣泛。也可以使用單片機(jī)進(jìn)行處理，但是只能處理不太復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)。 4、硬件方法采用數(shù)字集成電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的處理，列入數(shù)字集成電路實(shí)現(xiàn)語音編解碼，用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，此方法專用性較強(qiáng)。

七、數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用

在各種高新技術(shù)發(fā)展的今天，數(shù)字信號(hào)處理在生活中得到了廣泛應(yīng)用?；跀?shù)值數(shù)據(jù)通訊的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用非常廣泛，在互聯(lián)網(wǎng)中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，信號(hào)在傳輸和轉(zhuǎn)化過程中經(jīng)過壓縮、編碼等數(shù)字處理，也可以以數(shù)字方式儲(chǔ)存。 數(shù)字信號(hào)處理在數(shù)字語音、汽車多媒體、MP3/MP4/MP5、數(shù)字掃面儀、數(shù)字電視機(jī)頂盒、醫(yī)院監(jiān)視系統(tǒng)、生物指紋系統(tǒng)等領(lǐng)域都有大量應(yīng)用。 數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字電視、數(shù)字計(jì)算機(jī)都是數(shù)字信號(hào)的處理系統(tǒng)。數(shù)碼相機(jī)將外界的模擬圖像變換成數(shù)字圖像，根據(jù)一定的數(shù)字壓縮算法處理，獲得占用存儲(chǔ)空間較小的數(shù)字文檔。 數(shù)字電視則是將模擬視頻轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻后進(jìn)行數(shù)字壓縮編碼，再經(jīng)過數(shù)字廣播發(fā)送出去，接收方獲得數(shù)字電視信號(hào)后再進(jìn)行逆變換。 計(jì)算機(jī)中的文檔、表格、圖片、歌曲、視頻等多媒體都是經(jīng)過數(shù)字處理的結(jié)果。這些文檔、表格等媒體是在專用的處理軟件或編碼方法下進(jìn)行，可以存儲(chǔ)、傳輸、編輯、轉(zhuǎn)化等并可以通過輸出設(shè)備進(jìn)行輸出。 另外，數(shù)字語音中的語音分析、合成、識(shí)別、增強(qiáng)、編碼，數(shù)字圖像中圖像的增強(qiáng)、恢復(fù)、去噪、壓縮，都需要用到數(shù)字信號(hào)處理。