數(shù)字信號(hào)處理簡(jiǎn)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(shì)。 為了了解DSP的優(yōu)勢(shì)，我們首先看一下傳統(tǒng)的信號(hào)處理方法，即模擬信號(hào)處理。

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

模擬信號(hào)處理

最簡(jiǎn)單的模擬信號(hào)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?yàn)V除高于電路截止頻率的頻率分量，并以很小的衰減通過(guò)較低頻率的分量。 在本例中，信號(hào)處理的目的是消除高頻噪聲并提取所需的信號(hào)部分。

請(qǐng)注意，輸入和輸出均為模擬形式。 這是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)閷?duì)科學(xué)和工程感興趣的信號(hào)本質(zhì)上是模擬的。 因此，對(duì)于模擬信號(hào)處理，信號(hào)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(hào)處理的缺點(diǎn)

模擬信號(hào)處理的一個(gè)主要缺點(diǎn)是電氣元件值的變化。 模擬電路依賴于有源和無(wú)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(jiàn)，篩選器響應(yīng)是組件值的函數(shù)。 由于電氣元件無(wú)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(jì)不同電路參數(shù)會(huì)有一些板對(duì)板的變化。

另一個(gè)缺點(diǎn)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(hào)處理并非如此。 使用DSP，甚至可以通過(guò)簡(jiǎn)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(shí)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(duì)比，在數(shù)字領(lǐng)域，甚至可以輕松實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

數(shù)字信號(hào)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(huì)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(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)功能。

剩下的問(wèn)題是，我們需要哪些基本組件來(lái)處理數(shù)字域中的信號(hào)。

如圖2所示，我們需要在信號(hào)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(shí)際模擬信號(hào)連接起來(lái)。

圖2.

A/D 轉(zhuǎn)換器的作用

A/D轉(zhuǎn)換器定期對(duì)模擬輸入進(jìn)行采樣，如圖3所示。

圖3.

然后，它量化每個(gè)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(lán)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(gè)離散電平來(lái)量化輸入信號(hào)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(cè)到的模擬輸入值的最小變化。 換句話說(shuō)，輸入的最小變化會(huì)導(dǎo)致ADC輸出代碼的變化。

讓我們看看 ADC 如何為每個(gè)樣本生成二進(jìn)制代碼。 ADC 將模擬輸入信號(hào)的幅度與其 16 個(gè)離散電平進(jìn)行比較。 基于這種比較，生成輸入的數(shù)字表示。 例如，對(duì)于圖 4 中所示的藍(lán)色曲線，將輸入信號(hào)與 ADC 的 16 個(gè)離散電平進(jìn)行比較的過(guò)程可能會(huì)導(dǎo)致所描繪的紅色曲線。 然后，ADC使用二進(jìn)制代碼來(lái)表示所獲得的階梯近似的每一級(jí)。 例如，當(dāng)紅色曲線的值等于 LSB 的 4 倍時(shí)，我們的四位 ADC 的輸出就是 0100。

需要注意的一點(diǎn)是，圖 2 中的“數(shù)字信號(hào)處理器”塊接收離散時(shí)間序列，因?yàn)?ADC 以預(yù)先指定的采樣間隔的倍數(shù)進(jìn)行采樣。 并且，每個(gè)樣本的幅度被量化。 這與模擬信號(hào)處理形成對(duì)比，在模擬信號(hào)處理中，輸入是連續(xù)時(shí)間信號(hào)，可以取指定范圍內(nèi)的任何值。

DAC 的作用

信號(hào)經(jīng)過(guò)“數(shù)字信號(hào)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(hào)。 這是通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的。 圖 5 描述了一個(gè)音頻處理應(yīng)用程序。

圖 5。

在這種情況下，使用數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)來(lái)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(hào)被傳送到DAC，以產(chǎn)生可由揚(yáng)聲器輸出的模擬信號(hào)。 請(qǐng)注意，有些DSP應(yīng)用不需要DAC。 例如，雷達(dá)中采用的數(shù)字信號(hào)處理算法可能會(huì)為我們提供飛機(jī)的位置和速度。 這些信息可以簡(jiǎn)單地打印在紙上。

“數(shù)字信號(hào)處理器”模塊

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

圖6.

因此，數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)際上是一個(gè)計(jì)算引擎。 該計(jì)算引擎可以是通用處理器、FPGA，甚至是專用DSP芯片。 每個(gè)選項(xiàng)在靈活性、速度、易于編程和功耗方面都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

由于計(jì)算資源非常有價(jià)值，數(shù)字信號(hào)處理試圖為我們提供工具和技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)快速、計(jì)算高效的算法。 例如，有可用于實(shí)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(hào)的應(yīng)用。 這包括但不限于音頻和視頻壓縮、語(yǔ)音處理和識(shí)別、數(shù)字圖像處理和雷達(dá)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(shí)上，任何一個(gè)人似乎都不太可能掌握所有已經(jīng)開(kāi)發(fā)的DSP技術(shù)。 然而，幾乎所有DSP應(yīng)用都使用一些常見(jiàn)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)。