緒論

1．數字信號處理的基本概念

幾乎在所有的工程技術領域中都會涉及到信號處理問題，其信號表現形式有電、磁、機械以及熱、光、聲等。信號處理一般包括數據采集以及對信號進行分析、變換、綜合、估值與識別等。

這里的信號類別有4種：第1種是連續信號(即模擬信號)，它的幅度和時間都取連續變量；第2種是時域離散信號，其幅度取連續變量，而時間取離散值；第3種是幅度離散信號，其時間變量取連續值，幅度取離散值，如振幅鍵控信號；第4種是數字信號，它的幅度和時間都取離散值。一般來說，數字信號處理的對象是數字信號，模擬信號處理的對象是模擬信號。但是，如果系統中增加數/模轉換器和模/數轉換器，那么，數字信號處理系統也可以處理模擬信號。這里關鍵的問題是兩種信號處理系統對信號處理的方式不同，數字信號處理是采用數值計算的方法完成對信號的處理，而模擬信號處理則是通過一些模擬器件，例如晶體管、運算放大器、電阻、電容、電感等，完成對信號的處理。例如，圖0.0.1(a)所示的是一個簡單的模擬高通濾波器，它是由電阻R和電容C組成的，而圖0.0.1(b)所示的則是一個簡單的數字高通濾波器，它是由一個加法器、一個乘法器和一個延時器組成的。因此，簡單地說，數字信號處理就是用數值計算的方法對信號進行處理，這里“處理”的實質是“運算”，處理對象則包括模擬信號和數字信號。圖0.0.1高通濾波器簡型

2．數字信號處理的實現方法數字信號處理的主要對象是數字信號，且是采用數值運算的方法達到處理目的的。因此，其實現方法不同于模擬信號的實現方法，基本上可以分成兩種，即軟件實現方法和硬件實現方法。軟件實現方法指的是按照原理和算法，自己編寫程序或者采用現成的程序在通用計算機上實現；硬件實現是按照具體的要求和算法，設計硬件結構圖，用乘法器、加法器、延時器、控制器、存儲器以及輸入輸出接口等基本部件實現的一種方法。顯然,軟件實現靈活，只要改變程序中的有關參數，例如只要改變圖0.0.1(b)中的參數a，數字濾波器可能就是低通、帶通或高通濾波器，但是運算速度慢，一般達不到實時處理，因此，這種方法適合于算法研究和仿真。硬件實現運算速度快，可以達到實時處理要求，但是不靈活。用單片機實現的方法屬于軟硬結合實現，現在單片機發展很快，功能也很強，配以數字信號處理軟件，既靈活，速度又比軟件方法快，這種方法適用于數字控制等。采用專用的數字信號處理芯片(DSP芯片)是目前發展最快、應用最廣的一種方法。因為DSP芯片比通用單片機有更為突出的優點，它結合了數字信號處理的特點，內部配有乘法器和累加器，結構上采用了流水線工作方式以及并行結構、多總線，且配有適合數字信號處理的指令，是一類可實現高速運算的微處理器。DSP芯片已由最初的8位發展為16位、32位，且性能優良的高速DSP不斷面市，價格也在不斷下降。可以說，用DSP芯片實現數字信號處理，正在變成或已經變成工程技術領域中的主要實現方法。綜上所述，如果從數字信號處理的實際應用情況和發展考慮，數字信號處理的實現方法分成軟件實現和硬件實現兩大類。而硬件實現指的是選用合適的DSP芯片，配有適合芯片語言及任務要求的軟件，實現某種信號處理功能的一種方法。這種系統無疑是一種最佳的數字信號處理系統。對于更高速的實時系統，DSP的速度也不滿足要求時，應采用可編程超大規模器件或開發專用芯片來實現。

3．數字信號處理的特點

由于數字信號處理是用數值運算的方式實現對信號的處理的，因此，相對模擬信號處理，數字信號處理主要有以下優點：

1）靈活性數字信號處理系統(簡稱數字系統)的性能取決于系統參數，這些參數存儲在存儲器中，很容易改變，因此系統的性能容易改變，甚至通過參數的改變，系統可以變成各種完全不同的系統。靈活性還表現在數字系統可以分時復用，用一套數字系統分時處理幾路信號。數字系統可以實現智能系統的功能，可以根據環境條件、用戶需求，自動選擇最佳的處理算法。軟件無線電的基本思想就是:將寬帶A/D變換器及D/A變換器盡可能地靠近射頻天線，建立一個具有“A/D-DSP-D/A”模型的通用的、開放的硬件平臺，在這個硬件平臺上盡量利用軟件技術來實現電臺的各種功能模塊。

2）高精度和高穩定性數字系統的特性不易隨使用條件變化而變化，尤其使用了超大規模集成的DSP芯片，使設備簡化，進一步提高了系統的穩定性和可靠性。運算位數又由8位提高到16、32位，在計算精度方面，模擬系統是不能和數字系統相比擬的，為此，許多測量儀器為滿足高精度的要求只能采用數字系統。

3）便于大規模集成數字部件具有高度的規范性，對電路參數要求不嚴，容易大規模集成和大規模生產，價格不斷降低，這也是DSP芯片和超大規模可編程器件發展迅速的主要因素之一。由于采用了大規模集成電路，數字系統體積小、重量輕、可靠性強。

4）可以實現模擬系統無法實現的諸多功能數字信號可以存儲，數字系統可以進行各種復雜的變換和運算。這一優點更加使數字信號處理不再僅僅限于對模擬系統的逼近，它可以實現模擬系統無法實現的諸多功能。例如，電視系統中的畫中畫、多畫面以及各種視頻特技，包括畫面壓縮、畫面放大、畫面坐標旋轉、演員特技制作；變聲變調的特殊的配音制作；解卷積；圖像信號的壓縮編碼；高級加密解密；數字濾波器嚴格的線性相位特性,等等。

4．數字信號處理涉及的理論、實現技術與應用正是由于以上的優點，數字信號處理的理論和技術一出現就受到人們的極大關注，發展非常迅速。國際上一般把1965年作為數字信號處理這一門新學科的開端，40多年以來，這門學科基本上形成了自己一套完整的理論體系，其中也包括各種快速的和優良的算法。而且隨著各種電子技術及計算機技術的飛速發展，數字信號處理的理論和技術還在不斷豐富和完善，新的理論和新技術層出不窮。可以說，數字信號處理是發展最快、應用最廣泛、成效最顯著的新學科之一，目前已廣泛地應用在語音、雷達、聲納、地震、圖像、通信、控制、生物醫學、遙感遙測、地質勘探、航空航天、故障檢測、自動化儀表等領域。數字信號處理涉及的內容非常豐富廣泛。其所應用的數學工具涉及微積分、隨機過程、高等代數、數值分析、復變函數、數值方法和各種變換等；數字信號處理的理論基礎包括網絡理論、信號與系統、神經網絡等；數字信號處理的實現技術又涉及計算機、DSP技術、微電子技術、專用集成