第一课现代数字设计及数字信号处理课文 A: 数字信号处理简介1.什么是数字信号处理？数字信号处理，或DSP，如其名称所示，是采用数字方式对信号进行处理。

在这种情况下一个信号可以代表各种不同的东西。

从历史的角度来讲，信号处理起源于电子工程，信号在这里意味着在电缆或电话线或者也有可能是在无线电波中传输的电子信号。

然而，更通用地说，一个信号是一个可代表任何东西--从股票价格到来自于远程传感卫星的数据的信息流。

术语“digital”来源于“digit”，意思是数字（代可以用你的手指计数），因此“digital”的字面意思是“数字的，用数字表示的”，其法语是“numerique”。

一个数字信号由一串数字流组成，通常（但并非一定）是二进制形式。

对数字信号的处理通过数字运算来完成。

数字信号处理是一个非常有用的技术，将会形成21世纪的新的科学技术。

数字信号处理已在通信、医学图像、雷达和声纳、高保真音乐产生、石油开采等很广泛的领域内引起了革命性的变革。

这些领域中的每一个都使得DSP技术得到深入发展，有该领域自己的算法、数学基础，以及特殊的技术。

DSP发展的广度和深度的结合使得任何个人都不可能掌握已发展出的所有的DSP技术。

DSP教育包括两个任务：学习应用数字信号处理的通用原则及学习你所感兴趣的特定领域的数字信号处理技术。

2.模拟和数字信号在很多情况下，所感兴趣的信号的初始形式是模拟电压或电流，例如由麦克风或其它转换器产生的信号。

在有些情况下，例如从一个CD播放机的可读系统中输出的信号，信号本身就是数字的。

在应用DSP技术之前，一个模拟信号必须转换成数字信号。

例如，一个模拟电压信号，可被一个称为模数转换器或ADC的电路变换成数字信号。

该转换器产生一系列二进制数字作为数字输出，其值代表每个采样时刻的输入模数转换设备的电压值。

3.信号处理通常信号需要以各种方式处理。

例如，来自于传感器的信号可能被一些没用的电子“噪声”污染。

测心电图时放在病人胸部的电极能测量到当心脏及其它肌肉活动时微小的电压变化。

信号也常会被来自于电源的电磁干扰所影响。

采用滤波电路处理信号至少可以去掉不需要的信号部分。

如今，对信号滤波以增加信号的质量或抽取重要信息的任务越来越多地由DSP技术完成而不是采用模拟电路完成。

4.DSP的发展和应用数字信号处理的发展起源于60年代大型数字计算机进行数字处理的应用，如使用快速傅立叶变换（FFT）可以快速计算信号的频谱。

这些技术在当时并没有被广泛应用，因为通常只有在大学或者其它的科研机构才有合适的计算机。

由于当时计算机很贵，DSP仅仅局限于少量的非常重要的应用。

先驱们的探索工作主要集中在4个关键领域：雷达和声纳，用于保卫国家安全；石油开采，可以赚大量的钱；空间探索，其中的数据是不能重复产生的；及医学图像，可以救治生命。

20世纪80年代到90年代个人电脑的普及使得DSP产生了很多新的应用。

与以往由军方或政府的需求驱动不同，DSP突然间由商业市场的需求驱动了。

任何认为自己能在这个飞速发展的领域赚钱的人都会立即成为DSP供应商。

DSP通过在移动电话、CD播放器及语音邮件等产品中应用进入了公共应用领域。

这些技术革命是自上而下发生的。

在20世纪80年代早期，DSP是电子工程专业的研究生课程，10年后，DSP成为了本科生课表中的一部分。

今天，DSP是很多领域的科学家及工程师需要掌握的标准技能。

DSP可以与以前的电子技术的发展相类比。

在电子工程领域，几乎每个科学家和工程师都具有基本的电路设计背景。

否则，他们将在技术界落伍。

DSP的将来也会如此。

DSP已在科学及工程的许多领域掀起了变革。

其中的一些扩展应用如图1所示。

5.数字信号处理器(DSPs)20世纪70年代后期及80年代前期微处理器的出现使得DSP技术在更广泛的范围内应用成为可能。

然而，通用的微处理芯片，如Intel的X86系列用于对数字敏感的DSP应用并不理想，在20世纪80年代，DSP变得越来越重要，这导致了很多主要的电子元件制造商（如德州仪器, ADI及摩托罗拉等）开始重视开发数字信号处理器芯片—一种专用的微处理器，具有专为数字信号处理需求操作而设计的系统结构。

（这里要注意的是，DSP的缩写可指数字信号处理，这个术语表示广泛应用的用于数字化地处理信号的技术，或者数字信号处理器，一种特殊的微处理芯片）。

与通用的微处理芯片一样，一个DSP是一个可编程设备，具有私有的指令码。

DSP芯片每秒可以执行上百万次的浮点数运算，像其它更广为人知的通用微处理器一样，更快更强大的DSP在不断地出现。

DSPs可以被嵌入到其它通常包括模拟和数字电路的复杂片上系统设备中。

空间：空间图像增强；数据压缩；通过空间探索进行智能传感分析医学：诊断图像（CT，MRI，超声波及其它）；心电图分析；医学图像存储/恢复商业：多媒体展示的图像和声音压缩；电影特效；视频会议DSP 电话：语音及数据压缩；去回声；信号复用滤波军事：雷达；声纳；军火指挥；安全通信工业：石油和采矿预测；过程监视/控制；非破坏性测试；CAD设计工具科学：地震记录及分析；数据采集；频谱分析；仿真和建模图1 DSP的应用领域虽然DSP技术所依赖的一些数学理论，如傅立叶变换及希尔伯特变换、数字滤波器设计及信号压缩等，可能相当复杂，而实际中实现这些数字运算的技术却非常简单，其包括的主要运算可由一个廉价的具有加减乘除功能的四则运算器实现。

DSP芯片的结构设计使得这些运算的速度快得不可思议，每秒钟可处理上亿次的采样值，从而具有实时性：也就是说，当其处理一个信号时，使之像刚刚采样并输出一样具有实时性。

如一个扬声器或一个视频显示。

以前所提到的所有的DSP的应用实例，如硬盘驱动器和移动电话，都需要实时操作。

主要的电子元件制造商都在DSP技术领域大量投资。

因为他们发现在具有大规模市场的应用产品中，DSP芯片在全世界电子设备中占了很大的比例。

现在每年的销售额在10亿美元左右，并且看来会持续快速增长。

6.DSP的深度如同你从每个应用中所注意到的一样，DSP是非常交叉的学科，依赖于许多相邻领域的技术工作。

如图2所示。

DSP与其它技术学科之间的边界不是非常精确或明确定义的，而是非常模糊或相互重叠的。

如果你想精通DSP，就需要同时学习相关的科学、工程及数学领域的知识。

图2.数字信号处理与其它领域具有模糊及重叠的边界7.DSP影响的领域1）电信DSP在很多领域对电信工业具有革命性的影响：信号音调的产生和检测、频带搬移、滤波以去除电源噪声等。

这里将要讨论来自电话网的三个特例：复用、压缩及回声控制。

(1)复用世界上大约有10亿部电话。

只要按下很少的一些按钮，交换网允许其中的一部与任何别的电话在几秒之内连接。

这项工作的复杂性是人脑所不能想象的。

直到20世纪60年代，两个电话之间的连接还需要将模拟话音信号通过机械开关及放大器进行传送。

一个连接需要一对线。

相比较而言，DSP将音频信号转换成一串数字信号流。

由于比特流可以很容易地被混放在一起并且事后可以分开，因此，许多路话音可以在一条信道上传输。

该技术称为复用。

(2)压缩当以8000个采样值/秒的速度对一个话音信号进行数字化时，大多数的数字信息是冗余的。

也就是说，由一个采样携带的信息与其相邻采样在很大程度上是重复的。

很多DSP算法用于将数字化的语音转换成需要较少的bits/sec的数据流，这称为数据压缩算法。

对应的解压缩算法用于将信息恢复成其原始形式。

这些算法根据压缩比及最后的话音质量来区分优劣。

通常来说，这些算法可以使数据率从64kb/sec减少到32kb/s而不会导致话音质量的损失。

(3)回声控制回声是长距离电话连接中的一个严重的问题。

当你对一个电话讲话时，一个代表你声音的信号会被传输到所连接的接收端，而其中的一部分会以回声的形式返回。

如果连接只有几百米，收到回音的时间间隔仅有几毫秒。

人的耳朵习惯于收到这么短时间延迟的回声，连接听起来相当正常。

当距离增大时，回声会变得非常惹人注意并且让人无法忍受。

洲际通信的回声间隔可达几百毫秒，这是相当让人讨厌的。

数字信号处理技术通过测量返回信号，并产生一个相应的相反信号以抵消这些令人讨厌的回声来处理这类问题。

同样的技术还用于令使用话筒的人能边听边说而不会觉得有回音。

这也可用于通过产生数字相反噪音来减少环境噪音。

2）语音处理人类的两个最基本的感观是视觉和听觉。

相应地，许多DSP是与图像及声音处理有关的。

人们可以听到音乐和话音。

DSP在这两个领域都曾带来革命性的变化。

（1）音乐从音乐家的麦克风到高保真音响之间的距离是相当长的。

用数字信号代表数据是很重要的，目的是防止模拟话音存储及处理中常有的话音衰退现象。

这与任何一个人将磁带的声音质量与CD的声音质量进行对比的结果是一样的。

一个典型的场景是，一段音乐在录音棚中是通过不同的声道进行录制的。

有些情况下，这甚至包括分别录制各个乐器及歌唱者的声音。

这样做的目的是给声音工程师以极大的灵活性去制作最后的产品。

将单独声道的音乐合成为最终音乐的过程被称为合成。

DSP在音乐合成中可以提供多种重要功能，包括:滤波、信号附加及截断、信号编辑等。

在音乐合成中DSP最有趣的一个应用是人工回放。

如果各个信道仅仅是简单地叠加在一起，最后听到的音乐是脆弱无力的，就如同音乐家在门外演奏一样。

这就是为什么听众被音乐的回声或回音深深影响着，而这些常在演播室中被最小化了。

DSP使得人工回声在混合过程中被加到音乐中以仿真不同的听觉环境。

具有几百毫秒的延迟的回声会让人觉得像是大教堂一样的环境，而加上10-20毫秒延迟的回声可以产生更加现代的听觉感受。

（2）话音产生话音产生和识别用于人和机器之间的通信。

不是用手和眼睛，而是用嘴和耳朵。

当你的手和眼睛需要做别的如开车，进行外科手术或对敌人开枪等事情时，这项技术将给你带来极大的方便。

有两种计算机产生话音的方式：数字录音或声道仿真。

（3）语音识别对人类声音的自动识别要比话音产生难得多。

数字信号处理通常通过两步解决话音识别的问题：特征抽取及特征匹配。

来自于音频信号的每个单词都被隔离开并与先前所输的单词相比较以确认与那个最接近。

通常，这种系统仅限于很少的几百个单词；仅能接受在单词间具有明显停顿的话音；对每个说话的人都需要重新学习。

8.图像处理图像是具有特殊特点的信号。

首先，是在空间对参数的测量，而大多数信号是在时间上对参数的测量。

其次，图像包含了大量的信息。

例如，存储一秒钟的电视图像需要10M的空间。

这要比同样长度的话音信号大1000倍。

第三，最后对于图像质量的判断常通过人类的主观评估而非客观标准来判断。

这些特殊的特点使得图像处理成为DSP中非常独特的一个子集。

课文B: 现代数字设计1.综述光速已经太慢了。