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

模擬信號處理

也許簡單的模擬信號處理示例是圖 1 中所示的熟悉的 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較低頻率的分量。在這個(gè)例子中，信號處理的目的是消除高頻噪聲并提取信號中需要的部分。

請注意，輸入和輸出均為模擬形式。這是一個(gè)很大的優(yōu)勢，因?yàn)閷茖W(xué)和工程感興趣的信號本質(zhì)上是模擬的。因此，對于模擬信號處理，信號處理模塊的輸入和輸出端不需要接口電路（ADC 和 DAC）。

模擬信號處理的缺點(diǎn)

模擬信號處理的一個(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源元件（電阻器、電容器、電感器和放大器）的精度。例如，上述低通濾波器的截止頻率 (f C ) 由下式給出：

\[f_{C} = \frac{1}{2\pi RC}\]

如您所見，濾波器響應(yīng)是組件值的函數(shù)。由于無法以完美的精度制造電子元件，因此模擬電路的精度受到限制。由于元件容差，性能不是 100% 可重復(fù)的，我們預(yù)計(jì)不同電路參數(shù)的板與板之間會有一些差異。

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)整元件的值（需要修改硬件）。數(shù)字信號處理不是這種情況。使用 DSP，甚至可以通過簡單地更改一些可編程系數(shù)將低通濾波器變成高通濾波器。 

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）。這與可以輕松實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算的數(shù)字領(lǐng)域形成鮮明對比。

數(shù)字電路不受上述限制。例如，雖然元件值和寄生效應(yīng)的變化會輕微改變 CMOS 反相器門的延遲，但門的整體功能將得到保留。因此，與模擬電路不同，數(shù)字電路不易受組件變化和寄生效應(yīng)的影響。數(shù)字電路也更靈活，適合實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)功能。

剩下的問題是，我們需要哪些基本組件來處理數(shù)字域中的信號。

如圖 2 所示，我們需要在信號處理模塊的輸入和輸出端使用模數(shù) (A/D) 和數(shù)模 (D/A) 轉(zhuǎn)換器，以便將我們的數(shù)字電路與現(xiàn)實(shí)世界連接起來模擬信號。

圖 2。

A/D轉(zhuǎn)換器的作用

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

圖 3。

然后，它量化每個(gè)樣本的幅度。圖 4 顯示了 4 位 ADC 如何量化模擬輸入。

圖 4。

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，對于圖 4 中所示的藍(lán)色曲線，將輸入信號與 ADC 的 16 個(gè)離散電平進(jìn)行比較的過程可能會導(dǎo)致所描繪的紅色曲線。然后，ADC使用二進(jìn)制代碼來表示所獲得的階梯近似的每。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。這與模擬信號處理形成對比，在模擬信號處理中，輸入是連續(xù)時(shí)間信號，可以取指定范圍內(nèi)的任何值。

DAC 的作用

信號經(jīng)過“數(shù)字信號處理器”塊處理后，我們通常需要將其轉(zhuǎn)換為等效的模擬信號。這是通過 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，數(shù)字信號處理系統(tǒng)用于添加回聲或調(diào)整聲音的速度和音高以獲得完美的聲音。然后，處理后的信號被傳送到 DAC 以產(chǎn)生可由揚(yáng)聲器輸出的模擬信號。請注意，有些 DSP 應(yīng)用不需要 DAC。例如，雷達(dá)中采用的數(shù)字信號處理算法可能會為我們提供飛機(jī)的位置和速度。這些信息可以簡單地打印在紙上。

“數(shù)字信號處理器”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件，如下所示。

圖 6。

因此，數(shù)字信號處理器實(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)算資源非常寶貴，因此數(shù)字信號處理試圖為我們提供實(shí)現(xiàn)快速、計(jì)算高效算法的工具和技術(shù)。

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)字域中處理輸入信號的應(yīng)用。這包括但不限于音頻和視頻壓縮、語音處理和識別、數(shù)字圖像處理和雷達(dá)應(yīng)用。

在這些領(lǐng)域中的每一個(gè)領(lǐng)域謀求職業(yè)生涯都需要掌握廣泛的 DSP 算法、數(shù)學(xué)和技術(shù)。事實(shí)上，任何一個(gè)人都不太可能掌握所有已經(jīng)開發(fā)的 DSP 技術(shù)。然而，一些常見的 DSP 概念，如濾波、相關(guān)和頻譜分析，幾乎在所有 DSP 應(yīng)用中都會用到。因此，DSP 教育的步是掌握基本概念，然后專注于特定興趣領(lǐng)域所需的技術(shù)。

DSP 的一些基本概念以及與數(shù)字圖像處理相關(guān)的一些技術(shù)在我以前的文章中都有介紹。我還有一個(gè)關(guān)于 FPGA 和基于 FPGA 的 DSP 算法實(shí)現(xiàn)的系列文章，它們可能會幫助您開始處理這個(gè)相對困難的主題。