信息与通信工程专业英语(第2版)-韩定定-李明明讲课教案

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。