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第一课当代数字设计及数字信号处理

课文A:数字信号处理介绍

什么是数字信号处理？

数字信号处理，或DSP，如其名称所表示，是采取数字方式对信号进行处理。在这种情况下一个信号能够代表各种不一样东西。从历史角度来讲，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数据信息流。术语“digital”起源于“digit”，意思是数字（代能够用你手指计数），所以“digital”字面意思是“数字，用数字表示”，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。对数字信号处理经过数字运算来完成。

数字信号处理是一个非常有用技术，将会形成二十一世纪新科学技术。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、石油开采等很广泛领域内引发了革命性变革。这些领域中每一个都使得DSP技术得到深入发展，有该领域自己算法、数学基础，以及特殊技术。DSP发展广度和深度结合使得任何个人都不可能掌握已发展出全部DSP技术。DSP教育包含两个任务：学习应用数字信号处理通用标准及学习你所感兴趣特定领域数字信号处理技术。

模拟和数字信号

在很多情况下，所感兴趣信号初始形式是模拟电压或电流，比如由麦克风或其它转换器产生信号。在有些情况下，比如从一个CD播放机可读系统中输出信号，信号本身就是数字。在应用DSP技术之前，一个模拟信号必须转换成数字信号。比如，一个模拟电压信号，可被一个称为模数转换器或ADC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输入模数转换设备电压值。

信号处理

通常信号需要以各种方式处理。比如，来自于传感器信号可能被一些没用电子“噪声”污染。测心电图时放在病人胸部电极能测量到当心脏及其它肌肉活动时微小电压改变。信号也常会被来自于电源电磁干扰所影响。采取滤波电路处理信号最少能够去掉不需要信号部分。如今，对信号滤波以增加信号质量或抽取主要信息任务越来越多地由DSP技术完成而不是采取模拟电路完成。

DSP发展和应用

数字信号处理发展起源于60年代大型数字计算机进行数字处理应用，如使用快速傅立叶变换（FFT）能够快速计算信号频谱。这些技术在当初并没有被广泛应用，因为通常只有在大学或者其它科研机构才有适宜计算机。

因为当初计算机很贵，DSP仅仅局限于少许非常主要应用。先驱们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，能够赚大量钱；空间探索，其中数据是不能重复产生；及医学图像，能够救治生命。

20世纪80年代到90年代个人电脑普及使得DSP产生了很多新应用。与以往由军方或政府需求驱动不一样，DSP突然间由商业市场需求驱动了。任何认为自己能在这个飞速发展领域盈利人都会立刻成为DSP供给商。DSP经过在移动电话、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。在20世纪80年代早期，DSP是电子工程专业硕士课程，后，DSP成为了本科生课表中一部分。今天，DSP是很多领域科学家及工程师需要掌握标准技能。DSP能够与以前电子技术发展相类比。在电子工程领域，几乎每个科学家和工程师都具备基本电路设计背景。不然，他们将在技术界落伍。DSP未来也会如此。DSP已在科学及工程许多领域掀起了变革。其中一些扩展应用如图1所表示。

数字信号处理器(DSPs)

20世纪70年代后期及80年代前期微处理器出现使得DSP技术在更广泛范围内应用成为可能。然而，通用微处理芯片，如IntelX86系列用于对数字敏感DSP应用并不理想，在20世纪80年代，DSP变得越来越主要，这造成了很多主要电子元件制造商（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—一个专用微处理器，具备专为数字信号处理需求操作而设计系统结构。（这里要注意是，DSP缩写可指数字信号处理，这个术语表示广泛应用用于数字化地处理信号技术，或者数字信号处理器，一个特殊微处理芯片）。与通用微处理芯片一样，一个DSP是一个可编程设备，具备私有指令码。DSP芯片每秒能够执行上百万次浮点数运算，像其它更广为人知通用微处理器一样，更加快更强大DSP在不停地出现。DSPs能够被嵌入到其它通常包含模拟和数字电路复杂片上系统设备中。

空间：空间图像增强；数据压缩；经过空间探索进行智能传感分析

医学：诊疗图像（CT，MRI，超声包括其它）；心电图分析；医学图像存放/恢复

商业：多媒体展示图像和声音压缩；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