數(shù)字信號(hào)處理DSP的原理及其應(yīng)用

DSP數(shù)字信號(hào)處理(DIGITAL Signal Processing，簡(jiǎn)稱DSP)是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號(hào)處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實(shí)信號(hào)的方法，這些信號(hào)由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時(shí)間里，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。

DSP原理與特點(diǎn)

數(shù)字信號(hào)處理是將信號(hào)以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術(shù)。數(shù)字信號(hào)處理與模擬信號(hào)處理是信號(hào)處理的子集。DPS原理就是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，以得到符合人們需要的信號(hào)形式。

數(shù)字信號(hào)處理的目的是對(duì)真實(shí)世界的連續(xù)模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量或?yàn)V波。因此在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理之前需要將信號(hào)從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，這通常通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。而數(shù)字信號(hào)處理的輸出經(jīng)常也要變換到模擬域，這是通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的。

數(shù)字信號(hào)處理的算法需要利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備如數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和專用集成電路(ASIC)等。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及設(shè)備具有靈活、精確、抗干擾強(qiáng)、設(shè)備尺寸小、造價(jià)低、速度快等突出優(yōu)點(diǎn)，這些都是模擬信號(hào)處理技術(shù)與設(shè)備所無法比擬的。

數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方法很多，比如 在通用計(jì)算機(jī)上用軟件(如Fortran、C語言)實(shí)現(xiàn);在通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中加上專用的加速處理機(jī)實(shí)現(xiàn);用通用的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，這種方法可用于一些不太復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理，如數(shù)字控制等;

用通用的可編程DSP芯片實(shí)現(xiàn)。與單片機(jī)相比，DSP芯片具有更加適合于數(shù)字信號(hào)處理的軟件和硬件資源，可用于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法;

用專用的DSP芯片實(shí)現(xiàn)，在一些特殊的場(chǎng)合，要求的信號(hào)處理速度極高，用通用DSP芯片很難實(shí)現(xiàn)，例如專用于FFT、數(shù)字濾波、卷積等算法的DSP芯片，這種芯片將相應(yīng)的信號(hào)處理算法在芯片內(nèi)部用硬件實(shí)現(xiàn)，無需軟件編程。

DSP普遍采用數(shù)據(jù)總線和程序總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)，允許取指令和執(zhí)行指令進(jìn)行全部重疊進(jìn)行;可直接在程序和數(shù)據(jù)空間之間進(jìn)行信息傳送，減少訪問沖突，從而獲得高速運(yùn)算能力。

而且大多采用流水技術(shù)，即每條指令都由片內(nèi)多個(gè)功能單元分別完成取指、譯碼、取數(shù)、執(zhí)行等步驟，從而在不提高時(shí)鐘頻率的條件下減少了每條指令的執(zhí)行時(shí)間。DSP通常有三級(jí)以上的流水線。

在每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行多個(gè)操作。針對(duì)濾波、相關(guān)、矩陣運(yùn)算等需要大量乘法累加運(yùn)算的特點(diǎn)，DSP大都配有獨(dú)立的乘法器和加法器，使得在同一周期內(nèi)可以完成相乘、累加兩個(gè)運(yùn)算。有的DSP可以同時(shí)進(jìn)行乘、加、減運(yùn)算，大大加快了FFT的蝶形運(yùn)算速度。

DSP系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

(1)通用數(shù)字信號(hào)處理：數(shù)字濾波、卷積、相關(guān)、FFT、自適應(yīng)濾波、波形發(fā)生等。

(2)通信領(lǐng)域：高速調(diào)制解調(diào)器、編/譯碼器、傳真、程控交換機(jī)、衛(wèi)星通信、IP電話等。

(3)語音處理：語音識(shí)別、合成、矢量編碼、語音信箱等。

典型DSP系統(tǒng)

由DSP器件為核心構(gòu)成的最小系統(tǒng)包括電壓調(diào)整器、復(fù)位電路、晶體振蕩器以及程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(一般利用DSP器件的內(nèi)部資源)

典型DSP系統(tǒng)