数字信号处理 (DSP)

什么是 DSP？

数字信号处理器 (DSP) 接收已数字化的真实世界信号，例如语音、音频、视频、温度、压力或位置，然后对其进行数学运算。DSP 旨在快速执行“加”、“减”、“乘”和“除”等数学运算。

信号需要经过处理，才能显示、分析其所包含的信息，或将其转换为其他可能有用的信号类型。在现实世界中，模拟产品会检测并处理声音、光线、温度或压力等信号。然后，诸如模数转换器之类的转换器会接收现实世界信号，并将其转换为由 1 和 0 组成的数字格式。之后，数字信号处理器 (DSP) 便会接管这一工作，捕获数字化信息并进行处理。之后，它将数字化信息反馈给现实世界以供使用。DSP 可以通过两种方式之一实现此过程：数字方式或通过数模转换器转换为模拟格式。所有这些操作都以极高的速度进行。

为了说明这一概念，下图展示了 DSP 在 MP3 音频播放器中的应用。在录音阶段，模拟音频通过接收器或其他信号源输入。然后，该模拟信号通过模数转换器转换为数字信号，并传送至 DSP。DSP 执行 MP3 编码并将文件保存到内存中。在播放阶段，文件从内存中取出，由 DSP 解码，然后通过数模转换器转换回模拟信号，以便通过扬声器系统输出。在更复杂的示例中，DSP 还会执行其他功能，例如音量控制、均衡和用户界面。

计算机可以利用 DSP 的信息来控制安防、电话、家庭影院系统和视频压缩等设备。信号可以被压缩，以便能够快速高效地从一个地方传输到另一个地方（例如，电话会议可以通过电话线传输语音和视频）。信号也可以被增强或处理，以提高其质量，或提供人类无法感知的信息（例如，手机的回声消除或计算机增强的医学图像）。虽然现实世界的信号可以以模拟形式处理，但数字信号处理具有高速和高精度的优势。

由于可编程，DSP 可用于各种各样的应用。您可以创建自己的软件，也可以使用 ADI 及其第三方提供的软件来设计适用于特定应用的 DSP 解决方案。如需更详细地了解使用 DSP 处理实际信号的优势，请阅读《模拟对话》文章第一部分：为何使用 DSP？数字信号处理 101 - DSP 系统设计入门课程。

数字信号处理用于什么？

数字信号处理，顾名思义，相当复杂。它可以标准化或解析数字信号，但也能执行各种其他功能，包括滤波、压缩和调制。DSP 算法能够区分有序信号和噪声，尽管它们并不总是能达到完美的结果。

通信系统涉及噪声水平，无论信号是否携带模拟和数字，也无论传输的信息类型如何。

噪声一直是数字信号处理中面临的一个持续挑战，如何提高信噪比(S/N) 至关重要。提高 S/N 的效率需要提高发射信号功率并提升接收灵敏度。

模数转换器

通过使用模数转换器 (ADC)，模拟输入信号被转换为数字信号。最终的数字信号有两个或多个电平。电压或电流的值是精确的，我们可以预测这些电平。因此，输入信号中存在噪声，并且电平并非典型值。通过 DSP 电路配置电平，使其能够调整到正确的值。这种技术可以消除噪声。在最后的过程中，借助数模转换器 (DAC)，数字信号被转换回模拟信号。为了消除噪声并减少信号中的错误，可以通过 DSP 来完成，因为它负责对数字信号进行信号处理。

数字信号处理对于音频应用有何用途？

人们采用各种方法来提升音频质量并提取重要信息。DSP 可用于音乐制作，以提高录音质量、生成新声音并修复音频信号问题。

以下是 DSP 在音频应用中的更多使用实例：

• 降噪技术利用噪声门消除低于预定阈值的音频，以减少音频传输中不需要的噪声。自适应滤波和谱减法是进一步降低噪声的方法。

• 均衡是修改音频信号的频率响应以增强录音质量或产生特定声音印象的过程。

• 压缩用于减小音频文件的大小以方便传输和存储，或增大动态范围以提高音频信号的质量。

• 音调校正可用于产生特定的声音效果、调整声音音调偏差或调整音频信号的音调。

DSP 内部有什么？

DSP 包含以下关键组件：

• 程序存储器：存储 DSP 用于处理数据的程序

• 数据存储器：存储要处理的信息

• 计算引擎：执行数学处理，从程序存储器访问程序，从数据存储器访问数据

• 输入/输出：提供多种连接外界的功能

什么是数字信号处理系统？

数字信号处理器 (DSP) 包含各种信号，例如音频、语音、温度和视频，这些信号会被处理成数字信号，然后由数字信号处理器进行数学运算。DSP 可以非常快速地执行各种数学运算，例如加法、减法、乘法和除法。

DSP 与程序存储器、数据存储器、计算机引擎和输入/输出等关键组件一起工作。

• 程序存储器用于存储程序来处理数据。

• 数据存储器用于存储可以处理的数据。

• 计算引擎执行数学运算，处理来自数据和程序内存的信息。

• 输入或输出提供不同的功能，以便可以集成外部数据源。

数字信号处理器框图

下面是数字信号处理器的框图

DSP框图

数字信号处理的框图包括 以下步骤：

步骤1：在DSP框图中，它从接收电信号开始。它使用输入端的换能器（例如麦克风）将声音转换为电信号。

步骤2：得到电信号后，送到运算放大器的输入端，感应模拟信号，从而放大信号。

步骤3：为了将模拟信号转换为数字信号，我们使用抗混叠滤波器。它指的是抗混叠滤波器。它允许特定阈值的频率通过。高于该阈值的频率会被衰减。为了检查模拟信号，这些不需要的频率会使信号变得复杂。

步骤4：抗混叠滤波器是模拟信号转换为数字信号的关键步骤。它是一种低通滤波器，允许频率达到特定阈值。它会衰减所有高于该阈值的频率。这些不需要的频率会给模拟信号的采样带来困难。

步骤 5：现在它使用模数转换器 (ADC) 来感知模拟信号并提供二进制数字序列。

步骤6：现在，主要组件是数字信号处理器。它利用CMOS芯片制造数字信号处理器。

步骤 7：现在使用数字信号处理器，重要的是将 ADC 的采集率与 DAC 的斜率进行比较。

步骤 8：在这里，我们使用低通滤波器，即平滑滤波器，去除不必要的高频分量并优化输出。

步骤 9：在最后阶段，我们使用运算放大器作为具有输出换能器（即扬声器）的放大器。

数字信号处理器的特点

数字信号处理包括以下特点：

• 数字信号处理器的配置设计用于管理重复任务和计算完成的任务。

• 数字信号处理器管理数据路径并倾向于快速将大量数据传输到内存。

• 为了提高硬件的效率，这些处理器设法提供各种独特的指令集来提高硬件效率。

• 数字信号处理器具有两个独特的特点，例如涉及多路存取存储器架构和快速乘法累加单元的数据路径。

• 流水线技术也常用于提升处理器的性能。许多处理器都采用了流水线技术，这虽然增加了编程难度，但有助于更好地提升性能。

数字信号处理系统的应用

数字信号处理 (DSP) 系统因其在数字信号处理方面的多功能性和有效性，广泛应用于各个领域。DSP 系统的一些常见应用包括：

• 电信：DSP系统用于移动电话、VoIP和视频会议等电信领域的语音和视频信号的编码、解码和压缩。它们用于错误检测和纠正、调制/解调。

• 音频处理：DSP 系统涉及多种音频技术，如滤波、均衡和降噪，如语音识别、更好的音频质量以及其他各个领域。

• 图像处理：DSP 系统用于执行图像过滤、压缩和识别等应用中的各种任务，包括数码相机、医学成像（MRI、CT 扫描）、卫星成像以及其他各个领域。

• 雷达和声纳系统：DSP 系统对于处理雷达和声纳信号以进行国防、航空和其他各个领域的目标检测、跟踪、距离估计和干扰缓解非常重要。

• 控制系统：DSP 系统管理用于反馈控制、过滤的数字系统算法，管理机器人、汽车系统等各个领域的应用。

• 无线通信：DSP 系统涉及无线通信系统（Wi-Fi、蜂窝网络）以执行信号调制、解调、信道估计等任务以及其他各个领域。

• 信号处理：DSP 系统用于不同的传感器，例如加速度计、陀螺仪，这些传感器需要进行信号处理以进行状态监测，以及物联网设备、智能家居等。

数字信号处理的优势和缺点

数字信号处理的优势

数字信号处理器具有以下一些优点：

• 噪声：包括数字信号，数字信号与不需要的信号混合的可能性较小，因此整体噪声较少。

• 检测和校正：它允许使用数字信号中存在的多种错误检测和校正特性，例如作为检测和校正工具，并利用奇偶校验生成和校正。

• 数据存储：用于以简单的方式存储数字数据。需要从不同类型的数字存储器中进行选择。

• 加密：数字信号涉及简单加密。

• 数据传输：利用数字信号所需的工具，通过时分复用技术，在单位时间内通过一条通信路径发送大量数据，从而可以传输更多数据。

数字信号处理的缺点

数字信号处理器具有下面提到的一些缺点：

• 复杂性： DSP 系统具有一些复杂性，由于使用额外的组件而导致复杂性的增加。

• 功率：数字信号处理器利用各种晶体管，与模拟信号处理器相比，需要巨大的功率。

• 成本：数字信号处理器非常昂贵。

• 带宽：与模拟方法相比，数字通信使用更宽的带宽来发送数据。

• 采样和量化误差：对模拟信号进行采样并将其量化为数字信号可能会产生误差，并导致信号中信息的衰减。