數(shù)字信號處理技術(shù)論文(2)
數(shù)字信號處理技術(shù)論文
數(shù)字信號處理技術(shù)論文篇二
淺談數(shù)字信號處理技術(shù)的應用
【摘要】數(shù)字信號處理是將信號以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術(shù)，是數(shù)字化時代的重要發(fā)展方向。本文對數(shù)字信號處理技術(shù)的理論，及其應用領(lǐng)域進行了簡單的介紹，并對其未來的發(fā)展方向進行了討論。
【關(guān)鍵詞】數(shù)字信號處理;應用;發(fā)展方向
一、數(shù)字信號處理原理
數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，簡稱DSP)是一門可以將將信號以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術(shù)。數(shù)字信號處理可以對真實世界的連續(xù)模擬信號進行測量或濾波，也就是利用計算機或者專業(yè)的處理設(shè)備，將信號以數(shù)字方式進行采集，變換，濾波，估值，增強，壓縮，識別等處理，進而以得到人們需要的信號形式。
數(shù)字信號處理是將信號以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術(shù)，數(shù)字信號處理與模擬信號處理是信號處理的子集。數(shù)字信號處理器(DSP)是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理算法的微處理器，其主要應用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。數(shù)字信號處理器是在微電子學以及數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展到一定階段后產(chǎn)生的一種用于數(shù)字信號處理操作的專用芯片器件。其可以通過過濾、抽樣、轉(zhuǎn)換等方法，將收集的初始信號按照一定的所需要求(比如放大、縮小或濾波)，再通過一些必要的適當處理(模數(shù)轉(zhuǎn)換)得到數(shù)字信號。當然，數(shù)字信號處理器也具有將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的功能，其同樣需要一些必要的適當處理(數(shù)模轉(zhuǎn)換)。上述的處理方法進一步完善便可以發(fā)展為數(shù)字信號處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于許多領(lǐng)域，比如航空領(lǐng)域、雷達領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、家用電器領(lǐng)域、自動控制領(lǐng)域等。普通 DSP 具有已改進的哈佛結(jié)構(gòu)、多總線結(jié)構(gòu)以及流水線結(jié)構(gòu)，而 TMS320LF2407A 屬于 TI 公司的 TMS320 系列 DSP，其除了具有上述結(jié)構(gòu)還具有專門為數(shù)字處理控制而設(shè)計的結(jié)構(gòu)，通過采用高性能的靜態(tài) CMOS 技術(shù)，將電壓從一般的 5V 降為現(xiàn)在的 3.3V，這樣做的突出優(yōu)點就是減少了電源功耗。并且，TMS320LF2407A 芯片將執(zhí)行指令的速率提升至40MIPS(百萬指令每秒)，即意味著幾乎所有的指令均具有在 25ns 內(nèi)完成的能力，具有這樣的高運算速度需要采用高級的控制算法(比如，模糊控制、卡爾曼濾波、狀態(tài)控制)。除此之外，TMS320LF2407A 芯片還必須具有電機控制的外圍設(shè)備(比如，32kB 閃存、2kB RAM、SPI(串行外設(shè)接口)、SCI(串行通信接口)、具有兩個事件的管理模塊、A / D 轉(zhuǎn)換器(16 通道雙 10 位)以及 CAN 控制模塊)。
二、數(shù)字信號處理的算法
數(shù)字信號處理的主要算法是離散傅里葉變換(DFT)，DFT先將信號在數(shù)字域和頻域?qū)崿F(xiàn)離散化，再利用計算機或者是專用的處理設(shè)備如數(shù)字信號處理器(DSP)處理離散信號。但是真正使數(shù)字信號處理從理論走向?qū)嵱玫乃惴ㄊ强焖俑道锶~變換(FFT)，F(xiàn)FT的出現(xiàn)DFT的運算次數(shù)大為減少，使實時的數(shù)字信號處理成為可能，極大促進了該學科的發(fā)展。
傅立葉變換是數(shù)字信號處理重要的組成部分，時間和頻率是數(shù)字信號處理中的兩個最基本也是最重要的表達信號。傅立葉正變換或反變換，可以把時間域信號轉(zhuǎn)到頻率域或把頻率域信號轉(zhuǎn)到時間域，但是我們所要測量的信號大部分是連續(xù)周期信號，不能直接在計算機上計算出它的傅里葉變換，但是可以通過DFT及其快速算FFT實現(xiàn)時域和頻域都離散化的變換，可以再在計算機上實現(xiàn)信號的頻譜分析及其他方面的處理，因此DFT在數(shù)字信號處理和數(shù)字圖像處理中得到了廣泛的應用，通過它建立了離散時域與離散頻域之間的關(guān)系。
三、數(shù)字信號處理目前的主要應用領(lǐng)域
數(shù)字信號處理的實質(zhì)就是把現(xiàn)實世界里的信息轉(zhuǎn)換成另一種形式，通過計算機輔助設(shè)備的幫助提取出來，轉(zhuǎn)換成能為人或計算機設(shè)備可以識別的另一種形式。目前國內(nèi)外的學者認為DSP在數(shù)字信號處理方面有很大的優(yōu)勢，因為具有靈活性大、體積小、功耗低、精度高、可靠性高、等優(yōu)點，已經(jīng)在數(shù)字信號處理方面廣泛應用。
1.語音信號處理
語音信號是數(shù)字信號處理的重要組成部分，其中包括：語音的識別，語言的理解，語音的合成，語音的增強，語音的壓縮等。發(fā)展語音信號處理的目的是為了制造聲碼器，是智能計算機和智能機器人的發(fā)展的基礎(chǔ)。
2.數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器
調(diào)制解調(diào)器是數(shù)字信號處理器的傳統(tǒng)應用領(lǐng)域之一，它作為多媒體信息處理系統(tǒng)與通信部分聯(lián)系的紐帶，利用PC機實現(xiàn)Internet的撥號連接，是目前最簡單便捷的連接方式。
隨著網(wǎng)絡(luò)信息時代的到來，使用Internet的用戶數(shù)量逐步增長，低性能的DSP器件已經(jīng)滿足不了客戶的需求，研制可以傳送速度更快、傳遞信息量更多的高性能的DSP是未來的發(fā)展方向。
3.圖形圖像處理需求
圖像信號處理可以用于DVD里應用的活動圖像壓縮，可以研究月球的地貌、氣象云圖的分析、宇宙星體的構(gòu)成等，所以已經(jīng)被廣泛的應用到各個領(lǐng)域。同時還可以根據(jù)圖像信號處理的特點，將圖像進行壓縮、解壓、分割、識別、編碼和重建等幾個方面。
4.汽車電子系統(tǒng)及其它應用領(lǐng)域
隨著汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車電子系統(tǒng)行業(yè)也逐步發(fā)展，而汽車電子系統(tǒng)主要是利用數(shù)字信號處理技術(shù)(DSP)里的紅外線和毫米雷達裝備，或者是利用DSP處理過的圖形數(shù)據(jù)進行安全分析，保證安全駕駛。目前，DSP已經(jīng)在汽車電子系統(tǒng)的領(lǐng)域得到認可。
5.生物醫(yī)學信號處理
在生物醫(yī)學方面信號處理主要是用來輔助生物醫(yī)學基礎(chǔ)理論的研究和用于診斷檢查和監(jiān)護，其中包括細胞學、腦神經(jīng)學等方面的基礎(chǔ)理論研究。
數(shù)字信號處理在腦電或心電的自動分析系統(tǒng)、斷層成像技術(shù)中有成功的例子，為生物醫(yī)學提供了一種新的研究方法，降低了死亡率。
目前，數(shù)字信號處理已經(jīng)應用到多種學科，如振動信號處理、地球物理信號處理等方面，雖然應用領(lǐng)域不同，其中的核心技術(shù)大致相同。由此可見，數(shù)字信號處理已經(jīng)成為當今世界的核心技術(shù)之一。 6.在移動機器人中的應用
在基于 USB 總線的新型開放式移動機器人控制系統(tǒng)中，機器人以 PC 為上位計算機，用一塊 DSP運動控制卡對機器人的兩個步進電機進行控制。并采用 USB 總線進行上下位機之間的通訊，很好地實現(xiàn)了機器人的實時控制，設(shè)計制作的一種分布式超聲環(huán)境探測系統(tǒng)，可用于實現(xiàn)移動機器人的環(huán)境地圖建立、定位、目標跟蹤、導航、避障等功能。DSP運動控制卡是以 TMS320LF2407 芯片(上述)為核心的，通過發(fā)送脈沖信號實現(xiàn)移動機器人的左右兩路步進電機。DSP 控制系統(tǒng)的工作原理如下：首先，對該移動機器人周圍的障礙物采集有關(guān)的信息;隨后通過 USB 總線，向上位計算機發(fā)送所采集的障礙物信息，并接收上位計算機 PC 所規(guī)劃的路徑軌跡的命令或軌跡無線信號;然后，將所接收到的路徑軌跡命令或軌跡無線信號轉(zhuǎn)化成脈沖信號;最后，通過所轉(zhuǎn)化的脈沖信號實現(xiàn)對步進電機的控制，進一步實現(xiàn)對基于 USB 總線的移動機器人的運動控制。
以2009 年全國大學生電子設(shè)計競賽為例，有一個可移動帶有聲源的移動機器人 S，三個聲音接收器 A、B 和 C，聲音接收器之間有線連接。聲音接收器能利用可移動聲源和接收器之間的不同距離，產(chǎn)生一個可移動聲源離 Ox 線(或 O'y 線)的誤差信號，并用無線方式將此誤差信號傳輸至可移動聲源，引導其運動?？梢苿勇曉催\動的起始點必須在 Ox 線右側(cè)，位置可以任意指定。
四、數(shù)字信號處理的發(fā)展
高性能、低功耗、加強融合和拓展多種應用是數(shù)字信號處理未來的發(fā)展方向，如何將DSP芯片越來越多地滲透到各種電子產(chǎn)品當中，也成為各種電子產(chǎn)品尤其是通信類電子產(chǎn)品的核心問題。
1.內(nèi)核結(jié)構(gòu)的改進
將數(shù)字信號處理器的內(nèi)核結(jié)構(gòu)進一步改善，可以使多通道結(jié)構(gòu)和單指令多重數(shù)據(jù)(SIMD)、特大指令字組(VLIM)在新的高性能處理器中將占主導地位。
2.提高速度，降低功耗
提高數(shù)字信號處理的運算速度，降低設(shè)備的功耗，減小尺寸，可以節(jié)省時間的同時減少開支，滿足用戶的需求。
3.數(shù)字信號處理和微處理器的融合
微處理器是一個成本低，可以執(zhí)行智能定向控制任務的通用處理器，能很好的執(zhí)行智能控制任務，但由于其數(shù)字信號處理功能差，縮小了其應用范圍。
數(shù)字信號處理可以彌補微處理器的不足，因此，把DSP和微處理器結(jié)合起來，用單一芯片的處理器實現(xiàn)具有智能控制和數(shù)字信號處理的兩種功能，將加速個人通信機、智能電話、無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的開發(fā)，同時簡化設(shè)計，減小PCB體積，降低功耗和整個系統(tǒng)的成本。
五、結(jié)束語
數(shù)字信號處理將數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和高速實時處理為一體，充分體現(xiàn)了數(shù)字信號處理系統(tǒng)的優(yōu)越性。隨著信號處理應用的不斷發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)將會進一步發(fā)展和提高。
數(shù)字信號處理可以將真實世界的連續(xù)模擬信號進行測量和濾波。在移動機器人領(lǐng)域應用中可以通過數(shù)字信號處理器(DSP)將移動機器人的運動速度、運動軌跡、運動方向等信息通過模數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進行處理、分析，實現(xiàn)對外部硬件和軟件的集成。針對常規(guī)單片機控制系統(tǒng)和采用專用電機芯片系統(tǒng)存在的問題，充分利用 DSP控制器以及TMS320LF2407A 外設(shè)接口豐富及運算速度快的特點，使移動機器人具備良好的調(diào)速性，能達到較高的控制精度，這些基于 DSP 的運動控制器的實現(xiàn)方法，對許多形式的移動機器人驅(qū)動系統(tǒng)具有一定的普適性?；?DSP 的移動機器人控制系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)對移動機器人遠程控制環(huán)境信息的實時控制，更重要的是其在近年來的移動機器人的研究和應用上具有非常重要的意義。
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